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关于单向流的讨论 洁净室净化技术

作者:东莞科富莱空调净化有限公司   发布时间:

1、简述(佛山洁净室)在洁净技术中,自美国FS209C将洁净室中的气流流动分为单向流和非单向流后,这一名词被广泛采用。我们知道,从流体力学的角度,描述流体的流态,佛山洁净室按质点的速度是否随时间变化分为稳定流动和非稳定流动。按流速是否随流向变化,分为均匀流动和非均匀流动。佛山洁净室不均匀流动又分为渐变流动和急变流动。空调系统运行稳定一般属恒定流动。洁净室中的气流流动除天棚满布、高效过滤器送风棗满布地板格栅回风的典型流动性属均匀流动外,均属不均匀流动。在稳定流动中,按Re数判断可分为层流和紊流。洁净室中,由于断面积大,既或在稳定流动中也不属于层流。只有在洁净管道中可能形成层流。洁净室的流态分类(以下均以美国FS209为例)最早分为层流和乱流。美国FS209C开始将层流改称单向流,乱流改称非单向流。佛山洁净室这一名称显然比较贴切。佛山洁净室对单向流的描述,文字上也稍有差异:FS209C(1987年10月27日发布):"气流以一个平行的方向沿单一通道穿过洁净室或洁净区";FS209D(1989年6月15日发布):"一般具有平行流线,以单一通路、单一方向通过洁净室或洁净区的气流";FS209E(1992年9月11日发布):"一般具有平行流红,以单一方向并且横断面上风速一致的气流。"上述对单向流的描述与FS209B对层流的描述有那些差别呢?FS209B称:层流的规定是,在限制范围的全部空气以均匀的速度平行流动。FS209B对层流气流速度又有明确的规定:"通过洁净室断面的气流速度能常保持为0.457m/s,在整个无干扰的房间内,其不均匀度在±20%以内。"这就是说对单向流的描述中删去了速度约0.457m/s的规定和断面风速不均匀度为±20%的要求。综上所述,洁净室中形成单向流有三个条件,也就是单向流的三要素:气流速度、流线不均匀度、气流平行度。但对三要素均无定量的数值限制。虽然FS209E已被废止,但国际标准和我国<洁净厂房设计规范>GB50073-2001,有关单向流的描述,仍沿用FS209E的提法。我们知道,最佳的气流组织就是使尘粒沿着流线(迹线)以最佛山洁净室短的路径排走。所以单向流是最佳流型。2、单向流三要素分析以下笔者根据理论分析和洁净技术的实践具体剖析单向流三要素。2.1气流速度FS209B规定的气流速度保持在0.457m/s的规定显然偏大,目前各国的规定均未规定这么高的气流速度。洁净技术多年的实践也证明不需要这么高。那么,单向流的流速多大合适呢?笔者对此进行理论分析。气流速度的选择应佛山洁净室该使整个气流均匀流动不发生滞留区。不发生滞留区气流速度必须大于0.08m/s[1]。因此换气次数n应满足:

式中:L棗通风量,m/h;H棗房间体积,m3;F棗房间横断面积,m2;H棗房间高度,m;V棗流速,m/s。一般洁净室层高H=2.5∽3.5m当υ≥0.08m/s时,则n≈100次/时,这就是洁净出现单向流状态必须满足的最小换气次数。气流速度应能抵抗人员活动、热浮升的干扰,在水平单向流中还应抵抗尘粒自由沉降的影响。当人员活动时,就相当于有外力作用在尘粒上。佛山洁净室某一物体受到外力作用就会产生一个初速度,这些速度下物体会发生运动。当外力消失后,该物体就获及的瞬时速度ω(2)ω=ω0朅t(2)式中:ω0棗物体获及的初速度,m/s;t棗时间,s;A棗系数,1/s。

式中:dc棗物体直径,m;Pc棗物体密度,Kg/m3;μ棗空气粘度,Pa.S。理论上讲t→∞时,ω→0。以dc=1μm,Pc=600Kg/m3,(A=55×10-4),ω0=5m/s(对1μm尘粒这已是很难达到的),t=0.36×10-4s,速度ω已下降为0.25m/s,也就是说速度即该接近零。

此时粒子所运动的距离S:

t→∞时,S→Smsx,则

可见机械力(人员的活动)基本不影响尘粒的转移,外力消失后,尘粒会继续沿流线流动。下面分析粒子随气流的运动。佛山洁净室粒子能否随气流移动取决于尘粒的悬浮速度的大小。尘粒的悬浮速度ω:

式中:g棗重力加速度,m/s2;ρ棗空气密度,Kg/m3;其它同式(2)dc=1μm,ρc=600Kg/m3的尘粒,ω=1.78×10-5m/s。可见尘粒的悬浮速度甚微,只要有微弱气流就可以将其带走。一般成年人的发热量为0.1Kw,在静止的空气中在人体头部上方可产生0.2m/s的上升气流[3]。所以垂直单向流的风速要克服此热浮升的速度。综上,对垂直单向流,气流速度υ≥0.25m/s足矣。在水平单向流中,尘粒除随气流运动外,还受到一个重力作用,见图1。我们分析一下重力沉降对尘粒运动的影响。假设水平单向流洁净室长为L,高为H。尘粒佛山洁净室的沉降速度为ω,气流速度为υ。欲使尘粒在流过洁净室过程不沉降在地面上,则有:(5)仍以1μm粒子为例(条件同式2),则ω=1.78×10-5m/s,假定水平单向流空气流速仍取υ≥0.25m/s,若L=6m,那么尘粒由入口至出口,下沉的距离h为:

可见粒子沉降的距离很小,不会太脱离原流线。由上而分析,无论垂直单向流还是水平单向流的气流速度取υ≥0.25m/s均足够。当然水平单向流可适当提高一点流速。以上分析的是气流按等温送风计算,如果室内有强热源,则另当别论,需采取其它措施。2.2气流速度的不均匀度洁净技术发展初期,对气流的不均匀度要求很严格。美国FS209B规定:不均匀度在±20%以内。此规定没有说明以那个速佛山洁净室度为基准值,是设计风速还是断面风速的实测平均值。一般认为其准值是断面实测的平均风速。美国FS209以后,删掉了气流不均匀度的要求。这显然是长期实践得出的认识。从长期对洁净室的测试发现这一要求基本达不到。我们知道,出口气流除射流的主体段之核心部分,气流速度相等,流线平行外,其它部分均不可能。由于过滤器滤料密度不均,过滤器送风静压箱压力不均,及由于相邻高效过滤器边框形成的无风区,相邻过滤器出风佛山洁净室搭接处的风速与过滤器表面的出风风速也不相同。

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