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空气洁净技术8洁净室原理主要介绍不同类型洁净室的特点，创造洁净环境的原理，以及保证洁净室达到一定洁净级别的其它措施。8.1控制污染的途径洁净室分工业洁净生物洁净室，工业用的以控制非生物微粒污染为主的是以工业洁净室，典型如集成电路、胶片、录音带、录象带生产、精密加工等生产车间，制药工业（含化妆品工业）、食品工业，虽是工业用途，但以控制生物微粒为主，属生物洁净室，另外手术室，无菌病房，都是生物洁净室。应该指出，所谓生物洁净室控制的是生物微粒与工业洁净室控制的微粒，对过滤器而言都是微粒，除去（过滤）效率的高低主要取决于粒径，所以控制微粒污染的途径是一样的：过滤、相应类型的气流组织。对于生物洁净室而言还辅助有其它灭菌措施，如定期药物薰蒸（甲醛），药剂清洗，紫外灯照射等。控制微粒污染的途径分几个方面（保证洁净度的措施）。1）防止、阻止室外微粒进入室内（若室内有辐射的有害物，防止扩散到室外）。建筑结构方面门窗的严密性，布局合理，对净化系统而言靠①气流组织，新风量维持室内正压（负压）。②设缓冲室或气闸室。2）控制污染源，减少微粒发生量。建筑方面：不产尘、不易积尘、易清扫、无棱角、油漆或特殊涂料、灯具、吊顶做法，规定：本专业人员，物品进入，空气吹淋减少发生量。3）迅速有效排除室内已经发生的污染。工艺、人员发尘，阻止其扩散，快速排走或稀释到允许浓度；足够大风量的洁净空气，合理的气流组织，为最主要的部分。兼顾经济性。8.2乱流洁净室原理8.2.1乱流洁净室原理洁净室按气流组织来分，最初分二种：一种称层流即后来称为单向流或平行流洁净室；另一种与之相对应气流流向不平行，方向不单一，故称之为乱流洁净室，按流态与层流相对应为紊流，而日文中乱流就是紊流的意思。实际上，从流体力学角度用雷诺数Re的大小来区分层流紊流，层流洁净室和紊流洁净室的流态均属紊流。所以，为区别层流的含意用单向流，乱流也称非单向流。现在已有第三种，称辐射流，与前二者有区别。乱流洁净室的送回风形式：1）离效过滤器顶送、侧下回。（视顶棚大小1个或数个，带扩散板或无扩散板）图8-4（a）2）密集流线型散流器顶送、侧下回。图8-4（b）该种散流器专用于净化空调，风量大，下送型。3）洁净室气经高效过滤后由局部孔板顶送。图8-4（c）4）侧送同侧下回。图8-4(d)常见的乱流形式有a.带扩散板散流器顶送和b密集流线型散流器顶送。从图8-4可看出洁净空气从高效过滤器风口或局部孔板送出后，流动截面突然扩大，属不均匀流动，在一些部位形成涡流，由于送出气流要卷积周围空气，洁净气流能完全笼罩的面积很少，或者说到工作区时气流的洁净度已不如气流出口时高，如d图侧送同侧下回的方式对于普通空调是一种理想的气流组织，工作区处于回流区送风，温度与室温之间的温差已充分衰减，不会对工作区形成干扰。但对于净化空调而言，该气流组织则应是较差的一种方式，到达工作区时，送风射流已经历了很长的射程，充分卷绕了周围的空气，稀释了微粒的浓度，送到工作区的已不是最洁净的空气，但它也符合乱流洁净室的原理，实质就是稀释作用，换气量越大越好。8.2.2乱流洁净室的风口（1）送风口（无扩散板）由于乱流洁净室是通过稀释作用使整个室内的含尘浓度降低，达到期允许值，因此，希望其送风口的扩散性能要强，而高效过滤器本身作为送风口其扩散角较小，只有十几度，扩散作用范围有限，因而当风口密度较小或间距较大时，采取加扩散板送风的方式，提高其扩散性能，使每个风口能负责更大的区域，图8-8为无扩散板时高效过滤器风口的送风扩散角示意图，α较小，当风口密度大时可以，当风口较少时如图8-7，大部分区域的空气得不到较好的稀释，图8-9为无扩散板高效过滤器风口的速度场，高效风口尺寸为484×484mm，四条点划线为实测速度相同点的连线（等速线），从图中可看出，在距地面1m处，气流速度为0.5m/s的作用范围仅0.5~0.6m。（1）送风口（有扩散板）图8-10为带扩散板高效过滤器风口速度场，图中速度场表示有误，速度场对称轴选错了，但可看出，气流作用范围大多了，0.3m/s速度的作用范围可达近2m，但速度衰减比无扩散板大，图8-9距地1m时，中心部位速度达0.75m/s，而带扩散板中心约0.5m/s，这种扩散板由于四周也是孔板形式因而速度很小，两风口中间的上部空间的稀释作用仍很弱，仍可能留有死角，对其进行改进，图8-11正下方是孔板，四面侧边为条缝形，并使四周的条缝的出风速度高于孔板的出风速度，使得洁净空气能送到洁净室的各个角落，稀释效果更好。（2）回风口对于乱流洁净室，由于是顶送，应该使气流方向与微粒的沉降方向相一致，所以一般均采用下部回风，即侧墙下部设回风口，例如省中医院洁净手术室在苏州人民医院洁净手术室四个墙角设回风口（换气次数大，回风口又有速度限制）。在普通空调中看到大量的上送上回方式送回风口甚至在同一水平面，就气流组织而言，这不是最佳方案，但有时受到种种限制如装修（侧墙不允许，风道不允许穿过等），只能采用此种方式。而洁净室是首先考虑保证洁净度的，外部美观并不重要，所以即使造价大也要做成上送下回的方式，而不会设计成上送上回式，这是因为送风气流尽管也承担消除内负荷的任务，但主要是稀释室内的含尘浓度的，使达到洁净级别，一般而言，在室内为动态运行情况，到达下部的气流的含尘浓度要高于上部，那么由于是上部回风，气流不要返回到顶棚，尽管回风口肯定会设在周边，但回风气流在上升排出过程中仍然有可能污染所经过的工作区，这是不允许的，有一种上回方式是可行的，洁净室下回到洁净室走廊，再由走廊上部回风排走，可避免在下部设回风管道。（3）乱流洁净室的效果测试研究表明，乱流洁净室能达到的最高洁净度为1000级，室内≥0.5μm微粒不超过35粒/升。由于其作用原理的局部性，再高级别实现不了。在实际工程中需要时可由其它方式，乱流中设置局部单向流（层流罩）。8.3单向流洁净室原理8.3.1单向流洁净室的分类也称平行流洁净室，原称层流洁净室。分为两种：垂直、水平单向流洁净室。（1）垂直单向流洁净室①顶棚满布高效过滤器送风，有四种形式图8-12，图8-13，地板全部为格棚回风口，送风气流从顶部静压箱经过高效过滤器后像活塞一样推向地面，被风机吸入地板下回风负压的静压层。房间的任何位置都可获得高洁净度的气流，因而工艺设备可以任意布置。造价高、维护费用高、更换、检漏困难；②顶棚上部侧面布置高效过滤器，顶棚阻尼层送风，全地板格栅回风，图8-14，空气进入静压层之前先通过侧面布置的高效过滤器，然后经顶部的开孔率很大的孔板送到室内。为了使孔板出风口均匀，在孔板上设置一用尼龙纱网和轻型框架阻尼层，这样空气送入室内也能形成活塞式的单向流，较第一种造价低。③顶棚和侧面双布高效过滤器送风，全地板格栅回风（图8-15），相当于在第一种方式基础上又加了一级高效过滤，其目的除了可获得更高的洁净度外，还要减少顶棚高效过滤器的更换和检漏，实际上顶棚上的高效过滤器已不容尘了，只更换侧面的高效过滤器就行了，维护费用较第一种小些。④全顶棚送风，两侧下回风（图8-17），较前三种形式，相对简易了些，省去了回风地板格栅和静压层及龙骨支架等费用，因此有人称其为准层流（单向流）洁净室，实践表明，这种洁净室在室宽小于6米时可以达到100级。（2）水平单向流洁净室有两种形式：①送风侧墙满布高效过滤器水平送风，对面全墙面回风（图8-18），送风气流像活塞水平推进，回风墙一般满布中效过滤器或亚高效过滤器。这种气流组织方式较垂直平行流无论从一次投资还是运行维护费用都节省，但动态情况沿送风气流方向会形成不同的洁净度，紧靠送风墙的区域洁净度最高，邻近回风墙则微粒浓度最高，因此布置工艺时应按主次排序。②“隧道式”单向流送风（图8-19）所谓隧道式（单向流）是取一端向很远延伸、没有尽头的意思，具体是指有高效过滤器送风墙但对面没有回风墙，空气一直向前送，没有回路（回风），因而高效过滤器过滤的是周围环境的空气。很显然，隧道式单向流洁净室应设在洁净环境之内，只不过它创造的环境洁净度再高一些。实际上，上述各种单向流洁净室都处在较洁净的大空间之中或处在洁净房间的包围之中。（3）局部单向流（层流）罩前述垂直、水平单向流洁净室是在整个房间内实现单向流，在实际应用中还有许多工艺要求在大洁净室中的局部要求更高的洁净度，如在十万级洁净室中有一条百级的作业线，由层流罩实现，罩下部刚性，人员活动区可以柔性，用透明薄膜与周围隔开，原理与单向流洁净室是一样的。8.3.2单向流洁净室原理在单向流洁净室内，由于送风面（顶棚或墙面）满布高效过滤器，所以气流是充满全室断面的，气流沿断面没有变化，断面流速均匀，流线方向一致并平行，没有乱流室的那种涡流产生，是为单向流的特征。由于送风气流像活塞一样向前平推，所以它的净化原理不是靠稀释作用，而是靠活塞一样的平推将室内含尘浓度高的空气沿整个断面推出室外，因而可以达到较高的洁净度。图8-22形象地图示单向洁净室的原理，由于要实现断面流速均匀的向前平推作用，气流量相当大，垂直单向流换气次数250~500次/h，水平单向流200~300次/h，而乱流洁净室相对小得多，15~60次/h，洁净空调运行费用高也体现在这里。现在单向流的概念有所松动，指在有限的区域内的全部空气沿平行流线以等速流动，就是说不一定在整个房间都保证具备单向流的特征，而在一部分区域如工作区空间保证单向流也算作单向流洁净室，所以送风顶棚或墙面的高效过滤器未完全布满，即满布比不足80%，以及密集布置的流线性散流器顶送以及全孔板顶送，只要风量足够大，都可实现单向流。8.4单向流洁净室的三顶特性指标前面提到单向流洁净室的特征：流动断面不变，流速均匀、平行，没涡流，要保证活塞作用，需大风量，所以描述单向流洁净室效果，可用流线平行度、乱流度和下限风速三个指标。8.4.1流线平行度该指标考核洁净室内尘源散发的尘粒有无可能垂直气流方向作横向传播，或传播范围是否在允许范围之内。如图8-20、图8-21，实际平行流线有横向的分速度，只是大小不同，以垂直平行流洁净室为例，工作区范围为距地75~180cm，尘源为人员，活动范围（工位）1米，要求避免尘粒作横向传播的概念：本人所发尘料被送风带走，不会传到左右工位，图8-25人站立操作，从高度180cm处发出的尘粒，允许横传的最大距离为50cm，与水平高的夹角为，此为最低限度值，为第一个要求。另外流线间倾斜程度不能太大，每cm距离流线的夹角的增大不超过0.5°，以免产生涡流。655.005.1arctg8.4.2乱流度考核洁净室由于速度场不均匀导致速度的脉动性增强而引起质点不能按原流线运动，参混到其它位置，导致污染。图8-30为空调房间速度场脉动实测结果，实际脉动是三维的。乱流度表达式单向流洁净室要求βu≤0.2unuuiu28.4.3下限风速（1）单向流洁净室气流速度的作用前面提到单向流洁净室的换气次数很大，一般为150次/h以上，这个风量由洁净室送风的垂直（水平）截面的平均风速为准来计算的，而乱流洁净室的换气次数则由稀释污染物到允许浓度计算的。对于单向流洁净室Q=3600vF，应有v≥vmin，vmin是在运行中必须要保证的最小风速，称为下限风速，现讨论下限速确定的因素，也就是在单向流洁净室维持一定流速的作用。1)当污染气流多方向散布时，送风气流要能有效控制污染的范围，包括纵向的高度和横向距离（0.5m）。2)当污染气流与送风气流方向相同，送风气流要有效地控制其在下游扩散的范围。3)当污染气流与送风气流方向逆向时，送风气流能控制其上升或前进的距离。4)在洁净室被污染的情况下，在短时间内使室内空气自净。四项均能求出一个风速，四个风速中最大者（同时满足）即为下限风速。（2）控制多方位污染的风速多方位污染指从尘源向三维方向散发的（微粒）污染，包括静止的尘源和活动的尘源（人）。1)控制尘源的污染包络线（静止）如图，v∞为送风平行气流的速度，点源向四周发散污染气流，流量为Q，球坐标下则平行流场的流函数为（1）点源流场的流函数（2）叠加流场的流函数为（3）