關(guān)于單向流潔凈室
 
發(fā)布時(shí)間： 2009-9-10 20:12:11       來(lái)源： 科泰瑞 
 
 
  1、簡(jiǎn)述
在潔凈技術(shù)中，自美國(guó)FS209C將潔凈室中的氣流流動(dòng)分為單向流和非單向流后，這一名詞被廣泛采用。
我們知道，從流體力學(xué)的角度，描述流體的流態(tài)，按質(zhì)點(diǎn)的速度是否隨時(shí)間變化分為穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)。
按流速是否隨流向變化，分為均勻流動(dòng)和非均勻流動(dòng)。不均勻流動(dòng)又分為漸變流動(dòng)和急變流動(dòng)。
空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定一般屬恒定流動(dòng)。潔凈室中的氣流流動(dòng)除天棚滿布、高效過(guò)濾器送風(fēng)棗滿布地板格柵回風(fēng)的典型流動(dòng)性屬均勻流動(dòng)外，均屬不均勻流動(dòng)。
在穩(wěn)定流動(dòng)中，按Re數(shù)判斷可分為層流和紊流。
潔凈室中，由于斷面積大，既或在穩(wěn)定流動(dòng)中也不屬于層流。只有在潔凈管道中可能形成層流。
潔凈室的流態(tài)分類（以下均以美國(guó)FS209為例）最早分為層流和亂流。
美國(guó)FS209C開始將層流改稱單向流，亂流改稱非單向流。這一名稱顯然比較貼切。
對(duì)單向流的描述，文字上也稍有差異：
FS209C（1987年10月27日發(fā)布）："氣流以一個(gè)平行的方向沿單一通道穿過(guò)潔凈室或潔凈區(qū)"；
FS209D（1989年6月15日發(fā)布）："一般具有平行流線，以單一通路、單一方向通過(guò)潔凈室或潔凈區(qū)的氣流"；
FS209E（1992年9月11日發(fā)布）："一般具有平行流紅，以單一方向并且橫斷面上風(fēng)速一致的氣流。"
上述對(duì)單向流的描述與FS209B對(duì)層流的描述有那些差別呢？
FS209B稱：層流的規(guī)定是，在限制范圍的全部空氣以均勻的速度平行流動(dòng)。
FS209B對(duì)層流氣流速度又有明確的規(guī)定："通過(guò)潔凈室斷面的氣流速度能常保持為0.457m/s，在整個(gè)無(wú)干擾的房間內(nèi)，其不均勻度在±20%以內(nèi)。"
這就是說(shuō)對(duì)單向流的描述中刪去了速度約0.457m/s的規(guī)定和斷面風(fēng)速不均勻度為±20%的要求。
綜上所述，潔凈室中形成單向流有三個(gè)條件，也就是單向流的三要素：氣流速度、流線不均勻度、氣流平行度。但對(duì)三要素均無(wú)定量的數(shù)值限制。雖然FS209E已被廢止，但國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)<潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范>GB50073-2001，有關(guān)單向流的描述，仍沿用FS209E的提法。
我們知道，最佳的氣流組織就是使塵粒沿著流線（跡線）以最短的路徑排走。所以單向流是最佳流型。
2、單向流三要素分析
以下筆者根據(jù)理論分析和潔凈技術(shù)的實(shí)踐具體剖析單向流三要素。
2.1 氣流速度
FS209B規(guī)定的氣流速度保持在0.457m/s的規(guī)定顯然偏大，目前各國(guó)的規(guī)定均未規(guī)定這么高的氣流速度。潔凈技術(shù)多年的實(shí)踐也證明不需要這么高。
那么，單向流的流速多大合適呢？筆者對(duì)此進(jìn)行理論分析。
氣流速度的選擇應(yīng)該使整個(gè)氣流均勻流動(dòng)不發(fā)生滯留區(qū)。不發(fā)生滯留區(qū)氣流速度必須大于0.08m/s[1]。因此換氣次數(shù)n應(yīng)滿足：
式中：L棗通風(fēng)量，m/h；
H棗房間體積，m3；
F棗房間橫斷面積，m2；
H棗房間高度，m；
V棗流速，m/s。
一般潔凈室層高H=2.5∽3.5m當(dāng)υ≥0.08m/s時(shí)，則n≈100次/時(shí)，這就是潔凈出現(xiàn)單向流狀態(tài)必須滿足的最小換氣次數(shù)。
氣流速度應(yīng)能抵抗人員活動(dòng)、熱浮升的干擾，在水平單向流中還應(yīng)抵抗塵粒自由沉降的影響。
當(dāng)人員活動(dòng)時(shí)，就相當(dāng)于有外力作用在塵粒上。某一物體受到外力作用就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初速度，這些速度下物體會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外力消失后，該物體就獲及的瞬時(shí)速度ω（2）
ω= ω0 朅t（2）
式中：ω0棗物體獲及的初速度，m/s；
t棗時(shí)間，s；
A棗系數(shù)，1/s。
式中：dc棗物體直徑，m；
Pc棗物體密度，Kg/m3；
μ棗空氣粘度，Pa.S。
理論上講t→∞時(shí)，ω→0。
以dc =1μm，Pc=600Kg/m3，（A=55×10-4），ω0=5m/s（對(duì)1μm塵粒這已是很難達(dá)到的），t=0.36×10-4s，速度ω已下降為0.25m/s，也就是說(shuō)速度即該接近零。
此時(shí)粒子所運(yùn)動(dòng)的距離S：
t→∞時(shí)，S→Smsx，則
可見機(jī)械力（人員的活動(dòng)）基本不影響塵粒的轉(zhuǎn)移，外力消失后，塵粒會(huì)繼續(xù)沿流線流動(dòng)。
下面分析粒子隨氣流的運(yùn)動(dòng)。粒子能否隨氣流移動(dòng)取決于塵粒的懸浮速度的大小。
塵粒的懸浮速度ω:
式中：g棗重力加速度，m/s2；
ρ棗空氣密度，Kg/m3；
其它同式（2）
dc=1μm，ρc=600Kg/m3的塵粒，ω=1.78×10-5m/s。
可見塵粒的懸浮速度甚微，只要有微弱氣流就可以將其帶走。
一般成年人的發(fā)熱量為0.1Kw，在靜止的空氣中在人體頭部上方可產(chǎn)生0.2m/s的上升氣流[3]。所以垂直單向流的風(fēng)速要克服此熱浮升的速度。
綜上，對(duì)垂直單向流，氣流速度υ≥0.25m/s足矣。
在水平單向流中，塵粒除隨氣流運(yùn)動(dòng)外，還受到一個(gè)重力作用，見圖1。我們分析一下重力沉降對(duì)塵粒運(yùn)動(dòng)的影響。
假設(shè)水平單向流潔凈室長(zhǎng)為L(zhǎng)，高為H。塵粒的沉降速度為ω，氣流速度為υ。欲使塵粒在流過(guò)潔凈室過(guò)程不沉降在地面上，則有： (5)
仍以1μm粒子為例（條件同式2），則ω=1.78×10-5m/s，假定水平單向流空氣流速仍取υ≥0.25m/s，若L=6m，那么塵粒由入口至出口，下沉的距離h為：

可見粒子沉降的距離很小，不會(huì)太脫離原流線。
由上而分析，無(wú)論垂直單向流還是水平單向流的氣流速度取υ≥0.25m/s均足夠。當(dāng)然水平單向流可適當(dāng)提高一點(diǎn)流速。
以上分析的是氣流按等溫送風(fēng)計(jì)算，如果室內(nèi)有強(qiáng)熱源，則另當(dāng)別論，需采取其它措施。
2.2 氣流速度的不均勻度
潔凈技術(shù)發(fā)展初期，對(duì)氣流的不均勻度要求很嚴(yán)格。
美國(guó)FS209B規(guī)定：不均勻度在±20%以內(nèi)。此規(guī)定沒有說(shuō)明以那個(gè)速度為基準(zhǔn)值，是設(shè)計(jì)風(fēng)速還是斷面風(fēng)速的實(shí)測(cè)平均值。一般認(rèn)為其準(zhǔn)值是斷面實(shí)測(cè)的平均風(fēng)速。
美國(guó)FS209以后，刪掉了氣流不均勻度的要求。這顯然是長(zhǎng)期實(shí)踐得出的認(rèn)識(shí)。從長(zhǎng)期對(duì)潔凈室的測(cè)試發(fā)現(xiàn)這一要求基本達(dá)不到。
我們知道，出口氣流除射流的主體段之核心部分，氣流速度相等，流線平行外，其它部分均不可能。
由于過(guò)濾器濾料密度不均，過(guò)濾器送風(fēng)靜壓箱壓力不均，及由于相鄰高效過(guò)濾器邊框形成的無(wú)風(fēng)區(qū)，相鄰過(guò)濾器出風(fēng)搭接處的風(fēng)速與過(guò)濾器表面的出風(fēng)風(fēng)速也不相同。
3、流線的平行度
各種規(guī)范都規(guī)定單向流的一個(gè)要素是氣流流線平行。這一點(diǎn)到目前為止仍被堅(jiān)持。然而實(shí)踐證明也不是不必要的。
我們知道，氣流速度相等和流線平行，只有兩種情況能達(dá)到：①射流的起始段之核心部分。②有Welosinski曲線入口的直管段。其它情況由于多種原因均不可能。
只要整個(gè)氣流中的流線（跡線）不交叉，不形成渦流區(qū)，塵粒就會(huì)沿著跡線（流線）排走，而不會(huì)被滯留。
那么，兩個(gè)流線間在什么情況下不形成渦流區(qū)呢？對(duì)此純理論的論述尚未見到。在流體力學(xué)中對(duì)漸擴(kuò)管的局部阻力損失有半經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)推算當(dāng)擴(kuò)張角為5-80時(shí)[3]阻力損失最小，這就意味著擴(kuò)散角為5-80除磨擦阻力外，只有由于流體流斷面逐漸擴(kuò)大而形成的流速分布改變形成的損失，而基本無(wú)旋渦區(qū)的損失，流體并未脫離擴(kuò)張管壁。所以可以認(rèn)為只要送風(fēng)口的出流中，相鄰的流線夾角小于5-80，整個(gè)氣流就會(huì)沿單一的總趨向流動(dòng)。因?yàn)樵诖饲闆r下，塵粒仍可沿自己的跡線流動(dòng)而不受干擾，這就達(dá)到了排走的目的。
通過(guò)上面分析可知，只要整個(gè)氣流在一個(gè)通道上流動(dòng)，流線之間不形成渦流區(qū)，流線平行與否均勻可將塵粒排走。所以氣流流線要求平行也是沒有必要的，而且由于氣流速度的不均勻性而形成橫向的壓力變化，流線完全平行是不可能的。
以上是在空態(tài)上，分析室內(nèi)的塵粒沿氣流流線排走的情況。
實(shí)際工程中，由于有工藝設(shè)備將影響氣流運(yùn)動(dòng)方向，使塵粒流跡發(fā)生改變。在這種情況下我們所要研究的是，某一塵粒是否能被控制在一定范圍被排走，而不影響相鄰的工作點(diǎn)。
對(duì)兩個(gè)相鄰工作點(diǎn)間的距離并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，這與工藝操作要求有關(guān)。但兩個(gè)最近的工作點(diǎn)，應(yīng)該是兩個(gè)坐著工作的活動(dòng)范圍。國(guó)內(nèi)外均對(duì)此作過(guò)分析。人的活動(dòng)范圍為一米直徑范圍內(nèi)，以1.80米高度的塵源，落到工作區(qū)高度0.75米的人活動(dòng)范圍外，計(jì)算得到流線與垂線的偏有為250 [4]。這種假定是可行的。文獻(xiàn)[5]指出，如果橫向氣流分量是主氣流的40%（這大約形成23.60偏角），可以防止相鄰工作區(qū)的污染。
但是，流線的不平行度，應(yīng)該以兩流線間不形成渦流，塵粒不被滯留為依據(jù)。所以流線的不平行度應(yīng)該是夾角5-80。而上面提到250或23.60的夾角中不形成渦流是因?yàn)檫€有很多流線。250左右的傾角應(yīng)該稱為相鄰工作點(diǎn)不形成污染的傾角，或污染物被控制在自己工作區(qū)范圍的傾角更為貼切。
相鄰的工作點(diǎn)的交叉污染用流線的傾角可以被控制，而自己工作區(qū)的工作臺(tái)面有可能滯留塵粒。這種情況發(fā)生在以下兩種情況：①氣流流過(guò)的工作臺(tái)邊角時(shí)，發(fā)生渦流；②工作臺(tái)表面近似水平的氣流速度趨向零時(shí)。對(duì)第一種情況，只需渦流區(qū)出現(xiàn)在工作臺(tái)下，就不影響工作區(qū)潔凈度（頂送風(fēng)相對(duì)兩側(cè)墻底部回同的氣流流型就可以保證工作區(qū)高度以上不產(chǎn)生渦流區(qū)）；第二種情況，只要工作臺(tái)面不太長(zhǎng)，瞬時(shí)氣流變?yōu)榱愕目赡苄院苄?。因?yàn)閴m粒的懸浮速度特小，只要有微小的氣流流速就可帶走塵粒。
4、關(guān)于單向流建議
從美國(guó)FS209E對(duì)單向流的描述可知，形成單向流要在氣流充滿潔凈室或潔凈區(qū)的前提下，還有三個(gè)要素：氣流速度、氣流的不均勻度、氣流的平行度。而且對(duì)三要素均有嚴(yán)格的要求。
潔凈技術(shù)發(fā)展到今天，使人們清楚的認(rèn)識(shí)到，早期對(duì)潔凈室裝修十分苛刻的要求已被取消；對(duì)氣流組織要求也在調(diào)整，使之更有效實(shí)用。
國(guó)內(nèi)外大量研究表明，潔凈室的潔凈度主要取決于合理的氣流組織和高效過(guò)濾器的效率。
對(duì)氣流而言，單向流無(wú)疑是最佳的氣流流型，因?yàn)樗梢赃_(dá)到高級(jí)別潔凈度。當(dāng)然低級(jí)別潔凈度可用非單向流。典型的垂直單向流流線平行，同一高度上塵粒排走的路徑相同而且最短。但我們有時(shí)只要求塵粒沿流線排走即可，至于同一高度的塵粒是否排走的路徑最短或是否同時(shí)排走，并不刻求。從這一點(diǎn)出發(fā)能否對(duì)單向流的概念，有一種新的提法。
我個(gè)人的建議是：充滿潔凈室或潔凈區(qū)以一定速度沿總趨向單一方向流動(dòng)，且流線（跡線）不交叉的氣流稱為單向流。
這個(gè)定義使單向流的范圍拓寬了，當(dāng)然還是現(xiàn)在的垂直單向流，水平單向流，這兩種氣流是新定義單向流的最佳氣流。
根據(jù)新定義，目前稱之為矢流的氣流也可稱為單向流，見圖2。它也符合條件：氣流充滿潔凈室，流向總趨向單一，流線不交叉且具有一定的速度。當(dāng)然這的流線并不平行，同一斷面的速度也不相等，而且塵粒排走的路徑不是最短的，但塵?？裳啬骋涣骶€排走。
按照新定義，潔凈室的潔凈度要求不同，可以選擇不同氣流組織方案。
非單向流則是氣流未充滿整個(gè)潔凈室，在潔凈室內(nèi)形成較大渦流區(qū)的氣流。
以上提出的是個(gè)人的看法，希望引起同行的討論。