葉銘強(qiáng)

(廣州白云山光華制藥股份有限公司，廣東廣州510285)

0 引言

藥品生產(chǎn)區(qū)域的送風(fēng)有一定的潔凈度要求，這就需要一套由管網(wǎng)和組合風(fēng)柜組成的空調(diào)系統(tǒng)。企業(yè)為滿足潔凈度的要求往往都采用三級過濾，初效和中效過濾器作為空氣的預(yù)處理裝置，一般都設(shè)置在空調(diào)組合風(fēng)柜中，而高效過

濾器則安裝在靠近管網(wǎng)末端的送風(fēng)口處。

組合風(fēng)柜在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中起到重要的作用，由其為潔凈區(qū)提供預(yù)處理的氣流，以滿足生產(chǎn)所需的室內(nèi)空氣溫度、濕度、潔凈度和換氣次數(shù)的要求。雖然各制造商生產(chǎn)的空調(diào)組合風(fēng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異，但能否提供足夠的氣流將會(huì)直接影響潔凈區(qū)的性能。

以下對潔凈空調(diào)系統(tǒng)中組合風(fēng)柜存在的問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)整改的方法。

1 組合風(fēng)柜壓差異常和氣流組織減少的問題

本企業(yè)部分空調(diào)組合風(fēng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。初效過濾器(G3)和中效過濾器(F7)均采用規(guī)格分別為595 mm×595 mm×300 mm和595 mm×595 mm×600 mm的濾袋；送、回風(fēng)機(jī)采用DW系列雙進(jìn)氣外轉(zhuǎn)子前傾離心式通風(fēng)機(jī)，2個(gè)壓差計(jì)分別安裝在圖中位置。

空調(diào)組合風(fēng)柜各功能段的長度如表1所示。

圖1 部分空調(diào)組合風(fēng)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 空調(diào)組合風(fēng)柜各功能段的長度

其系統(tǒng)的工作原理為：氣流(回風(fēng))與新風(fēng)在空調(diào)組合風(fēng)柜里的混合段混合→初效段→表冷段→回風(fēng)機(jī)段→加熱段→送風(fēng)機(jī)段→中效段→送風(fēng)段→送風(fēng)管道至生產(chǎn)區(qū)各個(gè)房間的高效過濾器(送風(fēng)口)，同時(shí)，氣流在房間內(nèi)進(jìn)行熱交換和空氣交換，并保持適量的正壓，再通過回風(fēng)口至回風(fēng)管道輸送回到混合段，不斷循環(huán)。

在空調(diào)組合風(fēng)柜中，流過各功能段的氣流基本上可視作是等量的。因此，初效過濾器的阻力總是低于中效過濾器的(這是由過濾器的物理特性決定的)。但是，通過壓差計(jì)測量顯示，本企業(yè)空調(diào)組合風(fēng)柜的過濾器自運(yùn)行以來一直存在中效過濾器的阻力低于初效過濾器的問題，甚至連原生產(chǎn)廠家都無法解釋該現(xiàn)象。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)組合風(fēng)柜輸出的送風(fēng)量不足、室內(nèi)換氣次數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等問題。

為了找出存在問題的原因并解決，這就必須使用空氣調(diào)節(jié)理論對這種定型空調(diào)組合風(fēng)柜的結(jié)構(gòu)以及連接的送、回管道系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)組合風(fēng)柜的工作原理和各功能段的長度，結(jié)合組合風(fēng)柜流量和風(fēng)壓的實(shí)際情況考慮，可發(fā)現(xiàn)該空調(diào)組合風(fēng)柜的送風(fēng)機(jī)風(fēng)口與中效過濾器之間的距離較短，導(dǎo)致氣流組織輸送不足。從氣流組織分析可知，由送風(fēng)機(jī)送出的氣流至出風(fēng)口這段區(qū)域里的流動(dòng)和分布可分為3個(gè)部分：(1)從送風(fēng)機(jī)的風(fēng)口進(jìn)入中效過濾器的射入氣流(簡稱射流)，射流起始段的動(dòng)能最大，其斷面的流速較高，而只有當(dāng)射流基本段的動(dòng)能逐漸減少時(shí)，其各斷面的流速分布情況才會(huì)基本相同；(2)流向出風(fēng)口的氣流；(3)回旋轉(zhuǎn)動(dòng)的渦流，這是由于射流的卷吸作用(由空氣的粘滯性所形成的)，使射流周圍空氣不斷被吸入，吸走空氣的空間又由返回氣流中的一部分去補(bǔ)充，從而造成了旋轉(zhuǎn)渦流，一般渦流的流速小于射流。

對于本公司的空調(diào)組合風(fēng)柜，由于送風(fēng)機(jī)的風(fēng)口至中效段的距離較短，缺乏一個(gè)均衡氣流的空間，使風(fēng)機(jī)的輸出射流仍處在起始段，導(dǎo)致正對風(fēng)機(jī)口的濾袋部分的流速較高，造成通過整個(gè)中效過濾器面的氣流組織嚴(yán)重不均勻，中效段的4側(cè)邊緣流速遠(yuǎn)小于送風(fēng)機(jī)的風(fēng)口正對的射流流速。氣流通過過濾器時(shí)會(huì)產(chǎn)生阻力，但其阻力與氣流的流速有極大的關(guān)系，流速越高則其阻力越大，反之越小。由于壓差計(jì)的2個(gè)探頭只檢測中效過濾器的邊緣，因此在組合風(fēng)柜運(yùn)行過程中，當(dāng)中效過濾器的4側(cè)邊緣的空氣流速過慢時(shí)，就會(huì)造成中效過濾器的2段壓差顯示較小。

另外，中效過濾段至送風(fēng)口的連接結(jié)構(gòu)不盡合理，送風(fēng)機(jī)輸出的大量氣流經(jīng)中效過濾器進(jìn)入送風(fēng)段時(shí)，氣流需旋轉(zhuǎn)90°才能輸至送風(fēng)口。由于送風(fēng)段的長度不足和沒有任何氣流的引導(dǎo)，部分氣流折返，從而在射流的周圍形成了渦流區(qū)，導(dǎo)致氣流流型發(fā)生變化。在該區(qū)域內(nèi)存在2部分阻力較大的渦流區(qū)，即部分氣流沖擊檔板返回引起渦流區(qū)和氣流急轉(zhuǎn)90°輸出時(shí)氣流的慣性使邊界層脫離內(nèi)壁造成的渦流區(qū)。由于在該區(qū)域送風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)壓和流量最大，造成氣流阻力劇增，不但降低了氣流的壓力，造成氣流在管網(wǎng)系統(tǒng)里的動(dòng)壓和靜壓減少，而且減少了氣流的流量，造成潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的送風(fēng)量減少，以致出現(xiàn)系統(tǒng)管道的末端風(fēng)量輸出較少的現(xiàn)象，這就是該潔凈區(qū)的換氣次數(shù)達(dá)不到要求的主要原因。

根據(jù)上述分析和實(shí)際情況，對這種定型空調(diào)組合風(fēng)柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改造，如圖2所示，具體是將中效過濾器和送風(fēng)機(jī)的位置對換，使通過中效過濾器的氣流可以形成較為均衡的單向流動(dòng)，避免造成壓差計(jì)誤差；同時(shí)，在送風(fēng)段安裝送風(fēng)機(jī)，并將送風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口旋轉(zhuǎn)90°，直接對準(zhǔn)送風(fēng)口，由風(fēng)機(jī)完成氣流改變方向的工作(對風(fēng)機(jī)的工作性能毫無影響)，使氣流無需經(jīng)過彎角而直接進(jìn)入送風(fēng)管，從而大大地減少了氣流在組合風(fēng)柜中產(chǎn)生的渦流，極大地提高了原組合風(fēng)柜的氣流輸出能力，達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求。

圖2 定型空調(diào)組合風(fēng)柜的結(jié)構(gòu)改造

改造完成后的測試結(jié)果表明，潔凈區(qū)的空調(diào)組合風(fēng)柜的中效過濾器壓差計(jì)顯示正常，而且潔凈區(qū)的送風(fēng)量也增大了，同時(shí)還改變了室內(nèi)高效送風(fēng)口的調(diào)節(jié)閥因管道的靜壓太小而調(diào)節(jié)無效的現(xiàn)象。由于管道的靜壓增大，現(xiàn)可根據(jù)室內(nèi)的換氣次數(shù)要求來調(diào)節(jié)高效送風(fēng)口的閥門大小，從而控制風(fēng)量。通過對組合風(fēng)柜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，提高了送氣效率，使整個(gè)潔凈空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入良性的運(yùn)行狀態(tài)。

2 空調(diào)系統(tǒng)“D”級水平改造

2012年藥品的生產(chǎn)潔凈區(qū)必須按新版GMP的要求執(zhí)行，而從本公司潔凈區(qū)的使用情況來看，要將原潔凈度30萬級水平改造成新版GMP的“D”級水平，需將換氣次數(shù)提高到17次/h(按自凈時(shí)間20 min計(jì)算)及以上。由于原組合風(fēng)柜和送、回風(fēng)管系統(tǒng)的設(shè)置是按照舊版GMP的要求(30萬級)設(shè)計(jì)建造的，同時(shí)結(jié)合公司藥品生產(chǎn)進(jìn)程狀況和即將搬遷等問題考慮，若對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)和重裝，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本，因此重新建造的可能性較低。針對需要整改的潔凈區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行考慮，通過分析和計(jì)算可知，在滿足冷量和風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的前提下，通過更換組合風(fēng)柜的風(fēng)機(jī)和增加過濾器的面積，可以增加和提高系統(tǒng)氣流組織的輸送能力(風(fēng)速和風(fēng)量)。同時(shí)，通過與調(diào)整系統(tǒng)部分的空調(diào)管道和增加潔凈區(qū)內(nèi)部的高效送風(fēng)口和回風(fēng)口等措施相結(jié)合，就可以使風(fēng)量達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)“D級”水平的換氣次數(shù)。

通過對現(xiàn)有7個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)分析，原有的潔凈度30萬級的換氣次數(shù)平均已在15次/h，很接近“D級”水平17次/h的換氣次數(shù)要求。因此，采用對全部原有風(fēng)機(jī)進(jìn)行資源整合和重新配置的辦法，在滿足風(fēng)壓的條件下，以送風(fēng)量大的風(fēng)機(jī)代替送風(fēng)量小的風(fēng)機(jī)，同時(shí)增加組合風(fēng)柜的過濾面積，即將組合風(fēng)柜內(nèi)的過濾器更換為可通過更大風(fēng)量的過濾器。但是，若某樓層需求的送風(fēng)量較大(34 000 m3/h)，而市場上這類單臺(tái)的風(fēng)機(jī)(DW系列雙進(jìn)氣外轉(zhuǎn)子前傾離心式通風(fēng)機(jī))最大的送風(fēng)量和風(fēng)壓都不能滿足要求，此時(shí)只能采用并聯(lián)風(fēng)機(jī)送風(fēng)的方法。由于組合風(fēng)柜的空間過于狹小，雙進(jìn)氣離心式通風(fēng)機(jī)又需要依靠風(fēng)機(jī)2側(cè)進(jìn)氣，通常需要并列平行安裝2臺(tái)風(fēng)機(jī)，如圖3所示。但是，由于位置過于靠近，2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口間隔的進(jìn)風(fēng)有效面積小于2臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的面積，難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

圖3 并聯(lián)風(fēng)機(jī)的風(fēng)柜正面截圖

針對上述問題，通過對組合風(fēng)柜空間的觀察發(fā)現(xiàn)，組合風(fēng)柜仍有可利用的高度，因此采用了并聯(lián)風(fēng)機(jī)錯(cuò)位安裝的方法，如圖4所示，即將其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，并且升高一個(gè)風(fēng)機(jī)的高度，使其進(jìn)風(fēng)口與另一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口形成一個(gè)錯(cuò)位，保證2臺(tái)風(fēng)機(jī)的2側(cè)進(jìn)氣口有足夠的進(jìn)風(fēng)面積，同時(shí)調(diào)整出風(fēng)口角度，使出氣口通道順暢，這種方法提高了并列平行安裝2臺(tái)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，解決了氣流通道的問題。

圖4 并聯(lián)風(fēng)機(jī)錯(cuò)位安裝法

當(dāng)2臺(tái)性能相同的風(fēng)機(jī)并聯(lián)工作時(shí)，其進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口分別處于相同的壓力下，而輸送的風(fēng)量則等于相應(yīng)壓力下2臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量之和，相應(yīng)的工況原理的合成性能曲線如圖5所示。

圖5 并聯(lián)工況的合成性能曲線圖

管網(wǎng)特性曲線I與合成性能曲線F1＋2的交點(diǎn)A是2機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的聯(lián)合工作點(diǎn)，該點(diǎn)的總風(fēng)量為LA，風(fēng)壓為PA，此時(shí)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)在A1，工作參數(shù)為(LA1，PA1)。并聯(lián)工作時(shí)的特點(diǎn)是：風(fēng)壓彼此相等，即PA=PA1；總風(fēng)量為2風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和，即LA=2LA1。當(dāng)2風(fēng)機(jī)的管網(wǎng)各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，其工作點(diǎn)移至D1，其工作參數(shù)為(LD1，PD1)。那么，由圖可以看出它們的相互關(guān)系是：

以上分析表明，并聯(lián)式的總風(fēng)量等于2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行的風(fēng)量之和，但又小于1臺(tái)風(fēng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)量的2倍；而并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)壓卻高于1臺(tái)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)壓。這是因?yàn)椴⒙?lián)時(shí)管網(wǎng)的阻力隨著風(fēng)量的增加而增加，這就需要每臺(tái)風(fēng)機(jī)相應(yīng)減小流量并提高風(fēng)壓來克服并聯(lián)后所增加的那部分阻力，最終達(dá)到自然平衡。

由于改造后的管網(wǎng)系統(tǒng)特性基本不變，通過以上分析可知，采用2臺(tái)性能相同、風(fēng)量及風(fēng)壓接近的風(fēng)機(jī)并聯(lián)是完全可以解決問題的。因此，針對本企業(yè)的組合風(fēng)柜制定了相應(yīng)的改造方案，即送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)分別選用2臺(tái)風(fēng)量均為20 000 m3/h和風(fēng)壓均為1 100 Pa的DW系列雙進(jìn)氣外轉(zhuǎn)子前傾離心式通風(fēng)機(jī)，以代替原有的單臺(tái)風(fēng)量為30 000 m3/h、風(fēng)壓為1 200 Pa的同系列風(fēng)機(jī)，同時(shí)，2臺(tái)風(fēng)機(jī)采取錯(cuò)位安裝的方法，顯著增加了初、中效過濾器的過濾面積。

3 結(jié)語

在實(shí)際工作中，往往會(huì)遇到一些看似無法解決的問題，這就需要加強(qiáng)這方面的理論學(xué)習(xí)，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，從而找到問題的突破口，進(jìn)而解決問題。筆者針對潔凈空調(diào)系統(tǒng)組合風(fēng)柜壓差異常和氣流組織減少的問題，通過全面的理論分析，對組合風(fēng)柜進(jìn)行了一系列的改造，結(jié)果證實(shí)，改造后的潔凈區(qū)完全達(dá)到了新版GMP的“D級”認(rèn)證要求。

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[2]劉錦梁，蘇永森.工業(yè)廠房通風(fēng)技術(shù)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1985

[3]國家食品藥品監(jiān)督管理局藥品認(rèn)證管理中心.藥品GMP指南：廠房設(shè)施與設(shè)備[M].北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2011