高效過濾器的效率根據(jù)GB 6165-85的規(guī)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,實驗結(jié)果證明,高效過濾器的效率均不低于99. 99%。

　　1、引言

　　高效過濾器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,現(xiàn)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.降低高效過濾器的阻力,可以明顯降低通風系統(tǒng)的建造和運行成本.研究阻力與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)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.

　　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(nèi)的氣溶膠顆粒物存在最大滲透率.此后,國內(nèi)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(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在較大的偏差等對非穩(wěn)態(tài)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(xiàn)有的理論無法直接用于指導過濾器的生產(chǎn)實踐.本文通過實驗改進高效過濾器的結(jié)構(gòu)形式,找出阻力最低時高效過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù),探討高效過濾器的結(jié)構(gòu)與阻力之間的關系,對于開發(fā)高性能的高效過濾器、探討過濾理論具有重要的意義.

　　2、理論分析

　　高效過濾器的阻力分為過濾材料阻力和結(jié)構(gòu)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(shù)的情況下,多孔介質(zhì)兩端的壓差服從達西定律:

　　2. 2、過濾器結(jié)構(gòu)阻力

　　在過濾器結(jié)構(gòu)阻力方面,相關的理論研究較少.結(jié)構(gòu)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(fā)生突變而產(chǎn)生的能量損失;一部分是空氣在過濾器內(nèi)流動時受到過濾材料、分隔物阻擋、摩擦而產(chǎn)生的能量損失.通過研究空氣在過濾器氣流通道內(nèi)的流動情況,可以計算結(jié)構(gòu)阻力.

　　2. 3　通過實驗來確定合理的高效過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　在高效過濾器的過濾材料、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(jù)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,常常會導致結(jié)構(gòu)阻力的升高.綜合作用的結(jié)果就是存在最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù),使過濾器的總阻力最低.現(xiàn)有的理論無法得出準確的結(jié)構(gòu)參數(shù),使高效過濾器的阻力降至最低,因此,通過實驗研究.優(yōu)化阻力最低時高效過濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以指導過濾器的生產(chǎn)和開發(fā).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(jié)構(gòu)與阻力的關系.

　　3、材料與方法

　　實驗過濾器選用平板密褶型高效過濾器和有隔板的高效過濾器,過濾材料選用進口的和國產(chǎn)的高效空氣過濾玻纖濾紙.

　　4、結(jié)果

　　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(yǎng)等, 2001),其中玻纖濾紙性能穩(wěn)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(wěn)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(jié)果.可以看出,進口濾紙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(nèi)流動的能量損失.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過濾器,在1000 m3.h-1風量下的阻力進行了測試,結(jié)果見表1.

　　從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,在本實驗范圍內(nèi),兩種濾料、3種常見規(guī)格平板密褶型高效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(guī)律,隨著褶深的增大,最佳褶間距也相應增大.阻力最低的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.

　　表2中的數(shù)據(jù)與文獻報道的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同.這也說明,同樣結(jié)構(gòu)形式的過濾器,采用不同的過濾材料對應有不同的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù).有隔板的高效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(jié)果.從表3的數(shù)據(jù)來看,深度為150 mm的有隔板HEPA過濾器,在褶間距為4. 8 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.

　　可以看到,不管是密褶型還是有隔板的高效過濾器,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(jié)構(gòu)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(nèi)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過濾器的阻力曲線.高效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(chǎn)濾料B制作的有隔板的高效過濾器的阻力曲線.在常用的有隔板HEPA過濾器的深度范圍內(nèi),增加過濾器深度可有效降低過濾器阻力.過濾器深度較小時,這種影響更大;當過濾器深度較大時,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(diào)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(shù)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.但根據(jù)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(jié)構(gòu)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(yōu)的氣流通道形式.

　　5、討論

　　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(jù)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(jié)果和實測結(jié)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(wěn)定性以及某些參數(shù)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(guī)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(jié)果表明,過濾器的效率均不低于99. 99%.但不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的HEPA過濾器,其過濾效率不存在明顯的規(guī)律.結(jié)構(gòu)最優(yōu)、阻力最低的過濾器,效率不一定最高.這說明,合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能在保證效率的前提下明顯降低HEPA過濾器的阻力.

　　6、結(jié)論

　　1)存在最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù).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(chǎn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化能在保證效率的前提下,明顯降低高效過濾器的阻力.