无尘净化车间

 一、洁净室原理  

(一) 洁净室的定义  

洁净室是指空气洁净度达到规定级别的可供人活动的空间。其功能是控制微粒(尘埃粒子)的污染。来达到满足精密产品的生产与科学实验活动。洁净室绝不是仅限于"洁净",不同的行业与部门对温度、温度、照明、噪声、静电、微振都有相当要求的多功能的综合整体,是集建筑装饰(与大气相对隔断的密闭装修)、净化空调、纯水、纯气、动力电、照明电、工艺管道等多种专业技术于一体的产物,洁净室(或洁净厂房)

电子洁净厂房

(二) 洁净室的分类实现层流的最低风速值

2.1按用途分类(可分为两大类) 

①工业洁净室-以无生命微粒的控制为对象。主要控制空气尘埃微粒对工作对象的污染,内部一般保持正压状态。它适用于精密机械工业、电子工业(半导体、集成电路等)宇航工业、高纯度化学工业、原子能工业、光磁产品工业(光盘、胶片、磁带生产)LCD(液晶玻璃)、电脑硬盘、电脑磁头生产等多行业。 

②生物洁净室:以控制有生命微粒(细菌)与无生命微粒(尘埃)对工作对象的污染。又可分为: 

A.一般生物洁净室,主要控制微生物(细菌)对象的污染。同时其内部材料要能经受各种灭菌剂侵蚀,内部一般保持正压。实质上其内部材料要能经受各种灭菌处理的工业洁净室。

B.生物学安全洁净室:主要控制工作对象的有生命微粒对外界和人的污染。内部要保持与大气的负压。   

2.2按气流分类(按气流可分为四类)  

①.单向流洁净室(层流、活塞流)  

②.乱流净室  

③.辐射流(斜流)洁净室  

④.混合流洁净室(乱流、层流同在) 

(三) 单向流(层流)洁净室(又称垂直流,平行流)  

(1) 既气流以均匀的截面速度,沿着平行流线以单一方向在整个室天花截面下通过的洁净室。单向流洁净室靠送风气流“活塞”般的挤压作用。迅速把室内污染排回风道。 

(2) 要想实现"活塞流"的作用,最重要的是高效过滤器必须满布。但是由于高效过滤器有边框,放置高铲过滤器也要有支架,不可能百分之百的满布。所以我国《洁净厂房设计规范》规定,垂直流洁净室满布比不应小于60%,水平单向流洁净室不应小于40%,否则就是局部单向流了。

半导体洁净室

(四) 乱流洁净室的原理和特性  

1、定义:乱流洁净室的定义是气流以不均匀的速度是不平行流动,伴有回流或涡流的洁净室。  

2、原理:乱流洁净室靠送风气流不断稀释室内空气,把室内污染逐渐排出,来实殃洁净的(乱流洁净室一般设计在千级以上至30万级净化级别)。

3、特性:乱流洁净室是靠多次换气来实现洁净级别。换气次数决定定义无反顾的净化级别(换气次数越多,净化级别越高)  

(五)洁净室的新风要求  

按《洁净厂房设计规范》规定,乱流洁净室新风量应不小于总风量的10%-30%;单向流洁净室,新风量应不小于总风量的2%-4%,当然也可以根据洁净室的具体功能而定。

 

二 空气洁净度等级

空气洁净度是洁净环境中空气含悬浮粒子量的多少的程度,通常空气中含尘浓度高则空气洁净度低,含尘浓度低则洁净度高。空气洁净度的高低可以用空气洁净度等级来区分。空气洁净度级别则以每立方米空气中的允许微粒数来确定。

洁净室(区)是指空气悬浮粒子浓度、含菌浓度受控的房间(限定的空间),房间(空间)的建造和使用方式要尽可能减少室内引入、产生和滞留粒子等,房间(空间)内其它相关参数如温度、相对湿度和压力按要求进行控制。

 

洁净室平面图

 

洁净厂房的组成

洁净厂房一般包括生产区、洁净辅助间(包括人员净化用室、物料净化用室和部分生活用室等)、管理区(包括办公、值班、管理和休息室等)、设备区(包括净化空调系统用房间、电气用房、高纯水和高纯气用房、冷热设备用房等)。后三类用房都是为洁净生产区服务的设施。

 

洁净室系统图

 

净化工程垂直单向流洁净室的标准

在水平流系统中,气流是从一面墙流向另一面墙。在垂直流系统中,气流是从吊顶流向地面。对要求洁净室的悬浮粒子浓度或微生物浓度更低的场合,就使用单向气流。

单向流洁净室一般有两种类型,即水平流和垂直流。在水平流系统中,气流是从一面墙流向另一面墙。在垂直流系统中,气流是从吊顶流向地面。

对要求洁净室的悬浮粒子浓度或微生物浓度更低的场合,就使用单向气流。以前称这类洁净室为“层流”洁净室。单向流和层流的名称均说明了其气流的状况:气流以一个方向流动(或是垂直的或是水平的),并以一般是0.3米/秒至0.5米/秒(60英尺/分钟至100英尺/分钟)的均速流过整个空间。

 

10万级无尘车间

 

净化工程由满布洁净室吊顶的高效过滤器向室内送风。气流有如一个空气活塞,向下流经室内,带走污染物,然后从地面排出。又在与外部的一些新鲜空气混合后,再循环至高效过滤器。

人员和工艺所产生的悬浮污染可立即被这种空气清除掉,而紊流通风系统采用的是混合与稀释原理。

在一间没有任何障碍物的空房间,单向流用比前面提到的低得多的风速,就可以很快将污染物清除。但在一个操作间,机器以及机器周围走动的人员,会对气流形成障碍。

障碍物可以使单向流变成紊流,从而在障碍物周围形成气流团。人员的活动也可以使单向流变成紊流。在这些紊流中,由于风速较低,空气稀释程度较小,从而使得污染浓度较高。

 

 

因此,必须将风速保持在0.3米/秒至0.5米/秒(60英尺/分钟至100英尺/分钟)的范围里,以便使中断的单向流能快速恢复,充分稀释障碍物周围紊流区的污染。

用风速可以正确地表示出单向流,因为风速越高室内就越洁净。而每小时换气次数与房间的体积有关,如吊顶的高低,因此不适合用来表示单向流。

 

不同行业的洁净室

 

单向流室内的送风量是紊流室的很多倍(10到100倍)。所以这样的洁净室的建造和运行费用要高得多。

 

不同类型洁净室原理整理:

1.单向流(层流)洁净室原理

在洁净室内,从送风口到回风口,气流流经途中的断面几乎没有什么变化,加上进风静压箱和高效过滤器的均匀流作用,全室断面上的流速比较均匀,而至少在工作区内流线单向平行,没有涡流。这也就是单向流洁净室的三大特点。这里的流线单向平行,是指流线彼此平行,方向单一。

在单向流洁净室内,干净气流不是一股或几股,而是充满全室断面,所以这种洁净室不是靠洁净气流对室内脏空气的掺混稀释作用,而是靠洁净气流的推出作用将室内脏空气沿整个断面排至室外,达到净化室内空气的目的。所以前联邦德国有人称单向流洁净室的气流为“活塞流”、“平推流”,前苏联称之为“被挤压的弱空气射流”。干净空气就好比一个空气活塞,沿着房间这个“汽缸”,向前(下)推进,而使尘粒只能前(下)进,没有返回,把原有的含尘浓度高的空气挤压出房间。

在单向流洁净室及单向流净化设备中,可以发现隐蔽的和两个过滤器搭接处下方的反向气流。这种气流将把下方的污染物传输到上部再送下来,破坏了上述“活塞流”的状态,危害极大。对于和外界有开口相通的局部净化设备,如洁净工作台,这种气流将影响外界污染气流,在设计上一定要减小过滤器边框处所占的无效 面积,更要设法使空间的壁面尽量接近过滤器有效送风截面。

通过以上分析,可以认为保证单向流洁净室特性(高洁净度和快速自净恢复能力)的先决条件有两个:①来流的洁净度;②来流的活塞流情况。

对于来流的洁净度,对通过高效以上过滤器送风你的单向流洁净室来说是不成问题的,而对于来流的“活塞流”情况,则需做进一步分析。

根据来流体力学原理,来流条件对优化的流动状况将产生直接影响,送风面出口气流也就是工作区的来流。

来流的紊动性大,则将影响后面的单向流特性;来流末充满流动截面,则将影响是否能形成“活塞流”和形成的快慢;而来流末充满流动截面也是来流紊动的一个因素。所以,在采用高效过滤器的条件下,保证单向流洁净室特性的必要条件是“活塞流”,而“活塞流”的必要条件则是来流充满流动截面。但是,对一间房间而不是一段管道来说,让气流从头至尾完全充满流动截面也是不现实的。

最初,确实认为这种单向平行的气流应该充满整个洁净室,但这在技术上和经济上都是不利的。随着认识的发展,人们又指出这种单向流只是“在有限的领域内全部空气沿平行流线以匀速流动的意思”,并认为能极力抑制涡流的发生。全空间的清洁空气的单向流特性占支配地位房间,也称为单向流洁净室。这就是说不要求在整个房间都具有单向平行的流线,均匀的速度,没有涡流,而是只要求单向平行流特性在这个房间中占支配地位。在整个工作区这一层空间保证了单向流,这个房间就是单向流洁净室。

一般洁净室效果图

2.乱流洁净室原理

洁净室按其气流状态来区分,主要分为乱流(非单向流)洁净室、单向流洁净室和辐流洁净室(也称矢流洁净室)。

乱流洁净室的名称是借用于日文,现在国际上则习惯称这种洁净室为非单向流洁净室。

所谓乱流洁净室,一般包括以下各种送风形式:

(1)高效过滤器顶送(有扩散板和无扩散板);

(2)流线型散流器顶进;

(3)局部孔板顶送;

(4)侧送:具有这种送风形式的洁净室,如以雷诺数(指在流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量钢数Re=UL/ν。其中U为速度特征尺度,L为长度特征尺度,V为运动学黏性系数)判断,显然属于紊流流态,但是如果把它们称为紊流洁净室就不合适。气流沿整个顶棚下送,室内气流速度达到0.25m/s以上,这种室内的流动状态也是紊流,但在后面就会搞清楚,虽然这两种送风方式都造成室内紊流流态,但是就其净化室内空气的原理来说,却是根本不同的,后者属于单向流或平行流洁净室的净化原理。所以如果把前者称为紊流洁净室,则后者也应被包含进去了。

乱流洁净室的主要特点是从来流到出流(从送风口到回风口)之间气流的流通截面是变化的,洁净室截面比送风口截面大得多,因而不能在全室截面或者在全室工作区截面形成匀速气流。所以,送风口以后的流线彼此有很大或者越来越大的夹角,曲率半径很小,气流在室内不可能以单一方向流动,将会彼此撞击,将有回流、旋涡产生。这就决定乱流洁净室的流态实质是突变流,非均匀流。

这比用紊流来描述乱流洁净室更确切、更全面。紊流主要取决于雷诺数,也就是主要受流速的影响,但是如果采用一个高效过滤器顶送的送风形式,则即使流速极底,也要产生上述各种结果,这就因为它是一个突变流和非均匀流。因此这种情况下不仅有流层之间因紊流流动而发生的掺混,而且还有全室范围内的大的回流、旋涡所发生的掺混。

乱流洁净室的作用原理是:当一股干净气流从送风口送入室内时,迅速向四周扩散、混合,同时把差不多同样数量的气流从回风口排走,这股干净气流稀释着室内污染的空气,把原来含尘浓度很高的室内空气冲淡了,直至达到平衡。所以气流扩散得越快,越均匀,稀释的效果就越好,因此乱流洁净室的原理就是稀释作用。
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