氣鎖間的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化研究

摘 要：氣鎖間在市面上有各種方式實(shí)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(gè)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(jì)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(shí)開啟的門，隔斷兩個(gè)不同潔凈環(huán)境的空氣，防止交叉污染，保持兩個(gè)區(qū)域之間的壓力梯度，為人們提供一個(gè)進(jìn)出空間及穿/脫工作服的場地。氣鎖間一般都是一個(gè)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(shí)，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(gè)氣鎖間的新型設(shè)計(jì)計(jì)算：

一、基本設(shè)計(jì)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(bào)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(jì)計(jì)算

本計(jì)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(jì)算。

（一）送回風(fēng)壓力及內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)選型計(jì)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(jì)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(jì)。回風(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(jì)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。回風(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(jì)算阻力合計(jì)50pa（兩個(gè)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(diǎn)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(jì)算

其壓力分布如圖例1所示：（按終阻力計(jì)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(shí)送入潔凈風(fēng);內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)口處于最大背壓時(shí)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(shí)系統(tǒng)循環(huán)成立。B：僅送潔凈風(fēng)時(shí)，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(jì)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(diǎn)（風(fēng)量3000m?/h，全壓700pa）時(shí)電機(jī)功率0.949Kw，此時(shí)變頻器調(diào)頻>15hz（風(fēng)機(jī)按正常溫升計(jì)算）。

濕負(fù)荷的計(jì)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(jì)算：A：人+兩臺循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行+燈，人的全熱為：156kcal.h，此時(shí)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(yùn)行+燈，此時(shí)有：余熱：Q=1.5Kw*（0.8*0.5*0.6）*1000/0.63+21w+150w=546w。室內(nèi)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)，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(shí)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(shí)送風(fēng)量為：300m?/h，排風(fēng)量415m?/h。

（四）臭氧機(jī)的選型計(jì)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(shí)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(shí)間很短約10min，為計(jì)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(shí)間風(fēng)量確定暫不作贅述。

基于上述計(jì)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(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，我們?yōu)榱吮M量減小兩個(gè)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(gè)區(qū)域之間必然存在通道，這個(gè)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(gè)區(qū)域的通道門必須處于互鎖狀態(tài)不能同時(shí)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?yàn)閮蓚€(gè)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(gè)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(xiǎn)。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(shí)，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(shí)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)：

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[2] GB50457-2008 醫(yī)藥工業(yè)潔凈廠房設(shè)計(jì)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）