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        氣鎖間的設(shè)計方法及優(yōu)化研究

        2020-04-22 11:31:59唐俊
        裝備維修技術(shù) 2020年21期

        摘 要:氣鎖間在市面上有各種方式實現(xiàn)氣鎖功能,總體來說按其氣流方向和壓力可分為:正壓氣鎖、負(fù)壓氣鎖、梯度氣鎖三種類型。其中梯度式氣鎖是應(yīng)用較為廣泛的形式,它用于不同潔凈等級區(qū)域之間的氣體阻斷隔離,但不能阻止高潔凈等級區(qū)的含有我們生產(chǎn)產(chǎn)品的空氣向外擴(kuò)散,也不能阻止低潔凈區(qū)的含塵含菌的氣體向高潔凈等級區(qū)域滲透。我們暫把一個相對穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)含有一定微粒的氣體命名為區(qū)域含微氣。本文就氣鎖間的設(shè)計方法以及如何阻止或減少不同的區(qū)域含微氣之間的相互置換擴(kuò)散而進(jìn)行了一些措施和方法的探索。

        關(guān)鍵詞:氣鎖間;潔凈度;區(qū)域含微氣;充氣密封;自凈

        在潔凈廠房或者無塵車間中廣泛使用的氣鎖間,其目的是為保持潔凈室內(nèi)的空氣潔凈度或者壓差梯度而設(shè)置的緩沖室。一般設(shè)置在潔凈空間的出入口位置,或潔凈區(qū)與非潔凈區(qū)之間的緩沖帶。他帶有兩扇不能同時開啟的門,隔斷兩個不同潔凈環(huán)境的空氣,防止交叉污染,保持兩個區(qū)域之間的壓力梯度,為人們提供一個進(jìn)出空間及穿/脫工作服的場地。氣鎖間一般都是一個較小的空間,其具備較高的換氣率,因而能快速從較高的含塵濃度氛圍中恢復(fù)。

        目前常用的氣鎖間做法與現(xiàn)在潔凈室做法基本相同,只起到普通的緩沖作用,當(dāng)人員或物料進(jìn)入無菌室時,部分細(xì)菌、微生物就會不可避免的被攜帶進(jìn)入到無菌室內(nèi),不能達(dá)到無菌室的無菌要求。隨著制藥事業(yè)的發(fā)展,醫(yī)藥潔凈室對制藥過程中細(xì)菌、微生物的控制要求越來越嚴(yán)格,傳統(tǒng)的氣鎖間做法已無法滿足更高潔凈等級需求。在此我們做一個氣鎖間的新型設(shè)計計算:

        一、基本設(shè)計資料

        送風(fēng)溫度:夏季18℃+5,相對濕度55%;冬季27℃-5,相對濕度55%。大氣壓力:1.01*105pa;空氣密度:1.205kg/m?。室體外形尺寸:2100*2400*2700。電源:AC380V,三相五線制。

        二、主要性能指標(biāo):

        室內(nèi)溫度:18~26℃,濕度45~65%;室內(nèi)潔凈度達(dá)到動態(tài)萬級,靜態(tài)千級或百級標(biāo)準(zhǔn);具有室內(nèi)壓差控制功能;臭氧消毒功能,臭氧濃度10分鐘達(dá)到50ppm;門互鎖功能; 人機(jī)交互功能;故障報警功能;照度大于300lux;噪音小于65db;臭氧濃度及差壓在線監(jiān)測功能。

        三、設(shè)計計算

        本計算主要針對主要性能參數(shù)進(jìn)行校核,外購件及標(biāo)準(zhǔn)件等嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,故不再另行計算。

        (一)送回風(fēng)壓力及內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)選型計算

        初中高效阻力核算:高效初阻力120pa,初效初阻力50pa,中效初阻力120pa。靜壓箱局部阻力核算:靜壓箱壓力損失主要為氣體碰撞靜壓箱壁的壓力損失,過程較為復(fù)雜,暫不做具體詳細(xì)分析。壓力損失ΔH1=50pa計算。送風(fēng)孔板局部阻力核算:孔板的開孔率a=50%。查表得孔板局部阻力系數(shù)得:ζ=2.3,V=0.58m/s,故:ΔH1=ζV?ρ/2=1.5pa。工作區(qū)域送風(fēng)壓力損失核算: 其中a=2m,b=1.5m;風(fēng)道當(dāng)量直徑:DV=2ab/(a+b)=1.68m;V=0.475m/s,k=0.18,查通風(fēng)管道單位長度摩擦阻力圖得:Rm=0.1pa/m故:此段壓力損失可忽略不計?;仫L(fēng)孔板局部阻力核算:孔板的開孔率a=40%;查表得孔板局部阻力系數(shù)得ζ=7.8,計算截面風(fēng)速V=Q/S,代入數(shù)據(jù)得V=2.3m/s,ΔH2=ζV?ρ/2=24pa?;仫L(fēng)通道沿程壓力損失核算:風(fēng)道的流速的當(dāng)量直徑:DV=2ab/(a+b)=0.85,K=1.8,V=1.38m/s,查表得:Rm=0.2pa/m則ΔH3=0.2*2.5=0.5pa;其他局部未計算阻力合計50pa(兩個等量彎頭),則送回風(fēng)過程中壓力損失為Z=500+50+1.5+24+0.5+50=706pa。內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)選型:工作區(qū)域保證A~B級,保證截面風(fēng)速0.36~0.475m/s,風(fēng)量5000m?/h,全壓700pa,故采用兩臺DDF3.15B風(fēng)機(jī),工況點風(fēng)量2500m?/h,全壓689pa;并聯(lián)后兩風(fēng)機(jī)風(fēng)壓查表約為650pa;潔凈送風(fēng)風(fēng)壓的計算

        其壓力分布如圖例1所示:(按終阻力計算)其中P1為送風(fēng)壓力;P2為排風(fēng)壓力;P3為回風(fēng)壓力。

        分析:A: 內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)開啟,同時送入潔凈風(fēng);內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)口處于最大背壓時為:初中高效為其初阻力,最大背壓為:P3=700-120-50-5-25-50-150=300pa>150+50+25,初中效終阻力:P4=240+100=340pa。模型:內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)口及潔凈風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口,高效過濾器端為泄壓端,當(dāng)P1 >340pa(克服循環(huán)風(fēng)機(jī)背壓,另外一種情況為克服初中效終阻力;P2>250pa(潔凈風(fēng)壓力能大于中效終阻力即風(fēng)能穿透泄壓端)時系統(tǒng)循環(huán)成立。B:僅送潔凈風(fēng)時,不開內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī):P2+P1>700pa且P1>250pa系統(tǒng)循環(huán)成立。

        綜上系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)壓為300pa,排風(fēng)風(fēng)壓為500pa,回風(fēng)口風(fēng)壓為350pa。

        (二)消除余熱余濕風(fēng)量計算

        環(huán)境條件:室內(nèi)主要器件:風(fēng)機(jī)2臺,功率1.5Kw;臭氧機(jī)1臺650w,燈管一支21w。電機(jī)工況點(風(fēng)量3000m?/h,全壓700pa)時電機(jī)功率0.949Kw,此時變頻器調(diào)頻>15hz(風(fēng)機(jī)按正常溫升計算)。

        濕負(fù)荷的計算:余濕量:設(shè)此過程中僅有一人工作,查表得散濕量:w=184g/h人,即0.05g/s人。

        冷負(fù)荷的計算:A:人+兩臺循環(huán)風(fēng)機(jī)運行+燈,人的全熱為:156kcal.h,此時有:余熱:Q=1.5Kw*(0.8*0.5*0.37)*1000*/0.63+21w+181w=571.43w。B:臭氧機(jī)+兩臺循環(huán)風(fēng)機(jī)運行+燈,此時有:余熱:Q=1.5Kw*(0.8*0.5*0.6)*1000/0.63+21w+150w=546w。室內(nèi)設(shè)計參數(shù):干球溫度26℃,相對濕度45%,則N(50.296KJ/kg,9.429g/kg)(hN.dN)冬季送風(fēng):干球溫度27℃-5,相對濕度55%夏季送風(fēng):干球溫度18℃+5,相對濕度55%。作圖法:ε=571.43/0.05=11428.6KJ/kg,過N點做ε線,取溫差為Δt=5℃(此處送風(fēng)溫差與潔凈室的送風(fēng)精度相關(guān),且與潔凈室極值溫差相關(guān))得到送風(fēng)點O(作圖得熱值比能曲線圖圖2)。故夏季送風(fēng)量為264.5m?/h(理解為送風(fēng)口風(fēng)量+差壓風(fēng)量,取整值300 m?/h),狀態(tài)點O:溫度21℃,相對濕度57.79%。因氣鎖室周圍都為潔凈室,參考其夏季送風(fēng)狀態(tài)點,考慮維護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷則:氣鎖室內(nèi)夏季的氣溫將小于26度。若冬夏送風(fēng)量相同,冬季送風(fēng)狀態(tài)點為取值范圍:干球溫度27℃-5,相對濕度55%,故冬季送風(fēng)狀態(tài)略顯不足,氣鎖室內(nèi)將略有溫升。

        差壓送風(fēng)量的計算:設(shè)房間的相對壓差為10~15pa,房間縫隙滲透風(fēng)量:Q=3600F1*E1m?/h。其中:E1為流量因數(shù);推薦值0.3~0.5,F(xiàn)1為縫隙面積;ρ空氣密度,KL/m?;ΔP=室內(nèi)外壓差(此值按15pa計算),Pa;氣鎖室中的縫隙主要為門縫及掃門條與地面的縫隙:F1=2*0.001*4+2*0.003*1=0.014㎡估算其他縫隙面積:0.006㎡,得:F1=0.02㎡ ,綜上得:故差壓送風(fēng)量為Q=115m?。

        (三)送回風(fēng)量的確定

        房間按照靜態(tài)百級或千級設(shè)計,參照規(guī)范其換氣次數(shù)為:不小于20次/h,系統(tǒng)自凈風(fēng)量為:20*10=200m?/h<300?/h。綜上系統(tǒng)在處于相對正壓(15pa)(即潔凈室狀態(tài))時送風(fēng)量為:300m?/h,排風(fēng)量185m?/h。系統(tǒng)在處于相對負(fù)壓(15pa)(臭氧消毒)時送風(fēng)量為:300m?/h,排風(fēng)量415m?/h。

        (四)臭氧機(jī)的選型計算

        要求:在10min內(nèi)臭氧濃度達(dá)到50ppm。其中L房間泄露量及壓差風(fēng)量之和,V為房間體積,X為臭氧機(jī)產(chǎn)量,由已知可得室內(nèi)臭氧濃度隨時間變化的微分方程xdσ-Lydσ-Vy*(1/2) dσ/T=Vdy。由于制臭氧過程中要求的時間很短約10min,為計算方便,暫不考慮臭氧在10min內(nèi)的衰減量:故所求微分方程變?yōu)椋簒dσ-Lydσ= Vdy解此微分方程得:L=X/(y2-y0)-V(y2- y1)/( y2- y0)t,將y2=50,y0=0,y1=0,L=650,V=10m?,t=10min帶入得:X=(L+60)*0.1L/h,令L=300m?/h,則X=36g/h,功率約800w。

        其余照度、風(fēng)閥執(zhí)行器及變送器選型、臭氧機(jī)置換時間風(fēng)量確定暫不作贅述。

        基于上述計算,基本可以確定氣鎖間的一些主要技術(shù)參數(shù),但是我們可以對結(jié)構(gòu)做一些具體的優(yōu)化設(shè)計。在實際生產(chǎn)中,我們?yōu)榱吮M量減小兩個區(qū)域含微氣的互通量,首先我們要分析區(qū)域含微氣之間的相互置換是因何引起的,在相鄰兩個區(qū)域之間必然存在通道,這個通道中的門以及門板與門框之間的縫隙是最主要的氣體流道,其次區(qū)域含微氣中本身所含的粒子數(shù)量也是影響置換擴(kuò)散的關(guān)鍵因素之一。

        氣鎖間所對應(yīng)的兩個區(qū)域的通道門必須處于互鎖狀態(tài)不能同時打開,在低潔凈區(qū)或污染受控區(qū)的所有通道均應(yīng)始終保持在關(guān)閉狀態(tài),這是保證的必須前提。因為兩個區(qū)域一般情況下是有壓差梯度的,若面積為2㎡區(qū)域的某個通道門處于打開狀態(tài),則區(qū)域含微氣的流量可達(dá)約3500m?/h;若通道門處于關(guān)閉狀態(tài),則會有300m?/h空氣通過該門的縫隙滲出,雖然這一數(shù)值已經(jīng)大大降低,但是依然具有潛在的風(fēng)險。選用一種中空的密封條鑲嵌于門板特制的凹槽內(nèi),當(dāng)門被機(jī)械鎖或者電磁鎖鎖緊貼合于門框上時,往中空的密封條內(nèi)充入壓縮氣體,讓氣體氣壓保持在0.2bar左右,此時中空密封條被氣體膨脹,微小縫隙被密封條完全堵住,讓氣鎖間內(nèi)與潔凈區(qū)域之間的區(qū)域含微氣的相互滲透達(dá)到了極小。另外適當(dāng)?shù)奶岣哐h(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇,讓其將氣鎖間能的氣體置換次數(shù)增加,也可以提高氣鎖間內(nèi)的潔凈度。

        參考文獻(xiàn):

        [1] GB50019-2003 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范〔S〕.

        [2] GB50457-2008 醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范〔S〕.

        作者簡介:

        唐俊(1983-08)男,漢,大學(xué)本科,職稱:工程師,研究方向:潔凈工程技術(shù),產(chǎn)品開發(fā)。

        (四川川凈潔凈技術(shù)股份有限公司,四川 成都610000)

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