高效过滤器现场大气尘检漏方法的理论探讨 - 广州佰伦空气过滤器制造有限公司

[摘　要]用射流理論具體論證了大氣塵粒子計數器檢漏方法(簡稱漏孔法),普通高效過濾器需要不低于2200粒/L(2·83L/min采樣)的上游大氣塵濃度,超高效過濾器需要不低于5800粒/L(28·3L/min采樣)的上游大氣塵濃度。只要掃描特征讀數≥1,即可作靜止檢漏,若再≥3,即可判斷為漏。漏孔法比ISO透過率法適用漏孔更小。

    [關鍵詞]高效過濾器;掃描檢漏;定點檢漏;漏泄標準
    [中圖分類號]TU834·8+33　　　[文獻標識碼]A
   ; [文章編號]1002-8528(2010)01-0001-06

1·背　景
對在潔凈室及受控環境中已安裝好了的高效過濾器進行掃描檢漏即現場檢漏(抽檢或全檢),這是過去美聯邦標準209、美國空軍技術條令203和美國航天宇宙局的NASA標準以及現在的ISO標準都規定了的,我國有關標準也不例外。不同的是,過去國外標準都規定用光度計方法人工發塵(DOP)來檢漏,而當下游濃度超過上游濃度10-4時即為漏,對于后來的超高效過濾器這一數值顯然是不適用的。而我國標準JGJ 71-90《潔凈室施工及驗收規范》(以下簡稱“規范”),根據理論研究成果[1],首次在國內外明確規定用粒子計數器法檢漏,可以用大氣塵,必要時用DOP。是這樣規定的:“在被檢高效過濾器上風側測定大氣塵的微粒數,以≥0·5μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×104粒/L;若檢測超高效過濾器,則以≥0·1μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L。”

當按這一規定檢漏時,應在距過濾器表面2~3cm處掃描。其評定標準為“由受檢過濾器下風側測到的漏泄濃度換算成的透過率,對于高效過濾器,應不大于過濾器出廠合格透過率的3倍,對于超高效過濾器,應不大于出廠合格透過率的2倍。”(“規范”原文“3”和“2”印倒了,規范說明是對的)這一檢漏標準被后來許多標準、規范,包括最新的《電子廠房設計規范》(報批稿)所采用。

但是,這一檢漏標準在實施中并未得到執行,一是因為太嚴,即使按規定上游濃度達到3·5×104粒/L,由于最低的A類過濾器(鈉焰法效率為99·9% )即可具有對≥0·5μm微粒達99·999%的效率,不大于3倍的透過率最多有1粒/L微粒,也不好檢定;二是因為每一臺過濾器的透過率也很難事先搞準確。所以長期以來,在實測中使用的是一種簡便方法(對于不高于ISO 5級的潔凈環境),即,不計過濾器前濃度(認為都符合要求,詳見下文),只要中流量粒子計數器(2·83L/min),每分鐘讀數不大于三個,即認為不漏。后來有關規范中更放寬到3粒/L為界限。

    事實證明,當ISO 5級工作區高度或其以上某高度的一個區域濃度偏大時,用上述方法檢漏,一般均能找到相應的漏泄點。
    粒子計數器法明顯比光度計法簡便精確,大氣塵法明顯比DOP法沒有污染。但是由于受美國標準影響,國際上某些領域如制藥行業,仍堅持用DOP光度計法。直到2005年, 才明確指出:
    (1) DOP光度計法用于透過率>0·005%的過濾器系統檢漏,即對0·3μm單分散氣溶膠效率不大于99·995%的高效過濾器(相當于我國B~C類過濾器);
    (2) DOP光度計法只適用于當沉積在過濾器和管道上的揮發性有機測試氣溶膠釋放出的氣體對潔凈室內的產品或工藝不是有害的,如核設施的過濾器檢漏;
    (3)人工氣溶膠的粒子計數器法適用于過濾器透過率≤0·0000005%的檢漏,即效率≥99·9999995% (按為對0·3μm微粒)過濾器檢漏;
    (4)粒子計數器法比光度計法更為靈敏,造成的污染小,對檢漏來說既有精度也有速度;
    (5)推薦上游加入的人工氣溶膠有:甲基苯二甲酸鹽、癸二酸二酯、聚苯乙烯乳膠球等。由此可見, ISO標準充分肯定了粒子計數器法,并且在氣溶膠源中也列入了大氣氣溶膠。但在具體應用上仍著重介紹發生人工氣溶膠,沒有介紹大氣塵氣溶膠的可行性。這就使檢漏不免仍有困難,給系統和過濾器留下附加物質。如果可以既用粒子計數器,又用大氣塵來檢漏,則是工程上最簡捷的辦法。由于現場檢漏對過濾器既有效率并不感興趣,而關心的是有無漏孔漏泄,不論何種效率過濾器,只要有漏孔,孔前后壓差一定,就都有相同的漏泄量。因此只需確定漏不漏,而對漏的定量并無需要,在這一目的下,還必須弄清楚以下問題:
    (1)多大的上游大氣塵濃度才能發現漏?
    (2)下游檢漏出多大的濃度才可判定為漏?

    2·理論分析
    2·1　漏泄流量
    高效過濾器濾紙電鏡照片如圖1所示[2]。由玻璃纖維組成的網格雜亂無章,大小不同,但可見單層網格長向可達30μm。
          
    所謂漏,即應是纖維網格因擦、劃、扎等將網格撕開一個孔口,形成孔口出流,其流量遠大于通過正常網格的流量。
    孔口出流流量Q0由經典的式(1)給出:
 
   ; 式中,A為孔口面積,A=0·78d0;d0為孔口直徑;ΔP為過濾器前后(孔前后)壓差,按檢漏時初阻力計,取200Pa;ρ空氣密度, 1·2kg/m3;μ為流量系數,按式(2)進行計算:
    μ=εφ(2)
    其中,ε為孔口流速收縮系數,對于孔口周邊為開闊的過濾面積按流體力學定義,應為完全收縮,ε最小,取0·62;φ為流速系數。
    關于流速系數φ,理論值為0·82[3],最大可達到1,實驗最大值為0·97,擴張形孔口(θ=5°~7°,見圖2)為0·45[4]。對于復雜的縫、孔,實驗最小平均值為0·29[5],對于漏孔很小,只比單層纖維網格大幾倍的情況,其孔的邊緣纖維凌亂情況的相對影響變大,即阻力變大,流量系數更小。假定以大約纖維網格的3~4倍為界,相當于0·1mm漏孔為界(這純屬設定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即最大的系數取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當
 
    2·2　漏泄的基本特性
    設如圖3所示的漏孔,簡化為在出風面上———垂直于氣流的表面上的孔。漏泄氣流斷面不斷擴大,濃度不斷被稀釋,現將這股氣流稱為污染氣流,這是帶動了周邊氣流的結果,但是這種擴展不是無限制的,當污染氣流邊界速度衰減到與周邊氣流速度相近時,這種帶動也就停止了。
    所以可以認為當污染氣流斷面平均速度衰減到高效過濾器出口送風速度水平,就可能不再擴展稀釋了。由于單向流受漏泄的影響更顯著,所以以單向流為準。設其高效過濾器出口送風速度為0·5m/s,則根據射流原理可得出一系列特性參數[6]:

    式中,v為質量平均流速,m/s;v0為漏孔出流速度,m/s;a為紊流系數,取0·08;s為射程,mm;d0為漏孔直徑,mm。
    代入相應數據后為

    由此式可求出射程s。
    對于不同的d0,漏泄氣流不再擴展的距離s見表1。漏泄氣流不再擴展時的直徑由式(5)給出,漏泄流量計算結果見表1。
       ; ;
    漏泄氣流在最大擴展直徑處或25mm處已被稀釋,稀釋倍數由式(6)給出,只要壓差不變,φ、v恒定,則稀釋倍數恒定。結果見表1。
      
    2·3　定點檢漏
    當采樣口正對著漏孔定點檢漏時有三種情況:
   (1)擴展距離小于國際公認的采樣距離25mm,最大擴展直徑小于采樣口直徑,如圖4所示。

    此時,如采樣流量大于污染氣流到達采樣口的稀釋流量,則漏過來的微粒將全部進入采樣口,由于其漏泄流量Q0很小,采樣口吸入的絕大部分是周邊潔凈氣流,則采樣濃度將大幅度降低。大約0·6mm以下的孔屬于這種情況,設采樣流量為2·83L/min,于是采樣濃度為:

    式中,Ns為采樣濃度,粒/L;Nx為漏過來的微粒數,Nx=Q0N0粒。
    (2)擴展距離>25mm。25mm處擴展直徑D大于采樣口直徑d,約0·6mm以上的孔屬此情況,采樣流量小于污染氣流,如圖5a所示。此時,式(7)簡化為:

    (3)擴展距離>25mm, 25mm處擴展直徑D小于采樣口直徑d,如圖5b所示,則

    2·4　孔徑、透過率、上游濃度的關系
   漏孔孔徑、過濾器透過率、上游濃度和漏泄與否的關系,計算結果匯總于表2中。
             
    表2中0·000005%過濾器相當于超高效過濾器。0·0023%的設定是這樣考慮的,因為整體透過率一般是用0·3μm標定的,所以≥0·0023%透過率的過濾器,就相當于我國C類及其以下包括A、B三類過濾器,都屬于普通高效過濾器(即0·3μm計數法99·9977%的過濾器可以相當于鈉焰法99·999%的過濾器),而小于此透過率的即為D類及其以上的過濾器。
    以表2中K=0·000005%,漏孔孔徑0·05mm,上游粒子濃度N0=7800粒/L,采樣量28·3L/min,由表1按式(7)計算,可得到Ns=0·107粒/L,則透過率為0·107/7800≈0·0014%≤300×0·000005%=0·0015%。按照ISO 14644-1的規定應為不漏。漏孔法則為0·107粒/L=3·03粒/2·83L,按照漏孔法判定應為漏。表中0·0023%以內插于表3中,定其10倍即0·023%為漏。
          
    由此可見:
    (1)透過率法得出的是否漏泄的透過率與采樣量有關,用小采樣量時可能為漏,用大采樣量時可能為不漏,而漏孔法以檢測容積為準則無此問題;
    (2)漏孔法易判為漏,而透過率法有時判為不漏;
    (3)按ISO透過率法漏泄與否,與上游濃度無關,不論上游濃度多少,各孔徑采樣處透過率都相同,即N0Q0/N0。這表明漏泄只和漏孔大小有關,和高效過濾器固有透過率無關,因此不論對何種過濾器用漏孔法將更直接反映漏泄程度;
    (4)對于當前最高效率的過濾器,按ISO漏泄標準,則有0·05mm的漏孔,用28·3L/min采樣, ISO的透過率判定為不漏,而0·1mm漏就能判定為漏,所以若以ISO標準為準,則應將0·1mm漏孔作為超高效過濾器漏孔的起點。而對于0·0023%的普通高效過濾器(www.klcfilter.com), 0·1mm漏孔用2·83L/min或28·3L/min采樣,用ISO漏泄標準判定,都為不漏,而0·2mm漏孔時就可判定為漏,因此,把0·2mm漏孔作為普通高效過濾器漏孔的起點。

    3·漏泄標準
    過濾器透過多少微粒算漏?除去上述作者過去給出純理論值(3倍或2倍透過率外,外國文獻和標準上都給出過人為確定的標準)是透過率的5倍、10倍或更高倍數,例如2005年ISO標準給出的漏泄標準(見表3)。這里將需計算透過率的ISO方法稱為透過率法。
    根據用戶和過濾器供應商商定的漏泄倍數,只要測出的漏泄透過率與產品應有的整體透過率之比不大于表中的倍數,或漏泄透過率不大于表中計算出的漏泄透過率,即為不漏。
   從表3中可見,效率越高的過濾器,允許的漏泄越大,漏泄倍數越高,顯然有設定的因素。
    如果確知上、下游濃度,則基于漏孔大小的檢漏方法,本文稱為漏孔法,也可算出透過率,成為透過率法。但前面已說明,現場檢漏并不一定要求出透過率,只要判斷漏與不漏,或稱為定性檢漏。
    根據最小檢測容量理論[8],每一檢測容量的平均濃度達到3,則95%的讀數可為非零讀數,即可判斷為漏。此種定性判斷漏泄的方法,即本文稱為漏孔法中的定性檢漏。
    符合上述圖4和圖5b兩種情況的定點定性檢漏≥3粒/L檢測容量時,需要的上游濃度如表4所列。表4中2·83L/min時的0·1~0·2mm漏孔和28·3L/min的所有孔徑適用圖4; 0·;6~1mm漏孔適用圖5b。
             

    4·掃描檢漏
    顯然,在一掃即過的掃描檢漏中,很難捕捉到真正的漏點,所以應設法去發現漏的特征。ISO14644-1規定:“在掃描時,如果顯示出有等于或大于限值的漏泄,表現出規定的漏泄特征,則應把采樣探管停在漏泄處,以判斷是否有漏泄存在。保有最大讀數的采樣位置,就應是漏泄位置所在。”也就是說,必須在掃描時間內,采到非“0”數,起碼是1的讀數,才定為漏泄,再作定點檢漏(ISO標準稱靜止檢漏)。漏泄特征數見表5。該表計算結果與ISO標準給出的基本相同。為了在掃描時間內采到1粒,可由式(10)計算必要的掃描檢漏上游濃度N0:

   式中,t為掃描時間,min,t=B /60v;B為采樣口平行于掃描方向的邊長, cm;v為掃描速度, cm/s。

    這部分相對于Q0才有意義。而從高效過濾器開始,K即從0·00001(如國產A類)開始降低,所以在式(10)的計算中可忽略這部分。
    設用2·83L/min采樣時,采樣口尺寸A×B=1·5cm×2cm。其中B為平行于掃描方向的邊。采樣速度為1·5cm/s (根據209A標準,建議取1·25cm/s)。此時采樣口雖不是等速采樣,但入口氣流速度為15·7cm/s,與室內0·5m/s速度之比為0·314,理論證明此比例若在0·3~7之間時,非等速采樣誤差在5%之內,是完全可行的[9]。
   則對于普通高效過濾器和0·2mm漏孔,有:
 
    對于超高效過濾器(K
          ;
    若掃描速度為4cm/s,采樣口為1·5cm×6cm,則N0=7693粒/L;采樣口為3cm×3cm,掃描速度v=2cm/s,則N0=7693粒/L。
    普通高效過濾器用28·3L/min采樣時,設A×B=2·5cm×4cm,v=2cm/s,只要1429粒/L。
    可見,需要的上游濃度和透過率無關,而是和采樣口大小有關,采樣量大,一般采樣口也大。對普通高效過濾器, 2·83L/min時最小上游濃度可用2200粒/L, 28·3L/min時最小上游濃度可用1500粒/L;對超高效用28·3L/min采樣,最小上游濃度可用5800粒/L,可據采樣口尺寸來選擇,要用小的上游濃度,就要犧牲掃描速度。
    現在來驗算一下,對超高效過濾器,掃描上游濃度用5500粒/L是否能查出漏:
    過濾器有最小透過率,為K=0·000005%,對0·1mm漏孔, 28·3L/min采樣時,由表1按式(7)計算可得采樣處濃度Ns=1·01粒/L=28·6粒/28·3L采樣容積。
   對透過率法,采樣處透過率為3·57%,大于表2中漏泄標準0·0015%,判定為漏。
    對漏孔法,采樣處采到28·6粒/28·3L采樣容積遠大于3粒,所以判定為漏。因為定點檢漏時,這種條件下上游只要有557粒/L就行了,現在上游濃度大了10倍,漏就不奇怪了。
    這說明5500粒/L的掃描上游濃度作為超高效過濾器定點檢漏時的上游濃度是非常寬裕的,因為定點檢漏需要的上游濃度只及掃描時需要的上游濃度的十幾分之一。
    再看過濾器有最大透過率為0·0023%,用2·83L/min采樣,對0·2mm漏孔, 2500粒/L上游濃度,由表1按式(7)計算可得采樣處濃度Ns=18·6粒/L=52·64粒/2·83L采樣容積。
    對透過率法,采樣處透過率為0·744%,大于額定透過率10倍即大于0·023%,判為漏。對漏孔法,采樣容積中已采到52·64粒,肯定為太漏了。

    5·現場情況下高效前濃度
    (1)全新風,設新風濃度達到3×105粒/L。常規系統,新風過濾和預過濾效率約為60%,則高效前將有1·2×105粒/L;新風設粗效、中效、高中效(或亞高效)三級過濾系統,效率約90% ~95%,則高效過濾器前將約有1·5×104~3×104粒/L。
    (2)循環風,設新風比為0·3,新風濃度同上。常規系統高效過濾器前將有4×104粒/L;新風三級過濾系統高效過濾器前將有0·5×104~1×104粒/L。
   可見對于以上兩種系統,不論是2·83L/min或28·3L/min粒子計數器都可用于檢漏。但對超高效空氣過濾器,當其前面還有普通高效過濾器時,則上游大氣塵濃度就不夠了,應另外采取短路增加大氣塵或發塵的措施。

    6·結　論
    (1)對超高效過濾器0·1mm漏孔按ISO標準才可能表現為漏,普通高效過濾器0·2mm漏孔才表現為漏,即以此作為兩種過濾器漏孔極限,可不再考慮更小的漏孔;
    (2)漏孔法既可以定性檢漏,也可以定量檢漏。它只和漏孔大小有關,和透過率、采樣率均無關;而透過率法則和透過率、采樣率有關。由于漏孔法可以用大氣塵,為現場檢漏帶來方便;
    (3)漏孔法比透過率法可以判斷出漏的漏孔更小,即范圍更廣;
    (4)不論是透過率法還是漏孔法,都必須在采樣口掃描到不少于1粒才可以作出判斷。為此對于普通高效過濾器,需要≥2200粒/L的上游濃度,對于超高效過濾器需要≥5800粒/L的上游濃度;
    (5)對≥0·5μm微粒有不大于99·999%效率的高效過濾器,兩種方法的上游濃度均不宜>105粒/L,否則在此條件下,各處隨時都可以采到1粒/L,掃描時將增加靜止檢漏的工作量。
    (6)透過率法也不必發生人工塵,當大氣塵合適時,大氣塵也可滿足要求,但必須隨時測出上、下游濃度才能計算;漏孔法中的定性檢漏完全適用于大氣塵,而只要測出下游濃度,上游濃度只要監測一下,這就大大節省了工作量。如果也同時測出上游濃度,則也可以計算透過率,成為定量檢漏;
    (7)當掃描檢漏發現非“0”讀數時,可能有漏,要求停在原處采樣1min,讀數≥3粒,則判定此處為漏。

[參考文獻]
[1]許鐘麟.超級潔凈室允許漏泄流量的計算[C].全國暖通空調制冷學術年會論文集, 1986: ;392.
[2]許鐘麟,沈晉明編著.空氣潔凈技術應用[M].北京:中國建筑工業出版社, 1989, 164.
[3]許鐘麟著.空氣潔凈技術原理(3版) [M].北京:科學出版社, 2003: 274.
[4]魏潤柏.通風工程空氣流動理論[M].北京:中國建筑工業出版社, 1981: 88.
[5]許鐘麟,張益昭,等.關于隔離病房隔離原理的探討[J].暖通空調, 2006, 1: 1.
[6]周謨仁主編.流體力學泵與風機[M].北京:中國建筑工業出版社, 1979.
[7]姚丹,王榮,等.關于高效過濾器大氣塵檢漏濃度的研究[J]暖通空調, 2008, 38(8): 1~3.
[8]許鐘麟,顧聞周.不同潔凈度下粒子計數器最小檢測容量的計算[J].空調技術, 1980, 1: 22.
[9]許鐘麟著.空氣潔凈技術原理(3版) [M].北京:科學出版社, 2003: 464.
[10]許鐘麟著.空氣潔凈技術原理(3版) [M].北京:科學出版社, 2003: 481.