（制冷及低温工程专业论文）电子厂房洁净室气流组织的理论及实验研究.pdf

东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括干i j 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盘莹惑导师签名：丝丝日期：堑世 摘要 摘要 掌握洁净室的环境特性和气流形态可以通过对洁净室进行长时间测试以及实验得到萨确资料。但交 际上由于洁净室体积非常庞大，需要耗费很长时间和很大人力、物力、财力，还有实际生产线运行时洁 净室内可能产生污染、外部渗漏以及数值模拟计算容量等因素限制，使得想要获得所有资料是很凼难的。 而对数值模拟中得到的结果，如果不能与实际现场相比便不值得信赖。本研究以初期运行的l c d 洁净厂 房为研究对象，通过现场实测和数值模拟提出对气流变化产生影响的各种因素，并分析各改进措施对气 流均匀分布所能起剑的作用。具体研究结果如下。 1 对气流变化造成影响的主要因素 研究结果表明，大面积的伞面垂直型洁净室内地板卜部大量循环窄气通过通风竖井入几集中后流到 顶部静压层，所以，通风蛏井入u 距离和栅格地板开孔率会产生阻抗，导致气流滞留和偏流现象。给气 流变化造成影响的主要因素自通风骚井的位置和栅格地板的配置，及栅格地板开孔率和下部静压箱的动 力设备等，还有隔断的设霄位霄和室内长度、地板f 部的深度等也会给气流带来影响。 2 现场实测和模拟实验结果分析 以对气流变化造成影响的因素为变量，利用数值模拟模拟结果与现场实测的结果比较，得出偏流角 度减少程度大致相同。认为洁净室的设计阶段用数值模拟决定洁净室的规模和性能是经济而且可靠的。 1 ) 开孔率调整和通风竖井追加设胃后，现场实测结果表明气流偏角由最初的6 0 3 0 减小到1 7 5 0 ，有 4 2 8 。的改善效果。模拟实验气流由最初的5 8 。偏向角度减小到到1 7 0 ，有4 1 。的改善效果。 2 ) 通风竖井设置、隔断调整后，现场实测和数值模拟中最终气流偏流角度各是1 7 5 0 和1 7 0 。与目标 值1 4 0 接近。 3 关于气流变动预测的基础资料 1 ) 洁净室内的气流形态都是向通风竖井方向偏流，。部分气流没有直接偏向通风竖井的原冈是由于 栅格地板发生的压差所致。通风竖升区f h j 长，偏流角度大的情况卜需要采取通风竖升的追加设置等具体 的解决方案。 2 ) 洁净室下部静压层的动力设符阻碍气流的流通，气流变化表现为从离通风竖井中心处越近则速度 越伙。这说明通风峰井的位置和距离对气流产生影响。 3 ) 发热设备在发热时，设备周罔产生循环区域，与没有发热的设备柏比，发热设备附近的微尘粒子 浓度更大。阻i f = 粒子向洁净宅内扩散的方案有f f u 风速调整和设备周同的气流强制性排出。 4 ) 上部静压层层高变化没有给洁净室内部气流造成影响，因为层高上升洁净室之| h j 的压差减少，但 洁净室内压力分布没有变化。 关键词：浩净室：开孔率：偏角：实测；通风竖并 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ei n d 0 0 r v i r o n m e l l tc h a r a c t e r 锄da i r f l o ws h a p ei i lm ec l e 粕m o mc a nb eo b t a i n e db yl o n g “m en 鼯ta n d e x p e r i n l e n t h o w e v e r b e c a u s eo ft h el a r g ev o l 咖o fc l e 锄r o o mi nl c df 如t o r s ，s u c ht e s t sn e e dl o n gt i i i l e ，a g r e a td e a lo fm a n p o w e r ，n m t e r i a l 砒l df m a n c i a lr e s o u f c e s m o r c o v e r ，i i lp r a c t i c a lr u no fp r o d u c tl i n et h e r cm a y o c c u r ep o l l u t i o n ，e x t e r i o rl e a l c a g ea n dt h en u m 耐c a lc a l c u l a t i o nc a p a c 毋c 锄b ei i m i t e d ，s oi ti sv e d ，h a r dt 0 a c q u i r ca l l 血协t h en u m e r i c a is i m u i a t i o nr e s u l t sm u s ta g r e ew i t hm et e s tr e s u l t s ，o ri t sr e s u l t sd on o td e s e e t n l s t i nt h ep a p e rt h es m d yo b j e c ti sa i l l l e da tl c dc l e 卸r o o m ，b yf i e l dm e a s u r e m e l l ta n dn 啪e n c a ls i m u l a t i o n ， v a o u sf a c t o r st oi i l n u e n c ea i r f l o ww e r ep u tf o r w a r d 锄dt h ee f c to fl 【i n d so fm o d i f i e dm e a s u r e so na i r f l o w d i s 仃i b u t i o nw e r ea 舱l y z e d 1 kd e t a i l e dr c s e a r c hr e s u l t sa r e 鹊f o l l o w s ： 1 t h em a i nf a c t o r st 0i n f l u c ea i r f l o w i nl a r g es c a l ev c n i c a lc i e a n 啪m ，a 伊e a td e a lo fr e t u ma i ri sc o l l e c t c db yt h ei n l e to fs h a rt oe 1 1 白e rt h eu p p e r p l e n 吼，s ot h er e s i s t a n c eo c c u r si na c c o r d a n c ew i t ht h ed i s t a n c ef b m t h ei n l e ta n dt h ea p e n l i r er a t eo ft h ea c c e s s f l o o r ，锄d 舔ar e s u l t ，a i r f l o wi ss t a 龃粕ta n d 嘶ri sb e i n gd e v e l o p e d t h ef a c t o r sw h i c hi l l n u c es u c ha i r n o w c h a n g ea r et h el o c a t i o n so ft h es h a r ，t h ea r r 锄g e r m m 趾da p c r t u r er a t eo ft h ea c c e s sn 0 0 r ，姐dt h eu t i l i t y i n t e r f e r e n c eo ft h el o w e rp l c n 哪t h ep o s i t i o no f 也ep a n i t i o n ，t h er o o ml e n g t h ，a n dt h ed e p t ho f ( h eb o t t o ma l s o a f f e c tt h ea i r f l o w 2 a n a i y s l so ff i e l dm e a s u r c m e n ta n ds l m u l a t i o nr e s u i t s w i t hm ef 砬t o r si i l n u e n c i n gt h ea i r f l o w 舔v a r i a b l e s ，b yc o m p a r i n gt h en 岫e r i c a l 锄de x p e r i n l e n t a lr e s u l t s ，t h e d e n e c t i o n 龃g l co fb o t l la h n o s tc o i n c i d e i ti sp r o v e dt ob ev a l i dt od c c i d eo nt h es c a l ea n d 耐o 彻a n c eo ft h e c l e 锄i h i o mb ys i m u l a t i o n ，a tt h ep r e l i m i n a r yp l a n n m gs t a g eo fn l ec l e a nr o o m b yt h ea p e r t u r er a t e a d j u s 廿i l e t i t ，s h a ri n s t a l l a t i o n ，锄dp a r t i t i o na d j u s n i l e n t ，t | l ed e f l e c t i o n 卸g l ed e c r e 弱e4 2 8 0 趴d4 l ob yf i e l d m e a s u r e m 朗t 柚dn 啪耐c a ls 妇u l a t i o nr e s p e c t i v e i y ，w h i c hr e s u l ti n17 5 0 锄dl7 0 ，c l o s et 0t h et a r g e to fl4 0 3 p r e s e n t i n gt h eb a s i cd a t af o rp r e d i c t i n ga i r f l o wc k m g e 1 ) m o s to ft h ea i r f l o w si nt h ec l e a nr o o md ri nt h ed i r e c t i o no ft h es h a 危t h e - s o nt h a ts o m ea i r f l o w sd on o t d i r e c t l y “rt o w a r d sm es h a ri sf o u n dt 0b ed u et ot h ep r e s 锄r ed i f f 音r e n c eg e i l e r a t e da tt h ea c c e 鹃f 1 0 0 r a c c o r d i i l g l y ，豳m es h a ri sd i s t a n tf b mt h em e a s 嘶n gp o i n ta n dt h ed e n e c t i o nd e g r e ei sh i g h ，as 讯l c t u m l s o l u t i o n ，s u c ha sa d d i t i o n a li n s t a l l a t i o no fs h a 凰，i sn e e d e d 2 ) 1 1 1 eu t i l i 妙o fl o w e rp l e n 唧i i l 也ec l 锄r o o mi n t e 哦r e sw i mt h ea 仰o w ，a n dt h ev e l o c i t yo ft h ea 瑚o wi s c e l e r a t e dw h e n 印p r o a c h i n gf r o mt h ec e n t e rt ot h es h a r t h i si sf o u n dt ob ed u et ot h ep o s i t i o na n dd i s t a n c eo f t h es h a r 3 ) w h e i lc q u i p m e i l tg e n e r a t e sh e a t ，c n u l a t i o na r e ai sf o n n e da r o u n di l l ec q u i p m e n t ；强dw h e l lh ti sp r o d u c e d ， p a n i c l ed e n s i t yg r o w sh i g ha r o u n dt h ee q u i p m e n t t h em o s ts u i t a b l em e t h o d st 0r e d u c eh e a ts p r c a da r em e a d j u s 缸i l e mo ft h ea 硼o ws p e e do ff f ua n d 也ef o r c e dv e n t i l a t i o nt o w 砌s 咐o l u l d i n ga r o u n dm ee q u i p m e n t 4 ) 1 kc h a n g eo fl a y e rh e i 曲to ft h cu p p e rp l e n 岫d o e sn o ti i l n u e n c et h ea i r n o ww i i h i nt h ec i e 如r o o m w i 血 l a y e r h e i g h tr i s i n g ，t h ep r e s s u r ed i 仟e r c n c ew i t h i nt h ec l e a nr o o mi sr e d u c e d ，b u tt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 诵t h i n t i l ec l e 卸r ( o md o e sn o tc h a n g c k e yw o r d s ：c 1 e a nr o o m ：a p e n u r em t e ； d e n e c t i o na n g l e ：f i e l dm e a s u r e m e m ；s h a r 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 目录i 主要符号表 第一章绪论 1 1 研究背景及目的 1 2 国内外研究状况 1 2 1 空气各种污染物粒子净化方式研究 1 2 2 洁净室气流组织研究 1 3 研究内容及方法 第二章洁净室气流组织数值模拟建模 2 1 气流控制的群要性 2 2 数值模拟的理论及算法 2 2 1 理论及数学建模 2 2 2 数值模拟求解方法 第三章洁净室气流组织分析与研究 3 1 洁净室内气流组织分析方法介绍 3 1 1 气流组织分析适用区域 3 1 2 气流组织分析技术 3 1 3 气流组织分析过程 3 1 4 气流组织分析磐要资料 3 1 5 改善洁净室内气流组织的实例 | i l 东南人学博士学位论文 3 2 洁净室的气流状态分析2 5 3 2 1 发尘和附着2 5 3 2 2 空气帘气流现象2 5 3 2 3 地板回风的下部阻抗。2 6 3 2 4 局部区域的气流现象2 9 3 2 5 排气及发热的影响3 0 3 3 洁净室气流特性及实例研究模拟可靠性验证3 1 3 3 1 洁净室气流特性影响因素分析一3 1 3 3 2 洁净室数值模拟分析3 7 3 3 3c f d 模拟实验验证4 4 3 3 4 大型洁净室实例研究4 6 3 4 小结。4 9 第四章洁净室实测气流组织分析5 0 4 1 现场实测的目的5 0 4 2 洁净室对象的结构5 0 4 3 现场实测内容及方法5 1 4 3 1 测量仪器及方法5 1 4 3 2 现场条件5 1 4 4 影响气流组织变化因素分析5 5 4 4 1 气流组织测量及分析( a 区) 5 5 4 4 2 气流组织测量及分析( b 区) 5 9 4 5 小结6 1 第五章数值模拟气流变化分析6 3 i v 只录 5 1 模拟实验的条件6 3 5 1 1 模拟对象组成6 3 5 1 2 网格划分及边界条件6 6 5 2 数值模拟结果及分析6 6 5 3 小结6 8 六章基于数值模拟的气流改善措施7 0 6 1 上部静压层层高与气流变化关系。7 0 6 2 通风竖井设置和气流变化关系7 3 6 3 栅格地板的开孔率与气流变化关系一7 5 6 4f f u 出口风速和气流变化关系7 9 6 5 现场实测与数值模拟对比分析8 1 6 5 1 栅格地板开孔率调整8 2 6 5 2 通风竖井设置及隔断调整一8 2 6 5 3 下部静压箱的动力设备及上部静压箱层高变化8 2 6 5 4f f u 送风速度与气流变化8 2 6 6 小结8 2 v 明 盯 昌吕 g ； 一 一 一 著 一 一 一专 一 一 一与 一 一 一文 一 一 一 沦 一 一 一表 一 一 一 发 论 一 一问 结 轧 | | i垤凯教样第致参博 上要符号表 口 常数，见式( 2 1 2 ) c 常数值，见表2 1 ，总通量密度 七 紊流脉动动能 p 压力，p a s为源项 丁 温度，k “ 坐枥方向速度，m s ， 半标y 方向速度，州s w 坐标z 方向速度。州s x坐标轴，m y举标轴，m z 坐标轴，m 希腊字母 耗散率 p密度，k m 3 矽通用因变量， r 扩散系数 。 常数值，见表2 1 “ 动力粘度，p a s 下标 p 控制容移 网格点 e p 点东侧网格 wp 点两侧网格 s p 点南侧网格 n p 点北侧网格 lp 点底侧网格 h p 点上侧网格 主要符号表 v 第幸绪论 1 1 研究背景及目的 第一章绪论 随着国内半导体向l g bd r a m ( g i g ab ”ed y n a m i ca c c e s sm e m o r y ) 以上的超高密 度半导体芯片发展，其单位也从以前的微米( 1 “m = 0 0 0 1 m m ) 开始发展到现在的纳米 ( 1 n m = o 0 0 l u m ) 单位 。在这种高精密产业中，温度、湿度、粉尘、微震、气流、电子 场、噪音、照明等都会给半导体制造或组装的质量产生重要影响，因此对以上要素进行 一定精度的控制，构建洁净室窄间，成为半导体生产必然要求【2 卅。另外，目前l c d ( l i q u i d c 巧s t a ld i s p l a y ) 、医药品、食品等产业发展也使得洁净室的市场需求日益增多，洁净室 内部气流及洁净度摔制成为总多学者的研究热点【5 ，6 j 。 洁净室内的气流按流动方式，可以分为乱流和层流。气流尤固定方向流动叫乱流； 在流动过程中，气流按一定方向流动的称层流。层流按气体流动方向又可分为：从天井 到地面方向流动的垂直层流【7 ，驯( v e n i c a ll a m i n a rf l o wt y p e ) 和气流从室内的一侧流到 另一侧的水平层流叫( h o r i z o n t a ll 锄i n a rf i o wt y p e ) 。 洁净室内的温、湿度以及压差的控制技术的研究与应用早期就已开始】，目前己发 展得非常成熟，洁净室内粉尘的微小颗粒控制，尤其是可吸入颗粒物的控制目前还处在 发展阶段，其控制的基本思路是防止室外粉尘进入室内，控制事内粉尘的产生，粉尘产 生的直接防止和粉伞的迅速排除。 空气中的浮游粒子运动受气体流动、布朗扩散、重力、静电力、凝聚、蒸发等各种 外界力共同作用。特别是粒径小于l m 的微粒子移动丰要受气流的影响，并随着气流的 方向移动。因此，准确掌握气体的流动特性，并进行良好的气流控制是保证洁净室内洁 净度的关键。 目前，对洁净室内气流分布特性进行研究的方法主要有气流可视化、直接测量法等， 这些方法很实用且已得到j “泛的应用。目前的绝大多数研究足利用这砦方法进行实验测 试和分析，但由于在实际牛产运行过程中，会有污染物的不断产牛，且存在产牛原因、 产牛时机不确定以及安全性等技术性难题和经济性问题，所以无法对各种牛产环境下洁 净室气流特性进行实验测试。 为解决以上难题，本文采用数值模拟进行研究，数值模拟法是预测洁净室内气体流 动物理现象，掌握洁净室的物理尺寸及洁净方式等因素改变对气流分布产生影响的最有 效、方便的方法。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 空气各种污染物粒子净化方式研究 在洁净技术中，把小于1 0 “m 的粒子为研究对象丰要有粉尘、纤维、维牛物等，其 中微牛物还被称为“活的粒子”，微牛物在特定环境下可以牛长和繁殖。微牛物多附着 在尘粒上，也有以芽胞的状态恳浮丁空气中。 空气环境中含尘量的多少以空气洁净度来衡量，含尘浓度高的洁净度低，含尘浓度 低的洁净度高，空气洁净度级别就是以含伞浓度来划分的。含伞浓度一般以单位体积空 东南人学博士学位论文 气中大丁- 和等丁某一粒径的粒子数来表示。空气洁净度级别是评价空气洁净环境的核心 指标。1 9 6 3 年底诞生丫第一个科学分级的空气洁净度标准，即美国联邦标准2 0 9 【12 1 。之 后，欧洲、日本、中圈等一些国家相继制订了本国的空气洁净度标准【i3 1 。1 9 9 3 年国际标 准化组织( i s o ) 成立了i s o t c 2 0 9 专门委员会一一2 0 9 技术委员会，现己发行最新国际标 准草案i s o d i s l 4 6 4 4 1 空气悬浮粒子的分级( c l a s s i f i c a t i o no f a i r b o m ep a n i c u l a t e s ) ， 即将颁布国际统一标准【1 4 】，现行的美国联邦标准2 0 9 e 如表1 1 所示。 表1 1 美围联邦标准2 0 9 e 为丫达剑不同净化级别所对应的颗粒浓度值，必须对各种颗粒浓度进行控制，针对 不同污染物颗粒种类戍采取不i - j 控制方式。 1 2 1 1 生物性污染控制 改善室内空气品质，最苇要的要控制室内牛物性污染。牛物性污染足由室内牛物细 菌引起的，这些牛物污染细菌 要来自室内和通风窄调系统。 在我国，目前尚未认识到洁净空调系统和普通空调系统自身污染对室内生物性污染 所能产生的影响，也很少有人研究人量民用场所窄凋的空气质量( i a o ) 。由于室内空气 质量问题是由多凶素、多途径诱发的，不可能由单一方法去解决，需要一个系统上程来 解决。例如解决窄调系统污染应考虑空调机组、系统设汁、空气输送与分布以及室内温 湿度控制等因素【l 川。 目前我闷空调系统污染现状令人震惊，解决空调环境生物污染细菌以及空调系统自 身的污染已成为改善室内空气质量的关键冈素。甚至可以说通风空调的作用首先应是消 除其自身的负面影响。最近德国医疗卫生协会、瑞士医疗卫生协会和奥地利卫牛、微生 物及预防医学会提出的欧洲医院卫乍指南( 草案) 中承认，在许多场合中空调系统已 被证实为污染源，只有将空调系统看作污染源，才能彻底解决室内牛物学污染，认为这 是对传统思路的突破6 | 。 谈及消除牛物性污染传统思路常会想到采用消毒措施，但生物医学区域解决室内生 物性污染的思路却是强调消除微，卜物繁殖基础( 令埃和水份) 。洁净手术室用空气调一肯机 组( g b t 1 9 5 6 9 2 0 0 4 ) 标准并没有规定采用任何消毒灭荫手段解决空凋机组= 次污染 问题，而是采用一系列措施控制机组内不积尘、不积水，易清洁、易干燥。医院洁净 手术部建筑技术规范( g b 5 0 3 3 3 2 0 0 2 ) 对无菌室提出严格的湿度控制，并要求采用湿 度优先控制。同济大学沈晋明、许钟瞵认为以上这些措旌就是关键所在，提倡将这些控 制理念与措施戍用到普通民用场所，惜j 。 控制牛物性污染的关键是消除微乍物滋生条件，而高湿度又足引起微生物繁殖的t 要因素，因此可以说高湿度就是诱发细菌。这样将牛物性污染控制归纳为湿度控制的概 念，沈晋明教授提出了“余湿是污染物”的理念【l5 | 。对室内来说，相对湿度控制在5 0 左右是各种微生物生长的最不利环境。因此湿度优先控制理念就是要首先消除余湿。为 了控制微生物繁殖的基础，减少窄调系统的积水与积伞。沈晋明教授提出一种既不需要 冷凝水收集与处理，也不需要凝结水管系统，并开始研发无凝结水的空凋末端机组( 或 自循环机) 与系统9 | 。 甲醛是影响人体健康的室内丰要污染物之一，室内甲醛体积分数在很人程度上受室 2 第节绪论 内温度和湿度的影响。刘红敏，连之伟对此进行了实验研究与理论分析【2 0 ，通过实验测 量结果，对甲醛休秋分数与温、湿度的关系进行了拟合，见图1 1 所示。结果表明，甲醛 的体积分数随室内温度的上升呈指数关系上升，随湿度上升也旱指数关系上升，其中受 温度的影响更大。所以，作者建议新装修的房子可以采用加温加湿的方法促进甲醛气体 的快速释放。 毛 = 瓤 套 肇 地 堪 翌厦 相对湿度届 图1 1 室内温湿度对甲醛体积分数的影响【2 0 】 除在源头控制微生物繁殖外，生物污染物净化方法有许多种【2 1 】： 1 生物方法【2 2 乃j 。绿色植物对居室和办公室的污染空气具有很好的净化作用。在2 4 小 时照明的条件下，芦荟能消除l m 3 空气中所含的9 0 的醛，常青藤能消除9 0 的苯，龙舌 兰町清除7 0 的苯、5 0 的甲醛和2 4 的三氯乙烯，垂挂兰能消除9 6 的一氧化碳、8 6 的甲醛。 2 物理方法【24 1 。利用物理的吸附特性、压电特性、静电特性、红外特性以及电子特性， 对不同的气休和气味进行吸附。目前市场卜很多空气净化器都属丁这一类。常用的吸附 剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、沸石、分子筛、多孔性粘土矿石、活性氧化铝和硅胶等。 空气负离子和臭氧发乍器也是比较流行的空气净化器，这类产品主要吸附空气中的悬浮 物，对甲醛等污染物质的吸附作用有限。 3 化学方法。其优点是牛效迅速，反应完全。缺点是只有在和有害气体物质接触时才 能发生反应，而接触不到的气休是不能消除，主要的空气净化剂是氧化犁净化剂。利用 净化剂的强氧化性来分解空气中的甲醛等；络合型净化剂，利用化合物的络合原理来破 坏甲醛分子结构中和空气中的有害气体，进而逐步清除，最终达到改善室内空气质量的 目的；光催化型净化剂，优点是反应条件简单，对反应对象的选择性较低，能氧化绝人 多数的有机污染物和部分有还原性无机物；在催化反应过程中会产牛氧负离子净化宅 气，具有杀菌抑菌作用，是无毒、尤刺激、尤过敏、尤耐药性的理想全天然杀菌材料。 1 2 1 2 非牛物性污染控制 室内非生物性污染物根据来源和性质的不同，可以分为颗粒污染物和气态污染物， 其中颗粒污染物丰要是粉尘，气态污染物包括c o 、c 0 2 、n h 3 、s 0 2 等挥发性有机物。 室内非牛物性污染物现有净化设备丰要有： ( 1 ) 机械过滤式净化器【2 5 2 7 】 这种净化器属丁小型空气过滤器，室内空气经过风机加压后通过纤维过滤材料，从 而将空气中的颗粒污染物捕集下来。但是，它只能有效去除空气中的一定粒径范闱的颗 粒污染物，对气念污染物却无法去除。 ( 2 ) 机械过滤加吸附式净化器【2 8 2 9 】 这种净化器将普通空气过滤技术跟活性炭吸附技术结合起来，利用活性炭对气体有 较强的吸附能力的特点，提高了对气态污染物的净化效果，在总休上：提高了净化性能， 是目前市场上的主导产品。但活性炭吸附存在饱和状态，再生麻烦，凶而实际使用时不 3 东南人7 博士学位沦文 够方便。 目前采用的活性炭吸附法只是将污物源转移，并没有使污染物分解，且存在吸附饱 和以及由于吸附剂吸附饱和所带来的净化效率显著卜降及二次污染等问题。羊毛这一天 然蛋白质纤维具有独特的形态结构和物理、化学件能对有害气体具有较好的吸附作用， 同时能完全或部分分解各类有机污染物，使其最终牛成c 0 2 、h 2 0 及其它对人体无害的 物质。王与娟、黄翔对羊毛吸附甲醛和羊毛产牛负离子进行了实验研究，并对相关机理 进行了理论分析和实验验证。发现羊毛对空气中低浓度的甲醛具有较好的吸附作用，对 空气具有较好的净化作用；作者提出利用纳米技术对羊毛纤维进行功能性整理，能提高 化学反应速率，加快有害物质的去除速度，提高羊毛产生负离子的稳定性和持久性【3 0 1 。 ( 3 ) 静电式净化器【川，j 2 j 静电式净化器对粒径较人的颗粒污染物的净化效果较好，但是无法净化气态污染 物，同时还会产生臭氧的二次污染物，其基本结构原理见图1 2 。同济大学的毛华雄等对 静电净化器的除乍、火菌、去除t v o c 的效果进行了实验研究，发现静电净化器与普通 纤维过滤器相比具有效率高、阻力小，运行成本低，同时具有一定杀菌和去除有害气体 的作用，所以合理地将其应用于空调系统中能够有效改善室内空气品质 3 3 】。 金属过 滤网 电离嚣 姐。i7 出风 高压离化线 k 尘板活篓焉过 图1 2 静电净化器基本结构原理图 h v - h f 屯凝窄气净化单元，由功率发牛器产牛复杂电场。进入该装置的粒子在电场 内的碰掩机率增人，相百粘结为接近电中性的极化粒子团，这些粒子团进入室内，能够 像滚雪球效应一样粘附室内空气中及物体表面卜l “m 以下的粒子并形成更大的粒子团 ( 如图1 3 所示) 。清华大学蔡冰等将一种新型的高抓高频( h v - h f ) 电凝空气净化单元与中 效过滤器结合使片j 【3 4 1 ，并对其审内空气中多种污染物的去除效果进行了研究。通过实验 比较( 结果如图1 4 ) ，电凝装置的投入使用提高了中效过滤器对空气净化系统中颗粒物的 净化效果，尤其是对人体健康影响较人的1 u m 芹右的粒子的去除率有显著的提高。 图1 3 电凝空气净化装置示意图 4 拿手茎 7 一 第节绪论 ( a ) h v h f 电极电源关闭( b ) h v h f 电极电源丌通 图1 4 颗粒物净化效果比较 ( 4 ) 负离子净化器【3 5 3 6 】 通过强电场产牛负离子，与窄气的污染物结合形成重离子，从而沉降或吸附在物体 表面，同时负离子还能杀灭某些细菌。因此这种净化器有一定的杀菌和净化颗粒污染物 的作用，但同样也无法净化气体污染物，同样也会产牛臭氧等二次污染物。 1 2 1 3 空气净化器改进措施 ( 1 ) 活性炭纳米t i 0 2 复合光催化【3 7 】 活性炭吸附法和t i 0 2 光催化法在处理静态环境中的高质量浓度的微污染物具有较 高的净化效率，但在动态系统中，由于空气流速较大且污染物质量浓度较低，其净化效 果较差。 针对以上问题，冯国会等提出了活性炭纳米t i 0 2 复合光催化技术【3 8 】，通过实验研 究( 图1 5 ) ，发现空气流速变化对该复合催化网净化的效果影响不大；污染物的初始质量 浓度越高其净化效果越显著，但当污染物质量浓度较低时其净化能力仍高于单一净化技 术。 o 2 04 0舳1 0 0 1 2 0 1 4 0 t ，墨 图1 5 不同送风速度下甲醛质量浓度随时间变化曲线 ( 2 ) 利用催化荧光灯降解甲醛 华南理上大学黄冬根等制备了具有光催化净化空气性能的荧光灯【3 9 】，图1 6 为t i 0 2 薄膜的原子力显微镜像。这种多孔的表面结构，有利于对窄气中有机和无机污染物的吸 附，同时在光照射下，内部的t i 0 2 产牛的光牛电子窄穴对容易迁移到t i 0 2 晶体的表面而 得剑有效分离，提高了光量子化产率，从而可以提高涂膜荧光灯的光催化效率。 5 加舳加 l，il i i -_锄m，巡蛏阍蟋g镦 东南人学博七学位论文 1 2 2 洁净室气流组织研究 在空调房间中，经过处理的空气由送风口进入房间，与室内空气进行热、质交换后， 经回风口排出。空气的进入和排出，必然引起室内空气的流动，而不同的空气流动状况 有着不同的空调效果。气流组织直接影响室内空调效果，是关系着房间工作区的濉湿度 基数、精度及区域温差、工作区的气流速度及洁净程度和人们舒适感觉的重要冈素，是 空气调节的一个重要环节【4 6 | 。良好的气流组织型式，可以在较小的系统循环风量和系 统能耗f 达到较高的空气洁净度。因此，除了考虑净化方式、净化宅调系统型式及其相 应的设计方案、系统划分原则、空气的处理、输送和调节外，还要特别注意洁净室的气 流组织。气流组织的任务就是合理地组织室内空气的流动，使室内空气的温度、湿度、 流速和洁净度等能更好地满足工艺要求和符合人们的舒适感觉。对丁净化空调而占，不 同的气流组织型式和气流流速，决定了洁净审能达到的洁净度，4 引。 由于洁净室造价和运行费用惊人，使得各国无不从设计、运行等多方面入手进行研 究【4 弘5 2 】，其中最丰要的一个方面就是研究新的气流组织型式。仟何工程技术难题的解决 都离不丌相关理沦的指导，洁净技术也不例外。随着洁净技术研究的深入，在洁净审的 计算中引入不均匀计算理论，提出“主流区”的概念，使得人们对洁净室的气流组织在 观念e 发牛很人转变。现在的趋向是结合生产特点，以局部层流代替全室层流，以多样 的组合气流代替单一的典型气流【5 3 。5 5 】。对于洁净度要求较高的操作区域，用局部层流来 满足，而对于非工作区，则采用较低级别的洁净度，甚至乱流方式即可，出现了矢流洁 净室、洁净隧道、洁净管道、全封闭洁净室、微循环系统洁净室、气幕洁净室和气幕洁 6 第幸绪论 净棚等【5 6 _ 5 8 】i 艮多新型洁净窄和洁净工作空间。 1 2 2 1 几种典型洁净室的气流组织型式 ( 1 ) 乱流洁净宅 国际上称这种洁净室为非单向流洁净室。乱流洁净室的送风方式如图1 7 所示，乱流 洁净室的流态是急变流，非均匀流，在伞室范围内存在人的回流和涡旋。当洁净气流从 送风口进入室内时，迅速向四周扩散、掺混，同时把几乎同样数量的空气从回风口排走， 洁净空气稀释了室内污染的空气使7 企源粒子对空间粒子分布不均匀影响消失，达到降低 空间离散相浓度平均值的目的。因此，乱流洁净室的原理就足稀释作用。 由于乱流洁净室室内有涡流，气流流速不均匀，某些伞粒在室内循环，不易被排除， 因此乱流洁净室只能达到1 0 0 0 级以下的洁净度，为了达到1 0 0 级或更高的洁净度只有采 用单向流洁净室。 黄贵松【5 9 通过理论计算，提出针对不同控制粒径，在换气次数、过滤器选择等方面 麻采取不同的合理措施。周静茹等【6 0 j 分析了乱流洁净室净化空调设计中室内发伞量和新 风比对换气次数的影响。曹后志等【6 l j 针对乱流洁净室捉出一个简化的换气次数计算公 式。l a k e 等【6 2 】分析了在地板上的沉积性颗粒对乱流洁净室洁净度的影响。 函一 有扩散板无扩散板 ( i ) 凶 d 亡 赠 凶 避 h 凶 区 匝 图1 7 乱流洁净室的送风方式 ( 2 ) 单向流洁净室 单向流洁净室又称为层流洁净室，分为两大类：垂直单向流沽净室和水平单向流洁净 室。前者为全顶棚送风、全地板回风，后者为全侧墙送风，对侧全墙面同风，如图1 8 所示。在单向流洁净室内，从送风口到回风口，气流截面沿途几乎没有变化，全审断面 上的流速比较均匀，无涡流，可见这种洁净室不是靠掺混稀释作用，而是靠气流的推出 作用将室内污染的空气沿整个端面排至室外。所以，联邦德国的研究者称单向流洁净室 的气流为“活塞流、“平推流”；前苏联称之为“被挤瓜的弱空气射流”。洁净的空气好 比一个活塞，沿房间这个汽缸向前推进，把室内含尘浓度高的空气压出室外。单向流洁 净室能达到很高的洁净度级别，一般在1 0 0 级以上。 罗訾等【6 习发现垂直单向流洁净窜的宽度尺寸是影响速度场均匀性的主要冈素。路建 岭等畔j 分析比较了单向流洁净室和牛物安全柜高效过滤器气流速度检测测点布置方法。 c h e n g 等【6 刘在地板高度、丌孔率和入口空气流速分布等方面提出改进垂直单向流洁净室 空气流速分布的措施。台湾学者h u 等【6 6 运用数值模拟手段对轴流风机( a x i a lf a nt 即e ) 和风机过滤机组( f a nf i l t e rt 卯e ) 两种垂直单向流洁净室系统性能进行研究，发现在滤网 7 、“i 撕 翌 黼蒯 东南人学博士学位论文 下空气流速非均匀性、工作区气流偏转角度及换气效率等方面风机过滤机组系统都要优 丁轴流风机系统。 图1 8 单向流洁净室 ( a ) 乖直单向流洁净室 ( 3 ) 全顶棚送曲侧下同风洁净室 国外有研究者称这种洁净室为准层流洁净室，如图 1 9 所示。在合理室宽的情况下全顶棚送两侧下回风洁 净室的窄气洁净度能达到1 0 0 级。李孔清等【67 】对全顶棚 送风下部埘侧同风洁净窄内悬浮颗粒的分布进行了模 拟计算，与浓度模型模拟所得结果比较发现改进模型 不但在精度方面有明碌提高，而且与实验值吻合良好。 魏学孟等【6 剐讨论全顶棚送两侧卜回风洁净室不稳定涡 流三角区的人小及其与洁净室宽度、送风口高度的关 ( b ) 水平单向流洁净室 系。图1 9 全顶棚送两侧下回风洁净宦 ( 4 ) 矢流洁净室 这种洁净室采用房间的侧l 角送风、对侧下角回风。送风口采用扇形高效过滤器， 回风口安装一般的格栅，如图1 1 0 所示。矢流洁净室的净化机理既不同于乱流洁净室的 掺混稀释作用，也不同于层流洁净室时均流线平行的活塞作用，它足靠不交义气流的推 出作用，将室内空气排至室外，达到净化室内空气的目的。但不同于单向流的“平推”， 而是“斜推”。矢流洁净室也可以达到较高的洁净度级别，如1 0 0 级。 图1 1 0 矢流洁净室 樊洪明等【6 9 】采用有限差分数值模拟法对矢流洁净室内气流的流动特性和污染物的分 布规律进行研究，得到了这种洁净室的主要设计参数，并给出了扇形送风口边界条件的 处理方法。陈文浩等 7 0 】对矢流洁净事在换气次数减小、高效矢流风口面积减小时的净化 能力进行了定量评价和比较，并分析了采用矢流洁净室的经济性。 1 2 2 2 房间积伞对气流组织的影响 近几年来，由丁置换通风合理的温度分布、较高的通风效牢和明显的节能特性，使 其越来越多地应用到民用建筑中。在采用嚣换通风系统的房间内，新鲜空气从下部送入， 8 以近似层流的状态从下向 带出。在小考虑地面秋尘 品质较好【7 l 】。但是，在室 于气流的作用重新进入工 1 9 51 年c o m e r 和p e n