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核級高效空氣過濾器的結構與阻力有什么關系(全文完整版)

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1引言(Introduction)

　　高效空氣過濾器(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,美國原子能委員會于20世紀40年代就將其用于實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保設備.降低高效空氣過濾器的阻力,可以明顯降低通風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系、降低過濾器阻力是過濾理論及實驗研究的核心任務之一(付海明等, 2003).

　　過濾理論及實驗研究始于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,國內外許多學者對空氣過濾理論進行了大量的研究,給出了過濾器阻力的計算公式,但計算結果與實測數據存在較大的偏差(林忠平, 1998;許鐘麟,1998).Thomas(2001)等對非穩態條件下的過濾器阻力進行了實驗和模擬研究.到目前為止,現有的理論無法直接用于指導過濾器的生產實踐.本文通過實驗改進高效空氣過濾器的結構形式,找出阻力最低時高效空氣過濾器的結構參數,探討高效過濾器的結構與阻力之間的關系,對于開發高性能的空氣過濾器、探討過濾理論具有重要的意義.

　　2理論分析(Theoretical analysis)

　　高效空氣過濾器的阻力分為過濾材料阻力和結構阻力兩部分.

　　2. 1過濾材料阻力

　　目前,人們習慣用達西定律來研究過濾材料的阻力.過濾理論認為,在低流速、小雷諾數的情況下,多孔介質兩端的壓差服從達西(Darcy)定律:

　　2. 2過濾器結構阻力

　　在過濾器結構阻力方面,相關的理論研究較少.結構阻力分為兩部分,一部分是空氣流進、流出過濾器時,由于通風面積發生突變(進風時突縮、出風時突擴)而產生的能量損失;一部分是空氣在過濾器內流動時受到過濾材料、分隔物阻擋、摩擦而產生的能量損失.通過研究空氣在過濾器氣流通道內的流動情況,可以計算結構阻力.(參考:www.klcfilter.com)

　　2. 3通過實驗來確定合理的高效空氣過濾器的結構參數

　　在過濾器的過濾材料、外形尺寸、通風量一定時,增加過濾器的濾料面積可以降低空氣穿過過濾材料的速度.根據公式(1),會降低濾料阻力.同時,增加濾料面積時所采取的措施(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,使過濾器的總阻力最低.現有的理論無法得出準確的結構參數,使高效空氣過濾器的阻力降至最低,因此,通過實驗研究.優化阻力最低時高效空氣過濾器的結構參數,可以指導過濾器的生產和開發.本文從過濾材料的褶間距、褶深度、褶形狀三個方面來研究過濾器的結構與阻力的關系.

　　3材料與方法(Materials andmethods)

　　實驗過濾器選用平板密褶型高效空氣過濾器和有隔板的高效空氣過濾器,過濾材料選用進口的和國產的高效空氣過濾玻纖濾紙(本文中分別用濾紙A和濾紙B表示).

　　4結果(Results)

　　4. 1過濾材料的阻力特性

　　目前,高效空氣過濾材料有玻纖濾紙、駐極體聚丙烯、PTFE等(范存養等, 2001),其中玻纖濾紙性能穩定、價格合理,是主流的高效空氣過濾材料,而其他過濾材料或價格昂貴或性能不穩定,尚未得到廣泛應用.圖1為本實驗中選用的兩種過濾材料的阻力性能測試結果.可以看出,進口濾紙A的阻力明顯低于國產濾紙B.

　　4. 2褶間距對阻力的影響

　　在高效空氣過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.但隨著褶間距的減小,氣流通道也將變小,會增大氣流在氣道內流動的能量損失(阻力).所以,存在一合適的褶間距,使過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濾器,在1000 m³.h-1風量下的阻力進行了測試,結果見表1.

　　從表1中的數據可以看出,在本實驗范圍內,兩種濾料、3種常見規格平板密褶型高效空氣過濾器存在不同的最佳褶間距.而且兩種濾料有著相同的規律,隨著褶深的增大,最佳褶間距也相應增大.阻力最低的結構參數見表2.

　　表2中的數據與文獻報道的結構參數不同(徐小浩, 2005).這也說明,同樣結構形式的過濾器,采用不同的過濾材料對應有不同的最佳結構參數.有隔板的高效空氣過濾器是另一類常見的過濾器.表3是用濾料B制作的兩種尺寸的過濾器阻力實測結果.從表3的數據來看,深度為150 mm的有隔板HEPA過濾器,在褶間距為4. 8 mm(分隔板波紋高2. 4 mm)時阻力最低;深度為292 mm的有隔板HEPA過濾器,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濾器,當濾料褶深度確定時,存在最佳的濾料褶間距.隨著濾料褶深度的增加,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

　　在對過濾器的深度尺寸沒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,同樣會導致氣流通道內摩擦阻力的增大,因此,也存在一個最合理的使過濾器阻力最低的濾料褶深度.

　　圖2是一組平板密褶型高效空氣過濾器的阻力曲線.高效空氣過濾器的端面尺寸是610 mm×610mm,褶間距為3. 3 mm,采用進口濾料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風量下測定了過濾器的阻力.從圖2中可以清楚地看出,對于固定的褶間距,存在最佳的使過濾器的阻力最低的濾料褶深度.

　　組用國產濾料B制作的有隔板的高效空氣過濾器的阻力曲線.在常用的有隔板HEPA過濾器的深度范圍內(120~320mm),增加過濾器深度可有效降低過濾器阻力.過濾器深度較小(120 mm)時,這種影響更大;當過濾器深度較大(292 mm)時,增加深度導致的阻力降低不明顯.

　　可見,對于固定的濾料褶間距,對應有最佳的使過濾器阻力最低的濾料褶深度.為了降低過濾器阻力,可以增加濾料褶深度,但同時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.

　　本實驗采用的有隔板的高效空氣過濾器外形尺寸為: 610mm×610mm×292mm,分隔板波紋高度3. 8mm,測得其在1700m³.h-1風量下的阻力如圖5所示.

　　顯然,當濾料褶數和褶深度相同時,采用V字形剖面氣流通道的過濾器,與采用矩形剖面氣流通道的過濾器相比,濾料面積要略小(矩形氣流通道,即d=0時,過濾器的濾料面積為23. 9 m²;d=30mm時V字形剖面氣流通道的過濾器,濾料面積為23.6 m². ).但根據阻力的實測情況來看,過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濾器阻力.當d=15 mm時,濾料面積為23. 608 m²;當d=40mm時,濾料面積為23. 602 m²,可以認為,兩者的過濾面積基本相同,所以過濾器的濾料阻力也基本相同,這時過濾器的阻力差(12Pa)基本上就是結構阻力的差值,可見,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濾器,不僅是增加了過濾面積,實際上也是采用了一種更優的氣流通道形式.

　　5討論(Discussion)

　　5. 1阻力的理論計算值與實際測量值的比較公式(3)是許鐘麟(1998)給出的高效過濾器阻力計算公式.

　　根據公式(3),作者對實驗中的36臺有隔板的HEPA過濾器的阻力進行了計算,計算結果和實測結果如表4所示.計算值和實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對過濾器的效率的影響

　　過濾器的效率按GB 6165-85規定,進行了鈉焰法測試.測試效率時的風量與測試阻力時的風量相同,結果表明,過濾器的效率均不低于99. 99%.但不同結構參數的HEPA過濾器,其過濾效率不存在明顯的規律.結構最優、阻力最低的過濾器,效率不一定最高.這說明,合理的結構優化能在保證效率的前提下明顯降低HEPA過濾器的阻力.

　　6結論(Conclusions)

　　1)存在最佳的結構參數使HEPA過濾器的阻力最低,但理論計算值與實際情況尚有差距.

　　2)不同的過濾材料對應有不同的過濾器最佳結構參數.進口濾料的褶深為33、52 mm和73 mm時,對應阻力最低的褶間距分別為2. 7、3. 4 mm和4. 0 mm;國產濾料的褶深為33、52、73、105 mm和245 mm時,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.合理的結構優化能在保證效率的前提下,明顯降低高效空氣過濾器的阻力.

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