洁净室的类型及原理

洁净室的类型及原理

洁净室是特殊的房间，该房间内的空气悬浮粒子浓度、空气温度、湿度、压力等参数均需要控制。并且它应有减少粒子的诱入、产生及滞留的功效。这就需要通过良好的气流组织，行之有效的压差控制，符合工艺要求的洁净室形状及装修材料，娴熟的施工技术，科学的运行管理等各个方面的共同作用来实现。

工业洁净室

工业洁净室主要控制无生命的微粒对操作对象的污染。应用领域主要有宇航工业。精密机械加工业、集成电路生产企业、胶片生产企业及印刷企业等。

生物洁净室

一般生物洁净室

一般生物洁净室主要控制有生命的微粒对操作对象的污染。其壁面材料应能经受各种灭菌剂的侵蚀，内部一般保持正压。其应用领域有制药企业、食品企业、疾病控制中心、医疗单位（洁净手术室、制剂室、无菌配置室等）、实验动物房、相关的科研及教学实验等。

生物安全实验室

生物安全实验室又称生物安全洁净室，除了要求控制有生命的微粒对操作对象的污染外，还要求控制具有潜在危害的操作对象对操作人员及周围环境的污染。因此，在生物安全实验室中压差的控制更为重要，内部保持负压。可用于细菌、病毒的分析研究及基因重组、疫苗制备等生物工程。

按气流流型分类，洁净室可分为单向流洁净室（层流洁净室）、非单向流洁净室（乱流洁净室）、辅流洁净室、混合流（局部单向流）洁净室。

单向流洁净室（旧称层流洁净室）

从美国联邦209C开始，把层流洁净室称为单向流洁净室。其定义是洁净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截面上通过的洁净室。

原理

由单向流洁净室的定义可知，单向流洁净室是靠送风洁净气流“活塞”般的平推作用，把室内污染排出。

可见这种洁净室其控制污染的能力很强，减弱了污染物沿垂直与气流方向的扩散，要造成“活塞”般的平推气流，送风面必须满布高效过滤器，但过滤器有边框，安装过滤器也需要框架。所以，不可能百分之百地布满过滤器。用满布比来衡量送风高效过滤器的满布程度。

满布比等于高效过滤器净截面面积除以洁净室布置高效过滤器的截面面积（及送风面全部截面面积）。而高效过滤器的净截面面积等于其截面面积减去边框面积。正常情况下，满布比达到80%。我国《空气洁净技术措施》规定，垂直单向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。

特性指标

单向流洁净室的特性指标包括：流线平行度、乱流度、下限风速，用来表示单向流洁净室性能的好坏。

1. 流线平行度

单向流洁净室很强的污染控制能力主要依赖于平行送风气流“活塞”般的平推作用，流线平行的作用是保证污染源赛发德污染物不做垂直于气流方向的传播。所以要求流线要平行，在0.5m距离内流线间的夹角最大不能超过25°；而且流线尽可能垂直于送风面，其倾角最小不能小于65°。《洁净室施工及验收规范》（JGJ71—1990）中的规定更为严格，即流线偏离垂直线的角度不大于15°；（垂直单向流），等同于流线倾角不小于75°（＞65°）

流线的倾斜与过滤器满布比、出风口阻尼层等因素有关，特别是在“侧布高效过滤器、顶棚阻尼层送风”的气流组织形式中，阻尼层对流线倾斜的影响更大。因为在阻尼层上方的洁净气流静压箱中，水平气流的了、动压转变成静压，再从阻尼层向下流出（静压转变成动压），如果阻尼效果不好，水平气流的动压未能很好地转变成静压，而是直接向下部阻尼层流出，流出气流肯定会倾斜。所以在设计选型时应注意到这一点。若使用孔板做阻尼层，应使开孔率尽可能大（受加工条件的限制），而孔径不宜太大。单纯从从阻尼效果考虑，在孔板上表面贴附过滤层最好，但送风阻力会增加。在设计中应根据洁净室的用途，酌情处理这一矛盾。最终能在工作面区域形成平行度较好的流线，就是成功的设计。

2. 乱流度

乱流度也称为的、速度不均匀度。速度均匀的作用是保证流线之间质点的横向交换最小。如果送风面阻尼层不均匀，必然造成初流不均匀，流速快的流线处静压要小于流速慢的流速处的静压，由于这个静压差的作用，使流线间的质点出现横向流动，控制污染的效果就会减弱。所以阻尼层的好坏也影响到速度的不均匀度。

3. 下限风速

洁净室内风速太大，浪费能量，风速太小，达不到控制污染的效果。洁净室性质不同，生产工艺不同，污染源散发污染的方式也不同。在工程设计时，应结合工程性质，散发污染的具体情况。

1）当污染气流多方位散布时，送风气流要能有效控制污染的范围。

2）当污染气流与送风气流同向时，送风气流要能有效地控制污染气流到达下游的扩散范围。

3）当污染气流与送风气流逆向时，送风气流能把污染气流抑制在必要的范围内。

4）在全室被污染的情况下，能在合适的时间内迅速使室内空气自净。

4. 净化效果

单向流洁净室可达到100级及100级以上的净化效果。所以，在设计大于等于100级的洁净室时，应采用单向流气流组织方案。虽然采用非单向流气流组织方案，当换气次数较大时，在静态下检测，洁净室内某些区域的洁净度也能达到100级的要求，但它不能称为单向流洁净室。因为从原理、特性指标等方面衡量，均不满足单向流的要求。在动态条件下，其动静比很大，控制污染的效果明显下降。

非单向流洁净室（旧称乱流洁净室）

从美国联邦标准209C开始，称乱流洁净室为非单向流洁净室。而我国《洁净室施工及验收规范》（JGJ C71 —1990）仍然沿用乱流洁净室这一称谓。

原理

非单向流洁净室的原理是靠洁净送风气流扩散、混合、不断稀释室内空气，把室内污染逐渐排出没达到平衡。简言之，非单向流洁净室的原理就是稀释作用。

由此看来，非单向流洁净室是气流以下均匀的速度，呈不平行流动，并伴有回流或涡流的洁净室。要想保证有很好的稀释作用，需选择扩散性能好的送风口，以及合理布置送风口及回风口。

特性指示

表示非单向流洁净室性能好坏的特性指标有换气次数、气流组织及自净时间。

1.换气次数

换气次数就是洁净室送风量除以其净容积。而洁净室净容积是不变的。所以，换气次数的大小也反映出洁净室送风量的大小，其作用是保证有足够的洁净稀释气流。在工程设计中，换气次数是按照相关标准的推荐值来取用的。可见，换气次数大，用于稀释室内微粒污染的洁净送风量就大、就有可能使室内洁净度提高。这里为什么说“有可能”提高室内洁净度？因为如果送回风口布置不合理，即使换气次数大，也未必能有好的效果，这就是关系到洁净室气流组织的问题。

2.气流组织

洁净室的气流组织，是通过正确选择送回风口形式且合理布置，使洁净送风气流很好地扩散、稀释污染物并尽可能减少涡流，能使稀释后的气流很快地排入回风口。所以，同样的换气次数，送风口多点，不知均衡点，加之回风口也能与送风口相适应，控制污染的能力就会增强。

气流组织可采用数值模拟方法，得到速度矢量分布图来进行分析。虽然与实际有不少偏差，但由于计算机技术快速发展，CFD软件的不断开发，数值模拟在洁净技术领域受到不少技术人员的青睐。气流组织也可通过测定流速线来进行分析。

3. 自净时间

非单向流洁净室是靠洁净室送风气流的稀释作用，把室内含尘浓度降到所需要求。在降低含尘浓度的过程中，有的洁净室所花的时间少，有的多。这与送风口形式、布置的位置及换气次数有关。我们把洁净室从某种污染状态从某种污染状态达到要求的洁净状态所需要的时间称为自净时间。自净时间是洁净室从污染状态回复到稳定的所需洁净状态的能力的体现，自净时间越短，说明洁净室控制污染的能力越弱。

当送回风口的形式、数量及布置位置确定后，换气次数越大（能耗越大），自净时间就越短。所以，在确定自净时间应根据洁净室的性质、用户的需求综合考虑。有的洁净室用户，如洁净手术室，要求的自净时间短，在两台手术之间使洁净手术室尽可能快地回复到所要求的洁净状态，提高手术室的使用率。而对于固体制剂生产车间，就没必要要求太短的自净时间，上班开机后，到正式生产所需较长的准备时间。

4. 净化效果

非单向流洁净室能达到1000级及其以下的洁净度。对所建造的某1000级洁净室（8㎡）做洁净度检测时发现，在空态下，有部分测点的微粒浓度（≥0.5μm）小于100级的上限值，涡流区内的测点浓度大于100级的上限值，当自净时间较长时，只有一个检测人员贴墙站立不动，进行反复检测，把移动测点后的第一个监测数据删掉（因为检测人员的移动，导致第一个数据不稳定），每个测点都从第二个数据开始记录，取三次检测数据的平均值作为该测点的微粒浓度值。经计算发现，全室测点（10点）的浓度欧英均值接近于100级的上限值。但这也不能说明该洁净室达到100级（空态），因为根据规范要求：①每个采样点的平均粒子浓度应小于或等于洁净度等级规定的限值。②全部采样点的平均粒子浓度N的95%置信度上限值，应小于或等于洁净度等级规定的限值。很显然不能满足规范的规定。尽管只有8²的洁净室，气流组织设计得很顺畅，也不能满足100级的要求。在检测中发现，只要检测人员稍有小幅的动作，粒子浓度很快增加。说明非单向流的气流组织控制污染的能力比起单向流来要弱很多，这是由“稀释”原理所决定的。

辐流洁净室

辐流洁净室也有人称为矢流洁净室。在低层高建筑中进行了工程应用，其净化效果令人惊讶，非常好。在同样的送风量下，净化效果比非单向流顶送下侧回要好得多；同样的洁净度要求下，所需送风量很小，节能效果非常显著。

原理

这种洁净室，送风口与回风口需安装在一侧，对角布置。送风口扩散孔板一般做成1/4圆弧形，通过这种风口送出辐射状的洁净气流向斜下方回风口处流动，把污染物“斜推”向回风口区域，最后排出室内。

净化效果

辐流洁净室能达到1000级及以下的洁净度。但净化效果比传统的非单向流洁净室好。

混合流洁净室

混合流洁净室实在洁净室内既有单向流，又有非单向流的洁净室。单向流营造局部百级环境，非单向流营造局部百级的背景洁净环境。这种洁净室也是一种具有节能意义的洁净室，体现了洁净度按需求营造的节能思想。这种洁净室也就是我们经常说的在1000级下的局部百级或在10000级下的局部百级洁净室。

工程应用

在洁净室中，某个生产工艺需百级洁净度，而周边其他工艺区域只要求较低的洁净度时，就可应用混合流气流组织方案。如青霉素分装工艺、大输液罐装工艺都需要百级洁净环境，而周边只需要1万级的洁净环境。医院I级洁净手术室，手术区需要100级洁净环境，而周边只要求1000级的洁净环境，这些洁净室都需要采用混合流气流组织。

设计施工中的常见错误及改进措施

百级环境需单向流的气流组织来营造，在一个低级别洁净环境中营造局部百级，回风口的设置位置非常重要。工程设计中常见的错误是回风口的位置设置不合理，导致气流过早弯曲，使工作面达不到100级。造成这种错误的原因，首先是没有很好地理解平行的“活塞”流控制污染源的原理，认为在工作面上方安装层流罩就能实现局部百级；其次是由于生产工艺的原因，导致回风口的安装位置受到限制。如果设计人员对生产工艺不熟悉，又没有设计经验，那么就很难想出改进措施，所以导致工作面达不到百级要求。

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科技发展、技术进步，对洁净、净化系统提出了越来越高的技术性、专业性、功能性、智能性、特殊性、先进性等要求，建设好面向未来的高标准净化工程，是郑净环境的恒久追求。

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