Розвиток сучасної промисловості ставить зростаючі вимоги до середовища експериментів, досліджень та виробництва. Основним способом досягнення цієї вимоги є широке використання повітряних фільтрів у системах кондиціонування чистого повітря. Серед них фільтри HEPA та ULPA є останнім захистом від частинок пилу, що потрапляють у чисте приміщення. Їхня продуктивність безпосередньо пов'язана з рівнем чистоти приміщення, що, у свою чергу, впливає на якість процесу та продукції. Тому є доцільним провести експериментальні дослідження фільтра. Характеристики опору та фільтраційної здатності двох фільтрів порівнювали за різних швидкостей вітру шляхом вимірювання ефективності фільтрації скловолокнистого фільтра та PTFE-фільтра для частинок PAO розміром 0,3 мкм, 0,5 мкм та 1,0 мкм. Результати показують, що швидкість вітру є дуже важливим фактором, що впливає на ефективність фільтрації повітряних фільтрів HEPA. Чим вища швидкість вітру, тим нижча ефективність фільтрації, і цей ефект більш помітний для PTFE-фільтрів.
Ключові слова:Повітряний фільтр HEPA; Опір; продуктивність фільтрації; фільтрувальний папір PTFE; фільтрувальний папір зі скловолокна; фільтр зі скловолокна.
Номер CLC: X964 Ідентифікаційний код документа: A
З безперервним розвитком науки і техніки, виробництво та модернізація сучасної промислової продукції стають дедалі вимогливішими до чистоти повітря в приміщеннях. Зокрема, мікроелектроніка, медицина, хімічна, біологічна, харчова та інші галузі промисловості потребують мініатюризації. Точність, висока чистота, висока якість та висока надійність внутрішнього середовища висувають дедалі вищі вимоги до продуктивності повітряного фільтра HEPA, тому нагальною потребою виробників стало виготовлення HEPA-фільтра для задоволення споживчого попиту. Одна з вирішених проблем [1-2]. Загальновідомо, що опір та ефективність фільтрації фільтра є двома важливими показниками для оцінки фільтра. У цій статті зроблено спробу проаналізувати продуктивність фільтрації та опір повітряного фільтра HEPA з різних фільтруючих матеріалів за допомогою експериментів [3] та різних структур одного й того ж фільтруючого матеріалу. Фільтруючі властивості та властивості опору фільтра забезпечують теоретичну основу для виробника фільтрів.
1 Аналіз методу випробування
Існує багато методів виявлення повітряних фільтрів HEPA, і різні країни мають різні стандарти. У 1956 році Військова комісія США розробила стандарт USMIL-STD282 для випробування повітряних фільтрів HEPA та метод DOP для випробування ефективності. У 1965 році був встановлений британський стандарт BS3928, і для виявлення ефективності використовувався метод натрієвого полум'я. У 1973 році Європейська асоціація вентиляції розробила стандарт Eurovent 4/4, який слідував методу виявлення натрієвого полум'я. Пізніше Американське товариство екологічних випробувань та науки про ефективність фільтрів склало серію подібних стандартів для рекомендованих методів випробувань, усі з яких використовували метод каліперного підрахунку DOP. У 1999 році Європа встановила стандарт BSEN1822, який використовує найпрозоріший розмір частинок (MPPS) для виявлення ефективності фільтрації [4]. Стандарт виявлення Китаю використовує метод натрієвого полум'я. Система виявлення ефективності повітряного фільтра HEPA, що використовується в цьому експерименті, розроблена на основі стандарту США 52.2. Метод виявлення використовує метод каліперного підрахунку, а аерозоль використовує частинки PAO.
1. 1 основний інструмент
У цьому експерименті використовуються два лічильники частинок, які є простими, зручними, швидкими та інтуїтивно зрозумілими порівняно з іншим обладнанням для вимірювання концентрації частинок [5]. Вищезазначені переваги лічильника частинок змушують його поступово замінити інші методи та стати основним методом випробування концентрації частинок. Вони можуть підраховувати як кількість частинок, так і розподіл частинок за розміром (тобто підраховувати кількість), що є основним обладнанням цього експерименту. Швидкість відбору проб становить 28,6 л/хв, а його безвуглецевий вакуумний насос має характеристики низького рівня шуму та стабільної роботи. Якщо встановлено опцію, можна виміряти температуру та вологість, а також швидкість вітру, а також протестувати фільтр.
Система виявлення використовує аерозолі, що використовують частинки поліацетату (PAO) як пил, що фільтрується. Ми використовуємо генератори аерозолів (генератори аерозолів) моделі TDA-5B, вироблені в США. Діапазон поширення становить 500–65000 куб. футів/хв (1 куб. футів/хв = 28,6 л/хв), а концентрація становить 100 мкг/л, 6500 куб. футів/хв; 10 мкг/л, 65000 куб. футів/хв.
1. 2 чисті кімнати
Для підвищення точності експерименту лабораторію рівня 10 000 було спроектовано та оформлено відповідно до федерального стандарту США 209C. Використано покриття підлоги, яке характеризується перевагами терраццо, зносостійкості, гарної герметизації, гнучкості та складної конструкції. Матеріал - епоксидний лак, а стіни виготовлені з збірного сайдингу для чистої кімнати. Кімната обладнана очисними лампами 220 В, 2×40 Вт (6 шт.) та розташована відповідно до вимог освітлення та польового обладнання. Чиста кімната має 4 верхні випускні отвори для повітря та 4 отвори для повернення повітря. Кімната з повітряним душем розроблена для одноразового сенсорного керування. Час повітряного душу становить 0-100 с, а швидкість вітру будь-якої регульованої насадки для циркуляції повітря перевищує або дорівнює 20 мс. Оскільки площа чистої кімнати <50 м2, а персонал <5 осіб, з чистої кімнати передбачено безпечний вихід. Вибрано HEPA-фільтр GB01×4, об'єм повітря становить 1000 м3/год, а ефективність фільтрації перевищує або дорівнює 0,5 мкм та становить 99,995%.
1. 3 експериментальні зразки
Моделі скловолокнистого фільтра: 610 (Д) × 610 (В) × 150 (Ш) мм, перегородкового типу, 75 складок, розмір 610 (Д) × 610 (В) × 90 (Ш) мм, з 200 складками, розмір PTFE-фільтра 480 (Д) × 480 (В) × 70 (Ш) мм, без перегородки, зі 100 складками.
2 Основні принципи
Основний принцип випробувального стенду полягає в тому, що вентилятор вдуває повітря. Оскільки HEPA/UEPA також оснащений повітряним фільтром HEPA, можна вважати, що повітря стало чистим ще до досягнення випробуваного HEPA/UEPA. Пристрій викидає частинки PAO у трубопровід для формування бажаної концентрації пилового газу та використовує лазерний лічильник частинок для визначення концентрації частинок. Потім пиловий газ проходить через випробуваний HEPA/UEPA, і концентрація пилових частинок у повітрі, відфільтрованому HEPA/UEPA, також вимірюється за допомогою лазерного лічильника частинок, а концентрація пилу в повітрі до та після фільтра порівнюється, тим самим визначаючи продуктивність HEPA/UEPA. Крім того, отвори для відбору проб розташовані відповідно до фільтра, а опір вітру кожної швидкості перевіряється за допомогою нахиленого мікроманометра.
Порівняння характеристик опору 3 фільтрів
Характеристика опору HEPA-фільтра є однією з важливих характеристик HEPA-фільтра. З огляду на ефективність задоволення потреб людей, характеристики опору пов'язані з вартістю використання, опір невеликий, споживання енергії невелике, а витрати економляться. Тому характеристики опору фільтра стали важливими. Це один з важливих показників.
Згідно з експериментальними даними вимірювань, отримано зв'язок між середньою швидкістю вітру двох різних структурних фільтрів зі скловолокна та PTFE-фільтра та різницею тиску на фільтрі.Зв'язок показано на рисунку 2:
З експериментальних даних видно, що зі збільшенням швидкості вітру опір фільтра лінійно зростає від низького до високого значення, і дві прямі лінії двох фільтрів зі скловолокна суттєво збігаються. Легко побачити, що коли швидкість фільтраційного вітру становить 1 м/с, опір фільтра зі скловолокна приблизно в чотири рази більший, ніж у фільтра з PTFE.
Знаючи площу фільтра, можна визначити залежність між швидкістю потоку на поверхні та різницею тисків на фільтрі:
З експериментальних даних видно, що зі збільшенням швидкості вітру опір фільтра лінійно зростає від низького до високого значення, і дві прямі лінії двох фільтрів зі скловолокна суттєво збігаються. Легко побачити, що коли швидкість фільтраційного вітру становить 1 м/с, опір фільтра зі скловолокна приблизно в чотири рази більший, ніж у фільтра з PTFE.
Знаючи площу фільтра, можна визначити залежність між швидкістю потоку на поверхні та різницею тисків на фільтрі:
Через різницю між поверхневою швидкістю двох типів фільтрів та різницю тиску фільтра двох фільтрувальних паперів, опір фільтра зі специфікацією 610×610×90 мм за тієї ж поверхневої швидкості вищий, ніж специфікація 610×. Опір фільтра 610 x 150 мм.
Однак, очевидно, що за тієї ж швидкості поверхні опір скловолокнистого фільтра вищий, ніж опір PTFE. Це показує, що PTFE перевершує скловолокнистий фільтр з точки зору опору. Для кращого розуміння характеристик скловолокнистого фільтра та опору PTFE були проведені подальші експерименти. Безпосередньо дослідивши опір двох фільтрувальних паперів залежно від зміни швидкості вітру фільтра, результати експериментів наведено нижче:
Це додатково підтверджує попередній висновок про те, що опір фільтрувального паперу зі скловолокна вищий, ніж у PTFE за тієї ж швидкості вітру [6].
Порівняння продуктивності 4-фільтрових фільтрів
Відповідно до експериментальних умов, можна виміряти ефективність фільтрації фільтра для частинок з розміром частинок 0,3 мкм, 0,5 мкм та 1,0 мкм за різних швидкостей вітру, і отримати наступну діаграму:
Очевидно, що ефективність фільтрації двох скловолокнистих фільтрів для частинок розміром 1,0 мкм за різних швидкостей вітру становить 100%, а ефективність фільтрації частинок розміром 0,3 мкм та 0,5 мкм зменшується зі збільшенням швидкості вітру. Видно, що ефективність фільтрації фільтра для великих частинок вища, ніж для дрібних частинок, а продуктивність фільтрації фільтра 610×610×150 мм перевершує фільтр зі специфікацією 610×610×90 мм.
Використовуючи той самий метод, отримано графік, що показує залежність між ефективністю фільтрації PTFE-фільтра розміром 480×480×70 мм як функції швидкості вітру:
Порівнюючи рис. 5 та рис. 6, можна побачити, що фільтраційний ефект скляного фільтра з розміром частинок 0,3 мкм та 0,5 мкм кращий, особливо для контрастного ефекту пилу 0,3 мкм. Фільтраційний ефект трьох частинок на частинках розміром 1 мкм становив 100%.
Для більш інтуїтивного порівняння фільтраційної здатності фільтра зі скловолокна та фільтрувального матеріалу з PTFE, випробування продуктивності фільтра були проведені безпосередньо на двох фільтрувальних паперах, і була отримана наступна діаграма:
Наведена вище діаграма отримана шляхом вимірювання фільтраційного ефекту PTFE та скловолоконного фільтрувального паперу на частинках розміром 0,3 мкм за різних швидкостей вітру [7-8]. Очевидно, що ефективність фільтрації PTFE-фільтрового паперу нижча, ніж у скловолоконного фільтрувального паперу.
Враховуючи властивості опору та фільтраційні властивості фільтрувального матеріалу, легко побачити, що фільтрувальний матеріал PTFE більше підходить для виготовлення грубих або суб-HEPA-фільтрів, а фільтрувальний матеріал зі скловолокна більше підходить для виготовлення HEPA або ультра-HEPA-фільтрів.
5 Висновок
Перспективи різних застосувань фільтрів досліджуються шляхом порівняння властивостей опору та фільтраційних властивостей PTFE-фільтрів зі скловолокнистими фільтрами. З експерименту можна зробити висновок, що швидкість вітру є дуже важливим фактором, що впливає на фільтраційний ефект повітряного HEPA-фільтра. Чим вища швидкість вітру, тим нижча ефективність фільтрації, тим більш помітний вплив на PTFE-фільтр, і загалом PTFE-фільтр має нижчий фільтраційний ефект, ніж скловолоконний фільтр, але його опір нижчий, ніж у скловолоконного фільтра. Тому PTFE-фільтр більше підходить для виготовлення грубих або субвисокоефективних фільтрів, а скловолоконний фільтр більше підходить для виробництва ефективних або надефективних фільтрів. Скловолокнистий HEPA-фільтр зі специфікацією 610×610×150 мм менший, ніж скловолоконний HEPA-фільтр 610×610×90 мм, а продуктивність фільтрації краща, ніж у скловолоконного HEPA-фільтра 610×610×90 мм. Наразі ціна на чистий PTFE-фільтр вища, ніж на скловолоконний. Однак, порівняно зі скловолокном, PTFE має кращу термостійкість, стійкість до корозії та гідролізу, ніж скловолокно. Тому під час виробництва фільтра слід враховувати різні фактори. Поєднуйте технічні характеристики та економічні показники.
Список літератури:
[1] Лю Лайхун, Ван Шихун. Розробка та застосування повітряних фільтрів [J]•Фільтрація та розділення, 2000, 10(4): 8-10.
[2] Повітряний фільтр К. Н. Девіса [M], переклад Хуан Рігуана. Пекін: Видавництво атомної енергії, 1979.
[3] GB/T6165-1985 Метод випробування ефективності високоефективного повітряного фільтра на пропускання та опір [M]. Національне бюро стандартів, 1985.
[4] Сін Сонгнянь. Метод виявлення та практичне застосування високоефективного повітряного фільтра [J]• Біозахисне обладнання для запобігання епідеміям, 2005, 26(1): 29-31.
[5] Хохрайнер. Подальший розвиток лічильника частинок
розмірник PCS-2000скловолокно [J]•Фільтр Journal ofAerosolScience, 2000, 31(1): 771-772.
[6]Е. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher та ін. Тиск
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Майкл Дж. М. та Клайд Орр. Фільтрація – принципи та практика [M].
Нью-Йорк: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Чжан Гоцюань. Механіка аерозолів – теоретична основа видалення та очищення пилу [M] • Пекін: China Environmental Science Press, 1987.
Час публікації: 06 січня 2019 р.