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洁净技术基础培训教材

张利群

二OO六年十月

一.空气调节和空气净化的基础知识

（一）空气调节的基本概念

1.空气调节及其分类

2.湿空气的焓湿图及其应用

湿空气的焓湿图

焓湿图中的名词定义

焓湿图的应用

焓湿图应用的举例

3.空调送回风的气流组织

（二）空气净化的基础知识

1.洁净室及其四大要素

2.洁净室的应用及其分类

3.洁净室与一般空调的差别

4.工业洁净室与生物洁净室的差别

5.洁净室洁净度的等级标准

二．洁净室的建造特点

（一）建造的洁净室必须保证生产工艺所要求的各项参数

（二）建造的洁净室要具有一定的灵活性

（三）建造洁净室需要较大的投资

（四）洁净室运行耗电量大运行费用高

三．洁净室的竣工验收调试，性能测试和洁净室的综合评价

（一）调试前的准备工作

（二）单机试车

（三）联动调试

（四）洁净室的性能测试和综合评价

四．洁净室的性能测试

（一）洁净室性能测试的目的

（二）洁净室性能测试的内容

（三）洁净室性能测试的主要仪器和仪表

（四）洁净室性能测试的方法

五．洁净室维护管理的一问题

（一）过滤器的基本知识及其维护管理

（二）洁净室的发尘源和洁净室的清埽

（三）洁净室的空气品质

（四）洁净工作服及其清洗

（五）洁净区厕所的设置

（六）值班风机的设置

（七）吹淋室的设置及吹淋效果

（八）洁净室的正压维持

（九）洁净室的消毒和灭菌

（一十）洁净室的颜色处理

（十一）洁净室的静电和静电的消除

（十二）洁净室的防火和防爆

（十三）洁净室的能耗和节能

（十四）洁净室的竣工验收调试和在线测试

（十五）净化空调系统的家湿问题

（十六）净化空调系统的管道保温和防结露问题

（十七）净化空调系统的加热问题

洁净室工程师培训教材

一.空气调节和空气净化的基础知识

（一）空气调节的基本概念

1、空气调节及其分类

空气调节就是使房间或封闭空间的温度，相对湿度，洁净度，和气流速度等参数均达到给定要求的技术。

也就是说，在人们的生活和工作以及生产和科研的某一个特定的空间内其环境空气的温度，湿度，洁净度，和气流速度等构成了该空间的空气环境。

采取必要的技术手段来创造和保持该空间内要求的空气环境就是空气调节的任务。

在空气调节系统中，空气处理设备即空调器是实现空气热，湿交换和空气过滤净化的核心部分。

一个房间或一个空间，在一般情况下除了有来自该房间内部的围护结构，人员，照明灯具及设备产生的热，湿，粒子，微生物或其他有害物的干扰外，同时还有来自房间外部的大气，太阳辐射等的干扰。

为了消除上述来自室内外的干扰，就必须采取必要的技术手段，用在空气处理设备中经热，湿和过滤处理过的空气来转移，置换，稀释和冲淡来自方方面面对房间空气的干扰，来保证房间内一定要求的空气环境。

空气调节的原例图见图一和图二。

图一空气调节原理图

图二净化空调原理图

空气调节按使用对象的不同又可划分为舒适性空气调节和工艺性空气调节。

舒适性空气调节就是为了满足人们的舒适要求而设置的空气调节。

工艺性空气调节就是为了满足生产工艺对环境空气参数的要求而设置的空气调节。

环境空气的温湿度等参数均由生产工艺来决定。

不同的生产工艺对环境空气参数的要求也不相同。

2、湿空气焓湿图及其应用

1湿空气的焓湿

湿空气就是我们生活和工作的环境空气，就是生产和科学研究的环境空气。

其主要成份是干空气和水蒸汽。

所谓干空气就是不含水蒸汽的空气，其中有78%的氮气，21%的氧气和不足1%的氩气，氖气等惰性气体和少量的二氧化碳。

在湿空气中虽然水蒸汽的含量非常少，但是它的作用却非常大。

从某种意义上说调节湿空气中水蒸汽的含量就是空气调节的重要任务之一。

湿空气的焓湿图是用来表示湿空气的温度、相对湿度、含湿量和焓值等空气状态参数及其相互关系的线算图。

是在一定的大气压力的条件下，以焓值为纵坐标含湿量为横坐标，其夹角为1350的线算图。

图中有等温度线、等相对湿度线、等含湿量线和等焓值线。

利用焓湿图可以表示空气调节处理过程中所发生的混合、加热、冷却、加湿、去湿等所有空气处理过程，并且利用焓湿图可以计算出空气处理过程中所需要的冷量、加热量、加湿量等各种用量。

焓湿图见图三。

图三湿空气的焓湿图

②焓湿图中的名词定义：

a.干球温度：

就是用干球温度计测出的空气温度。

b.湿球温度：

就是用湿球温度计测出的空气温度。

也就是说将温度计的水银球用浸水的纱

布包裹起来，所测得的稳定的空气温度。

从理论来说，湿球温度就是室内放置一盆水，水吸收空气中的热量后部分水蒸发成水蒸汽释放到空气中，增加空气的潜热，而空气失去了热量，温度降低失去了空气的显热。

当这一热湿交换达到平衡以后，空气所得的潜热（水蒸汽）和所失的显热（温度降低）达到平衡后，其空气的总热量（焓值）不变时，此时的水面空气的温度就是空气的湿球温度<即增加的潜热等于失去的显热时>。

湿球温度也就是相对湿度100%时的饱和温度。

c.相对湿度：

空气中实际的水蒸汽的分压力与同温度下饱和状态空气的水蒸汽的分压力之比。

饱和水蒸汽的分压力为100%。

d.饱和水蒸汽的分压力：

空气中的水蒸汽不断增加达到饱和时，空气中的水蒸汽就会凝结成水由空气中分离出来，此时的温度为饱和温度，其相对湿度达到100%。

e.露点温度：

是在一定大气压力的条件下，某含湿量下的未饱和空气因温度不断地降低，相对湿度不断增加，达到饱和状态空气中的水蒸汽凝结成水珠，从空气中分离出来时的温度叫露点温度。

也就是空气中的水蒸汽分压力随空气温度降低不断升高，达到饱和状态（100%）时的温度叫露点温度。

f.含湿量：

即环境空气中1公斤干空气所含有水蒸汽的质量（g）。

g.热湿比

线：

空调房间内的全热负荷与全湿负荷之比。

在电子工业产热量大、产湿量小的洁净厂房一般的热湿比8000~10000大卡/kg趋近正无穷大。

对于医院的洁净手术部的洁净手术室的热湿比大约在1800~2400大卡/kg。

因为人多，人的产湿量大，但热负荷较小。

2焓湿图的应用

在焓湿图上可以划出空气调节系统中各种空气处理的过程线，并且可以在线算图上查出各种空气处理过程的空气参数和各种所需用量。

a.等湿加热：

空气含湿量不变条件下的加热。

环境空气的干球温度升高，相对湿度降低。

如：

空气处理中用热水和蒸汽为热源的热交换器加热、电加热器的加热。

为正的无穷大过程图线。

见图四。

b.等湿降温：

空气含湿量不变条件下的降温。

环境空气的干球温度降低，相对湿度增加但并未到露点，没有水凝结出来。

如：

空气处理中的干表冷。

即送入表冷器中的冷冻水的初温高于空气露点。

此时

为负无穷大的过程线。

见图五。

图四等湿加热过程图五等湿降温过程

c.等焓加湿：

空气的焓值不变条件下的加湿。

即空气和水直接并充分地进行热交换的过程。

水吸收空气中的热量后部分水被蒸发成水蒸汽进入空气，空气失去热量温度下降。

最终达到空气失去的热量等于空气中增加的水蒸汽的含热量。

其空气的总热量（焓值）不变。

过程线是135º线，

=0，过程线见图六。

空气处理过程中淋水室（淋循环水）湿膜加湿、高压喷雾加湿、超声波加湿等加湿的过程线。

d.生温去湿：

空气的温度不断升高含湿量不断降低的过程。

固体化学去湿的过程就是生温去湿的过程。

即：

固体吸湿剂吸收空气中的水分发生化学反应放热使空气温度升高，绝对含湿量降低，相对湿度也降低。

过程线近似等焓线。

常见的分子筛、氯化锂、硅胶等固体吸湿就是生温去湿过程。

过程线见图七。

图六等焓加湿过程图七升温去湿过程

e.等温加湿：

空气干球温度不变条件下的加湿。

向空气中喷入水蒸汽的过程就是等温加湿过程。

空气的温度维持不变，直接将水蒸汽喷入空气变成空气中的水蒸汽。

空气处理中常用的喷蒸汽、喷干蒸汽电极式、电热式的加湿器。

过程线见图八。

f.降温去湿（降温干燥）：

空气的温度降低同时含湿量也减低的空气处理过程。

向空气中喷淋低于空气露点的冷冻水，或将低于空气露点的冷冻水（冷媒）通入表面冷却器，与空气接触后，使空气温度降低而且还使空气中的水蒸汽遇冷凝结成水滴从空气中分离出来，使空气的温度降低,绝对含湿量减少。

这是空气处理中最常用的降温去湿的方法，也是冷冻去湿的方法。

过程线见图九。

向空气中喷淋液体吸湿剂的处理过程也是降温去湿减焓过程，但工程中很少应用。

图八等温加湿过程图九降温去湿过程

g.升温加湿：

向空气中喷热水的处理过程，是升温加湿的过程。

在工程中很少应用。

过程线见图十。

h.空气的混合过程：

两种不同状态的空气混合时，其空气的混合状态点在两种空气状态点的连线上。

线段长度之比则为两空气质量之比。

其过程线见图十一。

图十升温加湿过程图十一混合过程

焓湿图上几种典型的空气处理过程见图十二。

湿空气状态的各种参数，如：

干球温度，湿球温度，露点温度，相对湿度，含湿量和焓值等之间都是相互关连的，只要知道其中的两，三个参数在焓湿图上就可以确定湿空气的状态点。

见图十三。

图十二典型的空气处理过程图十三空气状态点参数的确定

④焓湿图的应用举例

一个洁净室的室内参数为N，送风参数为S，热湿比为

，送风温差为

。

全新风系统。

夏季室外计算参数为Ws，冬季室外计算参数为Wd。

现需将室外空气处理到送风参数点S后，用风管送到洁净室内就能满足洁净室的温、湿度要求。

可以采取下面多种方法，对空气进行热，湿处理都能达到同一个目的。

见图十四。

图十四焓湿图上的空气处理过程

如：

夏季空调空气处理过程可以有如下途径来实现：

a.WS→L→S用表冷器或淋水室将室外空气降温去湿减焓处理后再等湿再热。

b.WS→a→S用固体化学去湿将室外空气生温去湿再干冷降温。

c.WS→S用喷淋液体吸湿剂做降温、去湿、减焓处理。

又如：

冬季空调空气处理过程可以有如下途径来实现：

a.Wd→b→L→S先用加热器对室外空气预热再等温加湿（喷蒸汽）然后用加热器再热。

b.Wd→c→L→S先用加热器对室外空气预热再等焓加湿（湿膜等）然后用加热器再热。

c.Wd→d→S先用加热器对室外空气加热再等温加湿（喷蒸汽）。

d.Wd→L→S先用喷热水对室外空气升温加湿然后再热。

S用加热器加热+部分空气进行等焓加湿（用湿膜等方法）

+再与未加湿部分空气混合

Wd→e→L1

3、空气调节的气流组织

空气调节气流组织设计的任务就是要合理地组织室内空气的气流流动，使工作区的温度，湿度，气流速度和洁净度能很好地满足生产和科学研究以及人们舒适感的要求。

气流组织不合理不仅直接影响空调房间的空调参数和空调效果，而且还要空调系统的能耗。

空调系统送风口射出空气射流是影响室内气流组织的主要因素，而空调回风口，从流体力学角度是空气的汇流，起回风速度衰减很快，与其距离的平方成反比。

因此回风口的位置对室内气流组织的影响比较小。

空气调节系统的气流组织形式主要有：

上送下回，上送下侧回，上送上回，侧上送侧下回等形式。

见图十五。

图十五空气调节的气流组织

（二）空气净化的基础知识

1．洁净室及其四大技术要素

根据生产和科研的要求对室内空气环境的洁净度、温度、相对湿度以及压力、噪声、振动、静电等参数都进行控制的房间叫洁净室或洁净厂房。

洁净室的四大技术要素就是：

粗效，中效和高效三级过滤，足够的净化送风量，室内正压的建立和维持，以及終端高效或超高效过滤器的设置。

2．洁净室的应用和分类

当今洁净室已广泛地应用在电子、航天、机械、化工、制药、食品、医疗、生物工程……各行各业。

而且，随着国民经济和科研事业的飞速发展，洁净室的应用将越来越广泛，越来越重要，

洁净室可按气流流型和使用用途以及控制的主要对象来分类。

、洁净室按气流流型来划分

1单向流（层流）洁净室，其中又分垂直单向流洁净室和水平单向流洁净室。

图十六单向流气流流型

2非单向流（乱流）洁净室

图十七非单向流气流流型

3混合流洁净室

图十八混合流气流流型

4矢流（对角流）洁净室

图十九矢流气流流型

5各种气流的特点、创造的洁净度、应用范围和投资运行费。

▲单向流气流的净化原理是活塞和挤压原理，把灰尘从一端向另一端挤压出去，用洁净气流置换污染气流。

包括有垂直单向流和水平单向流。

垂直单向流是气流以一定的速度（0.25m/s~0.5m/s）从顶棚流向地坪的气流流型。

这种气流能创造100级、10级、1级或更高洁净级别。

但其初投资很高、运行费很高，工程中尽量将其面积压缩到最小，用到必须用的部位。

水平单向流是气流以一定的速度（0.3m/s~0.5m/s）从一面墙流向对面的墙的气流流型。

该气流可创造100级的净化级别。

其初投资和运行费低于垂直单向流流型。

▲非单向流气流的净化原理是稀释原理。

一般型式为高效过滤器送风口顶部送风；回风的型式有下部回风、侧下部回风和顶部回风等。

依不同送风换气次数，实现不同的净化级别，其初投资和运行费用也不同。

▲混合流气流是将垂直单向流和非单向流两种气流组合在一起构成的气流流型。

这种气流的特点是将垂直单向流面积压缩到最小，用大面积非单向流替代大面积单向流以利节省初投资和运行费。

▲举例给出不同气流流型的送风量、耗冷量、初投资和运行耗电的具体指标见表一，此指标是以电子工业洁净厂房为代表，具体数据有参考价值，但不能随便套用。

表一不同洁净级别洁净厂房的送风量、冷量投资耗电的指标

气流流型

洁净级别

（级）

送风量

（m/s）（次/h）

耗冷指标

（W/m2）

投资指标

（元/m2）

耗电指标

（W/m2）

单向流

垂直

100

>0.25m/s

1300~1500

10000~13000

1.25~1.35

水平

100

>0.3m/s

800~1000

5000~6000

0.9~1.0

非单向流

1000

50~60次/h

600~700

2800~3000

0.25~0.33

10000

25~30次/h

500~600

2000~2200

0.22~0.26

100000

15~20次/h

350~400

1400~1600

0.13~0.16

注：

表中的送风量、单向流以断面风速表示，非单向流以换气次数表示。

表中冷量指标一般指电子工业洁净厂房。

表中的初投资包括洁净厂房的围护、冷冻供应系统、空调净化系统，不含土建结构和自动控制的投资。

表中的耗电量系指制冷系统和空调送风系统耗电，不含电加热和电加湿的耗电量。

、按使用的用途或控制的主要对象划分

①工业用洁净室：

以控制灰尘为主要对象。

用于电子、航天、机械、化工、化学制药……。

②生物洁净室：

以控制细菌（微生物）为主要对象。

用于生物制药、医疗、食品、生物工程、动物饲养、生物安全等……。

3．洁净室与一般空调的差别见表二

表二洁净室与一般空调的差别

比较项目

一般空调

净化空调

原理

送风和室内空气充分混合以达到室内温湿度均匀

乱流为稀释原理，层流为活塞原理，送出的洁净室空气先达工作区，罩笼洁净工作区

目的

为了控制温度、湿度、风速和空气成份的目的

除了一般空调的目的之外，更重要的是控制粒子的浓度

手段

粗、中效过滤加热湿交换

除空调手段外还要加高效、超高效过滤器，对微生物还要有灭菌措施

送风量

（次/h）

一般降温空调8~10次/h

一般恒温空调10~15次/h

单向流400~600次/h

非单向流15~60次/h

初投资

（元/m2）

一般降温500元/m2

一般恒温800元~1000元/m2

单向流5000~15000元/m2

非单向流1500~3000元/m2

运行耗电

（Kw/m2）

一般降温0.04~0.06Kw/m2

一般恒温0.08~0.10Kw/m2

单向流0.9~1.35Kw/m2

非单向流0.13~0.33Kw/m2

冷量指标

（W/m2）

一般降温150~200W/m2

一般恒温200~250W/m2

单向流800~1500W/m2

非单向流350~700W/m2

4．工业洁净室与生物洁净室的差别见表三

表三工业洁净室与生物洁净室的差别表

比较项目

工业洁净室

生物洁净室

研究对象

（主要）

灰尘、粒子只有一次污染。

微生物、病菌等活的粒子不断生长繁殖，会诱发二次污染（代谢物、粪便）。

控制方法

净化措施

主要是采取过滤方法。

粗、中、高三级过滤，粗、中、高、超高四级过滤和化学过滤器等。

主要是采取：

铲除微生物生长的条件，控制微生物的孳生、繁殖和切断微生物的传播途径。

过滤和灭菌等。

控制目标

控制有害粒径粒子浓度。

控制微生物的产生、繁殖和传播，同时控制其代谢物。

对生产工艺

的危害

关键部位只要一颗灰尘就能造成产品的极大危害。

有害的微生物达到一定的浓度以后才能够成危害。

对洁净室建筑

材料的要求

所有材料（墙、顶、地等）不产尘、不积尘、耐磨擦

所有材料应耐水、耐腐且不能提供微生物孳生繁殖条件。

对人和物进入

的控制

人进入要换鞋、更衣、吹淋。

物进入要清洗、擦拭。

人和物要分流，洁污要分流。

人进入要换鞋、更衣、淋浴、灭菌；物进入要擦拭、清洗、灭菌；空气送入要过滤、灭菌，人物分流，洁污分流。

检测

灰尘粒子可用粒子计数器检测瞬时粒子浓度并显示和打印。

微生物检测不能测瞬时值，须经48小时培养才能读出菌落数量。

5．洁净度的等级标准ISO-14644

ISO-14644是国际标准，现在美国、欧洲、日本、俄罗斯和我国都采用此标准，美国原来应用的是美国联邦标准209A、B、C、D、E，现在美国也不用了。

原来我们熟悉的100级、1000级、10000级和100000级都是源自美国联邦标准FS209B，现在它们分别被国际标准ISO-14644标准中的5级、6级、7级和8级所替代。

ISO-14644的洁净度等级标准列表四如下。

表四洁净室及洁净空气中悬浮粒子的洁净度等级ISO-14644

空气洁净度等级（N）

≥表中粒径的最大浓度限值（个/m3）

0.1μm

0.2μm

0.3μm

0.5μm

1μm

5μm

100

1000

237

102

10000

2370

1020

352

100000

23700

10200

3520

832

1000000

237000

102000

35200

8320

293

352000

83200

2930

3520000

832000

29300

35200000

8320000

293000

注：

①每点应至少采样3次。

②本标准不适用于表征悬浮粒子的物理、化学、放射及生命性。

③根据工艺要求可确定1~2粒径。

④根据要求粒径D的粒子最大允许浓度由下式确定（粒径0.1μm~5μm）

（个/m3）

式中N为洁净度等级在1~9级中间可以0.1为最小单位递增量插入。

国标洁净等级标准ISO-14644与各国洁净度等级标准的比较见表五。

表五国际标准ISO-14644与各国标准的比较表

国际标准

ISO-14644

中国标准

GB50073

美国标准

FS209E

俄国标准

TOCT50766

日本标准

TIS9920

德国标准

M1.5

M2.5

M3.5

M4.5

M5.5

M6.5

二．洁净室的建造特点

（一）建造投资费用高

高级别洁净室的建造费用很高，一般来说，100级垂直单向流的洁净室，其室内装修（墙、顶、地、门、窗等）和空调净化系统（包括制冷空调设备和管道配件、净化设备和配件等）的初投资大约为10000元人民币/m2；如果加上纯水制备设备和系统管道，纯气发生和系统管道，废水治理设备和管道，消防系统，供配电和自控系统，真空清扫系统等等，其单位面积的建造投资费用要高达25000~30000元人民币/m2。

就拿已投产的上海华虹NEC超大规模集成电路芯片生产线洁净室举例来说，华虹NEC为月投片30000片8"硅片集成电路前工序生产线，有洁净室面积约12000m2，其中10000m2是在中心部位，另2000m2在边跨上。

在中心部位的10000m2洁净室中有4000m2的1级、10级和100级的垂直单向流洁净室，另外6000m2分别为1000级和10000级的非单向流洁净室，总送风量约6,400,000m3/h。

于1998年底建成投产。

该项目总投资约100亿人民币，其中动力设备和土建投资为20亿人民币，占总投资的五分之一。

单核心部分的10000m2的洁净室的建造费用就高达6000万美元（约5亿人民币）（日本三机株式会社施工），折合每平方米建造费用约50000元人民币/m2。

（二）运行管理费用大

因为高级别洁净室净化风量大，新风量也大，温湿度要求严格，所以空气热湿处理和空气输配的能量消耗大，耗电多，运行费用贵。

还拿上述华虹NEC为例，其核心部分10000m2洁净室总的送风量为6,400,000m3/h，输送净化空气的风机耗电量为3840Kw/h，全年电费为1659万元（每度电按0.6元/设计），空气热湿处理的耗电量约10000Kw/h，全年电费为6000万人民币。

全年空调净化系统本身的运行费用就高达7659万元人民币。

折合每年单位面积的运行费用为7659元/m2年。

（三）灵活适应性强

因为，科学技术的发展很快，高科技的产品不断出现，尤其是电子工业的发展更是日新月异，像集成电路的发展2~3年就更新一代，TFT-LCD的发展速度更快1~2年就上一个台阶。

这就要求为其服务的高级别的洁净室必须能适应其发展速度，有极好的灵活性和适应性。

因为建造一个洁净厂房是百年大计，不是一、二年就会拆掉重建。

因此，在设计和建造洁净厂房时，就要考虑到工艺的发展、变更，就要考虑到洁净厂房的灵活性和适应性。

从一个洁净厂房的灵活适应角度，可将其分为三个层次，第一是不可变的部分。

无论怎样改都不能改变的部分。

如基础、梁、柱等结构部分；第二是可变但不容易变的部分。

如洁净室的围护、装修等；第三是可变而且容易改变的部分。

如动力、空气、水、气体溶剂的供给部分和废气、废水、废料等排放部分。

（四）安全、可靠性好

从前面

（一）、

（二）两条特点可以得出建造和使用这样的洁净室要付出何等的代价。

但是为了生产出高可靠、高质量的高科技产品也必须具备这样的生产环境。

因为，建造洁净室的目的是为使用，是为了得到高成品率合格产品。

为了达此目的，设计和建造洁净室必须把安全可靠放在第一位。

保证所建造的洁净室在洁净度、温湿度、风速、压力等所有参数必须满足生产工艺的要求，保证安全

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