潔凈室用的高效空氣過濾器性能實(shí)驗(yàn)研究
2019-07-18 16:37:49 admin
現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,對(duì)實(shí)驗(yàn)、研究和生產(chǎn)的環(huán)境提出的要求越來越高,實(shí)現(xiàn)這一要求的主要途徑是在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用空氣過濾器。其中高效(HEPA)和超高效(ULPA)過濾器是塵粒進(jìn)入潔凈室的最后一道防護(hù),它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到潔凈室等級(jí),進(jìn)而影響工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量。因此對(duì)過濾器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是很有意義的。在不同的風(fēng)速下,通過測定玻璃纖維過濾器和PTFE過濾器對(duì)0. 3μm、0. 5μm、1. 0μmP.A.O粒子的過濾效率,比較兩種過濾器的阻力性能、過濾性能。結(jié)果表明,風(fēng)速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風(fēng)速越高過濾效率越低,對(duì)PTFE過濾器而言這種影響更明顯。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對(duì)室內(nèi)空氣潔凈度的要求越來越高,特別是微電子、醫(yī)療、化工、生物、食品加工等行業(yè)都要求有微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性的室內(nèi)環(huán)境,這就對(duì)高效空氣過濾器的性能提出越來越高的要求,因此如何制造出滿足消費(fèi)者需求的高效過濾器也成為廠家迫切需要解決的問題之一[1-2]。眾所周知,過濾器的阻力性能和過濾效率是評(píng)價(jià)過濾器的兩個(gè)重要指標(biāo),本文就是試圖通過實(shí)驗(yàn)來分析不同過濾材料高效空氣過濾器的過濾性能和阻力性能[3],以及相同過濾材料不同結(jié)構(gòu)的過濾器的過濾性能和阻力性能,從而為過濾器生產(chǎn)廠家提供理論依據(jù)。
1 測試方法分析
高效空氣過濾器的檢測方法很多,不同國家有不同標(biāo)準(zhǔn)。1956年美國軍事委員會(huì)制定了高效空氣過濾器檢測標(biāo)準(zhǔn)USMIL-STD282,效率檢測用DOP法。1965年英國制定了英國標(biāo)準(zhǔn)BS3928,效率檢測用鈉焰法。1973年歐洲通風(fēng)協(xié)會(huì)制定了Eurovent4/4標(biāo)準(zhǔn),沿用了鈉焰檢測法。后來美國環(huán)境檢測過濾器效率科學(xué)學(xué)會(huì)編制了一系列推薦檢測方法的類似標(biāo)準(zhǔn),均采用DOP計(jì)徑計(jì)數(shù)法。歐洲在1999年制定了BSEN1822標(biāo)準(zhǔn),采用最易透過粒徑(MPPS)檢測過濾效率[4]。我國檢測標(biāo)準(zhǔn)采用鈉焰法,本實(shí)驗(yàn)采用的高效空氣過濾器性能檢測系統(tǒng)是基于美國52. 2標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計(jì)的。檢測方法使用計(jì)徑計(jì)數(shù)法,氣溶膠采用P.A.O粒子。
1. 1 主要儀器
本實(shí)驗(yàn)采用了兩臺(tái)粒子計(jì)數(shù)器,粒子計(jì)數(shù)器與其它粒子濃度測試設(shè)備相比,具有簡單、方便、快捷和直觀的優(yōu)點(diǎn)[5]。粒子計(jì)數(shù)器的上述優(yōu)點(diǎn)使其逐漸取代了其它方法,成為粒子濃度的主要測試手段。它們既能統(tǒng)計(jì)粒子數(shù)量又能統(tǒng)計(jì)粒徑分布(即計(jì)徑計(jì)數(shù)),是本實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備。采樣流量為28. 6LPM,其無碳真空泵具有噪聲低,性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。如果安裝選件,可對(duì)溫濕度以及風(fēng)速進(jìn)行測量,并可進(jìn)行過濾器檢測。
本檢測系統(tǒng)采用氣溶膠采用P.A.O粒子作為待過濾粉塵。我們采用美國生產(chǎn)的型號(hào)是TDA-5B的氣溶膠發(fā)生器(Aerosol generations)發(fā)塵。發(fā)生范圍500 - 65000cfm (1cfm = 28.6LPM),發(fā)生濃度100μg/L, 6500cfm; 10μg/L,65000cfm。
1. 2 潔凈室
為了提高實(shí)驗(yàn)的精度,根據(jù)美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209C設(shè)計(jì)裝修了10000級(jí)實(shí)驗(yàn)室,采用涂料地面,其特點(diǎn)是具有水磨石優(yōu)點(diǎn),耐磨,密封性好,有彈性,施工復(fù)雜。材料是環(huán)氧樹脂漆,墻面采用裝配式潔凈室壁板。室內(nèi)設(shè)有220v, 2×40w凈化燈具6盞并且根據(jù)照度的要求和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行布置。潔凈室有4個(gè)頂送風(fēng)口和4個(gè)回風(fēng)口,風(fēng)淋室設(shè)計(jì)為單人普通型觸摸控制,風(fēng)淋時(shí)間為0-100s,任意可調(diào)循環(huán)風(fēng)量噴嘴風(fēng)速大于等于20m/s。因潔凈室面積<50m2,人員<5人,因此給該潔凈室設(shè)了一個(gè)安全出口。選用的高效過濾器是GB01×4,風(fēng)量1000m3/h,過濾效率大于等于0.5μm、99. 995%。
1 . 3 實(shí)驗(yàn)樣品
玻璃纖維過濾器的型號(hào)分別為:規(guī)格610(L)×610(H)×150(W)mm,擋板型,有75個(gè)褶皺,規(guī)格610(L)×610(H)×90(W)mm,有200個(gè)褶皺, PTFE過濾器的規(guī)格480(L)×480(H)×70(W)mm,無擋板型,有100個(gè)褶皺。
2 基本原理
試驗(yàn)臺(tái)的基本原理是由風(fēng)機(jī)鼓入空氣,由于在HEPA/UEPA前面也裝有高效空氣過濾器,所以可以認(rèn)為空氣在到達(dá)測試的HEPA/UEPA前已成為潔凈的空氣,這時(shí)使用氣溶膠發(fā)生器向管道中發(fā)出P.A.O粒子,形成理想濃度的含塵氣體并使用激光粒子計(jì)數(shù)器測定顆粒濃度。然后含塵氣體流過測試的HEPA/UEPA,同樣使用激光粒子計(jì)數(shù)器測定經(jīng)HEPA/UEPA過濾后的空氣中的含塵濃度,對(duì)比過濾器前后空氣的含塵濃度,據(jù)此可以測定HEPA/UEPA的過濾性能。而且在過濾器前后分別打有采樣孔,通過這里用傾斜微壓計(jì)來測試每一風(fēng)速下的阻力大小。
3 過濾器阻力性能比較
HEPA的阻力特性是HEPA重要的特性之一,在滿足人們需求的效率前提下,阻力特性關(guān)系到使用的成本,阻力小時(shí),耗能少,節(jié)約了成本.因此過濾器的阻力性能成為人們關(guān)注的重要指標(biāo)之一。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù),得出玻纖的兩種不同結(jié)構(gòu)過濾器以及PTFE過濾器的平均風(fēng)速與過濾器壓差的關(guān)系,其關(guān)系見圖2:
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著風(fēng)速的增加,過濾器的阻力均由由低向高線性遞增,而且玻璃纖維兩個(gè)過濾器得出的兩條直線基本重合。容易看出,當(dāng)過濾風(fēng)速為1m/s時(shí),玻纖過濾器的阻力大概為PTFE過濾器的四倍。
已知過濾器的面積,可以得出面速與過濾器壓差的關(guān)系:
由于兩種過濾器濾紙不同兩種玻纖過濾器的面速與過濾器壓差的關(guān)系并不是完全一致的,而且相同面速下規(guī)格610×610×90mm的過濾器的阻力高于規(guī)格610×610×150mm過濾器的阻力。但是很顯然相同面速下,玻纖濾料的阻力高于PTFE的阻力。說明在阻力性能方面, PTFE優(yōu)于玻纖濾料。為了更進(jìn)一步了解玻纖濾料與PTFE阻力方面的特性,又進(jìn)一步做了實(shí)驗(yàn)。直接研究兩種濾紙的阻力隨過濾風(fēng)速變化的情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示:
4 過濾器過濾性能比較
根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,可以測得過濾器對(duì)粒徑為0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同風(fēng)速下的過濾效率,得到以下圖表：
很顯然,這兩個(gè)玻纖過濾器在不同風(fēng)速下對(duì)1.0μm粒子的過濾效率都為100%,對(duì)0. 3μm、05μm粒子的過濾效率隨風(fēng)速的增大都有降低的趨勢,亦可以看出過濾器對(duì)大顆粒的過濾效率高于對(duì)小顆粒的過濾效率,而且規(guī)格610×610×150mm過濾器的過濾性能優(yōu)于規(guī)格610×610×90mm的過濾器。
用相同的方法,得到規(guī)格480×480×70mm的PTFE過濾器的過濾效率隨風(fēng)速變化的關(guān)系的圖表:
比較圖表5和圖表6,對(duì)0. 3μm, 0. 5μm粒子玻纖過濾器的過濾效果更好一些,特別是對(duì)于0.3μm的粉塵對(duì)比效果更明顯。三者對(duì)1μm粒子的過濾效果都為100%。
為了更直觀的對(duì)比玻纖濾料與PTFE濾料的過濾性能,直接對(duì)兩種濾紙進(jìn)行了過濾性能測試,得到以下圖表:
上面的圖表是通過測定PTFE和玻璃纖維兩種濾紙對(duì)0. 3μm的粒子在不同風(fēng)速下的過濾效果而得到的[7-8]。很明顯,PTFE濾紙的過濾效率低于玻璃纖維濾紙的過濾效率。綜合考慮濾料的阻力性能和過濾性能,容易看出PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過濾器。
5 結(jié)語
通過比較PTFE過濾器與玻璃纖維過濾器的阻力性能和過濾性能,探討不同過濾器應(yīng)用的前景。從實(shí)驗(yàn)中我們可以得出這樣的結(jié)論,風(fēng)速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風(fēng)速越高過濾效率越低,對(duì)PTFE過濾器而言這種影響更明顯,而且整體而言PTFE過濾器的過濾效果比玻纖過濾器的效過濾效果差些但其阻力比玻纖過濾器低,所以PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過濾器。本實(shí)驗(yàn)中所選用的規(guī)格610×610×150mm的玻纖高效過濾器阻力比規(guī)格610×610×90mm的玻纖高效過濾器低,過濾性能比610×610×90mm的玻纖高效過濾器好。目前純PTFE過濾材料的價(jià)格比玻璃纖維要高一些,但PTFE與玻璃纖維相比,其耐溫性、耐腐蝕性和水解勝則好于玻纖,因此生產(chǎn)過濾器時(shí)要綜合考慮各種因素兼顧技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對(duì)室內(nèi)空氣潔凈度的要求越來越高,特別是微電子、醫(yī)療、化工、生物、食品加工等行業(yè)都要求有微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性的室內(nèi)環(huán)境,這就對(duì)高效空氣過濾器的性能提出越來越高的要求,因此如何制造出滿足消費(fèi)者需求的高效過濾器也成為廠家迫切需要解決的問題之一[1-2]。眾所周知,過濾器的阻力性能和過濾效率是評(píng)價(jià)過濾器的兩個(gè)重要指標(biāo),本文就是試圖通過實(shí)驗(yàn)來分析不同過濾材料高效空氣過濾器的過濾性能和阻力性能[3],以及相同過濾材料不同結(jié)構(gòu)的過濾器的過濾性能和阻力性能,從而為過濾器生產(chǎn)廠家提供理論依據(jù)。
1 測試方法分析
高效空氣過濾器的檢測方法很多,不同國家有不同標(biāo)準(zhǔn)。1956年美國軍事委員會(huì)制定了高效空氣過濾器檢測標(biāo)準(zhǔn)USMIL-STD282,效率檢測用DOP法。1965年英國制定了英國標(biāo)準(zhǔn)BS3928,效率檢測用鈉焰法。1973年歐洲通風(fēng)協(xié)會(huì)制定了Eurovent4/4標(biāo)準(zhǔn),沿用了鈉焰檢測法。后來美國環(huán)境檢測過濾器效率科學(xué)學(xué)會(huì)編制了一系列推薦檢測方法的類似標(biāo)準(zhǔn),均采用DOP計(jì)徑計(jì)數(shù)法。歐洲在1999年制定了BSEN1822標(biāo)準(zhǔn),采用最易透過粒徑(MPPS)檢測過濾效率[4]。我國檢測標(biāo)準(zhǔn)采用鈉焰法,本實(shí)驗(yàn)采用的高效空氣過濾器性能檢測系統(tǒng)是基于美國52. 2標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)設(shè)計(jì)的。檢測方法使用計(jì)徑計(jì)數(shù)法,氣溶膠采用P.A.O粒子。
1. 1 主要儀器
本實(shí)驗(yàn)采用了兩臺(tái)粒子計(jì)數(shù)器,粒子計(jì)數(shù)器與其它粒子濃度測試設(shè)備相比,具有簡單、方便、快捷和直觀的優(yōu)點(diǎn)[5]。粒子計(jì)數(shù)器的上述優(yōu)點(diǎn)使其逐漸取代了其它方法,成為粒子濃度的主要測試手段。它們既能統(tǒng)計(jì)粒子數(shù)量又能統(tǒng)計(jì)粒徑分布(即計(jì)徑計(jì)數(shù)),是本實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備。采樣流量為28. 6LPM,其無碳真空泵具有噪聲低,性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。如果安裝選件,可對(duì)溫濕度以及風(fēng)速進(jìn)行測量,并可進(jìn)行過濾器檢測。
本檢測系統(tǒng)采用氣溶膠采用P.A.O粒子作為待過濾粉塵。我們采用美國生產(chǎn)的型號(hào)是TDA-5B的氣溶膠發(fā)生器(Aerosol generations)發(fā)塵。發(fā)生范圍500 - 65000cfm (1cfm = 28.6LPM),發(fā)生濃度100μg/L, 6500cfm; 10μg/L,65000cfm。
1. 2 潔凈室
為了提高實(shí)驗(yàn)的精度,根據(jù)美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209C設(shè)計(jì)裝修了10000級(jí)實(shí)驗(yàn)室,采用涂料地面,其特點(diǎn)是具有水磨石優(yōu)點(diǎn),耐磨,密封性好,有彈性,施工復(fù)雜。材料是環(huán)氧樹脂漆,墻面采用裝配式潔凈室壁板。室內(nèi)設(shè)有220v, 2×40w凈化燈具6盞并且根據(jù)照度的要求和現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行布置。潔凈室有4個(gè)頂送風(fēng)口和4個(gè)回風(fēng)口,風(fēng)淋室設(shè)計(jì)為單人普通型觸摸控制,風(fēng)淋時(shí)間為0-100s,任意可調(diào)循環(huán)風(fēng)量噴嘴風(fēng)速大于等于20m/s。因潔凈室面積<50m2,人員<5人,因此給該潔凈室設(shè)了一個(gè)安全出口。選用的高效過濾器是GB01×4,風(fēng)量1000m3/h,過濾效率大于等于0.5μm、99. 995%。
1 . 3 實(shí)驗(yàn)樣品
玻璃纖維過濾器的型號(hào)分別為:規(guī)格610(L)×610(H)×150(W)mm,擋板型,有75個(gè)褶皺,規(guī)格610(L)×610(H)×90(W)mm,有200個(gè)褶皺, PTFE過濾器的規(guī)格480(L)×480(H)×70(W)mm,無擋板型,有100個(gè)褶皺。
2 基本原理
試驗(yàn)臺(tái)的基本原理是由風(fēng)機(jī)鼓入空氣,由于在HEPA/UEPA前面也裝有高效空氣過濾器,所以可以認(rèn)為空氣在到達(dá)測試的HEPA/UEPA前已成為潔凈的空氣,這時(shí)使用氣溶膠發(fā)生器向管道中發(fā)出P.A.O粒子,形成理想濃度的含塵氣體并使用激光粒子計(jì)數(shù)器測定顆粒濃度。然后含塵氣體流過測試的HEPA/UEPA,同樣使用激光粒子計(jì)數(shù)器測定經(jīng)HEPA/UEPA過濾后的空氣中的含塵濃度,對(duì)比過濾器前后空氣的含塵濃度,據(jù)此可以測定HEPA/UEPA的過濾性能。而且在過濾器前后分別打有采樣孔,通過這里用傾斜微壓計(jì)來測試每一風(fēng)速下的阻力大小。
3 過濾器阻力性能比較
HEPA的阻力特性是HEPA重要的特性之一,在滿足人們需求的效率前提下,阻力特性關(guān)系到使用的成本,阻力小時(shí),耗能少,節(jié)約了成本.因此過濾器的阻力性能成為人們關(guān)注的重要指標(biāo)之一。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù),得出玻纖的兩種不同結(jié)構(gòu)過濾器以及PTFE過濾器的平均風(fēng)速與過濾器壓差的關(guān)系,其關(guān)系見圖2:
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著風(fēng)速的增加,過濾器的阻力均由由低向高線性遞增,而且玻璃纖維兩個(gè)過濾器得出的兩條直線基本重合。容易看出,當(dāng)過濾風(fēng)速為1m/s時(shí),玻纖過濾器的阻力大概為PTFE過濾器的四倍。
已知過濾器的面積,可以得出面速與過濾器壓差的關(guān)系:
由于兩種過濾器濾紙不同兩種玻纖過濾器的面速與過濾器壓差的關(guān)系并不是完全一致的,而且相同面速下規(guī)格610×610×90mm的過濾器的阻力高于規(guī)格610×610×150mm過濾器的阻力。但是很顯然相同面速下,玻纖濾料的阻力高于PTFE的阻力。說明在阻力性能方面, PTFE優(yōu)于玻纖濾料。為了更進(jìn)一步了解玻纖濾料與PTFE阻力方面的特性,又進(jìn)一步做了實(shí)驗(yàn)。直接研究兩種濾紙的阻力隨過濾風(fēng)速變化的情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示:
4 過濾器過濾性能比較
根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,可以測得過濾器對(duì)粒徑為0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同風(fēng)速下的過濾效率,得到以下圖表：
很顯然,這兩個(gè)玻纖過濾器在不同風(fēng)速下對(duì)1.0μm粒子的過濾效率都為100%,對(duì)0. 3μm、05μm粒子的過濾效率隨風(fēng)速的增大都有降低的趨勢,亦可以看出過濾器對(duì)大顆粒的過濾效率高于對(duì)小顆粒的過濾效率,而且規(guī)格610×610×150mm過濾器的過濾性能優(yōu)于規(guī)格610×610×90mm的過濾器。
用相同的方法,得到規(guī)格480×480×70mm的PTFE過濾器的過濾效率隨風(fēng)速變化的關(guān)系的圖表:
比較圖表5和圖表6,對(duì)0. 3μm, 0. 5μm粒子玻纖過濾器的過濾效果更好一些,特別是對(duì)于0.3μm的粉塵對(duì)比效果更明顯。三者對(duì)1μm粒子的過濾效果都為100%。
為了更直觀的對(duì)比玻纖濾料與PTFE濾料的過濾性能,直接對(duì)兩種濾紙進(jìn)行了過濾性能測試,得到以下圖表:
上面的圖表是通過測定PTFE和玻璃纖維兩種濾紙對(duì)0. 3μm的粒子在不同風(fēng)速下的過濾效果而得到的[7-8]。很明顯,PTFE濾紙的過濾效率低于玻璃纖維濾紙的過濾效率。綜合考慮濾料的阻力性能和過濾性能,容易看出PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過濾器。
5 結(jié)語
通過比較PTFE過濾器與玻璃纖維過濾器的阻力性能和過濾性能,探討不同過濾器應(yīng)用的前景。從實(shí)驗(yàn)中我們可以得出這樣的結(jié)論,風(fēng)速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風(fēng)速越高過濾效率越低,對(duì)PTFE過濾器而言這種影響更明顯,而且整體而言PTFE過濾器的過濾效果比玻纖過濾器的效過濾效果差些但其阻力比玻纖過濾器低,所以PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過濾器。本實(shí)驗(yàn)中所選用的規(guī)格610×610×150mm的玻纖高效過濾器阻力比規(guī)格610×610×90mm的玻纖高效過濾器低,過濾性能比610×610×90mm的玻纖高效過濾器好。目前純PTFE過濾材料的價(jià)格比玻璃纖維要高一些,但PTFE與玻璃纖維相比,其耐溫性、耐腐蝕性和水解勝則好于玻纖,因此生產(chǎn)過濾器時(shí)要綜合考慮各種因素兼顧技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性能。
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