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高效過濾器性能試驗方法

高效過濾器性能試驗方法

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展, 現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和現(xiàn)代化科學實驗活動對室內(nèi)空氣潔凈度的要求越來越高, 特別是微電子、醫(yī)療、化工、生物、食品加工等行業(yè)都要求有微型化、精密化、高純度、高質(zhì)量和高可靠性的室內(nèi)環(huán)境, 實現(xiàn)這一目標的主要途徑是在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用空氣過濾器。其中高效 ( HEPA) 和超高效 ( ULPA) 過濾器是塵粒進入潔凈室的后一道防護, 它的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到潔凈室等級, 進而影響工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量。

日本工業(yè)標準 JIS B 9927: 1999 《潔凈室用空氣過濾器性能試驗方法》中采取粒子計數(shù)法對高效過濾器進行檢測; 歐洲在 1998- 2000 年制定了 BS EN- 1822 標準,采用易透過粒徑 ( MPPS) 法檢測過濾器的過濾效率。本文將從效率測試、檢漏以及氣溶膠源等方面分析并比較國內(nèi)外的多個標準, 并著重討論高效過濾器性能測試過程中存在的問題, 指出該領(lǐng)域今后研究和發(fā)展的方向高效過濾器的性能試驗方法1.1 高效過濾器的效率檢測由前述可知, 高效過濾器的效率檢測方法多種多樣,但歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展和演變, 目前影響較大、使用范圍較廣的有 : DOP 法、粒子計數(shù) 法和易穿透粒徑( MPPS) 法。

1.1.1 DOP 法DOP 法特指熱生成 ( 凝結(jié)法) DOP 氣溶膠加光度計測量法。該法先由美國提出: 將 DOP 液體加熱成蒸氣, 蒸氣在特定條件下冷凝成微小液滴, 去掉過大和過小的液滴后留下 0.3!m 左右的單分散相氣溶膠顆粒, 霧狀 DOP 進入風道 , 后用光散射式光度計 ( Light- scattering photometer)檢測過濾器前后氣樣的濁度比來計算過濾器的過濾效率。

1.1.2 粒子計數(shù)法粒子計數(shù)法以粒子計數(shù)器作為檢測儀器, 塵源采用單分散或多分散氣溶膠。多分散氣溶膠是通過噴霧法 ( 冷生成) 產(chǎn)生的, 膠源有時也應(yīng)用 DOP 粒子, 與熱生成 DOP粒子相比, 它們的材料相同, 但分散度和檢測方法均不相同, 應(yīng)加以區(qū)分。冷發(fā)生 DOP 氣溶膠加粒子計數(shù)器是目前常用的粒子計數(shù)法組合方式。

1.1.3 易穿透粒徑 ( MPPS) 法易穿透粒徑法也稱為計數(shù)掃描法, 是目前國際上高效過濾器的主流試驗方法 [8]。它的基礎(chǔ)仍是粒子計數(shù), 只是測試塵源采用易穿透粒徑的粒子, 用大流量激光粒子計數(shù)器或凝結(jié)核計數(shù)器對過濾器的整個出風面進行掃描檢驗。這種方法不僅能測量過濾器的平均效率, 還可以比較各點的局部效率 ( 滲漏試驗) 。

1.2 高效過濾器的檢漏要保證潔凈室的潔凈度級別, 除了選取適當?shù)倪^濾器外, 還必須要求安裝的高效 ( 超高效) 過濾器無漏點, 一只滲漏的過濾器會導(dǎo)致整個工程設(shè)計的失敗。因此, 檢漏也是高效過濾器性能試驗中極其重要的一部分, 國內(nèi)外的相關(guān)標準也對此作出了專門的規(guī)定。高效過濾器的檢漏常采用冷發(fā)生 DOP 加計數(shù)掃描或光度計掃描。1.2.1 計數(shù)掃描計數(shù)掃描采用的儀器是粒子計數(shù)器, 測試值反映氣流中計徑粒子的計數(shù)濃度 ( 粒/L) 。

掃描檢漏過程與效率測試中的 MPPS 法類似, 因此可以允許通過掃描試驗數(shù)據(jù)計算效率, 使效率試驗和掃描檢漏工作合而為一。計數(shù)掃描法靈敏度高, 可適用于掃描 ULPA 過濾器。1.2.2 光度計掃描光度計掃描采用的儀器是氣溶膠光度計, 測試值反映氣體中顆粒物質(zhì)的質(zhì)量濃度 ( !g/L) 。相比于計數(shù)掃描法,光度計掃描的敏感度較低, 不適用于效率高于 99.999%的高效過濾器。國內(nèi)外高效 ( 超高效) 過濾器性能試驗標準簡析由于各國情況不同, 因此現(xiàn)行主要標準中采用的高效( 超高效) 過濾器的試驗方法也不盡相同。表 1 列出各標準所用試驗方法和檢測儀器。

2.1 各標準效率檢測方法分析高效過濾器的各種效率檢測方法究竟孰優(yōu)孰劣是人們長期以來爭論的焦點, 迄今為止并沒有明確的定量比較結(jié)果。但可以肯定的是, 歐洲標準率先采用的易穿過粒徑( MPPS) 法靈敏度高, 準確性強, 被公認為是當今科學的檢測方法, 也是目前唯一可用于檢測 ULPA 過濾器的方法。于 1998 年頒布的歐洲標準 BS EN- 1822 共由 5 部分組成 ( 其中第 4、5 部分于 2000 年頒布) , 其中詳細規(guī)定了MPPS 法的檢測過程: 步為濾紙效率檢測, 通過對濾紙的檢測得到效率粒徑曲線, 由此確定 MPPS; 第二步為過濾器滲漏的檢測, 在額定風量下用平均粒徑與易穿透粒徑相同的氣溶膠進行檢測; 第三步為過濾器全效率檢測,用與第二步相同的氣溶膠在額定風量下檢測過濾器全效率。

( 2) IEST 和 JIS B 9927: 1999 中對過濾器效率和滲漏的試驗是兩項獨立的工作, 需分別進行; 而 BS EN- 1822允許利用掃描試驗數(shù)據(jù)計算效率, 將效率試驗和檢漏工作合二為一。EN- 1822 提出以局部透過率來衡量過濾器是否泄漏, 根據(jù)過濾器級別的不同, 該局部透過率限值依次為總透過率限值的 2 倍 ( H13) 、 5 倍 ( H14、 U15、 U16) 及 20 倍( U17) ; IEST- RP- CC034.2:2005 將這一倍數(shù)間隔劃分得更為詳細 ( 從 1 倍～20 倍) 不等; JIS B 9927: 1999 中的允許倍率 K 取決于與用戶的協(xié)議。有關(guān)高效過濾器的檢漏, 我國標準比較零散?！?a href=http://pingmei.net/ target='_blank'>高效空氣過濾器性能試驗方法》( GB6165- 85) 中并未涉及此內(nèi)容, 而是在《高效過濾器》( GB13554- 92) 和《潔凈廠房設(shè) 計規(guī) 范》( GB50073- 2001) 中分別闡明了實驗臺測試用和已安裝高效過濾器的檢漏過程及滲漏指認標準[10～11], 基本原理與歐美日標準類似, 但塵源允許使用大氣塵。氣溶膠的發(fā)生是高效過濾器檢測中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,其發(fā)生方法、分散度、發(fā)生濃度等會對高效過濾器的檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響, 因此現(xiàn)行各標準對以上因素均提出了明確要求[1][5], 見表 2。針對不同的檢測方法, 雖然對氣溶膠源各參數(shù)規(guī)定的具體數(shù)值略有不同, 但不難看出各標準對氣溶膠發(fā)生部分有以下幾點共性:( 1) 所采用的試驗氣溶膠物質(zhì)在常溫下具有很低的蒸汽分壓力, 長時間采樣過程中不會因蒸發(fā)造成液滴尺寸的明顯改變。( 2) 均以噴霧法 ( 冷發(fā)生) 或凝結(jié)法 ( 熱發(fā)生) 產(chǎn)生試驗氣溶膠, 但以噴霧法為多。( 3) 明確規(guī)定氣溶膠粒子的粒徑分布, 計數(shù)平均粒徑小于 0.5!m。

( 4) 足夠高的發(fā)塵濃度。為保證下游的采樣數(shù)據(jù)有效,上游發(fā)出的氣溶膠粒子濃度要足夠高。( 5) 保證被試過濾器整個迎風面上的試驗氣溶膠濃度均勻 ( 空間一致性) , 還要保證整個試驗期間氣溶膠濃度恒定 ( 時間一致性) 。4 問題討論4.1 塵源性質(zhì)目前國內(nèi)外相關(guān)標準中廣泛采用 DOP 作為試驗氣溶膠源, 但是近年有關(guān)人士批評 DOP 的揮發(fā)有致癌作用[9], 在某些情況下可能進入潔凈室對操作人員及樣品產(chǎn)生危害,在醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域尤其應(yīng)避免采用 DOP。因此, 在現(xiàn)場實際測試中, 通常用 PAO 或 PSL 代替 DOP 作為塵源。此外, 長期以來人們都在討論熱發(fā)生和冷發(fā)生 DOP 哪個更具優(yōu)勢。熱發(fā)生 DOP 能夠較嚴格地控制粒徑接近被測過濾器的易穿透粒徑, 但是其發(fā)生設(shè)備龐大, 且在開啟時必須預(yù)熱三十分鐘, 使用起來較為不便; 另外加熱發(fā)生方法易使 DOP 附著于過濾器表面。

冷發(fā)生 DOP 裝置不存在上述問題, 但其產(chǎn)生的多分散氣溶膠無疑提高了對采樣分析儀器的要求。4.2 發(fā)塵濃度國內(nèi)外各標準中要求上游發(fā)塵濃度足夠高, 但是為避免由凝并導(dǎo)致氣溶膠粒徑分布與塵粒個數(shù)的改變以及為減少對末端過濾器的損害, 發(fā)塵濃度應(yīng)存在上限; 同時為保證下游采樣所需塵粒數(shù), 上游發(fā)塵濃度也不能過低。通常該濃度控制在 3×104粒/L～108粒/L。實測中, 當上游發(fā)塵濃度穩(wěn)定在 3×105粒/2.83L 附近時, 檢測結(jié)果是令人滿意的。當然, 這一數(shù)值是否為恰當, 是否需要進一步改進, 還應(yīng)在今后的實驗或?qū)崪y過程中不斷摸索總結(jié)。4.3 氣溶膠光度計與粒子計數(shù)器采用光度計和粒子計數(shù)器得到的檢測結(jié)果會有差別 ,原因是氣溶膠光度計檢測的是計重濃度, 而粒子計數(shù)器檢測的是計數(shù)濃度。而粒子的濃度分布曲線與數(shù)量分布曲線并不重合, 大粒子在重量分布中占有較大比重。因此究竟使用哪種儀器得到的測量結(jié)果更準確成為人們爭論的焦點,能否通過某種手段將二者進行定量對比可以作為今后的一個研究方向。4.4 氣溶膠的空間一致性國內(nèi)外各標準對氣溶膠的空間一致性作出了規(guī)定, 即要求被測過濾器整個迎風面上游的試驗氣溶膠濃度均勻,任一點的氣溶膠濃度不偏離該斷面上平均值的 10%。但是,究竟距氣溶膠注入點下風向多遠距離處氣溶膠能得到充分混合, 標準中并未給出推薦值。

在現(xiàn)場實測中, 筆者曾遇到過上述問題: 氣溶膠注入預(yù)留孔與上游采樣點預(yù)留孔距離過短, 導(dǎo)致采樣濃度不穩(wěn)定, 從而對高效過濾器的檢測造成負面影響。此外, 在現(xiàn)場測試過程中, 我們還發(fā)現(xiàn)當在上游主管段發(fā)塵時, 與之相連的各支管過濾器上游的采樣濃度并不相同, 很多時候其偏差遠遠超出 10%～15%的可接受范圍。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是什么, 是否與風量有關(guān); 主管的采樣濃度與各支管又存在什么樣的定量關(guān)系, 可否用前者代表各分支過濾器上游的氣溶膠濃度, 如果可以, 則能大幅減少上游采樣的工作量, 提高工作效率。1hbS0a

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