气锁间的设计方法及优化研究

摘 要：气锁间在市面上有各种方式实现气锁功能，总体来说按其气流方向和压力可分为：正压气锁、负压气锁、梯度气锁三种类型。其中梯度式气锁是应用较为广泛的形式，它用于不同洁净等级区域之间的气体阻断隔离，但不能阻止高洁净等级区的含有我们生产产品的空气向外扩散，也不能阻止低洁净区的含尘含菌的气体向高洁净等级区域渗透。我们暂把一个相对稳定区域内含有一定微粒的气体命名为区域含微气。本文就气锁间的设计方法以及如何阻止或减少不同的区域含微气之间的相互置换扩散而进行了一些措施和方法的探索。

关键词：气锁间;洁净度;区域含微气;充气密封;自净

在洁净厂房或者无尘车间中广泛使用的气锁间，其目的是为保持洁净室内的空气洁净度或者压差梯度而设置的缓冲室。一般设置在洁净空间的出入口位置，或洁净区与非洁净区之间的缓冲带。他带有两扇不能同时开启的门，隔断两个不同洁净环境的空气，防止交叉污染，保持两个区域之间的压力梯度，为人们提供一个进出空间及穿/脱工作服的场地。气锁间一般都是一个较小的空间，其具备较高的换气率，因而能快速从较高的含尘浓度氛围中恢复。

目前常用的气锁间做法与现在洁净室做法基本相同，只起到普通的缓冲作用，当人员或物料进入无菌室时，部分细菌、微生物就会不可避免的被携带进入到无菌室内，不能达到无菌室的無菌要求。随着制药事业的发展，医药洁净室对制药过程中细菌、微生物的控制要求越来越严格，传统的气锁间做法已无法满足更高洁净等级需求。在此我们做一个气锁间的新型设计计算：

一、基本设计资料

送风温度：夏季18℃+5，相对湿度55%;冬季27℃-5，相对湿度55%。大气压力：1.01*105pa;空气密度：1.205kg/m?。室体外形尺寸：2100*2400*2700。电源：AC380V，三相五线制。

二、主要性能指标：

室内温度：18～26℃，湿度45～65%;室内洁净度达到动态万级，静态千级或百级标准;具有室内压差控制功能;臭氧消毒功能，臭氧浓度10分钟达到50ppm;门互锁功能; 人机交互功能;故障报警功能;照度大于300lux;噪音小于65db;臭氧浓度及差压在线监测功能。

三、设计计算

本计算主要针对主要性能参数进行校核，外购件及标准件等严格按照国家相关标准执行，故不再另行计算。

（一）送回风压力及内循环风机选型计算

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。静压箱局部阻力核算：静压箱压力损失主要为气体碰撞静压箱壁的压力损失，过程较为复杂，暂不做具体详细分析。压力损失ΔH1=50pa计算。送风孔板局部阻力核算：孔板的开孔率a=50%。查表得孔板局部阻力系数得：ζ=2.3，V=0.58m/s，故：ΔH1=ζV?ρ/2=1.5pa。工作区域送风压力损失核算： 其中a=2m，b=1.5m;风道当量直径：DV=2ab/（a+b）=1.68m;V=0.475m/s，k=0.18，查通风管道单位长度摩擦阻力图得：Rm=0.1pa/m故：此段压力损失可忽略不计。回风孔板局部阻力核算：孔板的开孔率a=40%;查表得孔板局部阻力系数得ζ=7.8，计算截面风速V=Q/S，代入数据得V=2.3m/s，ΔH2=ζV?ρ/2=24pa。回风通道沿程压力损失核算：风道的流速的当量直径：DV=2ab/（a+b）=0.85，K=1.8，V=1.38m/s，查表得：Rm=0.2pa/m则ΔH3=0.2*2.5=0.5pa;其他局部未计算阻力合计50pa（两个等量弯头），则送回风过程中压力损失为Z=500+50+1.5+24+0.5+50=706pa。内循环风机选型：工作区域保证A～B级，保证截面风速0.36～0.475m/s，风量5000m?/h，全压700pa，故采用两台DDF3.15B风机，工况点风量2500m?/h，全压689pa;并联后两风机风压查表约为650pa;洁净送风风压的计算

其压力分布如图例1所示：（按终阻力计算）其中P1为送风压力;P2为排风压力;P3为回风压力。

分析：A： 内循环风机开启，同时送入洁净风;内循环风机口处于最大背压时为：初中高效为其初阻力，最大背压为：P3=700-120-50-5-25-50-150=300pa>150+50+25，初中效终阻力：P4=240+100=340pa。模型：内循环风机口及洁净风口为进风口，高效过滤器端为泄压端，当P1 >340pa（克服循环风机背压，另外一种情况为克服初中效终阻力;P2>250pa（洁净风压力能大于中效终阻力即风能穿透泄压端）时系统循环成立。B：仅送洁净风时，不开内循环风机：P2+P1>700pa且P1>250pa系统循环成立。

综上系统送风风压为300pa，排风风压为500pa，回风口风压为350pa。

（二）消除余热余湿风量计算

环境条件：室内主要器件：风机2台，功率1.5Kw;臭氧机1台650w，灯管一支21w。电机工况点（风量3000m?/h，全压700pa）时电机功率0.949Kw，此时变频器调频>15hz（风机按正常温升计算）。

湿负荷的计算：余湿量：设此过程中仅有一人工作，查表得散湿量：w=184g/h人，即0.05g/s人。

冷负荷的计算：A：人+两台循环风机运行+灯，人的全热为：156kcal.h，此时有：余热：Q=1.5Kw*（0.8*0.5*0.37）*1000*/0.63+21w+181w=571.43w。B：臭氧机+两台循环风机运行+灯，此时有：余热：Q=1.5Kw*（0.8*0.5*0.6）*1000/0.63+21w+150w=546w。室内设计参数：干球温度26℃，相对湿度45%，则N（50.296KJ/kg，9.429g/kg）（hN.dN）冬季送风：干球温度27℃-5，相对湿度55%夏季送风：干球温度18℃+5，相对湿度55%。作图法：ε=571.43/0.05=11428.6KJ/kg，过N点做ε线，取温差为Δt=5℃（此处送风温差与洁净室的送风精度相关，且与洁净室极值温差相关）得到送风点O（作图得热值比能曲线图图2）。故夏季送风量为264.5m?/h（理解为送风口风量+差压风量，取整值300 m?/h），状态点O：温度21℃，相对湿度57.79%。因气锁室周围都为洁净室，参考其夏季送风状态点，考虑维护结构的冷负荷则：气锁室内夏季的气温将小于26度。若冬夏送风量相同，冬季送风状态点为取值范围：干球温度27℃-5，相对湿度55%，故冬季送风状态略显不足，气锁室内将略有温升。

差压送风量的计算：设房间的相对压差为10～15pa，房间缝隙渗透风量：Q=3600F1*E1m?/h。其中：E1为流量因数;推荐值0.3～0.5，F1为缝隙面积;ρ空气密度，KL/m?;ΔP=室内外压差（此值按15pa计算），Pa;气锁室中的缝隙主要为门缝及扫门条与地面的缝隙：F1=2*0.001*4+2*0.003*1=0.014㎡估算其他缝隙面积：0.006㎡，得：F1=0.02㎡ ，综上得：故差压送风量为Q=115m?。

（三）送回风量的确定

房间按照静态百级或千级设计，参照规范其换气次数为：不小于20次/h，系统自净风量为：20*10=200m?/h<300?/h。綜上系统在处于相对正压（15pa）（即洁净室状态）时送风量为：300m?/h，排风量185m?/h。系统在处于相对负压（15pa）（臭氧消毒）时送风量为：300m?/h，排风量415m?/h。

（四）臭氧机的选型计算

要求：在10min内臭氧浓度达到50ppm。其中L房间泄露量及压差风量之和，V为房间体积，X为臭氧机产量，由已知可得室内臭氧浓度随时间变化的微分方程xdσ-Lydσ-Vy*（1/2） dσ/T=Vdy。由于制臭氧过程中要求的时间很短约10min，为计算方便，暂不考虑臭氧在10min内的衰减量：故所求微分方程变为：xdσ-Lydσ= Vdy解此微分方程得：L=X/（y2-y0）-V（y2- y1）/（ y2- y0）t，将y2=50，y0=0，y1=0，L=650，V=10m?，t=10min带入得：X=（L+60）*0.1L/h，令L=300m?/h，则X=36g/h，功率约800w。

其余照度、风阀执行器及变送器选型、臭氧机置换时间风量确定暂不作赘述。

基于上述计算，基本可以确定气锁间的一些主要技术参数，但是我们可以对结构做一些具体的优化设计。在实际生产中，我们为了尽量减小两个区域含微气的互通量，首先我们要分析区域含微气之间的相互置换是因何引起的，在相邻两个区域之间必然存在通道，这个通道中的门以及门板与门框之间的缝隙是最主要的气体流道，其次区域含微气中本身所含的粒子数量也是影响置换扩散的关键因素之一。

气锁间所对应的两个区域的通道门必须处于互锁状态不能同时打开，在低洁净区或污染受控区的所有通道均应始终保持在关闭状态，这是保证的必须前提。因为两个区域一般情况下是有压差梯度的，若面积为2㎡区域的某个通道门处于打开状态，则区域含微气的流量可达约3500m?/h;若通道门处于关闭状态，则会有300m?/h空气通过该门的缝隙渗出，虽然这一数值已经大大降低，但是依然具有潜在的风险。选用一种中空的密封条镶嵌于门板特制的凹槽内，当门被机械锁或者电磁锁锁紧贴合于门框上时，往中空的密封条内充入压缩气体，让气体气压保持在0.2bar左右，此时中空密封条被气体膨胀，微小缝隙被密封条完全堵住，让气锁间内与洁净区域之间的区域含微气的相互渗透达到了极小。另外适当的提高循环风机的风量选择，让其将气锁间能的气体置换次数增加，也可以提高气锁间内的洁净度。

参考文献：

[1] GB50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范〔S〕.

[2] GB50457-2008 医药工业洁净厂房设计规范〔S〕.

作者简介：

唐俊（1983-08）男，汉，大学本科，职称：工程师，研究方向：洁净工程技术，产品开发。

（四川川净洁净技术股份有限公司，四川 成都610000）