文章编号: 1005)0329(2005)04)0059)03高级别洁净室气流组织的优化

赵金亮,刘俊杰,朱 能(天津大学,天津 300072)

摘 要: 利用CFD方法对拟采用风机过滤器单元(FFUs)洁净空调方案的ISO5级电子工业洁净室进行模拟,得出室内气流速度场,分析其性能,通过理论公式计算所能达到的洁净度。认为通过合理布置末端FFU送风口位置及选择回风形式,以及选用较高级别的末端过滤器,可以在FFU满布率较低时达到较高的洁净度级别。关键词: 计算流体动力学(CFD);洁净室;风机过滤器单元;满布率中图分类号: TU834.8 文献标识码: A

OptimizationofAirflowinHighCleanlinessLevelCleanroomZHAOJin-liang,LIUJun-jie,ZHUNeng(TianjinUniversity,Tianjin300072,China)

Abstract: ByCFDtechnique,thevelocityfieldsofaISOclass5cleanroomwithFFUair-conditioningsystemwassimulatedanditsper-formancewasanalyzed,theoreticalformulaisappliedtogainthecleanliness.TheresultshowsthatselectingproperlocationofFFUs,ap-propriatemodeofoutletandhighlevelterminalfilter,highercleanlinesslevelcanbeobtainedinspiteoflowercoveragerate.Keywords: computationalfluiddynamics;cleanroom;fanfilteruints;coveragerate

1 引言随着计算流体动力学(CFD)技术自身的发展,其已广泛应用于暖通空调和洁净室等工程领域。通过计算机求解流体所遵循的控制方程,可以获得流动区域的流速、温度、组分、浓度等物理量的详细分布情况。本文利用CFD软件,对采用风机过滤器单元净化空调系统的某微电子洁净厂房的ISO5级洁净室进行计算机模拟,利用所得到的速度场分析评价其性能,利用理论计算验证其平衡态的洁净度,并提出一些应用中的注意事项,为实际工程应用提供参考。最后通过实地现场测试,证明减少末端高效过滤器的个数同样可以得到较高的洁净室级别,并满足动态工作的要求。2 数值模拟及分析211 数学模型从流动的雷诺数来考虑,洁净室的气流均为紊流[1],空气的流动满足连续性方程、动量方程和能量方程。对于工程问题,我们不需要关心紊流的精细结构及其瞬时变化,而只关心紊流随机变量的有关平均值,因此,本文采用雷诺时均方程紊流粘性系数法,流动模型采用暖通空调广泛采用的标准k-E二方程模型,k-E模型通过求解紊流动能与紊流动能耗散率的输运方程得到紊流粘性系数。控制方程的通用形式[2]:div(QV5-#Á,effgrad5)=SÁ

式中 Q)))空气密度,kg/m3

V)))气流速度矢量,m/s #Á,eff)))有效扩散系数,kg/(m#s) 5)))1,u,v,w,k,E中的一项 u,v,w)))三个方向的速度分量,m/s k)))紊流动能,m2/s2 E)))紊流动能耗散率,m2/s3

收稿日期: 2004)05)20

592005年第33卷第4期 流 体 机 械 SÁ)))源项5=1时通用方程变为连续性方程。边界条件:墙体边界设为无滑移边界条件;送风边界条件:送风速度取过滤器面风速平均值,速度方向竖直向下;回风边界条件:回风口满足充分发展段紊流出口模型。由于室内热负荷较小,不考虑温度浮升效应对气流的影响。采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散,基于有限容积法的SIMPLEST算法进行求解。212 物理模型及计算结果分析方案一将风机过滤器单元(规格为1.2m@1.2m)成条型居中布置于天花板,满布比为25%,回风采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。物理模型如图1所示。经模拟计算得到气流流场如图2所示(由于送风口在Y方向呈对称布置,图中只给出一半流场)。从图2可知,在送风口下方流线垂直向下,流线平行较好,而在送风口至墙体范围内有较大的涡流区,主流区范围减少,不能使全室工作区达到较高级别。同时粒子也会被卷吸进入主流区,排除污染物的路径增长,增加污染的可能性。

图1 风机过滤器单元布置平面示意(条型)图2 风机过滤器单元条型布置YZ截面流场示意方案二将同样规格的风机过滤器单元较均匀地布置于天花板上,满布比仍为25%,过滤器面风速为0.45m/s,回风仍采用全地面均匀散布穿孔板作为回风口。其物理模型如图3所示,气流流场分布如图4所示。图3 风机过滤器单元布置平面示意(均匀)图4 均匀布置YZ截面流场图从模拟计算结果可知,对于均匀布置的风机过滤器单元方案,工作区1.2m及0.8m高度断面平均风速分别为0.1545m/s、0.1516m/s,可见散布末端过滤器送风口可以减小速度的衰减。虽然在送风口之间上部存在反向气流,形成小的涡流区,但在工作区0.8m~1.2m范围内已形成竖直向下的流线,时均流线平行较好,由于此洁净室产热量较小,热气流对流线影响可忽略,不会产生逆向污染,因此上部的涡流不会对主流区产生影响。空气中的微粒在重力、惯性和扩散三种作用力下运动速度和位移是微小的,直径在1Lm时,微粒跟随气流运动的速度和气流速度相差不会大于10-3[1]。此设计中新风处理机组设三级过滤器,风机过滤器单元中过滤器为U15,效率\99.9995%@MPPS,直径>1Lm的微粒可视为零。因此,工作区产生的微粒能完全跟随气流一起运动,直接排出洁净室。当进一步减小满布比时由模拟计算可知,除送风口正下方)定区域外,其余部分已根本不能保证气流接近垂直向下,过滤器之间存在一个从天花板到地面贯通的巨大涡流区,污染物极易被卷吸进入涡流区而不易排出。

60 FLUIDMACHINERY Vol133,No14,2005经过模拟计算及分析,认为在送风口满布比为25%,均匀分布风机过滤器单元,采用全地面均匀散布穿孔板回风,过滤器面风速为0.45m/s,相应换气次数为147次/h,由于风机过滤器单元可达到较大的送风面风速,以及均匀散布穿孔地板回风口的均流作用,若采用侧墙下侧回风,就会在洁净室下部区域形成较大的涡流三角区[3],因此洁净室内能形成比较合理的气流流形,在主流区内形成基本垂直向下的流线。但在靠近四周墙壁处,由于形成受限射流,出现涡旋,因此应避免将设备靠墙壁布置,而应留有一定距离(这是洁净室施工完毕、开始投入使用时应加以注意的)。另外,此设计中虽然不能形成如传统满布高效过滤器送风口而形成的全室平行气流,但美国环境科学学会(IEST)的标准IES-RP-CC012.1中已认为ISO5级洁净室也可采用非单向流流型或混合流型[4]。3 洁净度的计算洁净室的洁净度级别由通风系统和室内污染源所决定,可以通过数学公式对其进行计算。根据粒子平衡理论,进入洁净室的粒子有由室外新风带入、循环空气带入及由室内污染源产生的粒子。对于电子厂房室内污染源主要是指工作人员的产尘,而设备产尘很少可忽略不计。从洁净室排出的粒子有由回风带出及由于室内正压而渗出的粒子,可得方程如下[5]:c=(c0-Sk1-k2k1)e-k1tV+Sk1+k2k1达到平衡状态时,浓度方程变为:c]=S/k1+k2/k1其中 k1=EQ[1+q/Q-x(1-Grec)]k2=(1-x)(1-Gout)Qcoutt+qc1式中 c)))洁净室的浓度,粒/m3 c0)))洁净室的初始浓度,粒/m3 S)))室内污染源,粒/s t)))时间,s V)))洁净室的容积,m3 c])))洁净室的平衡浓度,粒/m3 E)))通风效率 Q)))送风量,m3/s q)))渗出的空气量,m3/s x)))循环风的比例,此处为1 Grec)))回风过滤器效率 Gout)))新风过滤器效率

cout)))室外新风的浓度,粒/m

3

c1)))渗出空气的浓度,粒/m

3

新风预过滤器为F5(G=55%),中效过滤器为F9(G=95%),高效过滤器为H12(G=99.5%),风机过滤器单元中过滤器为U15(G\99.9995%@MPPS);新风含尘浓度天津地区取为3@107粒/m3(\0.5Lm);身着洁净服的工作人员走动时产尘量为1@104粒/(s#人)(\0.5Lm);设同时有3人在工作;通风效率取为90%;新风比为4.5%。计算得出此设计的洁净室稳定含尘浓度为2857粒/m3(即81粒/ft3),达到ISO5级100粒/ft3的设计要求(经现场测试表明实际洁净度级别符合ISO5级要求)。

4 节能比较在满足洁净度要求的前提下,与按常规设计方式)))全顶棚送风地板格栅回风进行能耗对比(针对面积为106m2,层高为2.7m的ISO5级洁净室),比较结果见表1。按常规顶棚满布高效过滤器设计,如果使用风机过滤器单元系统则其能耗约为此设计中典型风机过滤器单元系统的2.3倍,可见低满布比风机过滤器单元系统在保证洁净度的条件下节能效果明显。表1 两种系统形式的耗能情况对比

系统形式常规形式典型风机过滤器单元系统

循环风量(m3/h)11819541990换气次数(次/h)414147过滤器单元个数60¹18

º

年耗电能(kW)11037647304 注:¹过滤器面风速为0.38m/s,风机输入功率为0.21kW;º

过滤器面风速为0.45m/s,风机输入功率为0.3kW。

5 结论(1)针对电子厂房洁净室发尘量较低,室内人员较少,热负荷较小的情况,通过选择级别较高的过滤器,合理布置末端高效过滤器的位置及回风方式后,即使设计的室内换气次数、断面平均风速低于我国规范建议的下限值,仍可有效地滤除粒子,满足空气洁净度要求;(下转第58页)

612005年第33卷第4期 流 体 机 械