過(guò)濾器的效率按GB 6165-85規定,進(jìn)行了鈉焰法測試.測試效率時(shí)的風(fēng)量與測試阻力時(shí)的風(fēng)量相同,結果表明,過(guò)濾器的效率均不低于99. 99%
1、引言(Introduction)
“靈潔”牌高效空氣過(guò)濾器(High-Efficiency ParticulateAirFilter, HEPA Filter)能夠在極高收集效率(≥99.97% )下去除低濃度的亞微米粒子,美國原子能委員會(huì )于20世紀40年代就將其用于實(shí)驗型反應堆中去除放射性塵埃(Anglenetal., 2003),現在已成為世界各國核工業(yè)中普遍采用的防止放射性氣溶膠污染大氣的一種重要的環(huán)保設備.降低高效空氣過(guò)濾器的阻力,可以明顯降低通風(fēng)系統的建造和運行成本.研究阻力與其他結構參數之間的關(guān)系、降低過(guò)濾器阻力是過(guò)濾理論及實(shí)驗研究的核心任務(wù)之一(付海明等, 2003).
過(guò)濾理論及實(shí)驗研究始于20世紀初. 1922年,Freundlich提出在0. 1~0. 2μm半徑范圍內的氣溶膠顆粒物存在最大滲透率(Spurny, 1997).此后,國內外許多學(xué)者對空氣過(guò)濾理論進(jìn)行了大量的研究,給出了過(guò)濾器阻力的計算公式,但計算結果與實(shí)測數據存在較大的偏差(林忠平, 1998;許鐘麟,1998).Thomas(2001)等對非穩態(tài)條件下的過(guò)濾器阻力進(jìn)行了實(shí)驗和模擬研究.到目前為止,現有的理論無(wú)法直接用于指導過(guò)濾器的生產(chǎn)實(shí)踐.本文通過(guò)實(shí)驗改進(jìn)高效空氣過(guò)濾器的結構形式,找出阻力最低時(shí)高效空氣過(guò)濾器的結構參數,探討高效過(guò)濾器的結構與阻力之間的關(guān)系,對于開(kāi)發(fā)高性能的空氣過(guò)濾器、探討過(guò)濾理論具有重要的意義.
2、理論分析(Theoretical analysis)
高效空氣過(guò)濾器的阻力分為過(guò)濾材料阻力和結構阻力兩部分.
2. 1 過(guò)濾材料阻力
目前,人們習慣用達西定律來(lái)研究過(guò)濾材料的阻力.過(guò)濾理論認為,在低流速、小雷諾數的情況下,多孔介質(zhì)兩端的壓差服從達西(Darcy)定律:
2. 2、“靈潔”牌過(guò)濾器結構阻力
在過(guò)濾器結構阻力方面,相關(guān)的理論研究較少.結構阻力分為兩部分,一部分是空氣流進(jìn)、流出過(guò)濾器時(shí),由于通風(fēng)面積發(fā)生突變(進(jìn)風(fēng)時(shí)突縮、出風(fēng)時(shí)突擴)而產(chǎn)生的能量損失;一部分是空氣在過(guò)濾器內流動(dòng)時(shí)受到過(guò)濾材料、分隔物阻擋、摩擦而產(chǎn)生的能量損失.通過(guò)研究空氣在過(guò)濾器氣流通道內的流動(dòng)情況,可以計算結構阻力.
2. 3 通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定合理的高效空氣過(guò)濾器的結構參數
在過(guò)濾器的過(guò)濾材料、外形尺寸、通風(fēng)量一定時(shí),增加過(guò)濾器的濾料面積可以降低空氣穿過(guò)過(guò)濾材料的速度.根據公式(1),會(huì )降低濾料阻力.同時(shí),增加濾料面積時(shí)所采取的措施(如減小濾紙褶的間距、增大濾紙褶的深度),常常會(huì )導致結構阻力的升高.綜合作用的結果就是存在最佳的結構參數,使過(guò)濾器的總阻力最低.現有的理論無(wú)法得出準確的結構參數,使高效空氣過(guò)濾器的阻力降至最低,因此,通過(guò)實(shí)驗研究.優(yōu)化阻力最低時(shí)高效空氣過(guò)濾器的結構參數,可以指導過(guò)濾器的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā).本文從過(guò)濾材料的褶間距、褶深度、褶形狀三個(gè)方面來(lái)研究過(guò)濾器的結構與阻力的關(guān)系.
3、材料與方法(Materials andmethods)
實(shí)驗過(guò)濾器選用平板密褶型高效空氣過(guò)濾器和有隔板的高效空氣過(guò)濾器,過(guò)濾材料選用進(jìn)口的和國產(chǎn)的高效空氣過(guò)濾玻纖濾紙(本文中分別用濾紙A和濾紙B表示).
4、結果(Results)
4. 1 過(guò)濾材料的阻力特性
目前,高效空氣過(guò)濾材料有玻纖濾紙、駐極體聚丙烯、PTFE等(范存養等, 2001),其中玻纖濾紙性能穩定、價(jià)格合理,是主流的高效空氣過(guò)濾材料,而其他過(guò)濾材料或價(jià)格昂貴或性能不穩定,尚未得到廣泛應用.圖1為本實(shí)驗中選用的兩種過(guò)濾材料的阻力性能測試結果.可以看出,進(jìn)口濾紙A的阻力明顯低于國產(chǎn)濾紙B.
4. 2 褶間距對阻力的影響
在高效空氣過(guò)濾器外形尺寸一定的情況下,減小濾料的褶間距,可以增加過(guò)濾器的濾料面積,減小濾速,降低氣流穿透濾料的阻力.但隨著(zhù)褶間距的減小,氣流通道也將變小,會(huì )增大氣流在氣道內流動(dòng)的能量損失(阻力).所以,存在一合適的褶間距,使過(guò)濾器的總阻力降至最低.為此,本文對不同濾料、不同褶間距的3種尺寸的平板密褶型高效空氣過(guò)濾器,在1000 m³.h-1風(fēng)量下的阻力進(jìn)行了測試,
在本實(shí)驗范圍內,兩種濾料、3種常見(jiàn)規格平板密褶型高效空氣過(guò)濾器存在不同的最佳褶間距.而且兩種濾料有著(zhù)相同的規律,隨著(zhù)褶深的增大,最佳褶間距也相應增大.阻力最低的結構參數見(jiàn)表2.
與文獻報道的結構參數不同(徐小浩, 2005).這也說(shuō)明,同樣結構形式的過(guò)濾器,采用不同的過(guò)濾材料對應有不同的最佳結構參數.有隔板的高效空氣過(guò)濾器是另一類(lèi)常見(jiàn)的過(guò)濾器.表3是用濾料B制作的兩種尺寸的過(guò)濾器阻力實(shí)測結果.從表3的數據來(lái)看,深度為150 mm的有隔板HEPA過(guò)濾器,在褶間距為4. 8 mm(分隔板波紋高2. 4 mm)時(shí)阻力最低;深度為292 mm的有隔板HEPA過(guò)濾器,最佳褶間距為5. 4 mm(分隔板波紋高2. 7 mm).
可以看到,不管是密褶型還是有隔板的高效空氣過(guò)濾器,當濾料褶深度確定時(shí),存在最佳的濾料褶間距.隨著(zhù)濾料褶深度的增加,其最佳褶間距也相應增大.不同的濾料有不同的最佳的結構形式.
4. 3、褶深度對阻力的影響
在對過(guò)濾器的深度尺寸沒(méi)有嚴格要求的情況下,增加濾料褶的深度也可以有效增加濾料面積,降低氣流穿透濾料的阻力.濾料褶深度的增加,同樣會(huì )導致氣流通道內摩擦阻力的增大,因此,也存在一個(gè)最合理的使過(guò)濾器阻力最低的濾料褶深度.
是一組平板密褶型高效空氣過(guò)濾器的阻力曲線(xiàn).高效空氣過(guò)濾器的端面尺寸是610 mm×610mm,褶間距為3. 3 mm,采用進(jìn)口濾料A,深度分別是50 mm、60 mm、69 mm、80 mm和90 mm,在850m³.h-1、1000 m³.h-1風(fēng)量下測定了過(guò)濾器的阻力.從圖2中可以清楚地看出,對于固定的褶間距,存在最佳的使過(guò)濾器的阻力最低的濾料褶深度.
組用國產(chǎn)濾料B制作的有隔板的高效空氣過(guò)濾器的阻力曲線(xiàn).在常用的有隔板HEPA過(guò)濾器的深度范圍內(120~320mm),增加過(guò)濾器深度可有效降低過(guò)濾器阻力.過(guò)濾器深度較小(120 mm)時(shí),這種影響更大;當過(guò)濾器深度較大(292 mm)時(shí),增加深度導致的阻力降低不明顯.
可見(jiàn),對于固定的濾料褶間距,對應有最佳的使過(guò)濾器阻力最低的濾料褶深度.為了降低過(guò)濾器阻力,可以增加濾料褶深度,但同時(shí)必須考慮調整濾料的褶間距.
4. 4、褶形狀對阻力的影響
通常,波紋分隔板一邊抵住濾料褶的底部,一邊露出濾料褶5mm,其寬度比濾料褶的深度大5~8mm,形成矩形剖面的氣流通道.減小波紋分隔板的寬度,通過(guò)特定的制造工藝,可以使濾料褶的底部形成大小不一的V字形狀.兩種氣流通道如圖4所示.
本實(shí)驗采用的有隔板的高效空氣過(guò)濾器外形尺寸為: 610mm×610mm×292mm,分隔板波紋高度3. 8mm,測得其在1700m³.h-1風(fēng)量下的阻力如圖5所示.
顯然,當濾料褶數和褶深度相同時(shí),采用V字形剖面氣流通道的過(guò)濾器,與采用矩形剖面氣流通道的過(guò)濾器相比,濾料面積要略小(矩形氣流通道,即d=0時(shí),過(guò)濾器的濾料面積為23. 9 m²;d=30mm時(shí)V字形剖面氣流通道的過(guò)濾器,濾料面積為23.6 m². ).但根據阻力的實(shí)測情況來(lái)看,過(guò)濾器的阻力反而更低.即V字形剖面的氣流通道可以用更小的濾料面積獲得更低的過(guò)濾器阻力.當d=15 mm時(shí),濾料面積為23. 608 m²;當d=40mm時(shí),濾料面積為23. 602 m²,可以認為,兩者的過(guò)濾面積基本相同,所以過(guò)濾器的濾料阻力也基本相同,這時(shí)過(guò)濾器的阻力差(12Pa)基本上就是結構阻力的差值,可見(jiàn),V字形剖面的氣流通道是一種阻力更低的氣流通道形式.斜波紋板有隔板的高效空氣過(guò)濾器,不僅是增加了過(guò)濾面積,實(shí)際上也是采用了一種更優(yōu)的氣流通道形式.
5、討論(Discussion)
5. 1 阻力的理論計算值與實(shí)際測量值的比較公式(3)是許鐘麟(1998)給出的高效過(guò)濾器阻力計算公式.
根據公式作者對實(shí)驗中的36臺有隔板的HEPA過(guò)濾器的阻力進(jìn)行了計算,計算結果和實(shí)測結果如表4所示.計算值和實(shí)測值的偏差主要是濾料的不均勻性、工藝的不穩定性以及某些參數選取的不確定性引起的.
5. 2、對過(guò)濾器的效率的影響
過(guò)濾器的效率按GB 6165-85規定,進(jìn)行了鈉焰法測試.測試效率時(shí)的風(fēng)量與測試阻力時(shí)的風(fēng)量相同,結果表明,過(guò)濾器的效率均不低于99. 99%.但不同結構參數的HEPA過(guò)濾器,其過(guò)濾效率不存在明顯的規律.結構最優(yōu)、阻力最低的過(guò)濾器,效率不一定最高.這說(shuō)明,合理的結構優(yōu)化能在保證效率的前提下明顯降低HEPA過(guò)濾器的阻力.
6、結論(Conclusions)
1)存在最佳的結構參數使HEPA過(guò)濾器的阻力最低,但理論計算值與實(shí)際情況尚有差距.
2)不同的過(guò)濾材料對應有不同的過(guò)濾器最佳結構參數.進(jìn)口濾料的褶深為33、52 mm和73 mm時(shí),對應阻力最低的褶間距分別為2. 7、3. 4 mm和4. 0 mm;國產(chǎn)濾料的褶深為33、52、73、105 mm和245 mm時(shí),對應阻力最低的褶間距分別為2. 5、3.1、3. 7、4. 8 mm和5. 4 mm.
3) V字形氣流通道是一種阻力更低的氣流通道形式.合理的結構優(yōu)化能在保證效率的前提下,明顯降低高效空氣過(guò)濾器的阻力.
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