氣鎖間的設計方法及優(yōu)化研究

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、負壓氣鎖、梯度氣鎖三種類型。其中梯度式氣鎖是應用較為廣泛的形式，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)的含有我們生產產品的空氣向外擴散，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散而進行了一些措施和方法的探索。

關鍵詞：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的空氣潔凈度或者壓差梯度而設置的緩沖室。一般設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。

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，當人員或物料進入無菌室時，部分細菌、微生物就會不可避免的被攜帶進入到無菌室內，不能達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菌、微生物的控制要求越來越嚴格，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計計算：

一、基本設計資料

送風溫度：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：

室內溫度：18～26℃，濕度45～65%;室內潔凈度達到動態(tài)萬級，靜態(tài)千級或百級標準;具有室內壓差控制功能;臭氧消毒功能，臭氧濃度10分鐘達到50ppm;門互鎖功能; 人機交互功能;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、設計計算

本計算主要針對主要性能參數(shù)進行校核，外購件及標準件等嚴格按照國家相關標準執(zhí)行，故不再另行計算。

（一）送回風壓力及內循環(huán)風機選型計算

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，過程較為復雜，暫不做具體詳細分析。壓力損失ΔH1=50pa計算。送風孔板局部阻力核算：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)域送風壓力損失核算： 其中a=2m，b=1.5m;風道當量直徑：DV=2ab/（a+b）=1.68m;V=0.475m/s，k=0.18，查通風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，計算截面風速V=Q/S，代入數(shù)據(jù)得V=2.3m/s，ΔH2=ζV?ρ/2=24pa?；仫L通道沿程壓力損失核算：風道的流速的當量直徑：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），則送回風過程中壓力損失為Z=500+50+1.5+24+0.5+50=706pa。內循環(huán)風機選型：工作區(qū)域保證A～B級，保證截面風速0.36～0.475m/s，風量5000m?/h，全壓700pa，故采用兩臺DDF3.15B風機，工況點風量2500m?/h，全壓689pa;并聯(lián)后兩風機風壓查表約為650pa;潔凈送風風壓的計算

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

分析：A： 內循環(huán)風機開啟，同時送入潔凈風;內循環(huán)風機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：內循環(huán)風機口及潔凈風口為進風口，高效過濾器端為泄壓端，當P1 >340pa（克服循環(huán)風機背壓，另外一種情況為克服初中效終阻力;P2>250pa（潔凈風壓力能大于中效終阻力即風能穿透泄壓端）時系統(tǒng)循環(huán)成立。B：僅送潔凈風時，不開內循環(huán)風機：P2+P1>700pa且P1>250pa系統(tǒng)循環(huán)成立。

綜上系統(tǒng)送風風壓為300pa，排風風壓為500pa，回風口風壓為350pa。

（二）消除余熱余濕風量計算

環(huán)境條件：室內主要器件：風機2臺，功率1.5Kw;臭氧機1臺650w，燈管一支21w。電機工況點（風量3000m?/h，全壓700pa）時電機功率0.949Kw，此時變頻器調頻>15hz（風機按正常溫升計算）。

濕負荷的計算：余濕量：設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。

冷負荷的計算：A：人+兩臺循環(huán)風機運行+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+兩臺循環(huán)風機運行+燈，此時有：余熱：Q=1.5Kw*（0.8*0.5*0.6）*1000/0.63+21w+150w=546w。室內設計參數(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：干球溫度27℃-5，相對濕度55%夏季送風：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℃（此處送風溫差與潔凈室的送風精度相關，且與潔凈室極值溫差相關）得到送風點O（作圖得熱值比能曲線圖圖2）。故夏季送風量為264.5m?/h（理解為送風口風量+差壓風量，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，參考其夏季送風狀態(tài)點，考慮維護結構的冷負荷則：氣鎖室內夏季的氣溫將小于26度。若冬夏送風量相同，冬季送風狀態(tài)點為取值范圍：干球溫度27℃-5，相對濕度55%，故冬季送風狀態(tài)略顯不足，氣鎖室內將略有溫升。

差壓送風量的計算：設房間的相對壓差為10～15pa，房間縫隙滲透風量：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：故差壓送風量為Q=115m?。

（三）送回風量的確定

房間按照靜態(tài)百級或千級設計，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)）時送風量為：300m?/h，排風量185m?/h。系統(tǒng)在處于相對負壓（15pa）（臭氧消毒）時送風量為：300m?/h，排風量415m?/h。

（四）臭氧機的選型計算

要求：在10min內臭氧濃度達到50ppm。其中L房間泄露量及壓差風量之和，V為房間體積，X為臭氧機產量，由已知可得室內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、風閥執(zhí)行器及變送器選型、臭氧機置換時間風量確定暫不作贅述。

基于上述計算，基本可以確定氣鎖間的一些主要技術參數(shù)，但是我們可以對結構做一些具體的優(yōu)化設計。在實際生產中，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)量也是影響置換擴散的關鍵因素之一。

氣鎖間所對應的兩個區(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)的所有通道均應始終保持在關閉狀態(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約3500m?/h;若通道門處于關閉狀態(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險。選用一種中空的密封條鑲嵌于門板特制的凹槽內，當門被機械鎖或者電磁鎖鎖緊貼合于門框上時，往中空的密封條內充入壓縮氣體，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，讓氣鎖間內與潔凈區(qū)域之間的區(qū)域含微氣的相互滲透達到了極小。另外適當?shù)奶岣哐h(huán)風機的風量選擇，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的潔凈度。

參考文獻：

[1] GB50019-2003 采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范〔S〕.

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

作者簡介：

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

（四川川凈潔凈技術股份有限公司，四川 成都610000）