洁净技术讲稿6

空气洁净技术6室内微粒的运动洁净技术的任务，控制室内的微粒数或含量，来保证微粒不落在产品上，手术伤口处及药品内等，而微粒的下落或沉积受多种因素的影响，有必要对微粒的运动有一较全面的了解。6.1作用在微粒上的力解决微粒的表面沉降和那些因素有关。教材归纳为五种：1)质量力：与微粒质量成比例的力，重力，惯性力。2)分子作用力：由气体分子运动撞击微粒运动的力，如扩散力，分子热运动脉动撞击微粒而运动，针对小微粒≤0.3μm。3)场力：除重力场以外的场力，电场力、磁场力等。4)粒子间的吸引力。5)气流力：送、回风气流，热上升汽流，甚至人员走动，物体移动形成的气流携带微粒的运动的力。就分析微粒在室内的运动而言，五种力中影响最大的是气流力，其次是质量力（重力、惯性）和扩散力，其余两种可以忽略。6.2微粒的重力沉降微粒有质量就受到重力F1作用，占有体积就受到期周围介质的浮力F2，这两个力方向相反，在二力综合作用下微粒要移动，就受到与运动方向相反的周围介质给予的阻力F3，三个力的表达式分别为：重力N（1）浮力N（2）实为介质重量阻力等于微粒相对运动的速度头与垂直于运动方向微粒投影面积的乘积，还要乘以与介质间的阻力系数。阻力N（3）gdgmFppp316gdgmFapa32622223824vdvdFapap当三力达到平衡时，即F1-F2=F3，微粒等速沉降，这时用vs表示沉降速度，将各力的表达式代入平衡式，整理得m/s（6-4）这是一个普遍适用的公式，阻力系数取决于流态实际，由雷诺数太小决定的取值。当Re小于等于1时，对于球形微粒，空气的阻力可写为：（5）即为斯托克斯公式，已出现过多次，与公式（3）描述同一过程，整理得（6-6）aappsdv62.3vdFp3322383sappvdvdFesapRvd2424公式表明，阻力与微粒的速度的一次方成正比，公式是在Re很小情况下推出的，Re1时正比关系不能成立，需修正。对于非球形微粒，阻力要大一些，体现在阻力系数上乘以大于1的修正系数，不同形状的见表6-2，在空气中的微粒，则m/s解出vs当kg/m3cm/s2462.32462.32sppapasppsvddvdvppsdv2546.02000p22106.0psdvpap对于粒径小于1μm的粒子，其大小与气体分子的平均自由行程相接近（20℃时空气平均自由行程0.065μm），粒子表面气体分子稀薄。因而在粒子表面形成气体滑流，对粒子的阻力相对减少，即沉降速度加大。C为库宁汉修正系数（6-11）λ为空气分子的平均自由行程。ssCvv21.1exp4.0257.121ppddC6.3微粒在惯性力作用下的运动惯性力作用下的运动是指微粒在外力的作用下获得初速度后外力立刻消失，微粒仅靠惯性维持运动，典型的例子。当微粒受外力作用以v0为初速作水平运动时，用牛顿定律表示为（6-12）F为外力，对于所讨论的惯性力情况F=0。F3空气阻力，对于小微粒，Re≤1可用斯托克斯公式，对1μm还要考虑滑动修正，C1。3FFdtdvmCvdFp/33代入F3整理得，令，则积分并求出速度，得：pdCmvdtdv3CdtvdvCtevvCtvv/00ln18361323ppppppddddm在时间t内，在惯性作用下粒子运动的距离当t=∞时，，为微粒运动的最大距离，但值很小，在气溶胶力学中称“张驰时间”，当dp=10μm，ρp=2000kg/m3时，在标准状态下τ仅为6.07×10-4v0秒，因而即使初速v0很大，微粒飞行距离很短，特别是1μm以下的小粒子，仅为万分之几厘米到千分这几厘米，实际工程中的一次尘化作用不足以造成粉尘飞扬的道理是一致的。CtttCttevCdtevvdtS/000/010vCS6.4微粒的扩散运动前面曾多次提到微粒的扩散运动是由于空气分子运动撞击微粒而引起微粒的运动，图6-3图示微粒作扩散运动的起因及运动情况，(a)空气分子作不规则的布朗运动，无规律可循；(b)气体分子撞击微粒，当各个方向撞击的力不平衡时将产生移动；(c)图微粒在一个时间段内，受气体分子撞击后移动的轨迹，撞击是随时的，方向不定。轨迹是连续的但无规律可循。前苏联学者付克斯在1960年出版的气溶胶力学一书中给出1秒钟内微粒在给定方向平均位移的绝对距离计算式：DtSD4D为微粒在空气中的扩散系数cm2/s，传热学中给出物理意义：沿扩散方向在单位时间内，每单位浓度降低的情况下通过单位面积扩散的物质量，其值与浓度无关，随温度高而升高，随压力加大而下降，温度压力一定，D为定值。如在标准大气压和0℃时，水蒸汽、SO2在空气中的扩散系数分别为0.22cm2/s和0.103cm2/s。而微粒的扩散系数却与粒径有关dp↓D↑，由图6-4可看出微粒的D很小，因而t=1s时，微粒由扩散而运动的距离也很小，在10-4cm量级。我们已了解到微粒靠重力沉降，其沉降速度很慢，如粒径1μm的微粒，vs=0.006cm/s，下落1m距离需4.6h，很不易沉降，而在惯性力作用下和微粒的扩散运动，其运动的距离又是很小的。我们需要了解微粒是如何在表面上沉积的，与哪些因素有关。DtSD46.5微粒在表面上的沉积（1）微粒在无送风室内垂直表面上的扩散沉积在无送风室内并不意味着空气完全静止，实际上是有对流存在的，而在传热学中扩散除微观分子扩散外，还有涡流扩散。对于我们讨论的微粒扩散沉积问题，扩散作用也是包括两部分，即远离表面的对流扩散和离表面很近一层内的由分子扩散引起的微粒的扩散沉积，而惯性作用引起微粒的水平运动会在垂直表面引起的沉积，但在无送风室内其不存在，其在垂直表面引起的沉积不考虑。前苏联学者付克斯把两种扩散统一起来，解决了在微粒垂直表面上的沉积计算问题，前提是已知微粒由分子扩散而产生的扩散系数D，而不是分子的扩散系数。对于在表面沉积问题，由于沉积而造成微粒浓度对时间的变化率和微粒的浓度成正比，适应于各种沉积作用。（6-18）整理后积分（6-19）由于室内无风，那么空气中微粒的浓度由于沉积作用是逐渐减少的，两个扩散作用看成两段，在紧靠垂直平面的一薄层约δ为20μm左右，为分子扩散层，由于分子扩散的作用使微粒沉积到平面上，使得薄层内微粒浓度下降，而对流扩散作用又使薄层内的浓度与室内趋于一致，而室内空气中微粒的浓度总体又是随时间下降的。NdtdNtNN0lntNdN由于室内无风，那么空气中微粒的浓度由于沉积作用是逐渐减少的，两个扩散作用看成两段，在紧靠垂直平面的一薄层δ约为20μm左右，为分子扩散层，由于分子扩散的作用使微粒沉积到平面上，使得薄层内微粒浓度下降，而对流扩散作用又使薄层内的浓度与室内趋于一致，而室内空气中微粒的浓度总体又是随时间下降的。在粒子扩散系数为D（单位时间内，在单位浓度下降情况下，通过单位面积扩散的物质量）在δ层内，由于扩散浓度变化由N→0表面，浓度降为N/δ粒/cm3·cm），所以单位时间内由于扩散沉积到单位垂直表面积上的微粒为粒/cm2·s。若室内垂直表面积为S，而在dt时间内，由于扩散沉积的粒子数为SIdt，该值应等于室内空气中微业数的变化。NDI（6-21）代入得则将β代入（6-19）整理得：VSIdtdNNdtdNNVSIVSDVNSItNN0lntVSDNN0lntVSDeNN0SIdtVdN为由于扩散作用使微粒在垂直表面沉积而引起室内微粒浓度随时间变化的表达式。由此可计算任一时间因扩散沉积到单位面积垂直表面上的微粒数为粒/cm2具体量化一下，一(万级)洁净车间6.10×5.00×2.6mt=3.6×103sD=6.2×10-7cm2/scm2/s（查图）取δ=20μm(d≧0.5μm)N0=0.35粒/cm3粒/cm2tVSDeNN0001/NeSVSNNVNVSDtg2461037.11026.20.56.21.6106.20.51.6SV0081.0VSDt39.035.011037.10081.02eNg（2）微粒在无送风室内水平面上的沉积扩散作用同样也影响微粒在水平面上的沉积，同样也包括分子扩散和对流扩散，影响微粒在平面上沉积的另一因素是沉降。从重力沉降一节我们知道粒子的沉降速度与微粒的粒径、密度和气体粘性有关，在常温t=20℃空气中ρp=2000kg/m3时，vs≈0.6×10-2×dp2cm/s，仅取决于粒径的平方，而扩散作用在离平面很近时，空气对流速度趋近于零，对流扩散影响可忽略，只考虑分子扩散所引起微粒的扩散，它只影响微粒的浓度而不影响沉降速度，所以在t时间内沉降在单位面积上某个粒径的微粒数表示为粒/cm2（6-24）扩散作用体现在N内。tsgNdtvN0在没有送风室内，没有新的微粒来源，因而单位面积气柱中微粒数的减少等于沉积到平面上的微粒数整理积分得代入（6-24）式积分粒/cm2NdtvHdNsHtvseNN0HtvgseHNHNNN100tsgNdtvN0仍用前面万级洁净车间的例子计算,室内尺寸6.10×5.00×2.6m，与计算相关量：H=2.6m=260cm，室内粒子浓度（洁净度）N0=0.35粒/cm3，沉积时间t=3600秒cm/s粒/cm2对于垂直面，粒径的影响体现在D中，对于水平面，粒径的影响体现在vs中。322105.15.0106.0sv87.1126035.0260106.3105.133eNg（3）微粒在送风室内平面上的沉积与没有送风的室内微粒的沉积情况相比，有送风时室内空气中微粒的浓度N可以看作常量，不因沉积而发生变化，而无送风时N是随时间而减少的。对于微粒在有送风的室内平面上的沉积，日本两名学者提出沉积量计算公式。粒/cm2（6-26）N空气中微粒浓度，粒/cm3；vs沉降速度，cm/s；f沉积面积，cm2；hs房间高度；h——沉积平面到顶棚距离；n——换气次数；T——沉积时间。单位统一由于vs很小，，故上式简化为粒/cm2（6-27）hnvnhsgssefTNvN11ssvnhfTNvNsg仅适用于有送风的情况，而且是大的平面，而我们关心的是微粒在工件上的沉降数，如集成电路板上，属局部平面。由于有气流会绕过局部平面，这时引起在局部平面上沉积的因素不止沉降一种，还有惯性、拦截和扩散等，需逐个考虑。我们以沉积效率这种相对量的形式比较它们的大小。1）惯性沉积类似于惯性效应，惯性沉积效率其中惯性参数表6-6给出dp、局部平面直径及气流速度u与的关系，可见dp越大，ηSt↑，平面直径越小，ηSt↑。对大平面，不考虑惯性沉降的影响。fTNvNsgStfabtSfppvCSt2912）拦截沉积很类似于第三章孤立单根纤维拦截过滤效率（3-3）对于Re较大的情况，如Re=13.7，而拦截参数变为所以拦截沉降效率其具体值见表6-7。RRRRReR1111ln12ln2211222adadaRpppRRR1113）沉降沉积微粒在局部平面的沉降沉积效率也为很小的值，见表6-8。4）扩散沉积前面提到，对于水平面而言，对流扩散系数趋于零，在距平面很近的薄层内，分子扩散在起作用，微粒的扩散沉积量要小于其对于垂直表面的沉积量，其沉积的几率是很小的。教材以集成电路用直径3cm硅片为例，在两种粒径微粒条件下，将上述四种途径沉积的几率列出，其相对大小顺序为：沉降沉积、拦截沉积和扩散沉积，各高出一个数量级，惯性沉积趋于零。