Rozvoj moderného priemyslu kladie rastúce nároky na prostredie experimentovania, výskumu a výroby. Hlavným spôsobom, ako dosiahnuť túto požiadavku, je široké používanie vzduchových filtrov v čistých klimatizačných systémoch. Medzi nimi sú HEPA a ULPA filtre poslednou ochranou pred prachovými časticami vstupujúcimi do čistej miestnosti. Ich výkon priamo súvisí s úrovňou čistej miestnosti, čo následne ovplyvňuje proces a kvalitu produktu. Preto je zmysluplné vykonať experimentálny výskum filtrov. Odporový výkon a filtračný výkon oboch filtrov boli porovnané pri rôznych rýchlostiach vetra meraním filtračnej účinnosti filtra zo sklenených vlákien a PTFE filtra pre častice PAO s veľkosťou 0,3 μm, 0,5 μm a 1,0 μm. Výsledky ukazujú, že rýchlosť vetra je veľmi dôležitým faktorom ovplyvňujúcim filtračnú účinnosť HEPA vzduchových filtrov. Čím vyššia je rýchlosť vetra, tým nižšia je filtračná účinnosť a účinok je výraznejší pri PTFE filtroch.
Kľúčové slová:Vzduchový filter HEPA; Odolnosť; filtračný výkon; filtračný papier PTFE; filtračný papier zo sklenených vlákien; filter zo sklenených vlákien.
Číslo CLC: X964 Identifikačný kód dokumentu: A
S neustálym rozvojom vedy a techniky sa výroba a modernizácia moderných priemyselných produktov stáva čoraz náročnejšou na čistotu vnútorného vzduchu. Najmä mikroelektronika, medicína, chemický, biologický, potravinársky a ďalšie odvetvia vyžadujú miniaturizáciu. Presnosť, vysoká čistota, vysoká kvalita a vysoká spoľahlivosť vnútorného prostredia kladú stále vyššie požiadavky na výkon HEPA vzduchového filtra, a preto sa výroba HEPA filtra, ktorá by spĺňala dopyt spotrebiteľov, stala naliehavou potrebou výrobcov. Jedným z vyriešených problémov [1-2]. Je dobre známe, že odporový výkon a účinnosť filtrácie filtra sú dva dôležité ukazovatele na hodnotenie filtra. Táto práca sa pokúša analyzovať filtračný výkon a odporový výkon HEPA vzduchového filtra z rôznych filtračných materiálov pomocou experimentov [3] a rôznych štruktúr toho istého filtračného materiálu. Filtračný výkon a vlastnosti odporu filtra poskytujú teoretický základ pre výrobcu filtrov.
1 Analýza testovacej metódy
Existuje mnoho metód na detekciu vzduchových filtrov HEPA a rôzne krajiny majú rôzne štandardy. V roku 1956 vyvinula Americká vojenská komisia štandard USMIL-STD282, testovací štandard pre vzduchové filtre HEPA, a metódu DOP na testovanie účinnosti. V roku 1965 bol zavedený britský štandard BS3928 a na detekciu účinnosti sa použila metóda sodíkového plameňa. V roku 1973 Európska ventilačná asociácia vyvinula štandard Eurovent 4/4, ktorý nasledoval metódu detekcie sodíkového plameňa. Neskôr Americká spoločnosť pre environmentálne testovanie a vedu o účinnosti filtrov zostavila sériu podobných štandardov pre odporúčané testovacie metódy, pričom všetky používali metódu počítania DOP pomocou kaliperu. V roku 1999 Európa zaviedla štandard BSEN1822, ktorý na detekciu účinnosti filtrácie používa najtransparentnejšiu veľkosť častíc (MPPS) [4]. Čínsky detekčný štandard používa metódu sodíkového plameňa. Systém detekcie výkonu vzduchového filtra HEPA použitý v tomto experimente je vyvinutý na základe štandardu US 52.2. Metóda detekcie používa metódu počítania pomocou kaliperu a aerosól používa častice PAO.
1. 1 hlavný nástroj
Tento experiment využíva dva počítače častíc, ktoré sú v porovnaní s inými zariadeniami na testovanie koncentrácie častíc jednoduché, pohodlné, rýchle a intuitívne [5]. Vyššie uvedené výhody počítača častíc ho postupne vedú k nahradeniu iných metód a k jeho stávaniu sa hlavnou testovacou metódou na stanovenie koncentrácie častíc. Dokážu počítať počet častíc aj ich rozloženie veľkosti (t. j. počítanie), čo je jadrom zariadenia tohto experimentu. Prietok vzorky je 28,6 l/min a jeho bezuhlíkové vákuové čerpadlo sa vyznačuje nízkou hlučnosťou a stabilným výkonom. Ak je nainštalovaná táto možnosť, je možné merať teplotu a vlhkosť, ako aj rýchlosť vetra a testovať filter.
Detekčný systém využíva aerosóly s časticami PAO ako prachom, ktorý sa má filtrovať. Používame generátory aerosólov (generácie aerosólov) modelu TDA-5B vyrobeného v Spojených štátoch. Rozsah výskytu je 500 – 65000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM) a koncentrácia je 100 μg/l, 6500 cfm; 10 μg/l, 65000 cfm.
1. 2 čistá miestnosť
Aby sa zlepšila presnosť experimentu, laboratórium úrovne 10 000 bolo navrhnuté a vyzdobené podľa americkej federálnej normy 209C. Použitá podlaha s povrchovou úpravou sa vyznačuje výhodami terazza, odolnosťou proti opotrebovaniu, dobrým utesnením, flexibilitou a zložitou konštrukciou. Materiál je epoxidový lak a stena je vyrobená z montovaného obkladu pre čisté priestory. Miestnosť je vybavená 220 V, 2 × 40 W čistiacimi 6 lampami a usporiadaná podľa požiadaviek na osvetlenie a poľné vybavenie. Čistá miestnosť má 4 horné výstupy vzduchu a 4 otvory pre návrat vzduchu. Sprchovací kút je navrhnutý pre jednoduché dotykové ovládanie. Čas sprchovania je 0 – 100 s a rýchlosť vetra akejkoľvek nastaviteľnej trysky s objemom cirkulujúceho vzduchu je väčšia alebo rovná 20 ms. Keďže plocha čistého priestoru je < 50 m2 a personál je < 5 osôb, je z čistého priestoru zabezpečený bezpečný východ. Zvolený HEPA filter je GB01×4, objem vzduchu je 1000 m3/h a účinnosť filtrácie je väčšia alebo rovná 0,5 μm a 99,995 %.
1. 3 experimentálne vzorky
Modely filtra zo sklenených vlákien sú: 610 (D) × 610 (V) × 150 (Š) mm, s prepážkou, 75 záhybov, rozmer 610 (D) × 610 (V) × 90 (Š) mm, s 200 záhybmi, rozmer PTFE filtra 480 (D) × 480 (V) × 70 (Š) mm, bez prepážky, so 100 záhybmi.
2 Základné princípy
Základným princípom testovacej lavice je, že ventilátor je vháňaný do vzduchu. Keďže HEPA/UEPA je tiež vybavený vzduchovým filtrom HEPA, možno predpokladať, že vzduch sa stal čistým ešte predtým, ako dosiahne testovaný HEPA/UEPA. Zariadenie emituje častice PAO do potrubia, aby vytvorilo požadovanú koncentráciu plynu obsahujúceho prach, a na určenie koncentrácie častíc používa laserový počítač častíc. Plyn obsahujúci prach potom preteká testovaným HEPA/UEPA a koncentrácia prachových častíc vo vzduchu filtrovanom HEPA/UEPA sa tiež meria pomocou laserového počítača častíc a porovnáva sa koncentrácia prachu vo vzduchu pred a za filtrom, čím sa určuje výkon filtra HEPA/UEPA. Okrem toho sú pred a za filtrom umiestnené vzorkovacie otvory a odpor každej rýchlosti vetra sa tu testuje pomocou naklápacieho mikrotlakomeru.
Porovnanie výkonu odporu 3 filtrov
Odporová charakteristika HEPA filtra je jednou z dôležitých charakteristík HEPA filtra. Za predpokladu uspokojenia efektívnosti dopytu ľudí sú odporové charakteristiky spojené s nákladmi na používanie, odpor je malý, spotreba energie je malá a náklady sú úsporné. Preto sa odporový výkon filtra stal problémom. Je to jeden z dôležitých ukazovateľov.
Podľa experimentálnych nameraných údajov sa získa vzťah medzi priemernou rýchlosťou vetra dvoch rôznych štrukturálnych filtrov zo sklenených vlákien a PTFE filtra a rozdielom tlaku vo filtri.Vzťah je znázornený na obrázku 2:
Z experimentálnych údajov je zrejmé, že so zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra sa odpor filtra lineárne zvyšuje od nízkej po vysokú a dve priamky oboch filtrov zo sklenených vlákien sa v podstate zhodujú. Je ľahké vidieť, že pri rýchlosti filtračného vetra 1 m/s je odpor filtra zo sklenených vlákien približne štvornásobne väčší ako odpor filtra z PTFE.
Ak poznáme plochu filtra, možno odvodiť vzťah medzi rýchlosťou prúdenia na čele a rozdielom tlaku na filtri:
Z experimentálnych údajov je zrejmé, že so zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra sa odpor filtra lineárne zvyšuje od nízkej po vysokú a dve priamky oboch filtrov zo sklenených vlákien sa v podstate zhodujú. Je ľahké vidieť, že pri rýchlosti filtračného vetra 1 m/s je odpor filtra zo sklenených vlákien približne štvornásobne väčší ako odpor filtra z PTFE.
Ak poznáme plochu filtra, možno odvodiť vzťah medzi rýchlosťou prúdenia na čele a rozdielom tlaku na filtri:
Vzhľadom na rozdiel medzi povrchovou rýchlosťou dvoch druhov filtrov a rozdielom tlaku filtra dvoch filtračných papierov je odpor filtra so špecifikáciou 610 × 610 × 90 mm pri rovnakej povrchovej rýchlosti vyšší ako odpor filtra so špecifikáciou 610×. Odpor filtra 610 x 150 mm.
Je však zrejmé, že pri rovnakej povrchovej rýchlosti je odpor filtra zo sklenených vlákien vyšší ako odpor PTFE. To ukazuje, že PTFE je lepší ako filter zo sklenených vlákien z hľadiska výkonu odporu. Pre lepšie pochopenie charakteristík filtra zo sklenených vlákien a odporu PTFE sa vykonali ďalšie experimenty. Pri priamom skúmaní odporu oboch filtračných papierov pri zmene rýchlosti vetra vo filtri sú experimentálne výsledky uvedené nižšie:
Toto ďalej potvrdzuje predchádzajúci záver, že odolnosť filtračného papiera zo sklenených vlákien je pri rovnakej rýchlosti vetra vyššia ako odolnosť filtračného papiera zo sklenených vlákien [6].
Porovnanie výkonu filtrov so 4 filtrami
Podľa experimentálnych podmienok je možné zmerať účinnosť filtrácie filtra pre častice s veľkosťou častíc 0,3 μm, 0,5 μm a 1,0 μm pri rôznych rýchlostiach vetra a získať nasledujúci graf:
Je zrejmé, že účinnosť filtrácie dvoch filtrov zo sklenených vlákien pre častice s veľkosťou 1,0 μm pri rôznych rýchlostiach vetra je 100 % a účinnosť filtrácie častíc s veľkosťou 0,3 μm a 0,5 μm klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra. Je zrejmé, že účinnosť filtrácie filtra pre veľké častice je vyššia ako pre malé častice a filtračný výkon filtra s rozmermi 610 × 610 × 150 mm je lepší ako filter so špecifikáciou 610 × 610 × 90 mm.
Použitím rovnakej metódy sa získa graf znázorňujúci vzťah medzi účinnosťou filtrácie PTFE filtra s rozmermi 480 × 480 × 70 mm v závislosti od rýchlosti vetra:
Pri porovnaní obr. 5 a obr. 6 je filtračný účinok skleneného filtra s časticami 0,3 μm a 0,5 μm lepší, najmä pokiaľ ide o kontrastný účinok prachu s veľkosťou 0,3 μm. Filtračný účinok troch častíc na častice s veľkosťou 1 μm bol 100 %.
Aby bolo možné intuitívnejšie porovnať filtračný výkon filtra zo sklenených vlákien a filtračného materiálu PTFE, boli testy výkonu filtra vykonané priamo na dvoch filtračných papieroch a bol získaný nasledujúci graf:
Vyššie uvedený graf sa získal meraním filtračného účinku PTFE a skleneného filtračného papiera na častice s veľkosťou 0,3 μm pri rôznych rýchlostiach vetra [7-8]. Je zrejmé, že filtračná účinnosť PTFE filtračného papiera je nižšia ako účinnosť skleneného filtračného papiera.
Vzhľadom na odolnosť a filtračné vlastnosti filtračného materiálu je ľahké vidieť, že filtračný materiál PTFE je vhodnejší na výrobu hrubých alebo sub-HEPA filtrov a filtračný materiál zo sklenených vlákien je vhodnejší na výrobu HEPA alebo ultra-HEPA filtrov.
5 Záver
Porovnaním vlastností odporu a filtračných vlastností PTFE filtrov s filtrami zo sklenených vlákien sa skúmajú možnosti rôznych aplikácií filtrov. Z experimentu môžeme vyvodiť záver, že rýchlosť vetra je veľmi dôležitým faktorom ovplyvňujúcim filtračný účinok HEPA vzduchového filtra. Čím vyššia je rýchlosť vetra, tým nižšia je účinnosť filtrácie, tým výraznejší je vplyv na PTFE filter a celkovo má PTFE filter nižší filtračný účinok ako filter zo sklenených vlákien, ale jeho odpor je nižší ako odpor filtra zo sklenených vlákien. Preto je PTFE filtračný materiál vhodnejší na výrobu hrubých alebo subvysokoúčinných filtrov a filtračný materiál zo sklenených vlákien je vhodnejší na výrobu účinných alebo ultraúčinných filtrov. HEPA filter zo sklenených vlákien so špecifikáciou 610 × 610 × 150 mm je nižší ako HEPA filter zo sklenených vlákien s rozmermi 610 × 610 × 90 mm a filtračný výkon je lepší ako HEPA filter zo sklenených vlákien s rozmermi 610 × 610 × 90 mm. V súčasnosti je cena čistého PTFE filtračného materiálu vyššia ako cena sklenených vlákien. Avšak v porovnaní so sklenenými vláknami má PTFE lepšiu teplotnú odolnosť, odolnosť voči korózii a hydrolýze ako sklenené vlákna. Preto by sa pri výrobe filtra malo zvážiť niekoľko faktorov. Spojenie technického výkonu a ekonomickej výkonnosti.
Referencie:
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Vývoj a aplikácia vzduchových filtrov [J]•Filtrovanie a separácia, 2000, 10(4): 8-10.
[2] Vzduchový filter CN Davis [M], preložil Huang Riguang. Peking: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 metóda testovania priepustnosti a odporu vysokoúčinného vzduchového filtra [M]. Národný úrad pre normy, 1985.
[4]Xing Songnian. Metóda detekcie a praktické využitie vysokoúčinného vzduchového filtra [J]• Bioprotektívne zariadenia na prevenciu epidémií, 2005, 26(1): 29-31.
[5] Hochrainer. Ďalší vývoj počítadla častíc
triedič PCS-2000 sklenené vlákno [J]•Filter Journal of AerosolScience, 2000,31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher atď. Tlak
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Michael JM a Clyde Orr. Filtrácia – princípy a postupy [M].
New York: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Mechanika aerosólov – teoretický základ odstraňovania a čistenia prachu [M] • Peking: China Environmental Science Press, 1987.
Čas uverejnenia: 06.01.2019