潔凈室用的高效空氣過濾器性能實驗研究
2019-07-18 16:37:49 admin
現代工業的發展,對實驗、研究和生產的環境提出的要求越來越高,實現這一要求的主要途徑是在潔凈空調系統中廣泛使用空氣過濾器。其中高效(HEPA)和超高效(ULPA)過濾器是塵粒進入潔凈室的最后一道防護,它的性能優劣直接關系到潔凈室等級,進而影響工藝過程和產品質量。因此對過濾器進行實驗研究是很有意義的。在不同的風速下,通過測定玻璃纖維過濾器和PTFE過濾器對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。結果表明,風速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風速越高過濾效率越低,對PTFE過濾器而言這種影響更明顯。
隨著科學技術的不斷發展現代工業產品的生產和現代化科學實驗活動對室內空氣潔凈度的要求越來越高,特別是微電子、醫療、化工、生物、食品加工等行業都要求有微型化、精密化、高純度、高質量和高可靠性的室內環境,這就對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價過濾器的兩個重要指標,本文就是試圖通過實驗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構的過濾器的過濾性能和阻力性能,從而為過濾器生產廠家提供理論依據。
1 測試方法分析
高效空氣過濾器的檢測方法很多,不同國家有不同標準。1956年美國軍事委員會制定了高效空氣過濾器檢測標準USMIL-STD282,效率檢測用DOP法。1965年英國制定了英國標準BS3928,效率檢測用鈉焰法。1973年歐洲通風協會制定了Eurovent4/4標準,沿用了鈉焰檢測法。后來美國環境檢測過濾器效率科學學會編制了一系列推薦檢測方法的類似標準,均采用DOP計徑計數法。歐洲在1999年制定了BSEN1822標準,采用最易透過粒徑(MPPS)檢測過濾效率[4]。我國檢測標準采用鈉焰法,本實驗采用的高效空氣過濾器性能檢測系統是基于美國52. 2標準開發設計的。檢測方法使用計徑計數法,氣溶膠采用P.A.O粒子。
1. 1 主要儀器
本實驗采用了兩臺粒子計數器,粒子計數器與其它粒子濃度測試設備相比,具有簡單、方便、快捷和直觀的優點[5]。粒子計數器的上述優點使其逐漸取代了其它方法,成為粒子濃度的主要測試手段。它們既能統計粒子數量又能統計粒徑分布(即計徑計數),是本實驗的核心設備。采樣流量為28. 6LPM,其無碳真空泵具有噪聲低,性能穩定的特點。如果安裝選件,可對溫濕度以及風速進行測量,并可進行過濾器檢測。
本檢測系統采用氣溶膠采用P.A.O粒子作為待過濾粉塵。我們采用美國生產的型號是TDA-5B的氣溶膠發生器(Aerosol generations)發塵。發生范圍500 - 65000cfm (1cfm = 28.6LPM),發生濃度100μg/L, 6500cfm; 10μg/L,65000cfm。
1. 2 潔凈室
為了提高實驗的精度,根據美國聯邦標準209C設計裝修了10000級實驗室,采用涂料地面,其特點是具有水磨石優點,耐磨,密封性好,有彈性,施工復雜。材料是環氧樹脂漆,墻面采用裝配式潔凈室壁板。室內設有220v, 2×40w凈化燈具6盞并且根據照度的要求和現場設備進行布置。潔凈室有4個頂送風口和4個回風口,風淋室設計為單人普通型觸摸控制,風淋時間為0-100s,任意可調循環風量噴嘴風速大于等于20m/s。因潔凈室面積<50m2,人員<5人,因此給該潔凈室設了一個安全出口。選用的高效過濾器是GB01×4,風量1000m3/h,過濾效率大于等于0.5μm、99. 995%。
1 . 3 實驗樣品
玻璃纖維過濾器的型號分別為:規格610(L)×610(H)×150(W)mm,擋板型,有75個褶皺,規格610(L)×610(H)×90(W)mm,有200個褶皺, PTFE過濾器的規格480(L)×480(H)×70(W)mm,無擋板型,有100個褶皺。
2 基本原理
試驗臺的基本原理是由風機鼓入空氣,由于在HEPA/UEPA前面也裝有高效空氣過濾器,所以可以認為空氣在到達測試的HEPA/UEPA前已成為潔凈的空氣,這時使用氣溶膠發生器向管道中發出P.A.O粒子,形成理想濃度的含塵氣體并使用激光粒子計數器測定顆粒濃度。然后含塵氣體流過測試的HEPA/UEPA,同樣使用激光粒子計數器測定經HEPA/UEPA過濾后的空氣中的含塵濃度,對比過濾器前后空氣的含塵濃度,據此可以測定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來測試每一風速下的阻力大小。
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,阻力特性關系到使用的成本,阻力小時,耗能少,節約了成本.因此過濾器的阻力性能成為人們關注的重要指標之一。
根據實驗測量數據,得出玻纖的兩種不同結構過濾器以及PTFE過濾器的平均風速與過濾器壓差的關系,其關系見圖2:
由實驗數據可以看出,隨著風速的增加,過濾器的阻力均由由低向高線性遞增,而且玻璃纖維兩個過濾器得出的兩條直線基本重合。容易看出,當過濾風速為1m/s時,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系并不是完全一致的,而且相同面速下規格610×610×90mm的過濾器的阻力高于規格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優于玻纖濾料。為了更進一步了解玻纖濾料與PTFE阻力方面的特性,又進一步做了實驗。直接研究兩種濾紙的阻力隨過濾風速變化的情況,實驗結果如下圖所示:
4 過濾器過濾性能比較
根據實驗條件,可以測得過濾器對粒徑為0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同風速下的過濾效率,得到以下圖表：
很顯然,這兩個玻纖過濾器在不同風速下對1.0μm粒子的過濾效率都為100%,對0. 3μm、05μm粒子的過濾效率隨風速的增大都有降低的趨勢,亦可以看出過濾器對大顆粒的過濾效率高于對小顆粒的過濾效率,而且規格610×610×150mm過濾器的過濾性能優于規格610×610×90mm的過濾器。
用相同的方法,得到規格480×480×70mm的PTFE過濾器的過濾效率隨風速變化的關系的圖表:
比較圖表5和圖表6,對0. 3μm, 0. 5μm粒子玻纖過濾器的過濾效果更好一些,特別是對于0.3μm的粉塵對比效果更明顯。三者對1μm粒子的過濾效果都為100%。
為了更直觀的對比玻纖濾料與PTFE濾料的過濾性能,直接對兩種濾紙進行了過濾性能測試,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0. 3μm的粒子在不同風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,探討不同過濾器應用的前景。從實驗中我們可以得出這樣的結論,風速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風速越高過濾效率越低,對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。本實驗中所選用的規格610×610×150mm的玻纖高效過濾器阻力比規格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,因此生產過濾器時要綜合考慮各種因素兼顧技術性能和經濟性能。
隨著科學技術的不斷發展現代工業產品的生產和現代化科學實驗活動對室內空氣潔凈度的要求越來越高,特別是微電子、醫療、化工、生物、食品加工等行業都要求有微型化、精密化、高純度、高質量和高可靠性的室內環境,這就對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價過濾器的兩個重要指標,本文就是試圖通過實驗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構的過濾器的過濾性能和阻力性能,從而為過濾器生產廠家提供理論依據。
1 測試方法分析
高效空氣過濾器的檢測方法很多,不同國家有不同標準。1956年美國軍事委員會制定了高效空氣過濾器檢測標準USMIL-STD282,效率檢測用DOP法。1965年英國制定了英國標準BS3928,效率檢測用鈉焰法。1973年歐洲通風協會制定了Eurovent4/4標準,沿用了鈉焰檢測法。后來美國環境檢測過濾器效率科學學會編制了一系列推薦檢測方法的類似標準,均采用DOP計徑計數法。歐洲在1999年制定了BSEN1822標準,采用最易透過粒徑(MPPS)檢測過濾效率[4]。我國檢測標準采用鈉焰法,本實驗采用的高效空氣過濾器性能檢測系統是基于美國52. 2標準開發設計的。檢測方法使用計徑計數法,氣溶膠采用P.A.O粒子。
1. 1 主要儀器
本實驗采用了兩臺粒子計數器,粒子計數器與其它粒子濃度測試設備相比,具有簡單、方便、快捷和直觀的優點[5]。粒子計數器的上述優點使其逐漸取代了其它方法,成為粒子濃度的主要測試手段。它們既能統計粒子數量又能統計粒徑分布(即計徑計數),是本實驗的核心設備。采樣流量為28. 6LPM,其無碳真空泵具有噪聲低,性能穩定的特點。如果安裝選件,可對溫濕度以及風速進行測量,并可進行過濾器檢測。
本檢測系統采用氣溶膠采用P.A.O粒子作為待過濾粉塵。我們采用美國生產的型號是TDA-5B的氣溶膠發生器(Aerosol generations)發塵。發生范圍500 - 65000cfm (1cfm = 28.6LPM),發生濃度100μg/L, 6500cfm; 10μg/L,65000cfm。
1. 2 潔凈室
為了提高實驗的精度,根據美國聯邦標準209C設計裝修了10000級實驗室,采用涂料地面,其特點是具有水磨石優點,耐磨,密封性好,有彈性,施工復雜。材料是環氧樹脂漆,墻面采用裝配式潔凈室壁板。室內設有220v, 2×40w凈化燈具6盞并且根據照度的要求和現場設備進行布置。潔凈室有4個頂送風口和4個回風口,風淋室設計為單人普通型觸摸控制,風淋時間為0-100s,任意可調循環風量噴嘴風速大于等于20m/s。因潔凈室面積<50m2,人員<5人,因此給該潔凈室設了一個安全出口。選用的高效過濾器是GB01×4,風量1000m3/h,過濾效率大于等于0.5μm、99. 995%。
1 . 3 實驗樣品
玻璃纖維過濾器的型號分別為:規格610(L)×610(H)×150(W)mm,擋板型,有75個褶皺,規格610(L)×610(H)×90(W)mm,有200個褶皺, PTFE過濾器的規格480(L)×480(H)×70(W)mm,無擋板型,有100個褶皺。
2 基本原理
試驗臺的基本原理是由風機鼓入空氣,由于在HEPA/UEPA前面也裝有高效空氣過濾器,所以可以認為空氣在到達測試的HEPA/UEPA前已成為潔凈的空氣,這時使用氣溶膠發生器向管道中發出P.A.O粒子,形成理想濃度的含塵氣體并使用激光粒子計數器測定顆粒濃度。然后含塵氣體流過測試的HEPA/UEPA,同樣使用激光粒子計數器測定經HEPA/UEPA過濾后的空氣中的含塵濃度,對比過濾器前后空氣的含塵濃度,據此可以測定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來測試每一風速下的阻力大小。
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,阻力特性關系到使用的成本,阻力小時,耗能少,節約了成本.因此過濾器的阻力性能成為人們關注的重要指標之一。
根據實驗測量數據,得出玻纖的兩種不同結構過濾器以及PTFE過濾器的平均風速與過濾器壓差的關系,其關系見圖2:
由實驗數據可以看出,隨著風速的增加,過濾器的阻力均由由低向高線性遞增,而且玻璃纖維兩個過濾器得出的兩條直線基本重合。容易看出,當過濾風速為1m/s時,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系并不是完全一致的,而且相同面速下規格610×610×90mm的過濾器的阻力高于規格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優于玻纖濾料。為了更進一步了解玻纖濾料與PTFE阻力方面的特性,又進一步做了實驗。直接研究兩種濾紙的阻力隨過濾風速變化的情況,實驗結果如下圖所示:
4 過濾器過濾性能比較
根據實驗條件,可以測得過濾器對粒徑為0.3μm, 0. 5μm, 1. 0μm粒子在不同風速下的過濾效率,得到以下圖表：
很顯然,這兩個玻纖過濾器在不同風速下對1.0μm粒子的過濾效率都為100%,對0. 3μm、05μm粒子的過濾效率隨風速的增大都有降低的趨勢,亦可以看出過濾器對大顆粒的過濾效率高于對小顆粒的過濾效率,而且規格610×610×150mm過濾器的過濾性能優于規格610×610×90mm的過濾器。
用相同的方法,得到規格480×480×70mm的PTFE過濾器的過濾效率隨風速變化的關系的圖表:
比較圖表5和圖表6,對0. 3μm, 0. 5μm粒子玻纖過濾器的過濾效果更好一些,特別是對于0.3μm的粉塵對比效果更明顯。三者對1μm粒子的過濾效果都為100%。
為了更直觀的對比玻纖濾料與PTFE濾料的過濾性能,直接對兩種濾紙進行了過濾性能測試,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0. 3μm的粒子在不同風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,探討不同過濾器應用的前景。從實驗中我們可以得出這樣的結論,風速是影響高效空氣過濾器過濾效果的很重要的因素,風速越高過濾效率越低,對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。本實驗中所選用的規格610×610×150mm的玻纖高效過濾器阻力比規格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,因此生產過濾器時要綜合考慮各種因素兼顧技術性能和經濟性能。
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深圳市藍思凈化科技有限公司，致力于凈化行業十余年，是一家集空氣過濾器和凈化設備研發，生產與銷售的高科技企業，產品涵蓋各行業所需的空氣凈化設備及服務，包括對顆粒物（PM10,PM2.5,PM0.1)、病菌、氣態分子污染物(TVOC, 酸性，堿性氣體）等的評估和檢測，并提供全面有效的空氣凈化解決方案。公司從國外引進目前世界最先進的無隔板過濾器生產線及專有技術。可按GB/T 14295-2008國家標準，GB/T 13554-2008國家標準及國家GMP規范要求為生物制藥。。。。。
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