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空气过滤器的设计效率如何计算?
文章来源:http://www.songfengkou.com/  2012年08月07日  点击数:7194

空气过滤器的设计效率如何计算?
国内外空气洁净度的级别,主要是以单位容积空气中≥0. 5um的微粒数量来衡量的,而各类过滤器又是以某一特定粒径的效率为其代表效率的,因此,在空气洁净技术的有关设计工作中,就需要把这些特定粒径的效率换算成对≥0.5um的微粒的效率。

  对于高效过滤器,其鉴定或出厂效率都是以对0. 3um单分散微粒的效率来衡量,上一章已说明过。为了换算成对≥0.5um微粒的效率,首先要知道0. 5um的效率,作者曾根据国外有关实验数据计算,分析整理出一个高效过滤器穿透率和粒径的经验式[8],即K2 =k1/e(d/d0.3)2式中:K1、K2、---0. 3um微粒和大予0.3u.m的某粒径微粒穿透率;D0.3、d---0.3um粒径和大于0.3um的某一粒径。用上式计算了国外发表的测定数据[9],如表4-4所列。表中K2、K1为测定数据,K2为K1.按式(4-20)计算出的数据。比较表中最后两栏数字的最后两位数的差别,可见除第一行数据偏差较大外,其余数据相差极微。当然,这一经验公式只适用于0. 3u.m级高效过滤器,而对于0.lum级高效过滤器则不能套用。

    国内外规定的高效过滤器效率测定方法虽然不同,但结果和o.3um计数效率大致接近(见第十七章),一般把对o.3um的效率作为常规高效过滤器效率的基准,所以现由式(4-20)计算出高效过滤器o.3u.m效率和o.5um效率的关系,如图4-11,可作参考。同时,图4-12引用了文献[10]的曲线,可见两者的结果是接近的。图中的效率节均以小数来表示。

    根据以上曲线,再由第二章关于大气尘粒径分布的关系,可以求出≥o.5tim微粒的
效率,见表4-5。根据《高效空气过滤器》(中国标准出版社,1993)标准,3个9以上的效率即为高效过滤器。设对0. 3um微粒效率为0.999,则从表4-5可见,此时对≥0.5um微粒的效率达到0. 9999975。由于实际上的效率均高于此界限值,所以可以认为,凡是常规高效过滤器,对于≥0.5弘m微粒的效率可按5个9即0. 99999计算。用上述效率换算方法,曾检验过净化设备中的高效过滤器效率的实测值,得到比较一致的结果。对于这个问题,国外虽无专门文献论述,但有关文章[11]也提到“对于获得100级环境,比如采用全部新鲜空气,而室外空气的含尘量为3×105粒/L(≥0.5u.m)时,过滤器效率达0. 99999是必要的,因此,一般将0.9995以上的高效过滤器用作主过滤器”,这就很显然是认为具有0. 9995效率(对0.3tim)的高效过滤器对≥0.5p_m微粒将有0. 99999的效率。如果按前述方法换算,则当对0.3tem微粒的效率为0.9995时,对0.5t).m微粒的效率将达0. 999992。
  国产中效过滤器有过玻璃纤维中效过滤器和泡沫塑料中效过滤器,现在最常用的是无纺布中效过滤器,这实际上是一种纤维毡式过滤器。玻璃纤维中效过滤器(df=16um、H=20mm、a=0. 037、v=0.28m/s)实测的大气尘显微镜计数效率(中国建筑科学研究院空调所测)见表4-6。表中计算平均粒径是按大气尘一般组成算得的算术平均径效率计算值就是用该平均径由图4-13的理论曲线查得。理论曲线是按结构不均匀系数法求出的。由于粒径分组较粗,计算平均粒径和实际差别较大。不过从表中可见,由计算平均粒径算出的效率和实测值的接近程度,还是令人满意的,说明该计算方法有相当的参考价值。从图上还可以看到,按实验系数法,并且nE按公式(3-21)计算,计算效率和实测结果相差较大。

中效过滤器效率和粒径的关系

统计了国内外一些玻璃纤维过滤器和泡沫塑料过滤器实测数据,可见o.5um的效率和o.3um的效率或者≥o.5u.m的效率和≥o.3um的效率,均相差很小,这是因为此类中效过滤器的过滤机理对于小微粒的差别反映不大从图4-14可以看出,在7<0.8时有以下近似关系:
4-8过滤器的串联效率
4—8-1高效过滤器串联效率
    在实际的空气净化系统中,过滤器一般都串联使用。这里着重说一下串联过滤器的效
率。
    从过滤理论上讲,对于同类型过滤器(例如都是玻璃纤维中效过滤器或者都是滤纸高效过滤器),在过滤多分散气溶胶时,第二道过滤器的穿透率应该大于第一道的穿透率,即第二道过滤器的效率要降低。这是由于滤材对过滤微粒的选择性引起的,前面已叙述过。简言之,主要由于对不同微粒的过滤作用不同,而经过前一道过滤器后微粒的分散度发生了变化,从而引起后一道过滤器的总效率发生变化。
    由求各粒径效率的公式(4-7)可知,要计算第二道过滤器效率,必须知道第一道过滤器后不同粒径微粒的百分比和各过滤器对不同粒径微粒的效率。这两个问题前面都已解决,这里就可以进行具体计算,表4-7列出了前后两道高效过滤器效率的计算结果(设大气尘浓度M=106粒11) [12]。
在正常情况下,大气尘浓度M<106粒/L,随着M的减小,大微粒绝对数量一般更小,因而经过第一道过滤器后所剩下的大微粒可能接近于零,致使第二道过滤器前大微粒表4-7第二道高效过滤器效率的比例更小,使第二道过滤器对粒径≥d的微粒的效率更趋近于粒径为d的微粒的效率。或者说第二道的穿透率比第一道的增大接近一倍。由此可见,至第三道高效过滤器,对粒径≥d微粒的效率更接近第一道过滤器对粒径为d的微粒的效率。如d为o.3u.m,则效率将由0.99955降为0.9991,或者说穿透率由0.045%升高到o.09%,增加了一倍,此后即达到稳定。如果被过滤的是接近单分散的气溶胶,则各级效率的变化更小。
    关于串联过滤器效率问题的研究报导很少[13],不仅没有理论计算方法,而且实验和现场测定的数据都得出串联的第二道过滤器效率要降低很多的结论。这有两方面的原因:是穿过第二道过滤器及其以后的过滤器的微粒浓度已经十分稀薄,由于测定手段的限制,不仅测不准,而且往往得到相反的结果,1976年美国出版的《空气净化手册》‘141就明确指出这一点;二是在现场测定中,由于安装不严密造成的哪怕是极小的漏泄,也将远远过过滤器后面的浓度。下面援引日本[131的现场测定数据:
    第一道高效过滤器    效率99. 99%
    第二道高效过滤器    效率99. 99%
    第三道高效过滤器    效率99. 86%
    其中第三道高效过滤器的穿透率的升高比前述计算结果大。测定者也指出,这是由于漏泄而造成的,认为如果没有安装造成的漏泄,第三道过滤器的效率将和第二道过滤器效率没有多大差别。关于这一点,美国《空气净化手册》由引用的严格的实验数据否定了串联过滤器效率将降低很多的观点。
    根据《空气净化手册》提供的数据,第一道高效过滤器的净化系数为104,第二道高效过滤器的净化系数几乎没有多大变化,第三道高效过滤器的净化系数为5×103。因为Kc:去,若Kci=104,则Ki=o.01%;若K,3一5×103,则K3=0.02%。可见K3比K.升高一倍,这和上述计算结果由o.045%升到o.09%完全_致。因此,对于串联高效过滤器用于排气净化的情况,为严格起见,可以参照前述计算结果这样选用其穿透率:
    第一道过滤器    K1(≥d’
    第二道过滤器    K2 2 2K1c>d’
    第三道过滤器及其后的过滤器  K3(d)
    K3(d)表示第三道及其以后的过滤器对粒径为≥d的微粒的穿透率等于粒径为d的单分散微粒的穿透率 对于空气洁净工程即进气净化的情况,由于两道高效过滤器串联后效率已很高,所以若不考虑第二道过滤器效率的降低,影响也是很小的。因此仍可写成7—1 -(1- 77i)(1- 77z).--(1- 7/n)    (4-22)证实串联高效过滤器的效率降低得不大这一点有两方面的意义:
    (1)在排气净化上的应用。正如《空气净化手册》所提出的,由于对含某一些放射性元素(例如钚和其他超铀物质)的气体要求极低的排放标准,在排气系统上安装一道高效过滤器不能满足要求;既然串联过滤器很少使其效率降低,则可以采用两级或两级以上串联的办法,这比提高一级过滤器的效率要容易。
    (2)在比100级洁净度更高的洁净室上的应用。例如在新风上串联一道高效过滤器,渗漏的影响就要小得多,国内某些特殊洁净室已经这么做了,效果是满意的。4-8-2中效过滤器串联效率
  对于两道中效过滤器串联,第二道中效过滤器的效率几乎不变。假定两个串联过滤器都是玻璃纤维中效过滤器,理论上77}0.。一0.4,77≥0,。一0.54。计算得出第二过滤器前≥0.5p.m微粒所占比例由30%下降到15%,由此得出对≥0.3肛m微粒的效率为0.39,对≥0.5tim微粒的效率为0. 54,几乎不变。所以同类中效过滤器和粗效过滤器串联效率也可写成7—1 -(1- 77i)(1-172)…
4-9使用期限
4-9-1过滤器寿命
  过滤器上的积尘量应由下式表达:
    P一TNi×l0-3Qt77    (4-23)
式中:P-过滤器积尘量(g);
    T-过滤器使用时间(d);
    N.——过滤器前空气的含尘浓度(mg/m3);
    Q-过滤器的风量(rr13/}1);
    £——过滤器一天的运行时间(h);
    77-过滤器的计重效率。
    当过滤器在额定风量Qo下运行,积尘量P从0增加到过滤器的终阻力等于初阻力的既定倍数(一般为1倍)时,此过滤器不能再使用,其上的积尘量已达到标准容尘量Po,则过滤器的使用时间就是寿命丁。,即丁。一币焉妥面    ‘㈣式中Ni可按第十章方法计算,即
    N1.= M(l - s)(1 - 77n) +N,s(l - 77r)
式中:M-大气含尘浓度(mg/m3);
    s-循环风比例;
    Nr——回风浓度,对于浓度最高的10万级洁净室,也不会超过0.001~0.Olmg/m3;
    Nn——过滤器前的新风通路上的过滤器计重效率;
    Nr——过滤器前的回风通路上的过滤器计重效率。
    对于不同的系统,巩和敢是不同的,具体计算方法在第十章详述。若设P0= 450g(对于l000m3/h的风量),M=o.3mg/m3,Nr=o.005mg/m3,s:0.7、%:o.7、仇:o.65,t-24h,7≈1(对于高效过滤器),Q=lOOOrr13/h,则可求出高效过滤器使用期限为660d。如果一天工作12h,则丁可以延长到1320d,相当于3年半以上。
    图4-15为国外发表的高效过滤器运行时间和阻力增长之间关系‘-5],图中曲线b的预过滤器比色效率为40%~50%,相当于大气尘计重效率(参见第十七章),即和上面计算例子中的数据相当,而过滤器使用期限亦相近。这里要指出的是,也有这种看法‘¨],认为由于高效过滤器的阻力增长远比容尘量增长快得多,用容尘量来计算其使用期限不安全。其实这里没有明确,在容尘量的概念里已经包括了阻力的增长速度,所以用容尘量计算出来的使用期限——寿命也就是阻力将达到初阻力一倍(或特定的某倍数)时所需的运行时间。

—9-2寿命和运行风量的关系
    由式(4-24)得出
    Ti一  Qo
    To - Qi    (4-25)
此时必须注意,丁,不是某运行风量Q.时过滤器的寿命,而只是在Q.条件下运行、积尘量达到Po时所需的时间。如Q1<Qo则T1<Ti.oTi,o>To反之亦然。丁,,。是Q.时的寿命。这是因为Q,≠Qo时,运行阻力也就不是原来的阻力了。国外曾给出过这方面的实测结果’见图4—16‘忉,可见Qz一丢Qo时,其寿命远大于2丁。。令基一K,阻力为日,涂光备曾据此曲线给出各曲线的方程如下‘18].
    K =1. 25    H- 30. 54+2.0143T+0.251T2    (4-26)
    K =1.0    H- 28. 86+1.481T+0.1555T2    (4-27)
    K -=0.75    H- 17. 35+0.687T+0.0805Tz    (4-28)
    K = 0.5    H一11. 08+0.2474T+0.0318Tz    (4-29)

并根据上式各对应项的系数在以K为横坐标的双对数纸上近于直线而得出综合方程
    H一23. 86K1.106+1. 481K2'519T+0.1555K2'290T2    (4-30)显然,式(4-26)~(4-29)中的常数项是初阻力。如果视H为常数,将式(4-30)化简,很容易求得Tc19l: -1.  481Kz.519±√气ri丽i可面可[46 0555 X23.86K1.而=了万    (4-31)T--二    一i×0.1555当设H=H。时,T即寿命T。。T值只取正根。但是,上式只是根据个例实测曲线得到的,由它解出T和K的关系是否能反映一般规律尚不清楚。下面给出一个估量T和K关系的理论分析的近似方法‘19]。设在额定风量Q。下运行,初阻力为H。,标准容尘量Po时阻力增值AH,即终阻力为
日。+AH,此时运行时间即寿命丁。,如图4-17中的曲线(K=1)。设运行风量变为Q,(<Q。),鬟一K(K<1),求仍达到Ho+△H时的T1,00这里给出的是简化计算,其条件之一是AH≈H。,由前述可知,在此条件下高效和亚高效过滤器阻力增值和积尘量近似呈直线关系。(1)由式(4-25)知,运行时间和风量成反比,即
图4-17运行阻力和运行时间的分析图(2)虽然在Qi条件下运行了≥时间后,积尘在量上达到了标准容尘量Po的值,但此时的终阻力还未达到H。+AH。由图4-6~4-9知,日和Q近似成正比(在Qo以下或大于Q。不多的条件下),则终阻力小了(1-K)倍,只有靠继续积尘来增加阻力。由于已知阻力增值和积尘量也近似成正比,而积尘量又和时间成正比,所以需要继续积尘的时间即应增加的时间是
    ATi一(1- K)To    (4-33)
    (3)由于运行风量变为Q.,根据日、Q的关系,则初阻力也降为KHo,即减少了(1-K)倍;如果是在Q。条件下运行,补上这(1-K)倍阻力,则需延长时间为(l-K)To。现在在Q,条件下运行,该时间还要反比于Qo,即实际需延长时间为=1 KKTo    (4-34)AT2一  K(4)所以在K<l时,仍达到K-l时的终力所需时间为Ti,。一警+(1- K)To +1 如果Qi>Qo,则鬟一K(K<1),求出Qo比Qi延长的时间的倒数,即缩短的时间。按以上公式和原则,求出在仍达到额定风量时的终阻力条件下K和丁.,o的关系以图4-16为例,用上述分析法求出不同K时的过滤器寿命To和实测值以及按式(4-31)求得结果的比较,见表4-9。
    从以上比较结果可见,三种方法几乎完全一致,因而既可认为分析估量法是可行阿,是能反映一般规律的,也可认为式(4-31)虽是从个例方程解出的,但也反映了一般关系。在实际运行过程中,过滤器已经容尘多少是无法直接判断的,一般根据测得的过滤器对于用于放射性排气上的过滤器,控制使用期限除容尘量即阻力这项指标外,也有用表面污染指标的,任何一项达到了规定值都要更换新过滤器;至于过滤器表面污染量的计算则根据使用者的具体情况决定。

    4-10计重效率的估算
  前节求过滤器使用期限时用到过滤器计重效率。如有实测值,当然用实测值,但现在国标规定一般空气过滤器效率为大气尘分组计数效率,所以就需要由计数效率换算计重效率。
  这里给出一个估算方法[20]。
  设以表2-28的数据为准,0.5—lym之间各粒径按粒数分布按表2-30的关系可仔细
区分为:
    0. 5ym    31. 64%
    0. 6p.m  29. 72%    合计81. 49%
    0. 8rum    14. 38%    ‘
    1. Ot).m    5.75%
从表2-28可知,当≥o.5弘m的计数效率为100%时,最少有占全重量的99%的微粒被过滤掉,o.5y.m以下的微粒还占总重量的1%,当然也还要过滤掉一些,透过的应不足1%,显然这是很小的量,完全可以忽略。也就是说,≥o.5tLm的计数效率为100%时,从理论上说计重效率(它是不分粒径的)不可能是100%,但因误差不足1%,所以可按100%对待。-
    当≥1弘m的计数效率为100%时,同理可知,最少有占总重量的97%、占o.5肛m以上微粒数量的18. 51%的微粒被过滤掉;因为o.5~lpm之间的微粒也还有一部分会被过滤掉,所以过滤掉的全部重量将略大于97%。但为了估算方便,这超出部分可忽略也可不忽略。这表明≥1弘m的计数效率为100%的计重效率可估算为97%或100%。如果≥lym的计数效率为80%,则相当占o.5肛m以上总数的18. 51%×o.8—14. 81%的微粒被过滤掉,这时o.5~ltim之间的微粒被过滤掉的更少了(因为对≥lpm的效率低了,对更小的微粒的效率就更低了,更可以忽略不计了),所以仍以≥o.5肛m的计数效率为14. 81%所.对应的计重效率来表示≥lpm的计数效率为80%时所相当的计重效率,即为96.5%。
    但是,当只知道≥5tu.m的计数效率时,对1~5ym之间的微粒的效率不知道,而这部分微粒所占的质量浓度又不能忽略,所以就不能用上面的方法来估算计重效率了。按以上分析,将表2-28的数据绘成图4-18,由该图查得的计重效率为估算值,也是最低限度值。4-11滤纸过滤器
4-11-1折叠形滤纸过滤器
    现在的滤纸高效过滤器就是折叠形滤纸过滤器的典型,它是在第二次世界大战中随着原子能工业的发展,为了除去放射性微粒而研制成的。它的主要特点是由于滤纸很薄,而又采用了折叠形,所以过滤面积比迎风面积大几十倍,从而大大降低了阻力,使滤纸过滤器的实用有了可能。
    1942年美国试制了折叠形滤纸高效过滤器,1954年出现于市场;1956年日本从美国进口高效过滤器,并于1958年着手开发本国的产品,1965年出现于市场‘21]。我国在20世纪60年代初已经着手研制高效过滤器,1965年通过鉴定,并开始批量生产。
  最早用于原子能工业过滤器的滤纸材质均为植物纤维加蓝石棉纤维,蓝石棉纤维很细,直径在0. l~lp_m之间,但是产量很低。由于认为石棉纤维有致癌作用,后来逐渐由来源广泛的超细玻璃纤维和玻璃纤维滤纸所代替,才把高效率的滤纸过滤器推向普及阶段,同时也促进了空气洁净技术的发展。滤纸高效过滤器除了可以根据使用的滤材种类分类外,还可按有无分隔板分类:按过滤对象是0. 31um(称常规高效过滤器或0.31um级过滤器)还是0.ltim(称0.llum级过滤器或超高效过滤器)的微粒分类;按外框材质是木板、层压板、塑料板、铝合金板、钢板或不锈钢板分类;也可按外形是平板式或V式来分类;还可以根据耐高温、耐高湿、耐酸碱、高阻、低阻、灭菌等性能来分类。
  滤纸过滤器结构目前主要有三种形式,即有分隔板、斜分隔板和无分隔板,其中斜分隔板产品很少,而另两种则哪一种也不能偏废。这三种形式的结构如图4-19~4—21。
  在高效过滤器中,折叠形滤纸两面夹分隔板,以形成空气通道,这是标准的做法,故称为有分隔板高效过滤器。分隔板亦称波纹板,可用优质牛皮纸经热滚压形成不同尺寸的波和波距。为了防止分隔板受冷热干湿的影响而发生伸缩,从而散发微粒,同时也为了固定波形,需要在分隔板两面浸某种涂料,缺点是有异味。现在则都用两面涂胶的铜版纸做分隔板,但一些使用结果表明,存在这样一些隐患:由于这种材料在温湿度变化条件下发生伸缩变形,从而成为散发微粒的污染源。此外,也可以采用铝、塑料等做分隔板。对于有分隔板的过滤器,分隔板的波峰角是一个重要参数,对阻力的影响很大。实践表明,90。波峰角是合适的。过滤器截面积对阻力的影响并不大,大截面积和滤速及过滤器厚度(沿气流方向)相同时,波峰高度对阻力则有较大影响,后面将详细分析。
  有分隔板过滤器的传统做法是在折叠的两端头涂胶,最后于木框涂料的两端内侧加一道封头胶,其作用是使涂胶端整齐并为了防止渗漏。但实践证明,封头胶对于防漏几乎很难起作用,一旦有漏,反而增加了检漏和堵漏的困难。而以现有的GB-01型过滤器为准,纸芯部分截面积大约是0. 454m×0.454m=0.206m2,封头胶宽的可达到1. 5cm,若均以lcm计,则纸芯净截面积约为0.454m×0.434m一0.197mz,也就是说,无封头胶时截面积将比有封头胶时增加5%,滤纸净面积也将有所增加,这对于降低阻力也有一定作用。所以现在取消了过滤器的封头胶,涂胶法也改为灌胶法或插胶法。

  对于传统的有分隔板过滤器,分隔板上波纹所形成的空气通道的截面是一样的。类似截面风道的设想在过滤器上的应用,就是斜分隔板过滤器,即当把分隔板立起来从上向下投影,所得的是一直角梯形,当空气刚进入通道时截面大,由于空气不断从滤纸透过,所以达到通道末端时,空气量最少,截面也很小了。这将使每绕一块分隔板的滤纸的长度和折数都增加了;从国外产品规格的数据看,在同样外形尺寸条件下,斜分隔板过滤器可比直分隔板过滤器约增加一半的过滤面积,因而在相同风量时的阻力将降低较多。
  对传统高效过滤器的另一种改进是取消分隔板。无分隔板过滤器,有利于机械化生产。一种情况是完全不用分隔物,而是事先把滤纸压成波纹或凸点,然后折叠而成(此时波纹对波纹或点对点)。另一种情况是用其他的分隔物取代分隔板,如用热溶胶直接在滤纸上形成线条状物,或用浸胶棉线、玻纤线或滤纸条粘在滤纸上,也有在折叠滤纸时将滤纸条从纸褶两面插入,靠摩擦力而把纸条夹持住。
    还要说明的是,国产高效过滤器的截面尺寸有484mm×484mm,630mm×630mm等,很不规则。国标制订后,一为400mm×400mm,500mm×500mm等整数,深度也由
20mm统一改为150mm和80mm(无分隔板),以上尺寸为最大外形尺寸。国标还规定:①边框宽度15mm(当边长小等于500mm时)或20mm(当边长大于500mm时);②分隔板比框架端面低5mm,滤芯又比分隔板端面低3mm。这是保证过滤器质量的一个措施,而有些产品就不注意这一点。在进行有关过滤器的计算时也应考虑这些数据。
    为了扩大过滤面积,通常还采用双折叠结构,一道叠折是叠滤纸,相当于一片有折滤料,再在框架内形成W形为第二道折叠,如图4-22所示。-11-2管形滤纸过滤器
    早期前苏联用难以折叠但可粘接的+11-15-1.5滤布(其性能后述)的横置大管式过滤器,如图4_23[22]所示,严格说那是一种装置,而不完全是单体式过滤器。
    YGG低阻亚高效过滤器则是滤纸过滤器的典型,它是国内首创的一种降低结构阻力的过滤器形式[23],用由丙纶纤维滤纸烫焊而成的几百个滤管,由带翼片的塑料帽塞将滤管插塞在面板上,翼片起支撑滤管的作用,从而把气道一分为二。
    图4-24是该形式过滤器的透视,图4-25是插有帽塞的面板及其孔限和帽塞的细部。

    (2)非全抛弃。更换时只换下旧滤管,装上新滤管,其他部分可使用多次,因而节省了
费用。
    (3)可做成任意形状。由于滤管直径只有19mm,故可以在任意形状的面板上栽插成
型,而且可以只要面板不要框架,因而方便各种设备配用。
    (4)无异味。不像高效过滤器那样用胶粘,它是无胶产品,所以没有异味造成的二次
污染,更适合对环境苛刻要求的场所。
    (5)重量轻。只有同尺寸高效过滤器的一半重量。
    这种过滤器形式在结构上的计算见第五章。
4-11-3滤纸过滤器所用的滤纸
’  1.纤维素系滤纸
    一般是用植物纤维素的滤纸,国内个别厂家生产的接近亚高效的过滤器就是用的短棉绒滤纸。这种滤纸的特点是:效率属于中效至亚高效的范围,在低滤速时效率低,随着滤速的增加效率上升,且因被过滤的尘粒种类而有很大差异。
    表4-10给出了一种纤维素系滤纸对于聚苯乙烯胶乳小球的捕集效率[24]。从表中可见,对于o.557tim以下的粒径,特别是在滤速为9.5~17cm/s内给出了最小捕集效率。此外又可以看到,随着滤速的增加,效率的最小值向小粒径方向移动。这种滤纸的表面集尘率往往比玻璃纤维滤纸略高,达到60%~70%,但比滤膜要低得多。
    2.纤维素一石棉纤维系滤纸
    这种滤纸的效率属于高效的范围,阻力较高,因为它的表面集尘率也高,甚至高于玻璃纤维滤纸,所以在核设施的排气处理方面采用较多。
    3.玻璃纤维系滤纸
    这种滤纸的效率也属于高效范围,效率随尘粒种类和滤速的变化很小;效率和滤纸中玻璃纤维的含量的关系如表4-11 [25]所示。这种滤纸的阻力低于纤维素一石棉纤维系滤纸。

  玻璃纤维滤纸所用纤维的直径越来越细,在20世纪70年代国外已降到o.31um,国内一般也可做到o.5pm。图4-27是作者对国产此种滤纸纤维径分布经电子显微镜观测后的结果的统计,粒数平均粒径均略低于o.5ym。但是到了20世纪80年代中期,国产玻璃纤甚至比国外做得还要细,最细达到o.04tim,而且效率也明显提高,甚至有的滤纸效率高于美国滤纸。但国产滤纸最大的缺陷是脱毛和滤料本底积尘高,这和生产环境及工艺欠精细有关,此外就是在常用滤速下常规高效滤纸阻力偏高,而超高效滤纸则阻力偏高更普遍,[9]。

    图4-27  国产玻璃纤维滤纸纤维径的统计分布
    4.合成纤维(化学纤维)系滤纸
    ,由于合成纤维有较高电阻率,可以携带较多的静电荷,所以是制造静电滤料的理想材料。这种纤维滤纸有20世纪50年代前苏联的过氯乙烯夺Ⅱ系列滤布;当滤速为O.1 m/s时,其穿透率为20%,当滤速降到o.Olm/s时,穿透率降到3.2%,d。x为o.ltLm[Z幻。
    20世纪70年代末发展起来的丙纶(聚丙烯)纤维滤纸,性能远优于夺Ⅱ滤布,它是将聚丙烯切片,以热熔喷丝工艺制成超细纤维,进而一次制成滤料,单丝直径为2—18tim(一般为4y.m),是一种非织造的毡状物,质地柔软。在标准比速下其钠焰效率从99%~99. 999%。由于它的单丝直径很难再细,滤料纤维均布性也比较差,所带静电会逐渐消减,所以目前还不能取代高效超细玻璃纤维滤料,但它确是一种很有前途的滤料。丙纶纤维滤料除去上一章和本章前面提到的特点外,还有以下一些特性:
    (1)阻力特性。在相同效率范围内阻力仅是玻璃纤维的1/6左右,表4-12给出几种
国产丙纶滤纸的阻力(滤速lcm/s),阻力和滤速也呈线性关系。
    阻力小的原因和其纤维较粗、尘粒可穿透较深(几百微米)有关,而尘粒在玻璃纤维滤纸表面仅能穿透几十微米。
    (2)静电稳定特性。滤料在生产中经过电晕放电而成为驻极体,带上了较强静电荷,表面静电位可达到1000多伏。静电作用可使其穿透率降低1~2个数量级,而带静电的滤料用酒精浸泡再在真空中干燥中和掉静电后,其效率下降很大,均见图4_28[26]和图4—29[27]。但同时也发现,气流流过滤料由于摩擦作用能提高静电电位,见表4-13,且光面电位高,作为迎风面效率高,阻力则两面几乎相同。
  (3)积尘性能。用氯化钠气溶胶试验证明[28],丙纶纤维滤料的相对穿透率(积尘后的穿透率K和初始穿透率K。之比)随着时间增加先增加而后减少,中间有一个极短的过渡区,相对阻力(积尘后的阻力AP和初始阻力AP。之比)则完全随着时间的增加而增加,分别见图4-30和图4-31(原文献中未给出单位,但不影响定性分析)。

  但也有人对这种聚烯烃类纤维的驻极体过滤器通过试用得出结论:在无预过滤器条件下,两年后效率从6个9降到4个9,原因为尘粒对静电的屏蔽[29]。
  (4)憎水性。丙纶纤维滤料是憎水的,吸湿率仅0.01%~0.1%,湿状态下强度几乎不变,而且在80%相对湿度下增湿4h,对其效率和阻力均无明显影响‘28]。
  (5)温度特性。使用温度约为- 40~+110℃,在50℃下烘烤4h,未见效率和阻力的明显变化‘26]。但在120℃以上效率则有所下降;熔点为164~174'C。
  (6)密度。0.91g/cm2,填充率经测定为0.12[26]。
  (7)耐酸碱性。除氯磺酸、浓硝酸和某些氧化剂外,耐酸碱和有机熔剂性能优良。
  (8)强度。横向抗拉强度大于500g/100×15cm,纵向抗拉强度大于1000g/100×15cm,比玻璃纤维滤纸大1倍以上,而且耐折。
  (9)环卫性能。无毒、无味、不蛀、不毒,能进行烧却处理。
  (10)吸油性能。能吸为自重14~15倍的油。
  (11)粘接。难于胶粘,但易于烫粘。
  5.滤膜系滤纸
  主要有凝胶型即硝化纤维做的微孔滤膜。这种凝胶是用醚醇溶解硝化酯的纤维混合物,也称为火棉胶,将其用丙酮和戊醇稀释后便可得到制膜用的凝胶。这种滤膜有极高的捕集效率和表面积尘率,因而常用来作测定滤纸捕集效率的标准滤纸,也用来捕集放射性尘埃,但是阻力高,抗张强度低,使用不便。图4-33  电镜照片倾斜60。时的滤膜表面核孔膜也是一种滤膜系滤纸,称径迹微孔滤膜,是20世纪60年代末发展起来的。它是利用核反应的热中子轰击235U等重元素,再用船5U等裂变碎片去轰击塑料膜如聚碳酸酯或聚酯薄膜,或者用经加速器加速过的K,、x。等重离子去轰击这些膜,在其上留下径迹损伤,再经化学试剂蚀刻而成,从其表面可清楚看到一个个孔眼。它强度好,耐折叠,耐140~170℃的高温。控制辐射轰击强度和时间,可控制孔密度;控制试剂浓度、温度、蚀刻时间,可控制孔径大小。核孔膜厚一般为几微米到十几微米,国产核孔膜做到llpm厚。孔径可从30A到几十微米,一般在1pm上下;开孔率可达20%。孔径单一性比化学微孔滤膜好得多。由于其表面相当平整光洁,很适合气溶胶采样的定性分析和细菌过滤后的研究。但由于核孔膜阻力大,不适用于一般空气过滤,而对于特殊过滤(如大于某一粒径的微粒绝对不允许穿透)是非常适用的,这从图4_34E3.1可见,即使表面已被堵塞,其背面也几乎没有微粒,所以在医学上用处很多。关于核孔膜的过滤机理,国内学者已有较深入的研究‘31],这里不专门介绍。
    图4-34核孔膜堵塞后正背面的电镜照片
  除上述五种滤纸型滤料以外,还有塑料纤维系滤纸,就不详述了。4-11-4滤纸的一般特性
  在选择滤纸时,要注意其代表性的几个特性,这些特性见表4-14。希望其中抗张强度越大越好,纤维径越小越好,厚度和填充率大虽然对效率有好处,但阻力也要明显增加。
    金属含量也是滤纸重要特性之一。当分析滤纸所捕集的微粒中的金属成分时,就需要知道滤纸所含金属成分的本底值。在这方面国内还没有什么研究,据国外文献的报导,表4-15列出一般玻璃纤维滤纸所含若干种金属成分的质量的范围,以供参考。
    从表4-14所列的玻璃纤维滤纸的特性可以看出,这种滤纸的最大弱点就是强度差,特别是能承受的冲击动压极低,在加工过程中稍不小心,就很易破损。作者曾在激波管上对高效过滤器进行过耐压强度试验,并研制成可耐较高冲击压力的保护装置。试验的过滤器有滤纸抗张强度不低于230g的普通高效过滤器和其他过滤器,分为在过滤器迎风面上。m处不设挡板和设有不同分流挡板的几种情况。现将作者对普通高效过滤器的试验结果列在表4-16中。过滤器破坏情况如图4-35、4-36所示,图中白色部分即为打坏而翻出来的滤纸[32]。此外,未反映在表中的滤纸挺硬度对折纸高度和阻力有举足轻重的影响。

  从以上试验结果可见,国产普通高效过滤器用的玻璃纤维滤纸(或6901滤纸)的破坏压力比0. 16kg/cmz还要低;而据美国空军设计手册(AD295408,TDR-62-138号报告),美国原子能委员会的AEC过滤器的破坏压力也只有0.14kg/cm2。所以当把玻璃纤维滤纸过滤器用在有冲击压力的管道上时,一定要设置保护装置,最普通的就是设挡板。
  抗张强度很低的玻璃纤维滤纸,在高湿度条件下其强度要降低很多,因而容易被气流吹破;如果对滤纸进行处理,则可提高其抗张强度。国内的研究工作[33]表明,用“软1号”皮革处理剂对滤纸进行喷雾处理,可提高抗张强度10倍,而且阻力升高不多,效率基本不变。现将试验结果归纳成表

  ①试验滤纸宽7. 5mm、长70mm。
  ②将宽7. Smm、长25mm的滤纸,一端固定,另一端与偏心距7mm的1390r/min的偏心轮相连记下纸样在反复拉直及折叠时出现裂口的时间。
    表4-17所引阻力试验结果是在0.16m/s的高滤速下测得的,没有低滤速的数据。在低滤速下,阻力上升的程度应比高滤速下上升程度有所降低。经“软1号”皮革处理剂处理后的滤纸,再通过蒸汽仍可完好无损,说明这种滤纸做成的过滤器将能经受住高温蒸汽灭菌,适用于制药工业和生物洁净室。

    用什么样的滤纸、框架、分隔板(波纹板)等部件制作过滤器特别是制作高效过滤器,将视其用途和性能而定。表4-18列出不同材料部件制作的过滤器的大致性能,可供参考。
    由于滤纸在加工过程中易受损伤,滤纸过滤器的效率一般要比滤纸小样效率低“半个9”,特别差的也可以低“一个9”,因此,制作对0.3pm微粒具有“三个9”(即99. 9%)以上的高效过滤器就必须选用“一个9”的滤纸。4-11-5滤纸过滤器的发展
    随着科学技术和生产工艺的发展,对滤纸过滤器的性能还将提出更高的要求,一般可提出如下几点[34]:
    (1)对o.l!1m的叩要接近99. 99999,或对0.Olym的叩接近8个“9”,即称为超ULPA的过滤器,参见图4-37。
    (2)对滤纸所含化学污染的要求更加严格。
    20世纪80年代提出了对硅污染的要求。硅粒子从滤材的疏水性化学物质中挥发出来计算机硬盘驱动器的生产造成严重影响。
    20世纪90年代提出了磷污染问题。磷污染来源于过滤器密封胶,会对晶片造成污染。
    20世纪末提出了硼污染问题。除了大气是硼污染的主要来源外,过滤器也是重要来源。在湿度较高的条件如果有氢氟酸存在,它将腐蚀玻璃纤维而产生气态硼酸,污染芯
    (3)额定风量下的阻力小于50Pa。  
    (4)沉积其上的尘粒绝无再飞散的可能。      
    (5)过滤器的构造无缝隙,不用密封材料,不出现针孔,最后实现出厂前也不需要进行检漏试验。’
    (6)寿命在5年以上。
    (7)用后容易处理。

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