多功能洁净技术实验室的设计

张益昭1 , 许钟麟1 , 张彦国1 , 梅自力2 , 郭大荣3 , 沈晋明4 , 江培成5
(1. 中国建筑科学研究院空气调节研究所, 北京100013 ; 2. 总后建筑设计研究院, 北京100842 ; 3. 航天工业总公司,
北京100076 ;4. 同济大学, 上海200092 ; 51 吴江空气净化设备厂, 吴江215200)

[摘　要] 　介绍为完成《洁净空间新型气流分布方式的机构和特性的研究》这一国家自然科学基金研究项目的理论与实际技术问题而建立的多功能洁净技术实验室。简要介绍其构造、检测设备、主要技术参数(速度场、浓度场) 的测定方法及可实现的主要功能。

[关键词] 　洁净实验室; 　阻漏层; 　采样

1 　引　言
空气洁净技术近几年来在我国制药、医疗、生物制品、食品、包装等行业得到广泛应用,大量的实践又为空气洁净技术的研究和发展提出众多新的课题,要有效地进行这些课题的研究,先进的、与课题相适应的试验条件就是首当其冲地要具备的硬件。

例如:
(1) 找出实现015μm10 级及更高级洁净环境的更简便易行的方法。这要求实验室送风面可安装不同种类的末端装置,可实现不同级别的送风换气量;
(2) 寻找以最经济的办法在某一级别的换气次数下,实现更高级别的洁净区域。这要求送风面的送风面积、形状可以灵活地改变;
(3) 局部百级洁净室,如要解决百级区加设围帘的高度与工作区高度以及周围环境的关系,这就需要能改变局部百级面积与全室面积的比,且能在任意位置安装围帘;
(4) 要研究动态情况,不同位置、不同高度、不同发尘量的发尘对不同级别洁净室的影响,这需要实验室中能在所要求的任意位置、定量地连续地发尘;
(5) 当高效过滤器安装或本身漏泄时,如何防止其对高洁净度房间洁净级别的影响,这也正是我们课题组要解决的问题之一。这要求高效过滤器前后能模拟真实情况人为地加漏;

不同的问题,需要不同的实验条件和经费,建多个不同功能的实验室是不经济、不可能的,为了顺利地开展我们课题组的研究工作,也为今后更多课题的研究创造理想的实验环境,我们设计了集风量变化、洁净级别变化、送风口大小、位置、形状、过滤效率变化、回风口位置变化为一体,具有发尘、加漏能力, 同时具有各项洁净指标检测功能的洁净技术实验室。

2 　实验室的构造
洁净实验室建立在一间面积为6182m ×6122m ,高415m的普通实验室内。洁净室用δ= 75mm 厚的彩钢复合板做围护结构,铝合金型材做门窗和圆角,送风面下净高215m。实验用洁净室的净化空调系统由两个过滤空调箱从洁净室两侧上部狭长的送风口向吊顶内送风,洁净空气再经吊顶的阻尼送风面进入洁净室。图1 是实验室平面图、剖面图及实验用洁净室的透视图。实验用洁净室在构造上和技术上的主要特征列于表1 。

[图1 　洁净实验室平1 剖面及透视图]

3 几个关键技术问题

3.1 　流场及速度场
(1) 流场的测量方法如表2 所列。
(2) 风量调节。经过实验,得出实验洁净室风机风量变频调节性能。图2 为风量与正压曲线图,图3 为风量与频率关系曲线图。

从图2 和图3 可以看出:
(1) 从一个风口到四个风口,风量与频率具有线性关系;
(2) 在送风量达到700m3/ h 以上后,送风量与室内外压差也基本具有线性关系;
(3) 送风量达到200～300m3/ h ,新风比在27 %以上,可使室内保持5Pa 以上正压。因此,风量与正压均满足本课题实验以10 万级为起点的要求;
(4) 当新风比降到5 %时,保持5Pa 以上压差需要更大的送风量;或者说,在相同送风量下,保持相同压差需要的新风量减少了。

3.2 　浓度场
浓度场的测定方法如表3 所列。
对于浓度场的测定,有两个问题必须澄清。
一是由于实验工况多,室内流速效变化范围大,粒子计数器是否一定要等速采样,这关系到实验采样方法是否能满足实验要求的问题。为从理论上解决此问题,本课题组作了详细论证,反映在有关分论文中,并指出,美国联邦标准209E 附录C 关于等速采样问题的论述有矛盾之处。得出的图4 表明,在本实验条件下,由于采样口d0 = 615mm ,斯托克斯数st015u = 0100008 , stu = 01006 ,室内气流速度u0 按不利情况012m/ s 考虑,采样口速度u = 0115m/ s , u0/ u = 0139 ,此时的采样误差< 5 %。
普通规律是: 只要斯托克斯数st ≯01001 ,在u0/ u =01012～25176 条件下,均不要求等速采样,此时的采样浓度误差N/ N0 < 5 %。

这一研究结论为洁净空间含尘浓度实验提供了方便的条件。
二是采样管长度。采样管特别是水平采样管的长度,影响采样损失率的大小。为了保证研究精度,本课题也对此做了专门探讨,详细的研究结果反映在有关分论文中。其结论是:对于015μm 微粒,水平管长宜≯30m;对于5μm 微粒,则宜≯015m。如图5 所示的采样管经常所处的位置来看,完全可以满足这两个要求。这一结论比美国联邦标准209E 和我国洁净厂房设计规范修订稿的建议要明确、合理和严格得多。

313 　加　漏
除高效过滤器的自然漏泄外,在实验中人为加漏。在每边的空气处理箱上安有如表1 所列的六根漏管。这种从高效过滤器前引漏的方式比另外给漏更符合和反映实际情况,和高效过滤器自身漏泄时具有相同量级的漏泄强度,便于分析问题。
漏泄流量度q = εφf 02ΔPρ ×3600 ×10- 3 L / h　　漏泄尘量N0′= N0 q / 3600 (粒/ L)式中,εφ为系数,取0.5 ; f0 为孔口面积(mm2 ) ,6 根漏管总面积为13.1 mm2 ;ΔP 为孔口前后压差(Pa) ;ρ为空气密度,1.2kg/ m3 ; N0 为浓度(粒/ L) 。
例如:ΔP = 150Pa , N0 = 1000 粒/ L , N0′= 104 粒/ L ;
若N0 = 2000 粒/ L ,则N0′= 208 粒/ L 。

3.4 　发　尘
由中效过滤器前接出漏管,用胶管连通后伸入室内,可在管出口加一减速罩,发尘量的大小可通过选择不同内径的胶管的办法调节,在室内的发尘位置由胶管口所放置的位置确定。本课题在实验过程中所采用的发尘方法有不发尘、室中心发尘和墙角发尘三种位置。每一种位置的发尘又分为高度为0.8m 和1.2m 两种。实验中胶管内径为15mm。发尘管面积为0.000177m2 ,测出出口处流速为v ,则发尘量为
N″= N0 v0100017 ×10 3次方 粒/ L
式中N″为用粒子计数器实测的发尘浓度,粒/ L 。
例如: v = 0.6m/ s , N0 = 10000 粒/ L ,
则N″= 1020 粒/ L ;
若N0 = 20000 粒/ L , 则N″= 2040 粒/ L 。

3.5 　送风方式
(1) 无阻漏层和有阻漏层。洁净室内顶棚为铝型材框架,高效过滤器安在室内两边的空气处理箱中,送风以后即
穿过框架送下来,即是无阻漏层送风。如在框架空档中托放上K2 = 0.05 的阻漏层,即为有阻漏层送风,可以是全部阻漏层或局部阻漏层。阻漏层边框略大于顶棚框架空档,以便于用手托放。边框四边只贴上白色海绵,不求着意密封处理。
(2) 改变主流区面积。将全部阻漏层换上肓板—带框的铝合金板,只保留如图6 所示的1～4 块阻漏层,即改变了主流区的大小。

3.6 　回风方式
　　将四边回风口用塑料薄膜任意封挡,即形成不同的回风方式—四边回风还是两边回风;长侧回风还是短侧回
风。通过速度不均匀度和自净时间的实验,为如何确定实验用回风口的位置提供了数据,其结果见表4 。

    从表4 可见,短侧两面回风时,在送风口正投影下主流区的βu 最小,自净时间最短,同时也不受门上无回风口的影响;但全室的βu1比长侧设计时大,所以对于气流分布实验来说,特别是研究主流区特性时,宜在短侧两面布置回风口的条件下进行。多功能洁净技术实验室具备了进行大多数洁净技术领域的实验研究的设备条件,在设计过程中,本课题组又从理论上解决了实验过程中和仪器使用过程中必须澄清的几个问题,使实验及数据采集更加科学可靠。这就使洁净实验室不仅成为完成本课题研究的重要物质保障,也为本课题和其它洁净技术的继续研究创造了一个良好的实验场所。目前,该洁净实验室已向社会开放。