南理工洁净技术讲稿4.ppt

空气洁净技术 4 空气过滤器的特性在空气净化系统中 空气过滤器是核心设备 因而有必要对其特性全面地了解 4 1空气净化系统中过滤器的作用和分类表4 1是我国国家标准对过滤器进行分类 共分5档 分别为粗 中 高中 亚高和高效 其中高效中又分了ABCD4档 分类的指标基准为额定风量效率和阻力 其中在注的一栏注明测试所用的气溶胶种类即用什么方法测出的效率 那么如何判别其高低 一般讲DOP法 钠焰法 油雾法和计数法 粒径为0 3 m 的效率值基本上可比 方法DOP发比色法人工尘计重法99 97100100效959910080 8593 97100率50 6080 859920 3045 559615 2030 3592 国外也有用统一的测试标准分类的名称计数效率 阻力 Pa 对粒径为0 3 m的尘粒 粗效过滤器 20 30中效过滤器20 90 100亚高效过滤器90 99 9 150高效过滤器 99 91 250 两种分类各有优点 国外的测试用粒子统一 便于比较 而我国的则可以分类看出不同过滤器的作用 粗效 主要过滤 5 m的粒子并有效除去 10 m的微粒及异物 在净化系统中作用第一级过滤器 在普通空调中用作过滤设备 中效 主要有效过滤 1 m的粒子 基本除去 10 m 放在初效过滤之后 大多数情况用于高效过滤器的前级保护 现在普通空调在很多场合要求初中效两级过滤 高中效 过滤 1 m 基本除掉 5 m 可以用作一般净化程度的净化系统的末端过滤 如口服中成药制剂车间 也可作为高效过滤器的前级保护 作中间过滤器 在一定程度可延长高效过滤器的寿命 亚高效 可以单独使用作为洁净系统的末端过滤器 可达的洁净级别为美国联邦标准209D E 万级 在此环境可灌装输液剂等 对 0 5 m有很高的效率 对细菌的过滤效率基本为100 也可设在高效过滤器之前 进一步提高送风洁净度 其最大优点是效率很高 但阻力增加不大 高效过滤器 对 0 3 m 甚至 0 1 m的粒子有极高的效率 配合恰当的气流组织可达到现代工业所需的任何洁净环境 超净 无菌 对 0 1 m在99 99 有人称绝对过滤器 4 2面速和滤速衡量过滤器通过风量的能力的两个指标 不同的过滤器 两者之比差别很大 面速 通过过滤器断面 迎风面 上的气流速度面速的大小影响整个过滤段的为面积的大小及过滤器并联台数的多少 滤速 滤料面积上通过的气流速度 单位 初效一般m s 其它cm s 一般量级初效 m s 中效 分米 s 高 亚高效 cm s cm s一般f F 对于高效过滤器甚至为几十倍 因而u v差异甚大 4 3效率效率 穿透率的概念 分级效率与总效率的关系 1 n 各粒径分级效率 n1 nn 各粒径微粒含量所占全体的比例 4 1节给出部分效滤检测方法的效率值的对比 差异较大 因此提到效率 必须说明是什么方法测得的效率 与效率 穿透率 有关的一个指标称净化系数 为穿透率的倒数 表示经过滤器后微粒浓度降低的程度 也说明过滤前后浓度相差的倍数 4 4阻力过滤器初力主要由两部分组成 滤料阻力和结构阻力 作为设备还有进出口阻力 很小 一般作为定值附加阻力不作讨论 1 滤料阻力纤维过滤器的阻力是由于气流通过纤维层时受到纤维迎风面的阻挡而形成的 涉及到过滤速度和纤维直径 当然与Re有关 由于df很小 v很小 cm量级 所以Re很小 一般在层流范围 我们常用气流受到的阻力实际是压强单位Pa 分析时还得从受力开始 单位长度的单根纤维当气流垂直流过时 这时其所受的压力也就是对气流形成的阻力 为气流动压与迎风面积的乘积再乘以阻力系数 N m 4 10 若滤料内纤维长度为L 则滤料所受力即为气流形成的阻力FL 设滤料厚为H 面积为S 填充率 则单位面积上的阻力即我们习惯上称的阻力 Pa 将4 10代入得 Pa P与v H 及df有关 与C 有关 而C 本身可能与纤维排列方式 纤维表面形状及Re有关 需用实验方法确定具体值 经实验和理论推导得出具体表达式Pa 4 15 为纤维断面形状系数 m2为实验指数 与纤维材料有关 实际上每种纤维滤料的阻力值都是实测的 理论计算影响因素太多 与实测有出入 2 过滤器全阻力由滤料的阻力公式可看出 阻力与滤速成正比 在滤速较低范围内呈直线关系 所以滤料阻力可写为 4 16 测滤料阻力与测过滤器阻力发现的问题 差值 结构阻力计为 P2 阻力肯定与空气流速相对应 滤料对应的为滤速v 而隔板形成的通道 结构因素 对应的是面速u 因而过滤器总阻力 4 18 对不同的过滤器n值略有不同 1 n 2若统一成v的表达式 4 19 C 3 10 m 1 1 1 36随过滤器而异 说明 1 v的单位仍带cm s 2 初 中效不适用此式 4 5容尘量与使用寿命有关 指过滤器达到终阻力时单位滤料面积的积尘量g m2 为一个额定值 过滤器阻力随积尘量变化的情况近似直线关系 4 6过滤器的设计效率实际为粒径计数效率之间的换算 过去沿用美国联邦标准习惯 用 0 5 m的微粒的多少衡量洁净室级别 相应效率也用对 0 5 m的标定计算时就方便 而高效过滤器的效率主要是DOP法或油雾法测定 是以0 3 m的单分散相微粒来测量的 用于计算洁净室时要换算成设计条件下的效率 许钟麟先生由测试结果回归出一个反映高效过滤器粒径与穿透率关系的公式K1为0 3 m时穿透率 d0 3为0 3 m粒径 K2为 0 3 m某粒径的穿透率 d为 0 3 m的某一粒径 仅适用于高效过滤器 该公式与实测结果较吻合 对于效率较低的过滤器范围也可进行换算 效率值增加10 4 7过滤器的串联效率在过滤器串联后总效率的计算若两个相同型号的过滤器串联运行时 由于它们过滤的粉尘的粒径不同 1和 2是不同的 2 1 而影响纤维过滤器效率的因素中占第一位的是微粒尺寸的影响 其中引入一个最大穿透粒径dmax dmax的存在使过滤器对微粒的过滤有选择性 当用相同的过滤器串联过滤多分散微粒时 气流经过第一道过滤器 大部分微粒被捕集 穿过的主要是dmax粒径的微粒 穿透率分母很大 即第一道过滤器的穿透率较低 对于第二道过滤器 所处理的主要是dmax粒径的微粒 因而穿透率的分母较小 其穿透率要比第一道过滤器大 我们要讨论两个相同过滤器串联 第二级的效率到底比第一级下降多少 1 高效过滤器串联效率过滤器的效率与其对各粒径的分级效率的关系为 其中n1 nn为各粒径的微粒的含量占全体微粒的比例 1 2 n各粒径的分级效率 若粒径的分级由小到大 一般情况下n1 n2 nn 即小粒径的微粒粒数多 粒数的比例大 而 1 2 n 对于串联的第二级高效过滤器 1 2 n仍不变 但nn 1nn已不存在或极少 其效率变为 对与第二级过滤器 n1 n1 所对应的粒径相当于最大穿透粒径dmax 而其它粒径微粒的比例 由于高效过滤器的效率高 一般n2 n2 n3 n3 而n1 n2 nn 2 1两式相比一 二两级的过滤效率究竟能差别多大 表4 6给出一实际计算例子 按教材的计算结果 第二级的效率比第一级下降了0 041 而穿透率确由0 045 升高到0 086 增加近一倍 从串联的第二级开始效率已接近过滤器对最大穿透粒径的过滤效率 到第三级几乎仅剩dmax粒径微粒 其效率与第二级几乎相同 若再串联多级 从第二级以后 效率相同 对于空气洁净工程 由于两级高效过滤器串联后效率已经很高 而第二级过滤效率下降的影响又很小 所以多级过滤器串联总效率的公式能用 但我们应知道第二级过滤器效率略有下降这一实际情况 2 中效过滤器串联效率由于中效过滤器对小粒径微粒的过滤效率较低 而小粒径的微粒个数在大气尘中占绝大多数 如大气尘中 0 5 m的微粒数占到91 68 对计数效率而言 对小微粒的过滤效率决定其总效率 因而串联后第二级中效过滤器的效率与第一级差别很小 可以认为不变 公式能用 仍用表4 6算例中的粒径分布 0 3 m占46 0 4 m占20 0 5 m占34 0 3 0 4 0 4 0 47 0 5 0 54 可算得第一 二级 一 0 46 二 0 458 但对于计重效率 总串联效率公式不适用 以两级为例 第二级效率会下降很大 因大于等于0 5 m的微粒的总重占到99 而 5 m的占80 若用串联公式 2需用新粒微分布情况下的效率值 4 8使用期限 1 过滤器的寿命过滤器使用寿命 特别是高效过滤器由于造价较高 其使用寿命的长短直接关系到空调净化系统的运行 维护费用 正常使用的过滤器其使用寿命是由积尘量决定的 达到容尘量时即到达使用期限 而积尘量是不易在运行中测得 是靠过滤器前后阻力即压差的变化来反映 一般情况下 当过滤器的终阻力等于初阻力的2倍时 即阻力增加了1倍时 即达到额定容尘量 过滤器使用寿命结束 当过滤器前空气含尘浓度用N1mg m3表示 过滤器效率为 额定处理风量为Q0m3 h 每天运行t小时 则一天积尘量为 g d 达到容尘量P0所需的时间T0即为使用寿命 天 4 24 一般情况过滤器特别是中效以上的过滤器所处理的空气都是室外新风与室内回风的混合空气 当大气含尘浓度为M 室内洁净级别以及新回风的比例已知 过滤器前的浓度N1可计算 2 寿命和运行风量的关系P0一定y时 运行时间与运行风量成反比 T1为当风量低于额定风量运行时 达到容尘量时所用的时间更长 并不代表寿命 其寿命肯定增加 但增加量不能是简单比例关系 因为容尘量的达到是用终阻力来判断的 我们曾在介绍过滤器全阻力时给出公式m 1 1 1 36 也可写成 实际为初阻力与风量的关系 终阻力肯定也是类似的形式 即过滤器阻力与风量的m次方成正比 m 1 当在部分风量下运行时 过滤器达到了容尘量值g m2 但其阻力还未达到终阻力 这时仍能继续使用一段时间 直到阻力达到终阻力值为止 用K表示运行风量与额定风量之比 据日本学者的实测结果 而当K 0 5 即为额定风量一半时 达到终阻力的运行时数为额定风量下运行时数的3 4倍 公式4 26 4 29为根据实测曲线拟合的方程 其中4 27中的常数项应为23 86 是过滤器的初阻力值 利用4个公式 将K值的影响作为一参数得出一综合方程 4 30 为过滤器工作过程的阻力与风量及运行时间的关系 当达到终阻力时 如H 2H0为常数 风量已知时K为常数 将T解出即为过滤器寿命T0 其解为下式 该公式是根据实测结果回归得到的应该有一定的普遍意义 许仲麟先生1997年又提出一个估计运行时间T与风量比K关系的理论分析的近似方法 通过图可形象反映在不同风量下运动时间和过滤器阻力的关系 过滤器在额定风量Q0下运行初阻为H0 达到额定容尘量P0时 阻力增加达到终阻力 这时运行时间T0为寿命 风量大于Q0时即 其初阻力即大于H0 又因风量大 阻力上升较快 较早就达到终阻力 寿命短 风量小于Q0时K 1 初阻力即小于H0 又因阻力上升较慢 达到终阻所用的时间长 寿命长 具体分析K 1情况 设处理风量Q1 Q0 即K 1 达到终阻力时所用的时间为T1 0 阻力增加值 H H0 仅考虑高效和亚高效过滤器 在净化系统中所关心的也是它们的使用寿命 当容尘量为定值时得出运行时间与风量成反比T1为在Q1风量下运行达到P0时所用的时间 但过滤器的阻力还没有达到终阻力 主要的两个因素都与风量小于额定风量有关 一是由于风量较低 积尘达到容尘量 但阻力仍低于终阻力 第二个因素是由于风量较低 其初阻力要身就低于额定风量下的初阻力 二者都进步延长了过滤器达到终阻力的时间 使用寿命增加 具体分析如下 前面过滤器阻力一节曾讲过对于高效过滤器和亚高效过滤器 其阻力和通过风量的关系可近似看成直线关系 误差不大 我们将其看成直线关系即成正比关系 在Q1 Q0 即K 1情况下 运行了T0 K时间后达到额定容尘量P0 但由于Q与H成正比 即同样达到P0 Q1风量情况的阻力较终阻力小 1 K 倍 所以还要靠继续积尘增加阻力 由于积尘量和阻力增加值近似成正比 而积尘量又与时间成正比 所以在Q1风量下运行 达到终阻力所需的时间在的基础上还要再增加 这还是没考虑由于风量低于额定风量初阻力减小的影响 实际由于风量为Q1 Q1 Q0 K 1 由H Q成正比关系 初阻力本身也降为KH0 减少了 1 K 倍 在Q1风量下要达到初阻力H0需多积尘运行一段时间 因为前提 H H0 如果在Q0风量下运动 补上 1 K H0阻力 所需时间为 1 K T0 那么可得在Q1风量下运行实际需要延长的时间为 考虑由于Q1Q0 则取 以Q1为基准 则代入具体K 值得 则 为达到终阻时间亦即寿命 T1 T0为缩短的运行时间 表4 7为K取不同值时过滤器寿命与额定风量下使用寿命的倍数关系 表4 8为用两种计算方法和实测值的比较 可看出三者之间是较吻合的 4 9计重效率的估算对于高效 亚高效过滤器的效率一般均用计数效率表示 只有计算其使用寿命时要用到计重效率 所以需要从计数效率换算成计重效率 最为可靠的方法应是通过大量实验找出二者的关系 但没有人做过这些工作 所以只能用分析的方法进行估算 依据就是大气尘的质量分布与数量分析的关系 如表2 28 根据对大于某一粒径的计数效率为100 和对应大于等于该粒径的质量百分比来进行估算 再将计算效率折算成 0 5 m粒径的计算效率 绘制成图4 21曲线供换算 已知 0 5 m粒径的计数效率 可查出所对应的计重效率 仅是估算 不准确之处在于在确定 某一粒径的计数效率100 时 认为小于该粒径的微粒全部通过 对其效率为零 与实际不符 但用于工程计算已足够了 4 10滤纸过滤器滤料是用纤维滤纸制成的过滤器 实际上包括指高效和亚高效过滤器 对于高效过滤器而言仅有玻璃纤维和超细玻璃纤维滤纸 对亚高效过滤器除玻璃纤维外还可用丙纶纤维滤纸 1 高效过滤器滤纸均为折叠形 分为有隔板和无隔板两种 迎风面为正方形 深度方向尺寸较小 有隔板为150mm或220mm 无隔板的为80mm 制成合适的框架及合理的密封措施很方便并联使用 1992年以前 即国家标准 高效空气过滤器 GB13554 92颁布以前 高效过滤器主要是型号 尺寸不统一 其中GB系列尺寸相对较统一些 GB 01高 宽 深 484 484 220 风量1000m3 h GB 02320 320 260 500 GB 03630 630 220 1500 无隔板系列WGP 01484 484 80 1000 1 5WGP 01726 484 80 1500 2WGP 01968 484 80 2052 WGP 03630 630 80 1500 超高效过滤器CGB 1000610 610 150 1000 CGB 1500610 915 150 1500 CGB 2000610 1220 150 2000 还有一些厂家自行生产的规格型号 有十多个厂家生产 92年颁布的国标对过滤器的型号规格的代号含意作了统一规定 共由6部分组在 123456 1 产品名称代号G含义 高效过滤器2 结构类型Y或W有隔板或无隔板3 性能类别ABCD按效率和阻力的高低分类见表4 14 耐火级别1 2 3按耐火程度分三级 1 过滤器全部材料是不燃性的 2 滤料为不燃性材料 分隔板框架可用可燃性材料 3 过滤器全部材料可用易燃性材料 5 基本规格4 5 9共6个规格 每一编号代表一种规格 括号代表无隔板 规格代号外形尺寸mm额定风量m3 hHWD4400400150 80 500 650 5500500150 80 750 1000 6600600150 80 1000 1500 7700700150 80 1500 2000 8800800150 80 2000 2500 9900900150 80 2500 3000 无隔板进深虽短但额定风量大 有隔板进深为220mm时 额定风量增加50 表中尺寸宽度增加50 或1倍时 额定风量同比增长 无隔板7号和7号以上规格宽度不得加大 6 其它规格代号S Z K表中深度为220mm时S 当宽度为1 5倍时用Z 当宽度为2倍时用K 如GY A 3 6 GY A 3 6KS的含义国家统一标准 目前GB系列在大量使用 许多工厂并未完全执行该标准 有分隔板的过滤器还有一种形式是斜分隔板 即分隔板沿纵深的起折高度不同 因而起支撑作用 所形成的空气通道呈三棱锥体 正迎合空气沿通道逐渐减少的实际 同样的外形尺寸 斜分隔板过滤器的过滤面积大 而处理相同风量时阻力小 国外产品较多 如我国的无锡净化设备厂生产直隔板GB 01484 484 220 99 99 钠焰法 初阻值 240Pa 斜隔板XG 01484 484 220 99 99 钠焰法 初值 180 少1 4 2 亚高效过滤器有两种形式 一为折叠形纸过滤器 与高效过滤器相同 只是滤纸的纤维径和填充率有差别 另一种形式是管形纸过滤器 特点 阻力低 其结构阻力很小 而折叠式结构阻力很大 初值一般为折叠式的1 5 1 4左右 折叠式的最终处理方式为抛弃 而管形为非全抛弃形 外框及底板可继续使用 仅更换滤管 便于利用小块滤料 重量轻 仅为折叠式一半 可制成任意形状 不用胶无异味 效益较大 初次购买造价以折叠式相对值为1 管式为0 71 省近30 更换费用相对值为0 55 0 62 运行时阻力低省电1 10 1 8 4 11纤维层过滤器滤料是由纤维采用一定方法填充而成 纤维分天然纤维 如棉 羊毛 人造纤维 玻璃纤维 熔化后喷成细丝 和化学纤维如丙纶 晴纶 涤纶纤维等与仿织用的相类似 用非纺织的手段制成滤料有纤维毡和所谓无纺布两种 主要有喷粘结剂法和热熔法等 根据填充率 厚度的不同可分为粗效和中效过滤器 1 初效过滤器对初效过滤器的最大要求是容尘量大 阻力小 结构上要求简单 结构形式主要有 1 平板式 外框 中间滤料为纤维毡式 平铺 仅有几根钢丝覆面加强 也有用多孔薄金属板覆盖表面加强 迎面风速与滤速相同 但并联安装可人字型安装 可降低滤速 外形尺寸有 小 485 420 25 大 610 610 25 2 折叠式 外框 中间滤料可以是纤维毡或无纺布绕固定金属杆折叠 滤速小于面速 外形尺寸有 496 477 110 520 520 120等 3 袋式 角钢框 滤材为毡式 制成楔形袋式 有楔形支撑 4 卷绕式 滤材为毡式或平板自动卷绕式折叠形自动卷纸 根据阻力自控更新滤料 2 中效过滤器也要求阻力较低容尘量大 其结构形式主要有 1 袋式 板式基本与初效相同 玻璃纤维毡 无仿布 2 折叠式 分两种 一种与初效的相同 另一种带分隔板的与高效的形式相同 无仿布 长丝无纺布 3 插片板式 滤材为毡式或复合无纺布 平铺若干插片组成一个单元 4 12发泡材料过滤器即泡沫塑料过滤器 通过化学处理的方法使泡沫塑料具有通气性作为滤料 多数用于初效 可做成袋式 也有少量用于中效过滤器 做成袋式 由于泡沫塑料的孔隙率不好控制 影响其过滤性能 不稳定 其应用比纤维型过滤器少得多 4 13自净器自净器是一种空气净化装置 主要由风机 粗中效过滤和末级过滤器 以及送风口 进风口组成 设备在房间内处理室内空气 对净化系统起辅助补充作用或独立承担室内空气的净化任务 特点 布置灵活 移动方便 可有轮子 体积小 通电即能运行 自净器按末级过滤器分为两类 过滤式自净器 末级为高效或亚高效过滤器 静电自净器 末级静电过滤器 自净器的作用主要有 1 设置在乱流洁净室的四角和其它涡流区以减少灰尘滞留的机会 2 作为操作点的临时净化措施 在面对自净器洁净气流的距离上 可形成一洁净空气笼罩的地段 以过滤式自净器为例 这一地段的洁净度和周围洁净程度之比可见图 3 作为循环机组是一种最简易的形成洁净环境的设备 4 13 1过滤式自净器由风机 粗效 中效和高 亚高 效过滤器及送风口 进风口组成 形式有 移动柜式 高约1 7 1 8m 窗式 风量1300 1700m3 h 悬挂式 FFU 4 13 2静电自净器一般过滤效率略低于过滤式自净器 因而除了用在洁净室起辅助作用外 在静电自净器中的初效过滤器内侧加一层活性碳过滤器 还能吸咐烟气 异味及其它有害气体 用于要求较高会议室 客房等场合净化室内空气 1 静电自净器的工作原理我们对暖通空调中讲的工业用电除尘器有的构造及原理有印象 其电场形式为若干大的平板按一定间距平行设立作为集尘极 在两板中间排列若干带刺的杆状金属作为放电极 气体电离 粉尘荷电和收尘在同一区域进行 这种电场为单区式 图4 44a 而静电自净器把电离荷电和收尘分成两部分 即电离极和集尘极两个区 以双区式 图b 这样做主要是能减小集尘板间距 增大集尘面积 同时还降低电压 便于室内使用 静电自净器与工业用是除尘器的另一个不同点是采用正电晕放电 而工业用电除尘为负极为放电极 正极为集尘极 采用正电晕放电的优点是产生的臭氧和氮氧化物较少 这对人员活动的场合是适宜的 静电自净器的工作原理及流程是 尘粒在电离极附近被电离空气中的正离子附上 带上正电荷 然后到达集尘极在电场力的作用下在接地极板上沉集下来 从空气中被除掉 尘粒的荷电量及在电场中受的静电力计算与电除尘器中的计算相同 只是单位不同 这里用的静电系电场强度和电荷单位 而电除尘器中用的牛顿 库仑和库仑 物理