1、简述 

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,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。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。这一名称显然比较贴切。 

对单向流的描述,文字上也稍有差异: 

FS209C19871027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" 

FS209D1989615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" 

FS209E1992911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=2.53.5m当υ≥0.08m/s时,则n100/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。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 t2 

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 

dc =1μmPc=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,SSmsx,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。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,相邻过滤器出风搭接处的风速与过滤器表面的出风风速也不相同。

 

2011年06月16日

关于洁净室净化技术中单向流的讨论

1、简述 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,按质点的速度是否随时间变化分为稳定流动和

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