文章简介：解耦原理对洁净技术发展的影响
解耦原理是一种重要的实验理论方法,往往通过解耦原理能把原本较复杂或者是"混沌"的物理现象转化为若干个的简单物理现象集合,能够使实验者更为清楚地看清现象的本质,使得实验或分析过程大大简化,并最终得到解决,因此解耦原理成为实验科学研究和实践的重要理论方法.科学实验历史上曾经不胜枚举地通过采用了解耦原理取得了许多重要的成果,著名的卫星搭载实验就是其中之一,通过发射卫星摆脱原本受到地球引力或大气影响的一些物理实验,如著名的伽里略的自由落体运动首次证明实验等等.我作为一个洁净技术工作者,在前人理论的指导下,通过这些年来的工作实践,对我国的空气洁净技术有了一个较为深层次的了解,并且对洁净技术领域的重大发明和成果感到无比的高兴.诞生于60年代初的我国空气洁净技术,在这些年取得很大的发展,不仅军工,高新技术必须这门技术,而且在环保,医疗,制药,食品,纺织,农业等行业中也得到广泛应用,特别是近些年在我国集成电路生产,特殊疾病的手术和治疗护理以及制药行业推行质量管理标准(GMP)方面发挥了重要作用,确确实实已经成为我国生产活动和科学实验现代化的标志之一.洁净技术作为一门实验科学,在其发展过程中也不可避免地大量地采用了解耦原理进行研究和实践,并在这些年取得了不小的发展和进步.
一,在理论方面1978年中国建筑科学研究院许钟麟研究员首次在传统的洁净室内全室微粒均匀分布理论的基础上,通过分析影响洁净室含尘浓度不均匀分布的各种因素,把洁净室的含尘浓度分布进行了解耦,解耦成了3个分布区域(即送风口下方的主流区,回风口区域的回风口区,其余的区域为涡流区),见图1.解耦后对其相应的分布区域建立各自的含尘浓度分布关系式,并联立推导出了更接近实际和更具有理论分析意义的含尘浓度近似室平均浓度关系式,简称洁净室的N-n通式.
……………(N-n通式)
……………(主流区含尘浓度)
……………(涡流区含尘浓度)
……………(回风口区含尘浓度)
:不均匀分布室平均浓度,粒/L; :送风口出风含尘浓度,粒/L;
:主流区的含尘浓度,粒/L; :涡流区的含尘浓度,粒/L;
:回风口区的含尘浓度,粒/L; :全室平均发尘浓度,粒/m3.min;
:洁净室换气次数,次/h; :主流区在全室的发尘比例;
:主流区气流的引带比; :涡流区的体积,m3;
:洁净室的体积,m3;
该关系式中,基本包括了三个解耦区域影响洁净室含尘浓度主要因素,其中,,,在一定条件下均为常数,其它参数,,均受到气流组织(包括送风方式和风口位置),送风口数量,换气次数,送风口形式的影响.诸多影响因素中高效送风口的有效面积比是其中非常重要的一个,图2,3是衡量送风口数量的有效面积比m对,,的影响的实验拟合曲线.
通过对洁净室含尘浓度分布规律的解耦,可以使理论计算更接近实际,可以更加清楚地分析洁净室内含尘浓度的分布情况,并对洁净室实验研究和工程设计方法起到了重要的作用.操作区一般是放在主流区内的,主流区含尘浓度分布规律的确定可以更加方便地了解处于主流区内的操作区含尘浓度分布规律,从而通过各种方法改善主流区特性,加强操作区的保护.涡流区是污染主流区的主要因素,因此如何减少涡流区,并同时在满足洁净室换气次数要求的基础上,采取各种方式尽量加大主流区的面积,对于减小污染将具有重要意义.
二,洁净空间新型气流分布末端,即阻漏层理论的研究及其应用:
传统的洁净空间控制污染的机理,主要是通过布置在送风末端的高效过滤器将洁净气流送入.由于过滤器很难避免在制作,运输和安装过程中,总不断地有机会造成过滤器的滤材,滤器及安装结合面的渗漏,高效过滤器的渗漏是不可避免的,所以仅*密封堵漏不能有效解决渗漏问题.单向流洁净室的满布高效过滤器的送风天花不仅仅起到了过滤的作用,而且还起均流作用和防漏作用,因此末端高效过滤器把防漏,过滤与分布气流的三个作用耦合于一体,大大提高了对末端过滤器的要求.在这样的背景下,利用阻漏层理论,把末端高效过滤器的过滤,均流和防漏的三个功能解耦,已经成为洁净室发展的一项新的技术措施.
三,符合洁净手术部的净化空调系统——独立新风(正压送风)系统
洁净手术室是属于生物洁净室的范畴,它是以控制微生物微粒数量并提高手术安全性为最根本目标的,显然微生物微粒控制的特殊性更增强了对净化空调系统的要求.对于高效送风系统,在满足室内换气次数的要求的基础上,室内的送风含尘浓度(包含微生物微粒)是很容易控制的,因而防止外界污染空气通过无菌间的缝隙侵入的控制成为主要问题.为了维持无菌空间免受外界污染,保持无菌空间对外界和相临无菌空间的空气压力差成为净化空调系统的重要手段.由于洁净手术部中设置的系统比较多(尤其是手术室系统最多),而且各个系统往往又通过辅助区系统(如洁净走廊和污物走廊)相互联系起来,因此各个系统的压力控制互相影响制约,耦合在了一起,使整体正压差的控制难度增大.另一方面对于单个系统,由于室内压力还要受到室内送回风阻力变化以及空调机组送回风量的影响,压力的控制也同时受制于整个空调系统,这样更增加了压力控制复杂程度.因此如何把各个系统的压力控制解耦,并且把压力控制与空调机组运行解耦分离,是一个重要的问题.净化系统正压的控制主要是新风量的控制,图5是《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333—2002所建议的独立新风(正压送风)系统原理图.该系统的主要特点是每间手术室净化空调和维持正压两大功能解耦分离,同时通过新风系统把各个手术室的系统联系起来.新风系统分为两个系统,一个为手术室系统正常运行期间的新风量,其大小应为排风机组减去正压风量的值;另外一个是手术室系统非正常运行期间的新风量,此时排风机已经关闭,其大小应为渗透到室外的正压风量.独立空调机组负责手术室的空气净化,与压力无关,而两组新风机组则控制独立空调机组起停的正压控制.这样即便有部分手术室未使用,未使用的手术室也能通过新风机组的正压风量控制维持整个洁净手术部的压力梯度.当然新风量和压力的控制是离不开一套完善的控制系统,可以说该独立新风系统能否实现完全取决与自控系统的实现程度.对与目前而言该控制系统的实现已并非难事.如果控制的好,两个新风系统可以和二为一,通过采用变频新风机组的风机来调节新风量,并且高档为全系统正常运行时的最大新风量,低档为排风机组全部关闭时的正压风量.这样可以减少初投资.
综上所述,解耦原理的应用是与新材料,新工艺,新技术及严密的控制系统密不可分的.就象有了蒸汽机的发明,才会有工业革命,只有万有引力的发现,才有了现代的航天技术.对于解耦原理在空气洁净技术的应用当然也是如此.目前由于受到我国科技生产力的影响,许多洁净技术难题在现有的基础上是不可能完全解耦,并得到解决的,但解耦原理给了我们带来了看待问题和解决问题的新方法,新角度.我们深信随着时代的发展,并同时伴随着我国的科技人员的不懈努力下,通过解耦原理可以给洁净技术带来更多更新的理论和技术.
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