關于單向流潔凈室
 
發(fā)布時間： 2009-9-10 20:12:11       來源： 科泰瑞 
 
 
  1、簡述
在潔凈技術中，自美國FS209C將潔凈室中的氣流流動分為單向流和非單向流后，這一名詞被廣泛采用。
我們知道，從流體力學的角度，描述流體的流態(tài)，按質點的速度是否隨時間變化分為穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動。
按流速是否隨流向變化，分為均勻流動和非均勻流動。不均勻流動又分為漸變流動和急變流動。
空調系統(tǒng)運行穩(wěn)定一般屬恒定流動。潔凈室中的氣流流動除天棚滿布、高效過濾器送風棗滿布地板格柵回風的典型流動性屬均勻流動外，均屬不均勻流動。
在穩(wěn)定流動中，按Re數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FS209為例）最早分為層流和亂流。
美國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）："氣流以一個平行的方向沿單一通道穿過潔凈室或潔凈區(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速一致的氣流。"
上述對單向流的描述與FS209B對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。
FS209B對層流氣流速度又有明確的規(guī)定："通過潔凈室斷面的氣流速度能常保持為0.457m/s，在整個無干擾的房間內，其不均勻度在±20%以內。"
這就是說對單向流的描述中刪去了速度約0.457m/s的規(guī)定和斷面風速不均勻度為±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。但對三要素均無定量的數值限制。雖然FS209E已被廢止，但國際標準和我國<潔凈廠房設計規(guī)范>GB50073-2001，有關單向流的描述，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
以下筆者根據理論分析和潔凈技術的實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，目前各國的規(guī)定均未規(guī)定這么高的氣流速度。潔凈技術多年的實踐也證明不需要這么高。
那么，單向流的流速多大合適呢？筆者對此進行理論分析。
氣流速度的選擇應該使整個氣流均勻流動不發(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n應滿足：
式中：L棗通風量，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υ≥0.08m/s時，則n≈100次/時，這就是潔凈出現單向流狀態(tài)必須滿足的最小換氣次數。
氣流速度應能抵抗人員活動、熱浮升的干擾，在水平單向流中還應抵抗塵粒自由沉降的影響。
當人員活動時，就相當于有外力作用在塵粒上。某一物體受到外力作用就會產生一個初速度，這些速度下物體會發(fā)生運動。當外力消失后，該物體就獲及的瞬時速度ω（2）
ω= ω0 朅t（2）
式中：ω0棗物體獲及的初速度，m/s；
t棗時間，s；
A棗系數，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，ω→0。
以dc =1μm，Pc=600Kg/m3，（A=55×10-4），ω0=5m/s（對1μm塵粒這已是很難達到的），t=0.36×10-4s，速度ω已下降為0.25m/s，也就是說速度即該接近零。
此時粒子所運動的距離S：
t→∞時，S→Smsx，則
可見機械力（人員的活動）基本不影響塵粒的轉移，外力消失后，塵粒會繼續(xù)沿流線流動。
下面分析粒子隨氣流的運動。粒子能否隨氣流移動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生0.2m/s的上升氣流[3]。所以垂直單向流的風速要克服此熱浮升的速度。
綜上，對垂直單向流，氣流速度υ≥0.25m/s足矣。
在水平單向流中，塵粒除隨氣流運動外，還受到一個重力作用，見圖1。我們分析一下重力沉降對塵粒運動的影響。
假設水平單向流潔凈室長為L，高為H。塵粒的沉降速度為ω，氣流速度為υ。欲使塵粒在流過潔凈室過程不沉降在地面上，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，不會太脫離原流線。
由上而分析，無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。當然水平單向流可適當提高一點流速。
以上分析的是氣流按等溫送風計算，如果室內有強熱源，則另當別論，需采取其它措施。
2.2 氣流速度的不均勻度
潔凈技術發(fā)展初期，對氣流的不均勻度要求很嚴格。
美國FS209B規(guī)定：不均勻度在±20%以內。此規(guī)定沒有說明以那個速度為基準值，是設計風速還是斷面風速的實測平均值。一般認為其準值是斷面實測的平均風速。
美國FS209以后，刪掉了氣流不均勻度的要求。這顯然是長期實踐得出的認識。從長期對潔凈室的測試發(fā)現這一要求基本達不到。
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。
由于過濾器濾料密度不均，過濾器送風靜壓箱壓力不均，及由于相鄰高效過濾器邊框形成的無風區(qū)，相鄰過濾器出風搭接處的風速與過濾器表面的出風風速也不相同。
3、流線的平行度
各種規(guī)范都規(guī)定單向流的一個要素是氣流流線平行。這一點到目前為止仍被堅持。然而實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。
只要整個氣流中的流線（跡線）不交叉，不形成渦流區(qū)，塵粒就會沿著跡線（流線）排走，而不會被滯留。
那么，兩個流線間在什么情況下不形成渦流區(qū)呢？對此純理論的論述尚未見到。在流體力學中對漸擴管的局部阻力損失有半經驗公式經推算當擴張角為5-80時[3]阻力損失最小，這就意味著擴散角為5-80除磨擦阻力外，只有由于流體流斷面逐漸擴大而形成的流速分布改變形成的損失，而基本無旋渦區(qū)的損失，流體并未脫離擴張管壁。所以可以認為只要送風口的出流中，相鄰的流線夾角小于5-80，整個氣流就會沿單一的總趨向流動。因為在此情況下，塵粒仍可沿自己的跡線流動而不受干擾，這就達到了排走的目的。
通過上面分析可知，只要整個氣流在一個通道上流動，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，分析室內的塵粒沿氣流流線排走的情況。
實際工程中，由于有工藝設備將影響氣流運動方向，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。
對兩個相鄰工作點間的距離并無統(tǒng)一規(guī)定，這與工藝操作要求有關。但兩個最近的工作點，應該是兩個坐著工作的活動范圍。國內外均對此作過分析。人的活動范圍為一米直徑范圍內，以1.80米高度的塵源，落到工作區(qū)高度0.75米的人活動范圍外，計算得到流線與垂線的偏有為250 [4]。這種假定是可行的。文獻[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，應該以兩流線間不形成渦流，塵粒不被滯留為依據。所以流線的不平行度應該是夾角5-80。而上面提到250或23.60的夾角中不形成渦流是因為還有很多流線。250左右的傾角應該稱為相鄰工作點不形成污染的傾角，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氣流流過的工作臺邊角時，發(fā)生渦流；②工作臺表面近似水平的氣流速度趨向零時。對第一種情況，只需渦流區(qū)出現在工作臺下，就不影響工作區(qū)潔凈度（頂送風相對兩側墻底部回同的氣流流型就可以保證工作區(qū)高度以上不產生渦流區(qū)）；第二種情況，只要工作臺面不太長，瞬時氣流變?yōu)榱愕目赡苄院苄?。因為塵粒的懸浮速度特小，只要有微小的氣流流速就可帶走塵粒。
4、關于單向流建議
從美國FS209E對單向流的描述可知，形成單向流要在氣流充滿潔凈室或潔凈區(qū)的前提下，還有三個要素：氣流速度、氣流的不均勻度、氣流的平行度。而且對三要素均有嚴格的要求。
潔凈技術發(fā)展到今天，使人們清楚的認識到，早期對潔凈室裝修十分苛刻的要求已被取消；對氣流組織要求也在調整，使之更有效實用。
國內外大量研究表明，潔凈室的潔凈度主要取決于合理的氣流組織和高效過濾器的效率。
對氣流而言，單向流無疑是最佳的氣流流型，因為它可以達到高級別潔凈度。當然低級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排走，并不刻求。從這一點出發(fā)能否對單向流的概念，有一種新的提法。
我個人的建議是：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，且流線（跡線）不交叉的氣流稱為單向流。
這個定義使單向流的范圍拓寬了，當然還是現在的垂直單向流，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潔凈室，在潔凈室內形成較大渦流區(qū)的氣流。
以上提出的是個人的看法，希望引起同行的討論。