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洁净室空调净化系统的基本构成和分类

更新时间:2019-10-29 08:13点击:


什么是空调净化系统?
空调净化系统是一个能够通过控制温度、相对湿度、空气运动与空气质量(包括新鲜空气、气体微粒和气体)来调节环境的系统的总称。空气净化系统能够降低(reduce)或升高温度、减少或增加空气湿度和水分、降低空气中颗粒烟尘污染物的含量。空气净化系统的这些功能被利用来为工作人员以及产品提供保护和舒适的环境(见图1)。
制药企业的空调净化系统相比于其他普通空调系统,它的控制要求更为严格,不仅对空气的温度、湿度和风速有严格要求,还对空气中所含尘埃粒数、特殊结构:荚膜、鞭毛、菌毛浓度等均有明确限制,同时还需控制不同等级区域间的压差,以保证内部洁净空气不被污染。
图1 空调系统运行原理图
空调净化系统通常包括空气处理单元(图2)、送回排风管路、风管附件、终端过滤装置等。实验室建设实验室布局按照安全要求合理地划分成清洁区、半污染区和污染区,采用人与物分别设置专用通道,设置必要的缓冲间,采用一次隔离和二次隔离等措施,能有效的避免交叉污染,从根本上防止危险性微生物的扩散。洁净实验室由于洁净实验室-生物安全实验室的实验对象是危险性的微生物,出于严格控制污染的原则,它要求以最少的维护人员,运用最优化的管理维护手段,来实时监控每一个实验室中设备所处的物理环境,保证实验室运行过程中始终处于相对负压环境,防止危险性微生物外泄。
空气处理单元(AHU)
空气处理单元是指具有对空气进行一种或几种处理功能的单元体。通常包含空气混合、冷却、加热、加湿、送风机、均流、过滤、消声等单元体。
图2
空气处理单元
混合段:该段在空气回流系统中很常见。回风与室外的新风在该位置进行混合,混合后的气流就称为“混合空气”,可调节回风与新风的比例,以满足洁净环境的需要。在极端天气(极冷或极热)条件下,由于回风已经经过了空气处理单元的处理,在洁净度和温湿度方面都要优于新风,这样可以大大的降低空调的运行成本。
初效段:初效段的主要功能是捕集新风中的大颗粒尘埃(大于5μm)以及各种空气悬浮物,目的在于延长中效过滤器的使用周期(lifetime)和确保机组内部和换热器表面的清洁。其结构形式有:板式、折叠式、袋式三种。
冷却段:冷却段是利用表冷器来降低新风、回风的温度和相对湿度,通常采用铜管串铝(Al)箔的结构。向表冷器中通入冷冻水,当含有大量水蒸气的热空气通过表冷器时,热空气的温度会急剧下降,从而达到降低温湿度的目的。另外表冷分一次表冷和二次表冷,一次表冷主要起除湿作用,二次表冷一般在蒸汽加热难以控制(control)的情况下起冷却控温作用。
加热段:采用内置钢管绕钢片式或铜管串铝箔式高效热交换器,内部通动力热水(或者电加热、低压蒸汽)来对空气升温加热,通过调节阀门(作用:控制部件)开启度可调节加热量(Heat)。
加湿段:在气候干燥的地区通常使用干蒸汽加湿器或电加湿来对空气进行加湿,干蒸汽加湿器由干蒸汽喷管、分离室、干燥室、调节阀(电动、气动)组成。
风机(Draught Fan)段:风机段通常设有电机、离心风机和减振底座,主要为输送的空气提供动能,由于空调机组需要的风压高达1500~1800Pa,所需风机的尺寸、电负荷往往较大。
均流段:通常设置在风机段之后,风机出风口的高速气流经均流段和导流板之后趋于平衡,能大大的提高换热和过滤效率。
中效过滤段:对大于1um的粒子能有效过滤,大多数情况下用于高效过滤器的前级保护,通常至于空调机组的末端。
消声段:对噪声要求较严的洁净室,净化机组内应设置消声段。洁净实验室由于洁净实验室-生物安全实验室内操作对象是危险性的微生物,对人体、动植物或环境具有危害,必须通过采用合理的空气调节系统,保持洁净实验室-生物安全实验室的相对负压环境无论何时都不被破坏,以保证实验室内危险性微生物不能向外部环境中扩散。常见的消声器有管式、片式和格式、折叠式、弧形声流式、共振式、膨胀式、复合式等多种。
送回排风管路以及附件
空调机组通过送风风管将处理后的空气送至各个洁净房间,再通过回风风管的连接将室内的空气送至空调机组形成一个完整的风系统。
净化风管:净化空调风管通常采用0.6mm镀锌钢板制作而成。风管制作和清洗的场地应在相对较封闭、无尘和清洁的环境中进行,同时应对镀锌钢板进行脱脂和清洁处理。风管制作完成后,应对清洁后的风管进行密封处理,避免污染。为保证合适的送风温湿度和降低能耗需要将送回排风管的外表面进行保温处理(图3所示)。
风阀:通过风阀开启量对风量(定义:单位时间内空气的流通量)进行调节控制。常见的风阀有手动风量调节阀(图4所示)、电动风量调节阀(图5所示)、变风量阀、定风量阀。
图3
净化风管
图4
手动风量调节阀(使用材料:铸铁、铸钢、不锈钢等)
图5
电动风量调节阀
终端过滤装置
终端过滤装置通常有高效静压箱、高效过滤器、散流板构成。
高效静压箱:静压箱可以把部分动压变为静压获得均匀的静压出风,提高通风系统的综合性能他,同时还可以降低噪音(图6所示)。
图6
高效静压箱
高效静过滤器(作用:过滤杂质等):一般是指对粒径大于等于0.3um粒子的捕集效率在99.97% 以上的过滤器,通常作为制药企业洁净车间的末端过滤装置,用以提供洁净的空气。按照密封方式可分为压条密封和液槽密封过滤器(图7和图8所示)。液槽密封过滤器密封性能高,通过PAO检漏测试成功率高。
图7
压条密封过滤器(作用:过滤杂质等)
图8
液槽密封过滤器
散流板:是空调送风的一个末端部件,它可以把送风气流均匀的向四周分布。常见的散流板可分为:螺旋流式散流板和平板式散流板(图9和图10所示)。
图9
螺旋式散流板
图10
平板式散流板
2 空调净化系统的分类
药品生产(Produce)的空调净化系统按照空气流的利用方式,可划分为全新风系统、一次回风系统、二次回风系统和嵌套独立空气处理单元的空调系统。
全新风系统:是指将室外新风经过处理,达到能满足洁净要求的空气送入室内,然后不回风直接将这些空气全部排出(图11所示)。该系统适用于回风不可以循环利用的情况:
产生易燃易爆气体或粉尘(形态:固体微粒)的区域
产生有剧毒,有严重危害物质的区域
有毒菌操作的区域
有交叉污染风险的区域
其它经局部排风仍不能控制(control)污染的区域
图11 全新风空调系统原理图
全新风空调系统的优点在于可以对控制(control)区域内的污染环境进行最大程度的置换或稀释,大大降低交叉污染的风险,通风管路更加简单,而缺点同样明显,那就是能源的巨大损耗,相关参数(温度、湿度)较难控制,过滤器更换频率高且需要对排气的预处理(是否需要洗涤器、灰尘收集器、过滤器等)有潜在的需求。
一次回风系统:在回风可以循环利用的情况下,将经处理的室外新风与部分从洁净室的回风混合,再经过处理送入洁净室(图12所示)。该系统具有能耗低、过滤器维护成本低、相关参数易控制等特点,缺点是:增加回风管路后夹层的风管路线较为复杂,新鲜空气供应不够充足。
图12 一次回风空调系统原理图
系统回风再次引入到空调净化系统中的接入点取决于系统回风空气的质量参数:
如系统回风空气的质量已完全符合洁净环境的要求,可将系统回风直接接入到送风风机段前端,和经过过滤处理及温度调节后的新风混合,经过终端过滤后再次进入洁净室(区)内。
如系统回风空气虽然已被轻微污染或有温度偏差,但和经处理过的新风混合,并再次经终端过滤后可达到洁净环境的要求,也可将系统回风接入到送风风机段前段。
如系统回风空气中含较大的粉尘颗粒,不经二次预过滤处理而直接利用可能会对终端过滤器造成负面影响,应将系统回风接入到新风过滤段之前和新风混合,再次预过滤后循环(continue)利用。
如系统回风空气温度已偏离洁净环境中的控制标准,经与处理过的新风混合仍不能达到洁净环境的需求,应将系统回风接入到温度处理段之前和新风混合,再次温度处理后循环(continue)利用。
二次回风空调系统:在回风可以循环利用的情况下,先将部分回风与新风混合,经过处理后再与剩余的回风混合,经处理后送入洁净室(图13所示)。这种系统形式常用于高洁净等级、工艺发热量较小的洁净室。特点是:部分接入到新风过滤段,对新风温度进行中和,从而有效降低新风处理所需的能源消耗,二次回风的利用节省(spare)了部分再热热量和部分制冷量有效降低运行成本。缺点同一次回风系统。
图13 二次回风空调系统原理图
嵌套独立空气处理单元的空调系统:为满足特殊的生产工艺需求,在适宜的部位设置独立功能的空气处理装置(图14所示)。常见独立功能的空气处理装置为:
局部洁净等级控制设备,例如:存在局部A级环境。
局部温度控制,例如:冰箱间因产热较大,需独立设置循环降温单元。
局部湿度控制,例如:粉针分装房间需控制低湿度,需独立设置除湿机。
图14嵌套局部加热单元的空调系统原理图
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