Razvoj sodobne industrije je postavil vse večje zahteve glede okolja za eksperimentiranje, raziskave in proizvodnjo. Glavni način za dosego te zahteve je široka uporaba zračnih filtrov v čistih klimatskih sistemih. Med njimi so HEPA in ULPA filtri zadnja zaščita pred prašnimi delci, ki vstopajo v čist prostor. Njihova učinkovitost je neposredno povezana z nivojem čistega prostora, kar posledično vpliva na kakovost procesa in izdelka. Zato je smiselno izvesti eksperimentalne raziskave filtrov. Primerjali smo upornost in učinkovitost filtracije obeh filtrov pri različnih hitrostih vetra z merjenjem učinkovitosti filtracije filtra iz steklenih vlaken in PTFE filtra za delce PAO velikosti 0,3 μm, 0,5 μm in 1,0 μm. Rezultati kažejo, da je hitrost vetra zelo pomemben dejavnik, ki vpliva na učinkovitost filtracije zračnih filtrov HEPA. Višja kot je hitrost vetra, nižja je učinkovitost filtracije, učinek pa je bolj očiten pri PTFE filtrih.
Ključne besede:HEPA zračni filter; upornost; filtracijska zmogljivost; PTFE filtrirni papir; filtrirni papir iz steklenih vlaken; filter iz steklenih vlaken.
Številka CLC: X964 Identifikacijska koda dokumenta: A
Z nenehnim razvojem znanosti in tehnologije sta proizvodnja in posodobitev sodobnih industrijskih izdelkov postala vse bolj zahtevna glede čistoče zraka v zaprtih prostorih. Zlasti mikroelektronika, medicina, kemična, biološka, živilskopredelovalna in druge industrije zahtevajo miniaturizacijo. Natančnost, visoka čistost, visoka kakovost in visoka zanesljivost notranjega okolja, ki postavlja vse višje zahteve glede delovanja HEPA zračnega filtra, so zato nujna potreba proizvajalcev, kako izdelati HEPA filter, ki bi zadovoljil povpraševanje potrošnikov. Eden od rešenih problemov [1-2]. Znano je, da sta upornost in učinkovitost filtracije dva pomembna kazalnika za oceno filtra. Ta članek poskuša analizirati učinkovitost filtracije in upornost HEPA zračnega filtra različnih filtrirnih materialov s poskusi [3] in različnimi strukturami istega filtrirnega materiala. Učinkovitost filtracije in upornost filtra zagotavljata teoretično osnovo za proizvajalca filtrov.
1 Analiza preskusne metode
Obstaja veliko metod za zaznavanje zračnih filtrov HEPA, različne države pa imajo različne standarde. Leta 1956 je ameriška vojaška komisija razvila standard USMIL-STD282 za testiranje zračnih filtrov HEPA in metodo DOP za testiranje učinkovitosti. Leta 1965 je bil uveden britanski standard BS3928, ki je za zaznavanje učinkovitosti uporabil metodo natrijevega plamena. Leta 1973 je Evropsko združenje za prezračevanje razvilo standard Eurovent 4/4, ki je sledil metodi zaznavanja natrijevega plamena. Kasneje je Ameriško združenje za okoljsko testiranje in znanost o učinkovitosti filtrov sestavilo vrsto podobnih standardov za priporočene metode testiranja, pri čemer so vsi uporabljali metodo štetja DOP s kaliperjem. Leta 1999 je Evropa uvedla standard BSEN1822, ki za zaznavanje učinkovitosti filtracije uporablja metodo štetja z kaliperjem DOP. Leta 1999 je Evropa uvedla standard BSEN1822, ki za zaznavanje učinkovitosti filtracije uporablja najbolj pregledno velikost delcev (MPPS) [4]. Kitajski standard za zaznavanje uporablja metodo natrijevega plamena. Sistem za zaznavanje učinkovitosti zračnega filtra HEPA, uporabljen v tem poskusu, je razvit na podlagi standarda ZDA 52.2. Metoda zaznavanja uporablja metodo štetja s kaliperjem, aerosol pa delce PAO.
1. 1 glavni instrument
V tem poskusu sta uporabljena dva števca delcev, ki sta preprosta, priročna, hitra in intuitivna v primerjavi z drugo opremo za testiranje koncentracije delcev [5]. Zaradi zgoraj navedenih prednosti števca delcev postopoma nadomešča druge metode in postaja glavna metoda za testiranje koncentracije delcev. Štejeta lahko tako število delcev kot tudi porazdelitev velikosti delcev (tj. štetje delcev), kar je osrednja oprema tega poskusa. Pretok vzorčenja je 28,6 l/min, vakuumska črpalka brez ogljika pa ima značilnosti nizkega hrupa in stabilnega delovanja. Če je nameščena ta možnost, je mogoče izmeriti temperaturo in vlažnost ter hitrost vetra ter preizkusiti filter.
Sistem za zaznavanje uporablja aerosole, pri čemer delci PAO delujejo kot prah, ki ga je treba filtrirati. Uporabljamo generatorje aerosolov (generacije aerosolov) modela TDA-5B, izdelanega v Združenih državah Amerike. Območje pojavljanja je od 500 do 65000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM), koncentracija pa je 100 μg/L, 6500 cfm; 10 μg/L, 65000 cfm.
1. 2 čista soba
Za izboljšanje natančnosti poskusa je bil laboratorij z 10.000-stopenjsko površino zasnovan in okrašen v skladu z ameriškim zveznim standardom 209C. Uporabljena so tla s premazom, ki jih odlikujejo prednosti teraca, odpornost proti obrabi, dobro tesnjenje, fleksibilnost in zapletena konstrukcija. Material je epoksi lak, stene pa so izdelane iz sestavljene obloge za čiste sobe. Prostor je opremljen z 220 V, 2 × 40 W čistilnimi svetilkami in je razporejen v skladu z zahtevami glede osvetlitve in terenske opreme. Čisti prostor ima 4 zgornje odprtine za zrak in 4 odprtine za povrat zraka. Prostor za prhanje z zrakom je zasnovan za enojno upravljanje na dotik. Čas prhanja z zrakom je 0–100 s, hitrost vetra katere koli nastavljive šobe za kroženje zraka pa je večja ali enaka 20 ms. Ker je površina čistega prostora <50 m2 in osebje <5, je zagotovljen varen izhod iz čistega prostora. Izbrani HEPA filter je GB01×4, prostornina zraka je 1000 m3/h, učinkovitost filtracije pa je večja ali enaka 0,5 μm in 99,995 %.
1. 3 poskusni vzorci
Modeli filtra iz steklenih vlaken so: 610 (D) × 610 (V) × 150 (Š) mm, z pregrado, 75 gub, velikost 610 (D) × 610 (V) × 90 (Š) mm, z 200 gubami, velikost filtra PTFE 480 (D) × 480 (V) × 70 (Š) mm, brez pregrade, s 100 gubami.
2 Osnovna načela
Osnovno načelo preskusne naprave je, da ventilator piha v zrak. Ker je HEPA/UEPA opremljen tudi s HEPA zračnim filtrom, se lahko šteje, da je zrak postal čist, preden doseže preizkušeni HEPA/UEPA. Naprava oddaja delce PAO v cevovod, da tvori želeno koncentracijo plina, ki vsebuje prah, in uporablja laserski števec delcev za določanje koncentracije delcev. Plin, ki vsebuje prah, nato teče skozi preizkušeni HEPA/UEPA, koncentracija prašnih delcev v zraku, filtriranem s HEPA/UEPA, pa se prav tako izmeri z laserskim števcem delcev ter primerja koncentracija prahu v zraku pred in za filtrom, s čimer se določi delovanje HEPA/UEPA filtra. Poleg tega so pred in za filtrom nameščene vzorčne odprtine, upornost vsake hitrosti vetra pa se preverja z nagibnim mikromanometrom.
Primerjava delovanja 3 filtrov z upornostjo
Odpornost HEPA filtra je ena od pomembnih značilnosti HEPA filtra. Pod predpostavko zadovoljevanja potreb ljudi so upornostne značilnosti povezane s stroški uporabe, saj je upornost majhna, poraba energije majhna in stroški so prihranjeni. Zato je upornost filtra postala zaskrbljujoča. To je eden od pomembnih kazalnikov.
Glede na eksperimentalne meritvene podatke je dobljena povezava med povprečno hitrostjo vetra dveh različnih strukturnih filtrov iz steklenih vlaken in PTFE filtra ter razliko tlaka v filtru.Razmerje je prikazano na sliki 2:
Iz eksperimentalnih podatkov je razvidno, da se z naraščanjem hitrosti vetra upor filtra linearno povečuje od nizke do visoke vrednosti, premici obeh filtrov iz steklenih vlaken pa se v bistvu ujemata. Zlahka je razvidno, da je upor filtra iz steklenih vlaken pri hitrosti vetra filtracije 1 m/s približno štirikrat večji od upornosti filtra iz PTFE.
Če poznamo površino filtra, lahko izpeljemo razmerje med hitrostjo dotoka in razliko tlakov v filtru:
Iz eksperimentalnih podatkov je razvidno, da se z naraščanjem hitrosti vetra upor filtra linearno povečuje od nizke do visoke vrednosti, premici obeh filtrov iz steklenih vlaken pa se v bistvu ujemata. Zlahka je razvidno, da je pri hitrosti vetra filtracije 1 m/s upor filtra iz steklenih vlaken približno štirikrat večji od upornosti filtra iz PTFE.
Če poznamo površino filtra, lahko izpeljemo razmerje med hitrostjo dotoka in razliko tlakov v filtru:
Zaradi razlike med površinsko hitrostjo obeh vrst filtrov in razlike v tlaku filtrov obeh filtrirnih papirjev je upor filtra s specifikacijo 610 × 610 × 90 mm pri enaki površinski hitrosti večji od specifikacije 610 ×. Upor filtra 610 x 150 mm.
Vendar je jasno, da je pri enaki površinski hitrosti upornost filtra iz steklenih vlaken višja od upornosti PTFE. To kaže, da je PTFE glede upornosti boljši od filtra iz steklenih vlaken. Za boljše razumevanje značilnosti filtra iz steklenih vlaken in upornosti PTFE so bili izvedeni nadaljnji poskusi. Spodaj so prikazani neposredni preučevali upornost obeh filtrirnih papirjev, ko se hitrost vetra v filtru spreminja:
To dodatno potrjuje prejšnji sklep, da je upornost filtrirnega papirja iz steklenih vlaken pri enaki hitrosti vetra višja od upornosti filtrirnega papirja iz PTFE [6].
Primerjava učinkovitosti filtrov s 4 filtri
Glede na eksperimentalne pogoje je mogoče izmeriti učinkovitost filtracije filtra za delce z velikostjo delcev 0,3 μm, 0,5 μm in 1,0 μm pri različnih hitrostih vetra in dobiti naslednji grafikon:
Očitno je učinkovitost filtracije obeh steklenih vlaken za delce velikosti 1,0 μm pri različnih hitrostih vetra 100 %, učinkovitost filtracije delcev velikosti 0,3 μm in 0,5 μm pa se z naraščanjem hitrosti vetra zmanjšuje. Vidimo lahko, da je učinkovitost filtracije filtra za velike delce višja kot za majhne delce, učinkovitost filtracije filtra 610 × 610 × 150 mm pa je boljša od filtra s specifikacijo 610 × 610 × 90 mm.
Z isto metodo dobimo graf, ki prikazuje razmerje med učinkovitostjo filtracije PTFE filtra 480 × 480 × 70 mm in hitrostjo vetra:
Če primerjamo sliki 5 in 6, je filtracijski učinek steklenega filtra z delci 0,3 μm in 0,5 μm boljši, zlasti pri kontrastnem učinku prahu 0,3 μm. Filtracijski učinek treh delcev na delce 1 μm je bil 100 %.
Za bolj intuitivno primerjavo učinkovitosti filtracije filtra iz steklenih vlaken in filtrirnega materiala PTFE so bili testi učinkovitosti filtracije izvedeni neposredno na obeh filtrirnih papirjih in pridobljen je bil naslednji grafikon:
Zgornji grafikon je bil pridobljen z merjenjem filtracijskega učinka PTFE in steklenih vlaken na delce velikosti 0,3 μm pri različnih hitrostih vetra [7-8]. Očitno je, da je učinkovitost filtracije PTFE filtrirnega papirja nižja od učinkovitosti steklenih vlaken.
Glede na upornostne lastnosti in filtracijske lastnosti filtrirnega materiala je enostavno videti, da je filtrirni material PTFE primernejši za izdelavo grobih ali sub-HEPA filtrov, filtrirni material iz steklenih vlaken pa je primernejši za izdelavo HEPA ali ultra-HEPA filtrov.
5 Zaključek
Možnosti za različne uporabe filtrov so raziskane s primerjavo upornostnih lastnosti in filtracijskih lastnosti PTFE filtrov s filtri iz steklenih vlaken. Iz poskusa lahko sklepamo, da je hitrost vetra zelo pomemben dejavnik, ki vpliva na filtracijski učinek HEPA zračnega filtra. Višja kot je hitrost vetra, nižja je učinkovitost filtracije, bolj očiten je vpliv na PTFE filter in na splošno ima PTFE filter manjši filtracijski učinek kot filter iz steklenih vlaken, vendar je njegova upornost nižja od upornosti filtra iz steklenih vlaken. Zato je PTFE filtrirni material bolj primeren za izdelavo grobih ali podvisoko učinkovitih filtrov, filtrirni material iz steklenih vlaken pa je bolj primeren za proizvodnjo učinkovitih ali ultra učinkovitih filtrov. HEPA filter iz steklenih vlaken s specifikacijo 610 × 610 × 150 mm je nižji od HEPA filtra iz steklenih vlaken 610 × 610 × 90 mm, učinkovitost filtracije pa je boljša od HEPA filtra iz steklenih vlaken 610 × 610 × 90 mm. Trenutno je cena čistega PTFE filtrirnega materiala višja od cene steklenih vlaken. Vendar pa ima PTFE v primerjavi s steklenimi vlakni boljšo temperaturno odpornost, odpornost proti koroziji in hidrolizi kot steklena vlakna. Zato je treba pri izdelavi filtra upoštevati različne dejavnike. Združite tehnično zmogljivost in ekonomsko učinkovitost.
Reference:
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Razvoj in uporaba zračnih filtrov [J]•Filtriranje in ločevanje, 2000, 10(4): 8–10.
[2] Zračni filter CN Davis [M], prevedel Huang Riguang. Peking: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 metoda preizkušanja delovanja visoko učinkovitega zračnega filtra, prepustnost in upornost [M]. Nacionalni urad za standarde, 1985.
[4]Xing Songnian. Metoda zaznavanja in praktična uporaba visoko učinkovitega zračnega filtra [J]• Bioprotektivna oprema za preprečevanje epidemij, 2005, 26(1): 29–31.
[5] Hochrainer. Nadaljnji razvoj števca delcev
merilnik PCS-2000 steklena vlakna [J]•Filter Journal of AerosolScience, 2000, 31(1): 771–772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher itd. Pritisk
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639–640.
[7]Michael JM in Clyde Orr. Filtracija – načela in prakse [M].
New York: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Mehanika aerosolov – teoretična osnova odstranjevanja in čiščenja prahu [M] • Peking: China Environmental Science Press, 1987.
Čas objave: 6. januar 2019