Rozvoj moderního průmyslu klade rostoucí nároky na prostředí pro experimentování, výzkum a výrobu. Hlavním způsobem, jak tohoto požadavku dosáhnout, je široké používání vzduchových filtrů v systémech čisté klimatizace. Mezi nimi jsou HEPA a ULPA filtry poslední ochranou proti prachovým částicím vstupujícím do čistého prostoru. Jejich výkon přímo souvisí s úrovní čistého prostoru, což následně ovlivňuje proces a kvalitu produktu. Proto je smysluplné provádět experimentální výzkum filtrů. Odporový výkon a filtrační výkon obou filtrů byly porovnány při různých rychlostech větru měřením filtrační účinnosti filtru ze skleněných vláken a PTFE filtru pro částice PAO o velikosti 0,3 μm, 0,5 μm a 1,0 μm. Výsledky ukazují, že rychlost větru je velmi důležitým faktorem ovlivňujícím filtrační účinnost HEPA vzduchových filtrů. Čím vyšší je rychlost větru, tím nižší je filtrační účinnost a tento efekt je u PTFE filtrů zřetelnější.
Klíčová slova:Vzduchový filtr HEPA; Odporový výkon; filtrační výkon; filtrační papír PTFE; filtrační papír ze skleněných vláken; filtr ze skleněných vláken.
Číslo CLC: X964 Identifikační kód dokumentu: A
S neustálým rozvojem vědy a techniky se výroba a modernizace moderních průmyslových produktů stává stále náročnější na čistotu vnitřního vzduchu. Zejména mikroelektronika, lékařství, chemický, biologický, potravinářský a další průmysl vyžadují miniaturizaci. Přesnost, vysoká čistota, vysoká kvalita a vysoká spolehlivost vnitřního prostředí kladou stále vyšší požadavky na výkon HEPA vzduchového filtru, a proto se naléhavou potřebou výrobců stalo, jak vyrobit HEPA filtr tak, aby splňoval poptávku spotřebitelů. Jedním z vyřešených problémů [1-2]. Je dobře známo, že odporový výkon a filtrační účinnost filtru jsou dva důležité ukazatele pro hodnocení filtru. Tato práce se pokouší analyzovat filtrační výkon a odporový výkon HEPA vzduchového filtru z různých filtračních materiálů pomocí experimentů [3] a různých struktur stejného filtračního materiálu. Filtrační výkon a odporové vlastnosti filtru poskytují teoretický základ pro výrobce filtrů.
1 Analýza zkušební metody
Existuje mnoho metod pro detekci vzduchových filtrů HEPA a různé země mají různé standardy. V roce 1956 vyvinula americká vojenská komise standard USMIL-STD282, standard pro testování vzduchových filtrů HEPA, a metodu DOP pro testování účinnosti. V roce 1965 byl zaveden britský standard BS3928 a pro detekci účinnosti byla použita metoda sodíkového plamene. V roce 1973 vyvinula Evropská asociace pro ventilaci standard Eurovent 4/4, který navazoval na metodu detekce sodíkového plamene. Později Americká společnost pro environmentální testování a vědu o účinnosti filtrů sestavila řadu podobných standardů pro doporučené testovací metody, všechny s použitím metody počítání DOP pomocí kaliperu. V roce 1999 Evropa zavedla standard BSEN1822, který používá nejtransparentnější velikost částic (MPPS) pro detekci účinnosti filtrace [4]. Čínská detekční norma používá metodu sodíkového plamene. Systém detekce výkonu vzduchových filtrů HEPA použitý v tomto experimentu je vyvinut na základě standardu US 52.2. Metoda detekce používá metodu počítání pomocí kaliperu a aerosol používá částice PAO.
1. 1 hlavní nástroj
Tento experiment využívá dva počítače částic, které jsou ve srovnání s jinými zařízeními pro testování koncentrace částic jednoduché, pohodlné, rychlé a intuitivní. Výše uvedené výhody počítače částic ho vedou k tomu, že postupně nahrazuje jiné metody a stává se hlavní testovací metodou pro koncentraci částic. Dokáže počítat jak počet částic, tak i distribuci velikosti částic (tj. počítání), což je základním vybavením tohoto experimentu. Průtok vzorku je 28,6 l/min a jeho bezuhlíkové vakuové čerpadlo se vyznačuje nízkou hlučností a stabilním výkonem. Pokud je nainstalována tato možnost, lze měřit teplotu a vlhkost, stejně jako rychlost větru, a testovat filtr.
Detekční systém využívá aerosoly s částicemi PAO jako filtrovaným prachem. Používáme generátory aerosolů (generace aerosolů) modelu TDA-5B vyrobeného ve Spojených státech. Rozsah výskytu je 500–65000 cfm (1 cfm = 28,6 LPM) a koncentrace je 100 μg/l, 6500 cfm; 10 μg/l, 6500 cfm.
1. 2 čisté místnosti
Pro zlepšení přesnosti experimentu byla laboratoř úrovně 10 000 navržena a vyzdobena podle americké federální normy 209C. Podlaha je potažena terrazzem, který se vyznačuje výhodami jako je odolnost proti opotřebení, dobré utěsnění, flexibilita a složitá konstrukce. Materiál je epoxidový lak a stěny jsou vyrobeny z montovaného obkladu pro čisté prostory. Místnost je vybavena 220V, 2×40W čisticími 6 lampami a je uspořádána dle požadavků na osvětlení a polní vybavení. Čistý prostor má 4 horní výstupy vzduchu a 4 otvory pro návrat vzduchu. Sprchový kout je navržen pro jednoduché dotykové ovládání. Doba sprchování je 0-100 s a rychlost větru libovolné nastavitelné trysky pro cirkulující vzduch je větší nebo rovna 20 ms. Protože plocha čistého prostoru je <50 m2 a personál je <5 osob, je z čistého prostoru zajištěn bezpečný východ. Zvolený HEPA filtr je GB01×4, objem vzduchu je 1000 m3/h a účinnost filtrace je větší nebo rovna 0,5 μm a 99,995 %.
1. 3 experimentální vzorky
Modely filtru ze skleněných vláken jsou: 610 (D) × 610 (V) × 150 (Š) mm, přepážkový typ, 75 záhybů, velikost 610 (D) × 610 (V) × 90 (Š) mm, s 200 záhyby, velikost filtru z PTFE 480 (D) × 480 (V) × 70 (Š) mm, bez přepážky, se 100 záhyby.
2 Základní principy
Základním principem zkušebního zařízení je vhánění vzduchu ventilátorem. Vzhledem k tomu, že HEPA/UEPA filtr je také vybaven HEPA vzduchovým filtrem, lze předpokládat, že vzduch se stal čistým ještě před dosažením testovaného HEPA/UEPA filtru. Zařízení emituje částice PAO do potrubí, čímž vytváří požadovanou koncentraci plynu obsahujícího prach, a pomocí laserového počítače částic určuje koncentraci částic. Plyn obsahující prach poté protéká testovaným HEPA/UEPA filtrem a pomocí laserového počítače částic se měří také koncentrace prachových částic ve vzduchu filtrovaném HEPA/UEPA filtrem. Porovnává se koncentrace prachu ve vzduchu před a za filtrem, čímž se určuje výkon HEPA/UEPA filtru. Před a za filtrem jsou navíc umístěny vzorkovací otvory a pomocí mikrotlakoměru se měří odpor každé rychlosti větru.
Porovnání výkonu odporu 3 filtrů
Odporová charakteristika HEPA filtru je jednou z důležitých charakteristik HEPA filtru. Za předpokladu uspokojení efektivity poptávky lidí souvisí odporová charakteristika s náklady na používání, odpor je malý, spotřeba energie je malá a náklady jsou úsporné. Proto se odporový výkon filtru stal problémem. Je to jeden z důležitých ukazatelů.
Podle experimentálních naměřených dat je získán vztah mezi průměrnou rychlostí větru dvou různých strukturálních filtrů ze skleněných vláken a PTFE filtru a rozdílem tlaku ve filtru.Vztah je znázorněn na obrázku 2:
Z experimentálních dat je patrné, že s rostoucí rychlostí větru se odpor filtru lineárně zvyšuje od nízké k vysoké a dvě přímky obou filtrů ze skleněných vláken se v podstatě shodují. Je snadné vidět, že při rychlosti filtračního větru 1 m/s je odpor filtru ze skleněných vláken přibližně čtyřnásobný oproti odporu filtru z PTFE.
Pokud známe plochu filtru, lze odvodit vztah mezi rychlostí proudění na čelní ploše a tlakovým rozdílem na filtru:
Z experimentálních dat je patrné, že s rostoucí rychlostí větru se odpor filtru lineárně zvyšuje od nízké k vysoké a dvě přímky obou filtrů ze skleněných vláken se v podstatě shodují. Je snadné vidět, že při rychlosti filtračního větru 1 m/s je odpor filtru ze skleněných vláken přibližně čtyřikrát větší než odpor filtru z PTFE.
Pokud známe plochu filtru, lze odvodit vztah mezi rychlostí proudění na čelní ploše a tlakovým rozdílem na filtru:
Vzhledem k rozdílu mezi povrchovou rychlostí obou druhů filtrů a rozdílu tlaku ve filtru obou filtračních papírů je odpor filtru o specifikaci 610×610×90 mm při stejné povrchové rychlosti vyšší než odpor filtru o rozměrech 610×150 mm.
Je však zřejmé, že při stejné povrchové rychlosti je odpor filtru ze skleněných vláken vyšší než odpor PTFE. To ukazuje, že PTFE je z hlediska odporu lepší než filtr ze skleněných vláken. Pro bližší pochopení charakteristik filtru ze skleněných vláken a odporu PTFE byly provedeny další experimenty. Experimentální výsledky, které přímo zkoumají odpor obou filtračních papírů v závislosti na změně rychlosti větru ve filtru, jsou uvedeny níže:
To dále potvrzuje předchozí závěr, že odpor filtračního papíru ze skleněných vláken je při stejné rychlosti větru vyšší než odpor PTFE [6].
Porovnání výkonu filtrů se 4 filtry
Podle experimentálních podmínek lze změřit účinnost filtrace částic o velikosti 0,3 μm, 0,5 μm a 1,0 μm při různých rychlostech větru a získat následující graf:
Je zřejmé, že účinnost filtrace dvou filtrů ze skleněných vláken pro částice o velikosti 1,0 μm při různých rychlostech větru je 100 % a účinnost filtrace částic o velikosti 0,3 μm a 0,5 μm se s rostoucí rychlostí větru snižuje. Je vidět, že účinnost filtrace filtru pro velké částice je vyšší než pro malé částice a filtrační výkon filtru o rozměrech 610×610×150 mm je lepší než filtr o specifikaci 610×610×90 mm.
Stejnou metodou je získán graf znázorňující vztah mezi účinností filtrace PTFE filtru o rozměrech 480 × 480 × 70 mm v závislosti na rychlosti větru:
Při porovnání obr. 5 a obr. 6 je filtrační účinek skleněného filtru s částicemi 0,3 μm a 0,5 μm lepší, zejména u kontrastního efektu prachu 0,3 μm. Filtrační účinek tří částic na částicích o velikosti 1 μm byl 100 %.
Aby bylo možné intuitivněji porovnat filtrační výkon filtru ze skleněných vláken a filtračního materiálu PTFE, byly testy výkonu filtru provedeny přímo na obou filtračních papírech a byl získán následující graf:
Výše uvedený graf byl získán měřením filtračního účinku PTFE a skleněného filtračního papíru na částice o velikosti 0,3 μm při různých rychlostech větru [7-8]. Je zřejmé, že filtrační účinnost PTFE filtračního papíru je nižší než u skleněného filtračního papíru.
Vzhledem k odolnostním a filtračním vlastnostem filtračního materiálu je snadné vidět, že filtrační materiál PTFE je vhodnější pro výrobu hrubých nebo sub-HEPA filtrů a filtrační materiál ze skleněných vláken je vhodnější pro výrobu HEPA nebo ultra-HEPA filtrů.
5 Závěr
Perspektivy různých aplikací filtrů jsou zkoumány porovnáním odporových a filtračních vlastností PTFE filtrů s filtry ze skleněných vláken. Z experimentu můžeme vyvodit závěr, že rychlost větru je velmi důležitým faktorem ovlivňujícím filtrační účinek HEPA vzduchového filtru. Čím vyšší je rychlost větru, tím nižší je filtrační účinnost, tím zřetelnější je vliv na PTFE filtr a celkově má PTFE filtr nižší filtrační účinek než laminátový filtr, ale jeho odpor je nižší než odpor laminátového filtru. Proto je PTFE filtrační materiál vhodnější pro výrobu hrubých nebo subvysoce účinných filtrů a laminátový filtr je vhodnější pro výrobu účinných nebo ultraúčinných filtrů. HEPA filtr ze skleněných vláken se specifikací 610×610×150 mm je nižší než HEPA filtr ze skleněných vláken 610×610×90 mm a filtrační výkon je lepší než HEPA filtr ze skleněných vláken 610×610×90 mm. V současné době je cena čistého PTFE filtračního materiálu vyšší než u laminátu. Ve srovnání se skleněnými vlákny má však PTFE lepší teplotní odolnost, odolnost proti korozi a hydrolýze než skleněná vlákna. Proto je třeba při výrobě filtrů zvážit různé faktory. Kombinace technického výkonu a ekonomické účinnosti.
Reference:
[1]Liu Laihong, Wang Shihong. Vývoj a aplikace vzduchových filtrů [J]•Filtrace a separace, 2000, 10(4): 8-10.
[2] Vzduchový filtr CN Davis [M], přeložil Huang Riguang. Peking: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 metoda zkoušení propustnosti a odporu vysoce účinného vzduchového filtru [M]. Národní úřad pro normy, 1985.
[4]Xing Songnian. Metoda detekce a praktické využití vysoce účinného vzduchového filtru [J]• Bioprotektivní zařízení pro prevenci epidemií, 2005, 26(1): 29-31.
[5] Hochrainer. Další vývoj čítače částic
sizerPCS-2000skleněná vlákna [J]•Filter Journal of AerosolScience, 2000,31(1): 771-772.
[6]E. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher atd. Tlak
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7]Michael JM a Clyde Orr. Filtrace – principy a postupy [M].
New York: MarcelDekkerInc, 1987•
[8] Zhang Guoquan. Mechanika aerosolů – teoretický základ odstraňování a čištění prachu [M] • Peking: China Environmental Science Press, 1987.
Čas zveřejnění: 6. ledna 2019