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高效空气过滤器性能实验研究
文章来源:http://www.songfengkou.com/  2012年08月04日  点击数:3054
        摘 要:现代工业的发展,对实验、研究和生产的环境提出的要求越来越高,实现这一要求的主要途径是在洁净空调系统中广泛使用空气过滤器。其中高效(HEPA)和超高效(ULPA)过滤器是尘粒进入洁净室的最后一道防护,它的性能优劣直接关系到洁净室等级,进而影响工艺过程和产品质量。因此对过滤器进行实验研究是很有意义的。在不同的风速下,通过测定玻璃纤维过滤器和PTFE过滤器对0. 3μm、0. 5μm、1. 0μmP.A.O粒子的过滤效率,比较两种过滤器的阻力性能、过滤性能。结果表明,风速是影响高效空气过滤器过滤效果的很重要的因素,风速越高过滤效率越低,对PTFE过滤器而言这种影响更明显。
         随着科学技术的不断发展现代工业产品的生产和现代化科学实验活动对室内空气洁净度的要求越来越高,特别是微电子、医疗、化工、生物、食品加工等行业都要求有微型化、精密化、高纯度、高质量和高可靠性的室内环境,这就对高效空气过滤器的性能提出越来越高的要求,因此如何制造出满足消费者需求的高效过滤器也成为厂家迫切需要解决的问题之一[1-2]。众所周知,过滤器的阻力性能和过滤效率是评价过滤器的两个重要指标,本文就是试图通过实验来分析不同过滤材料高效空气过滤器的过滤性能和阻力性能[3],以及相同过滤材料不同结构的过滤器的过滤性能和阻力性能,从而为过滤器生产厂家提供理论依据。
    1 测试方法分析
    高效空气过滤器的检测方法很多,不同国家有不同标准。1956年美国军事委员会制定了高效空气过滤器检测标准USMIL-STD282,效率检测用DOP法。1965年英国制定了英国标准BS3928,效率检测用钠焰法。1973年欧洲通风协会制定了Eurovent4/4标准,沿用了钠焰检测法。后来美国环境检测过滤器效率科学学会编制了一系列推荐检测方法的类似标准,均采用DOP计径计数法。欧洲在1999年制定了BSEN1822标准,采用最易透过粒径(MPPS)检测过滤效率[4]。我国检测标准采用钠焰法,本实验采用的高效空气过滤器性能检测系统是基于美国52. 2标准开发设计的。检测方法使用计径计数法,气溶胶采用P.A.O粒子。
    1. 1 主要仪器
    本实验采用了两台粒子计数器,粒子计数器与其它粒子浓度测试设备相比,具有简单、方便、快捷和直观的优点[5]。粒子计数器的上述优点使其逐渐取代了其它方法,成为粒子浓度的主要测试手段。它们既能统计粒子数量又能统计粒径分布(即计径计数),是本实验的核心设备。采样流量为28. 6LPM,其无碳真空泵具有噪声低,性能稳定的特点。如果安装选件,可对温湿度以及风速进行测量,并可进行过滤器检测。
    本检测系统采用气溶胶采用P.A.O粒子作为待过滤粉尘。我们采用美国生产的型号是TDA-5B的气溶胶发生器(Aerosol generations)发尘。发生范围500 - 65000cfm (1cfm = 28.6LPM),发生浓度100μg/L, 6500cfm; 10μg/L,65000cfm。
    1. 2 洁净室
    为了提高实验的精度,根据美国联邦标准209C设计装修了10000级实验室,采用涂料地面,其特点是具有水磨石优点,耐磨,密封性好,有弹性,施工复杂。材料是环氧树脂漆,墙面采用装配式洁净室壁板。室内设有220v, 2×40w净化灯具6盏并且根据照度的要求和现场设备进行布置。洁净室有4个顶送风口和4个回风口,风淋室设计为单人普通型触摸控制,风淋时间为0-100s,任意可调循环风量喷嘴风速大于等于20m/s。因洁净室面积<50m2,人员<5人,因此给该洁净室设了一个安全出口。选用的高效过滤器是GB01×4,风量1000m3/h,过滤效率大于等于0.5μm、99. 995%。
    1 . 3 实验样品
    玻璃纤维过滤器的型号分别为:规格610(L)×610(H)×150(W)mm,挡板型,有75个褶皱,规格610(L)×610(H)×90(W)mm,有200个褶皱, PTFE过滤器的规格480(L)×480(H)×70(W)mm,无挡板型,有100个褶皱。
    2 基本原理
    试验台的基本原理是由风机鼓入空气,由于在HEPA/UEPA前面也装有高效空气过滤器,所以可以认为空气在到达测试的HEPA/UEPA前已成为洁净的空气,这时使用气溶胶发生器向管道中发出P.A.O粒子,形成理想浓度的含尘气体并使用激光粒子计数器测定颗粒浓度。然后含尘气体流过测试的HEPA/UEPA,同样使用激光粒子计数器测定经HEPA/UEPA过滤后的空气中的含尘浓度,对比过滤器前后空气的含尘浓度,据此可以测定HEPA/UEPA的过滤性能。而且在过滤器前后分别打有采样孔,通过这里用倾斜微压计来测试每一风速下的阻力大小。
              
    3 过滤器阻力性能比较
    HEPA的阻力特性是HEPA重要的特性之一,在满足人们需求的效率前提下,阻力特性关系到使用的成本,阻力小时,耗能少,节约了成本.因此过滤器的阻力性能成为人们关注的重要指标之一。
    根据实验测量数据,得出玻纤的两种不同结构过滤器以及PTFE过滤器的平均风速与过滤器压差的关系,其关系见图2:
             
    由实验数据可以看出,随着风速的增加,过滤器的阻力均由由低向高线性递增,而且玻璃纤维两个过滤器得出的两条直线基本重合。容易看出,当过滤风速为1m/s时,玻纤过滤器的阻力大概为PTFE过滤器的四倍。
    已知过滤器的面积,可以得出面速与过滤器压差的关系:
              
    由于两种过滤器滤纸不同两种玻纤过滤器的面速与过滤器压差的关系并不是完全一致的,而且相同面速下规格610×610×90mm的过滤器的阻力高于规格610×610×150mm过滤器的阻力。但是很显然相同面速下,玻纤滤料的阻力高于PTFE的阻力。说明在阻力性能方面, PTFE优于玻纤滤料。为了更进一步了解玻纤滤料与PTFE阻力方面的特性,又进一步做了实验。直接研究两种滤纸的阻力随过滤风速变化的情况,实验结果如下图所示:
               
    4 过滤器过滤性能比较
    根据实验条件,可以测得过滤器对粒径为0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同风速下的过滤效率,得到以下图表:
               
    很显然,这两个玻纤过滤器在不同风速下对1.0μm粒子的过滤效率都为100%,对0. 3μm、05μm粒子的过滤效率随风速的增大都有降低的趋势,亦可以看出过滤器对大颗粒的过滤效率高于对小颗粒的过滤效率,而且规格610×610×150mm过滤器的过滤性能优于规格610×610×90mm的过滤器。
    用相同的方法,得到规格480×480×70mm的PTFE过滤器的过滤效率随风速变化的关系的图表:
               
    比较图表5和图表6,对0. 3μm, 0. 5μm粒子玻纤过滤器的过滤效果更好一些,特别是对于0.3μm的粉尘对比效果更明显。三者对1μm粒子的过滤效果都为100%。
    为了更直观的对比玻纤滤料与PTFE滤料的过滤性能,直接对两种滤纸进行了过滤性能测试,得到以下图表:
               
    上面的图表是通过测定PTFE和玻璃纤维两种滤纸对0. 3μm的粒子在不同风速下的过滤效果而得到的[7-8]。很明显,PTFE滤纸的过滤效率低于玻璃纤维滤纸的过滤效率。综合考虑滤料的阻力性能和过滤性能,容易看出PTFE滤料更适合制作粗效或亚高效过滤器,而玻璃纤维滤料更适合制作高效或超高效过滤器。
    5 结语
    通过比较PTFE过滤器与玻璃纤维过滤器的阻力性能和过滤性能,探讨不同过滤器应用的前景。从实验中我们可以得出这样的结论,风速是影响高效空气过滤器过滤效果的很重要的因素,风速越高过滤效率越低,对PTFE过滤器而言这种影响更明显,而且整体而言PTFE过滤器的过滤效果比玻纤过滤器的效过滤效果差些但其阻力比玻纤过滤器低,所以PTFE滤料更适合制作粗效或亚高效过滤器,而玻璃纤维滤料更适合制作高效或超高效过滤器。本实验中所选用的规格610×610×150mm的玻纤高效过滤器阻力比规格610×610×90mm的玻纤高效过滤器低,过滤性能比610×610×90mm的玻纤高效过滤器好。目前纯PTFE过滤材料的价格比玻璃纤维要高一些,但PTFE与玻璃纤维相比,其耐温性、耐腐蚀性和水解胜则好于玻纤,因此生产过滤器时要综合考虑各种因素兼顾技术性能和经济性能。
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