潔凈技術(shù)講稿ppt課件

1、空 氣 潔 凈 技 術(shù).6 室內(nèi)微粒的運動 干凈技術(shù)的義務(wù)，控制室內(nèi)的微粒數(shù)或含量，來保證微粒不落在產(chǎn)品上，手術(shù)傷口處及藥品內(nèi)等，而微粒的下落或堆積受多種要素的影響，有必要對微粒的運動有一較全面的了解。6.1 作用在微粒上的力處理微粒的外表沉降和那些要素有關(guān)。教材歸納為五種： 1) 質(zhì)量力：與微粒質(zhì)量成比例的力，重力，慣性力。 2) 分子作用力：由氣體分子運動撞擊微粒運動的力，如分散力，分子熱運動脈動撞擊微粒而運動，針對小微粒0.3m。 3) 場力：除重力場以外的場力，電場力、磁場力等。 4) 粒子間的吸引力。 5) 氣流力：送、回風(fēng)氣流，熱上升汽流，甚至人員走動，物體挪動構(gòu)成的氣流攜帶微粒的

2、運動的力。 就分析微粒在室內(nèi)的運動而言，五種力中影響最大的是氣流力，其次是質(zhì)量力重力、慣性和分散力，其他兩種可以忽略。.6.2 微粒的重力沉降 微粒有質(zhì)量就遭到重力F1作用，占有體積就遭到期周圍介質(zhì)的浮力F2，這兩個力方向相反，在二力綜協(xié)作用下微粒要挪動，就遭到與運動方向相反的周圍介質(zhì)給予的阻力F3，三個力的表達式分別為：重力 N1浮力 N2 實為介質(zhì)分量 阻力等于微粒相對運動的速度頭與垂直于運動方向微粒投影面積的乘積，還要乘以與介質(zhì)間的阻力系數(shù)。阻力 N3.當三力到達平衡時，即F1-F2=F3，微粒等速沉降，這時用vs表示沉降速度，將各力的表達式代入平衡式，整理得 m/s6-4這是一個普遍適

3、用的公式，阻力系數(shù)取決于流態(tài)實踐，由雷諾數(shù)太小決議的取值。當Re小于等于1時，對于球形微粒，空氣的阻力可寫為： 5 即為斯托克斯公式，已出現(xiàn)過多次，與公式3描畫同一過程，整理得 6-6.公式闡明，阻力與微粒的速度的一次方成正比，公式是在Re很小情況下推出的，Re1時正比關(guān)系不能成立，需修正。對于非球形微粒，阻力要大一些，表達在阻力系數(shù)上乘以大于1的修正系數(shù)，不同外形的見表6-2，在空氣中的微粒 ，那么 m/s解出vs 當 kg/m3 cm/s . 對于粒徑小于1m的粒子，其大小與氣體分子的平均自在行程相接近20時空氣平均自在行程0.065m，粒子外表氣體分子稀薄。因此在粒子外表構(gòu)成氣體滑流，對

4、粒子的阻力相對減少，即沉降速度加大。 C為庫寧漢修正系數(shù)6-11為空氣分子的平均自在行程。.6.3 微粒在慣性力作用下的運動 慣性力作用下的運動是指微粒在外力的作用下獲得初速度后外力立刻消逝，微粒僅靠慣性維持運動，典型的例子。 當微粒受外力作用以v0為初速作程度運動時，用牛頓定律表示為6-12F為外力，對于所討論的慣性力情況F=0。F3空氣阻力，對于小微粒，Re1可用斯托克斯公式，對1m還要思索滑動修正，C 1。.代入F3整理得，令，那么積分并求出速度，得：.在時間t內(nèi)，在慣性作用下粒子運動的間隔當t=時， ，為微粒運動的最大間隔，但值很小，在氣溶膠力學(xué)中稱“張馳時間，當dp=10m，p=20

5、00 kg/m3時，在規(guī)范形狀下僅為6.0710-4 v0秒，因此即使初速v0很大，微粒飛行間隔很短，特別是1m以下的小粒子，僅為萬分之幾厘米到千分這幾厘米，實踐工程中的一次塵化作用缺乏以呵斥粉塵飛揚的道理是一致的。.6.4 微粒的分散運動 前面曾多次提到微粒的分散運動是由于空氣分子運動撞擊微粒而引起微粒的運動，圖6-3圖示微粒作分散運動的原因及運動情況，(a)空氣分子作不規(guī)那么的布朗運動，無規(guī)律可循；(b)氣體分子撞擊微粒，當各個方向撞擊的力不平衡時將產(chǎn)生挪動；(c)圖微粒在一個時間段內(nèi)，受氣體分子撞擊后挪動的軌跡，撞擊是隨時的，方向不定。軌跡是延續(xù)的但無規(guī)律可循。前蘇聯(lián)學(xué)者付克斯在1960

6、年出版的氣溶膠力學(xué)一書中給出1秒鐘內(nèi)微粒在給定方向平均位移的絕對間隔計算式：. D為微粒在空氣中的分散系數(shù)cm2/s， 傳熱學(xué)中給出物理意義：沿分散方向在單位時間內(nèi)，每單位濃度降低的情況下經(jīng)過單位面積分散的物質(zhì)量，其值與濃度無關(guān)，隨溫度高而升高，隨壓力加大而下降，溫度壓力一定，D為定值。如在規(guī)范大氣壓和0時，水蒸汽、SO2在空氣中的分散系數(shù)分別為0.22cm2/s和0.103cm2/s。而微粒的分散系數(shù)卻與粒徑有關(guān)dpD，由圖6-4可看出微粒的D很小，因此t=1s時，微粒由分散而運動的間隔也很小，在10-4cm量級。 我們已了解到微粒靠重力沉降，其沉降速度很慢，如粒徑1m的微粒，vs=0.00

7、6cm/s，下落1m間隔需4.6h，很不易沉降，而在慣性力作用下和微粒的分散運動，其運動的間隔又是很小的。我們需求了解微粒是如何在外表上堆積的，與哪些要素有關(guān)。.6.5 微粒在外表上的堆積1微粒在無送風(fēng)室內(nèi)垂直外表上的分散堆積 在無送風(fēng)室內(nèi)并不意味著空氣完全靜止，實踐上是有對流存在的，而在傳熱學(xué)中分散除微觀分子分散外，還有渦流分散。對于我們討論的微粒分散堆積問題，分散作用也是包括兩部分，即遠離外表的對流分散和離外表很近一層內(nèi)的由分子分散引起的微粒的分散堆積，而慣性作用引起微粒的程度運動會在垂直外表引起的堆積，但在無送風(fēng)室內(nèi)其不存在，其在垂直外表引起的堆積不思索。 前蘇聯(lián)學(xué)者付克斯把兩種分散一致

8、同來，處理了在微粒垂直外表上的堆積計算問題，前提是知微粒由分子分散而產(chǎn)生的分散系數(shù)D，而不是分子的分散系數(shù)。 . 對于在外表堆積問題，由于堆積而呵斥微粒濃度對時間的變化率和微粒的濃度成正比，順應(yīng)于各種堆積作用。6-18整理后積分 6-19 由于室內(nèi)無風(fēng)，那么空氣中微粒的濃度由于堆積作用是逐漸減少的，兩個分散作用看成兩段，在緊靠垂直平面的一薄層約為20m左右，為分子分散層，由于分子分散的作用使微粒堆積到平面上，使得薄層內(nèi)微粒濃度下降，而對流分散作用又使薄層內(nèi)的濃度與室內(nèi)趨于一致，而室內(nèi)空氣中微粒的濃度總體又是隨時間下降的。. 由于室內(nèi)無風(fēng)，那么空氣中微粒的濃度由于堆積作用是逐漸減少的，兩個分散作

9、用看成兩段，在緊靠垂直平面的一薄層約為20m左右，為分子分散層，由于分子分散的作用使微粒堆積到平面上，使得薄層內(nèi)微粒濃度下降，而對流分散作用又使薄層內(nèi)的濃度與室內(nèi)趨于一致，而室內(nèi)空氣中微粒的濃度總體又是隨時間下降的。在粒子分散系數(shù)為D單位時間內(nèi)，在單位濃度下降情況下，經(jīng)過單位面積分散的物質(zhì)量在層內(nèi)，由于分散濃度變化由N0外表，濃度降為N/粒/cm3cm，所以單位時間內(nèi)由于分散堆積到單位垂直外表積上的微粒為 粒/cm2s。假設(shè)室內(nèi)垂直外表積為S，而在dt時間內(nèi)，由于分散堆積的粒子數(shù)為SIdt，該值應(yīng)等于室內(nèi)空氣中微業(yè)數(shù)的變化。. 6-21代入 得那么將代入 6-19 整理得：. 為由于分散作用使

10、微粒在垂直外表堆積而引 起室內(nèi)微粒濃度隨時間變化的表達式。由此可計算任一時間因分散堆積到單位面積垂直外表上的微粒數(shù)為 粒/cm2詳細量化一下，一(萬級)干凈車間 6.105.002.6m t=3.6103s D=6.210-7cm2/s cm2/s查圖 取 =20m (d0.5m) N0=0.35粒/cm3 粒/cm2.2微粒在無送風(fēng)室內(nèi)程度面上的堆積 分散作用同樣也影響微粒在程度面上的堆積，同樣也包括分子分散和對流分散，影響微粒在平面上堆積的另一要素是沉降。從重力沉降一節(jié)我們知道粒子的沉降速度與微粒的粒徑、密度和氣體粘性有關(guān)，在常溫t=20空氣中p=2000kg/m3時 ，vs0.610-2

11、dp2 cm/s，僅取決于粒徑的平方，而分散作用在離平面很近時，空氣對流速度趨近于零，對流分散影響可忽略，只思索分子分散所引起微粒的分散，它只影響微粒的濃度而不影響沉降速度，所以在t 時間內(nèi)沉降在單位面積上某個粒徑的微粒數(shù)表示為 粒/cm2 6-24分散作用表達在N內(nèi)。 . 在沒有送風(fēng)室內(nèi)，沒有新的微粒來源，因此單位面積氣柱中微粒數(shù)的減少等于堆積到平面上的微粒數(shù) 整理積分得代入 6-24式積分粒/cm2.仍用前面萬級干凈車間的例子計算,室內(nèi)尺寸6.105.002.6m，與計算相關(guān)量：H=2.6m=260cm， 室內(nèi)粒子濃度干凈度N0=0.35粒/cm3，堆積時間t=3600秒 cm/s 粒/c

12、m2 對于垂直面，粒徑的影響表達在D中，對于程度面，粒徑的影響表達在vs中。.3微粒在送風(fēng)室內(nèi)平面上的堆積 與沒有送風(fēng)的室內(nèi)微粒的堆積情況相比，有送風(fēng)時室內(nèi)空氣中微粒的濃度N可以看作常量，不因堆積而發(fā)生變化，而無送風(fēng)時N是隨時間而減少的。對于微粒在有送風(fēng)的室內(nèi)平面上的堆積，日本兩名學(xué)者提出堆積量計算公式。 粒/cm2 6-26N空氣中微粒濃度，粒/cm3 ；vs沉降速度， cm/s ；f 堆積面積，cm2 ；hs房間高度；h堆積平面到頂棚間隔；n換氣次數(shù)；T堆積時間。單位一致由于vs很小， ，故上式簡化為 粒/cm2 6-27. 僅適用于有送風(fēng)的情況，而且是大的平面，而我 們關(guān)懷的是微粒在工件

13、上的沉降數(shù)，如集成電路板上，屬部分平面。由于有氣流會繞過部分平面，這時引起在部分平面上堆積的要素不止沉降一種，還有慣性、攔截和分散等，需逐個思索。我們以堆積效率這種相對量的方式比較它們的大小。1慣性堆積類似于慣性效應(yīng)，慣性堆積效率 其中慣性參數(shù)表6-6給出dp、部分平面直徑及氣流速度u與的關(guān)系，可見dp越大，St ，平面直徑越小，St 。對大平面，不思索慣性沉降的影響。.2攔截堆積很類似于第三章孤立單根纖維攔截過濾效率 3-3對于Re較大的情況，如Re=13.7，而攔截參數(shù)變?yōu)樗詳r截沉降效率 其詳細值見表6-7。 .3沉降堆積微粒在部分平面的沉降堆積效率也為很小的值，見表6-8。4分散堆積

14、前面提到，對于程度面而言，對流分散系數(shù)趨于零，在距平面很近的薄層內(nèi)，分子分散在起作用，微粒的分散堆積量要小于其對于垂直外表的堆積量，其堆積的幾率是很小的。 教材以集成電路用直徑3cm硅片為例，在兩種粒徑微粒條件下，將上述四種途徑堆積的幾率列出，其相對大小順序為：沉降堆積、攔截堆積和分散堆積，各高出一個數(shù)量級，慣性堆積趨于零。. 我們已處理了平面上沉降堆積的計算問題，在沉降堆積的根底上乘以一大于的修正系數(shù)將攔截和分散堆積的要素思索進去，可以簡化計算。按教材給的數(shù)據(jù)：對于1m微粒，修正系數(shù)應(yīng)為1.3，對5m修正系數(shù)為1.2，經(jīng)核算教材上邊的各效率，對5m應(yīng)為1.06。 那么在有送風(fēng)的室內(nèi)，T時間內(nèi)

15、，以風(fēng)速為u經(jīng)過面積為f平面的一段氣流中，在單位面積上堆積的微粒量6-31隨著dp，修正系數(shù)a。. 對于多分散微粒，vs值應(yīng)按某個平均粒徑計算，由于微粒的沉降速度主要受空氣阻力的影響，而該阻力和微粒的投影面積成正比，所以應(yīng)該用平均面積直徑，也就是第一章中提到的 9 種平均直徑中的即平均面積直徑作為全部微粒的平均直徑。這樣，由Dsvs=0.610-2dg2Ng。 表6-9列出幾間干凈間堆積數(shù)量的實測值與計算值的對比，差別不是很大。用平面上的堆積量與前面講到的在垂直面上的堆積計算結(jié)果比，程度高是垂直面堆積量的幾十倍。. 學(xué)習(xí)了上述內(nèi)容，在知室內(nèi)空氣中微粒濃度情況下，在不思索室內(nèi)微粒發(fā)生源的情況下，

16、我們可以計算在程度面和垂直面上的堆積量。假設(shè)工藝提出對單位面積堆積量的限制，我們可以反推出所要求的微粒濃度，即干凈度。.6.6 氣流對微粒運動的影響1影響室內(nèi)微粒分布的要素 前面在討論微粒的堆積的作用要素時，曾分析由于重力慣性力和分散所呵斥的微粒的運動的速度很小，每秒千分之幾厘米，所以它們的存在不會對室內(nèi)微粒的濃度分布呵斥影響，但室內(nèi)的送回風(fēng)氣流及其它由于熱外表及人員行走所行成的氣流速度普通均大于0.1m/s，足以攜帶微粒挪動較長的間隔，特別是室內(nèi)的氣流組織不是平行流而是亂流、室內(nèi)又有微粒發(fā)生源的時候，這些氣流會影響到室內(nèi)微粒的濃度分布。微粒密度較大會不會偏離氣流的軌跡不跟隨氣流運動，實踐情況

17、是小微粒根本不會偏離氣流流線的。 . 從兩點可以闡明：跟隨速度概念，由于微粒密度遠大于空氣，在氣流中所遭到的力與同體積氣體相比有差別，因此是呵斥其速度與攜帶微粒的氣流速度有差別。我們稱微粒具有的速度為跟隨速度，該速度可以從受力分析中求得。以與氣流速度的相對值的方式給出。當微粒的密度與空氣一樣，其在空氣中所受力為 ，而實踐密度為p，所受力與氣球體有所不同，粒子速度并不完全與空氣一樣，其運動方程為 6-32Fr為存在相對運動時的阻力 .解該方程得 6-33式中，a、b、c為物性參數(shù)數(shù)組，為湍流脈動頻率。當p=1g/cm3時，dp=5m ，dp=1m ，dp50m，遵照推出的公式；dp50m，dpu 。作者建議把dp=10m的懸浮速度作為控制速度，經(jīng)過實驗取u=20cm/s，因此要求吹過干凈室程度面的氣流速度不高于20cm/s，對于地面附近，正是回流速度，設(shè)計送風(fēng)方式時要作思索。.3熱對流