潔凈空調(diào)箱送風(fēng)量的控制策略

文 / 張春紅， 李偉敏， 鄒小安， 歐陽健

在制藥廠，為了獲得潔凈操作環(huán)境的條件——需要使用潔凈空調(diào)箱來對外界的空氣進行除塵、溫度和濕度的調(diào)節(jié)。為了滿足潔凈區(qū)域內(nèi)換氣次數(shù)和壓差的要求，潔凈空調(diào)箱還必須以恒定的風(fēng)量來送風(fēng)。此步驟需要排除末端高效過濾器臟堵的影響，以及新風(fēng)受到雨季引起的對初效過濾器的干擾。本文介紹了幾種常用的控制方法，并比較其優(yōu)缺點。

圖1 普通潔凈空調(diào)箱示意圖

1 潔凈空調(diào)箱的功能

在藥廠的潔凈系統(tǒng)中，為了獲得凈化的環(huán)境，一般采用潔凈空調(diào)箱來對外界的空氣進行處理，去除空氣中的塵埃粒子、對溫濕度進行調(diào)節(jié)，以滿足凈化級別、溫度、濕度的需求[1-3]。在潔凈空調(diào)箱中，通常配置有初效過濾器、中效過濾器（必要時會通過亞高效過濾器進行過濾），最終空氣通過末端的高效過濾器進行過濾進入潔凈區(qū)域。普通的潔凈空調(diào)箱采用了如圖1所示的功能段設(shè)計，在國內(nèi)北方地區(qū)，則需要考慮在冬季對新風(fēng)進行預(yù)加熱，以免凍裂換熱器。

外界的新風(fēng)通過初效過濾器過濾后將與一次回風(fēng)和二次回風(fēng)混合，然后經(jīng)過表冷器進行降溫或者再除濕。為了防止表冷后出現(xiàn)霧沫夾帶，在表冷器后設(shè)置了擋水板，對空氣進行汽水分離。送風(fēng)風(fēng)機將其增壓后使其通過加熱盤管、加濕器、中效過濾器，然后到達末端的高效過濾器。

2 潔凈空調(diào)箱恒定送風(fēng)量的控制策略

2.1 在潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)口用風(fēng)速儀來進行控制

用風(fēng)速儀來對潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)進行檢測，然后將該數(shù)據(jù)與變頻風(fēng)機的變頻器進行關(guān)聯(lián)，用負反饋的形式來控制恒定的送風(fēng)風(fēng)量。

圖2 風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速分布的示意圖

常用的直讀式測速儀是熱球式熱電風(fēng)速儀，這種儀器的傳感器是一個球型測頭，其中為鎳鉻絲彈簧圈，用低熔點的玻璃將其包成球狀。彈簧圈內(nèi)有一對鎳鉻—康銅熱電偶，用以測量球體的溫升程度。測頭采用電加熱的方式，由于測頭的加熱量集中在球部，只需較小的加熱電流(約30 mA)就能達到要求的溫升。測頭的溫升會受到周圍空氣流速的影響，根據(jù)溫升的大小，即可測出氣流的速度。風(fēng)速確定以后，可按下面的公式計算管道內(nèi)的風(fēng)量：

L=V×F

公式中L——管道內(nèi)的風(fēng)量（m3/s）

V——截面的風(fēng)速（m3/s）；

F——風(fēng)管截面的面積（m2）。

由于風(fēng)速儀在同一截面上的不同位置，可能會得出不同的風(fēng)速數(shù)據(jù)（如圖2所示），所以這個風(fēng)速還不能真正意義上用來計算風(fēng)量。

測量斷面后有彎頭、風(fēng)閥、三通時（相對于氣流方向），距這些部件的距離應(yīng)大于2倍管道直徑。測量斷面前有彎頭、風(fēng)閥、三通時（相對于氣流方向），距這些部件的距離應(yīng)大于4～5倍管道直徑。往往這樣的要求很難在實際情況下得到滿足，因此該風(fēng)速只能作為一個刻度數(shù)據(jù)來參與控制，實際控制時僅將其用來與風(fēng)機頻率進行線性的關(guān)聯(lián)。

空氣在風(fēng)管中流動時，有兩種不同的流動狀態(tài)，即層流和紊流。在層流狀態(tài)下，風(fēng)管斷面上空氣的速度分布圖為拋物線形，管道的中心風(fēng)度最大。紊流狀態(tài)和層流狀態(tài)速度分布大致相同，靠近管壁處總會有一部分層流介質(zhì)，而其他部分為紊流，紊流狀態(tài)的最大速度也在風(fēng)管的軸心線上。紊流在采暖通風(fēng)系統(tǒng)中最為常見，在實際運行控制中，需要的不是任意點速度，而是風(fēng)管斷面上的平均速度值，而這個平均速度很難直接測量取得，需要將風(fēng)管橫斷面分成數(shù)個小面積，測出每個小面積的中心速度，采用積分運算從而得出比較接近的平均風(fēng)速，此方法在實際工程中較難實現(xiàn)。

2.2 在潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)口用畢托管來進行控制

畢托管流量計將探針插入管道中心，總壓孔對正流體的來流方向，靜壓孔對正流體的去流方向，總壓與靜壓之差即為管道中心的實測差壓，再由該探針的風(fēng)洞標定曲線擬合出該點的標準差壓，根據(jù)標準差壓來計算流體的流量[4]。動壓是氣體所具有的動能，它的表現(xiàn)是使管道內(nèi)的氣體改變流動速度。使用畢托管的總壓、靜壓測量孔，配合微壓計，可以測量出流體的靜壓、全壓和動壓，得出空氣動壓值，即可利用下列公式算出空氣的流速：

式中μ——空氣的流速（m/s）；

Pd——空氣的動壓（Pa）；

ρ——空氣的密度（kg/m3）。

計算出空氣的流速后，可以根據(jù)2.1小節(jié)中的公式計算出管道內(nèi)的風(fēng)量。

畢托管是一個彎成90o的雙層同心圓管，其開口端同內(nèi)管相通，用來測定全壓；在靠近管頭的外壁上開有一圈小孔，用來測定靜壓（如圖3所示）。標準畢托管測孔很小，易被風(fēng)道內(nèi)粉塵堵塞，因此這種畢托管只適用于測定較為潔凈的管道。畢托管測量數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后獲得的風(fēng)量數(shù)據(jù)是最接近于實際風(fēng)量的，但也存在與風(fēng)速檢測同樣的前后直段的要求。

2.3 在潔凈空調(diào)箱的出風(fēng)口用靜壓來進行控制

目前在國內(nèi)還有很多的施工供應(yīng)商，在用潔凈空調(diào)箱出口的靜壓來控制送風(fēng)量。靜壓與風(fēng)速并沒有理論上的關(guān)聯(lián)性，只有動壓才是與風(fēng)速有運算關(guān)系的。動壓的方向與流體運動方向一致；靜壓則呈四面發(fā)射，沒有方向性。

表1 空調(diào)箱送風(fēng)量控制方案比較

如果用空調(diào)箱出口的靜壓來控制，當末端的高效過濾器臟堵后，這個靜壓自然就會上升。根據(jù)伯努利方程的原理，流速快壓力低、壓強小，流速慢壓力高、壓強大，這個時候流體的流速實際上是降低的。靜壓控根據(jù)壓力的升高而進一步的降頻，從而導(dǎo)致惡性循環(huán)，影響潔凈區(qū)域送風(fēng)量，進而導(dǎo)致潔凈區(qū)域的換氣次數(shù)不夠。

更壞的情況是運行中一旦空調(diào)箱負壓段的檢修門被打開，空調(diào)箱內(nèi)的氣流速度將大幅度增加。根據(jù)伯努利方程的原理，此時空調(diào)箱出口的風(fēng)速提高，靜壓將大幅度地降低。靜壓控會根據(jù)壓力的降低而控制送風(fēng)機升頻，從而導(dǎo)致另外一個方向的惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致末端的高效過濾器被吹破。

3 幾種控制方法的比較及結(jié)論

根據(jù)以上的分析，將上述的控制方法與控制方案歸納于同一個表中進行比較，見表1。

綜上所述，利用畢托管的測量原理，根據(jù)動壓來控制潔凈室恒定的送風(fēng)量是理想的控制方式，工程前期投資稍大，但是對于控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定來說，保證潔凈系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運行是首要的前提條件。