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摘　要：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(lái)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(guò)濾器。其中高效(HEPA)和超高效(ULPA)過(guò)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(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量。因此對(duì)過(guò)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(guò)測(cè)定玻璃纖維過(guò)濾器和PTFE過(guò)濾器對(duì)0. 3μm、0. 5μm、1. 0μmP.A.O粒子的過(guò)濾效率,比較兩種過(guò)濾器的阻力性能、過(guò)濾性能。結(jié)果表明,風(fēng)速是影響高效空氣過(guò)濾器過(guò)濾效果的很重要的因素,風(fēng)速越高過(guò)濾效率越低,對(duì)PTFE過(guò)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(lái)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(guò)濾器的性能提出越來(lái)越高的要求,因此如何制造出滿足消費(fèi)者需求的高效過(guò)濾器也成為廠家迫切需要解決的問(wèn)題之一[1-2]。眾所周知,過(guò)濾器的阻力性能和過(guò)濾效率是評(píng)價(jià)過(guò)濾器的兩個(gè)重要指標(biāo),本文就是試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析不同過(guò)濾材料高效空氣過(guò)濾器的過(guò)濾性能和阻力性能[3],以及相同過(guò)濾材料不同結(jié)構(gòu)的過(guò)濾器的過(guò)濾性能和阻力性能,從而為過(guò)濾器生產(chǎn)廠家提供理論依據(jù)。

   1　測(cè)試方法分析

   高效空氣過(guò)濾器的檢測(cè)方法很多,不同國(guó)家有不同標(biāo)準(zhǔn)。1956年美國(guó)軍事委員會(huì)制定了高效空氣過(guò)濾器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)USMIL-STD282,效率檢測(cè)用DOP法。1965年英國(guó)制定了英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS3928,效率檢測(cè)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(cè)法。后來(lái)美國(guó)環(huán)境檢測(cè)過(guò)濾器效率科學(xué)學(xué)會(huì)編制了一系列推薦檢測(cè)方法的類(lèi)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(guò)粒徑(MPPS)檢測(cè)過(guò)濾效率[4]。我國(guó)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用鈉焰法,本實(shí)驗(yàn)采用的高效空氣過(guò)濾器性能檢測(cè)系統(tǒng)是基于美國(guó)52. 2標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。檢測(cè)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(cè)試設(shè)備相比,具有簡(jiǎn)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(cè)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(wú)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(cè)量,并可進(jìn)行過(guò)濾器檢測(cè)。

   本檢測(cè)系統(tǒng)采用氣溶膠采用P.A.O粒子作為待過(guò)濾粉塵。我們采用美國(guó)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(guó)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(shù)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(chǎng)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(guò)濾器是GB01×4,風(fēng)量1000m3/h,過(guò)濾效率大于等于0.5μm、99. 995%。

   1 . 3　實(shí)驗(yàn)樣品

   玻璃纖維過(guò)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(guò)濾器的規(guī)格480(L)×480(H)×70(W)mm,無(wú)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(guò)濾器,所以可以認(rèn)為空氣在到達(dá)測(cè)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(cè)定顆粒濃度。然后含塵氣體流過(guò)測(cè)試的HEPA/UEPA,同樣使用激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)定經(jīng)HEPA/UEPA過(guò)濾后的空氣中的含塵濃度,對(duì)比過(guò)濾器前后空氣的含塵濃度,據(jù)此可以測(cè)定HEPA/UEPA的過(guò)濾性能。而且在過(guò)濾器前后分別打有采樣孔,通過(guò)這里用傾斜微壓計(jì)來(lái)測(cè)試每一風(fēng)速下的阻力大小。

   3　過(guò)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(guò)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(cè)量數(shù)據(jù),得出玻纖的兩種不同結(jié)構(gòu)過(guò)濾器以及PTFE過(guò)濾器的平均風(fēng)速與過(guò)濾器壓差的關(guān)系,其關(guān)系見(jiàn)圖2:

   由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,隨著風(fēng)速的增加,過(guò)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(guò)濾器得出的兩條直線基本重合。容易看出,當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速為1m/s時(shí),玻纖過(guò)濾器的阻力大概為PTFE過(guò)濾器的四倍。

   已知過(guò)濾器的面積,可以得出面速與過(guò)濾器壓差的關(guān)系:

   由于兩種過(guò)濾器濾紙不同兩種玻纖過(guò)濾器的面速與過(guò)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(guò)濾器的阻力高于規(guī)格610×610×150mm過(guò)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(shuō)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?jī)煞N濾紙的阻力隨過(guò)濾風(fēng)速變化的情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示:

   4　過(guò)濾器過(guò)濾性能比較

   根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件,可以測(cè)得過(guò)濾器對(duì)粒徑為0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同風(fēng)速下的過(guò)濾效率,得到以下圖表：

   很顯然,這兩個(gè)玻纖過(guò)濾器在不同風(fēng)速下對(duì)1.0μm粒子的過(guò)濾效率都為100%,對(duì)0. 3μm、05μm粒子的過(guò)濾效率隨風(fēng)速的增大都有降低的趨勢(shì),亦可以看出過(guò)濾器對(duì)大顆粒的過(guò)濾效率高于對(duì)小顆粒的過(guò)濾效率,而且規(guī)格610×610×150mm過(guò)濾器的過(guò)濾性能優(yōu)于規(guī)格610×610×90mm的過(guò)濾器。

   用相同的方法,得到規(guī)格480×480×70mm的PTFE過(guò)濾器的過(guò)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(guò)濾器的過(guò)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(guò)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(guò)濾性能,直接對(duì)兩種濾紙進(jìn)行了過(guò)濾性能測(cè)試,得到以下圖表:

   上面的圖表是通過(guò)測(cè)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(guò)濾效果而得到的[7-8]。很明顯,PTFE濾紙的過(guò)濾效率低于玻璃纖維濾紙的過(guò)濾效率。綜合考慮濾料的阻力性能和過(guò)濾性能,容易看出PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過(guò)濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過(guò)濾器。

   5　結(jié)語(yǔ)

   通過(guò)比較PTFE過(guò)濾器與玻璃纖維過(guò)濾器的阻力性能和過(guò)濾性能,探討不同過(guò)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(guò)濾器過(guò)濾效果的很重要的因素,風(fēng)速越高過(guò)濾效率越低,對(duì)PTFE過(guò)濾器而言這種影響更明顯,而且整體而言PTFE過(guò)濾器的過(guò)濾效果比玻纖過(guò)濾器的效過(guò)濾效果差些但其阻力比玻纖過(guò)濾器低,所以PTFE濾料更適合制作粗效或亞高效過(guò)濾器,而玻璃纖維濾料更適合制作高效或超高效過(guò)濾器。本實(shí)驗(yàn)中所選用的規(guī)格610×610×150mm的玻纖高效過(guò)濾器阻力比規(guī)格610×610×90mm的玻纖高效過(guò)濾器低,過(guò)濾性能比610×610×90mm的玻纖高效過(guò)濾器好。目前純PTFE過(guò)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(guò)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。