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高效过滤器现场大气尘检漏方法的理论探讨

   [摘 要]用射流理论具体论证了大气尘粒子计数器检漏方法(简称漏孔法),普通高效过滤器需要不低于2200粒/L(2·83L/min采样)的上游大气尘浓度,超高效过滤器需要不低于5800粒/L(28·3L/min采样)的上游大气尘浓度。只要扫描特征读数≥1,即可作静止检漏,若再≥3,即可判断为漏。漏孔法比ISO透过率法适用漏孔更小。  

 [关键词]高效过滤器;扫描检漏;定点检漏;漏泄标准

    1·背 景

    对在洁净室及受控环境中已安装好了的高效过滤器进行扫描检漏即现场检漏(抽检或全检),这是过去美联邦标准209、美国空军技术条令203和美国航天宇宙局的NASA标准以及现在的ISO标准都规定了的,我国有关标准也不例外。


    不同的是,过去国外标准都规定用光度计方法人工发尘(DOP)来检漏,而当下游浓度超过上游浓度10-4时即为漏,对于后来的超高效过滤器这一数值显然是不适用的。而我国标准JGJ 71-90《洁净室施工及验收规范》(以下简称“规范”),根据理论研究成果[1],首次在国内外明确规定用粒子计数器法检漏,可以用大气尘,必要时用DOP。


    是这样规定的:“在被检高效过滤器上风侧测定大气尘的微粒数,以≥0·5μm微粒为准,其浓度必须≥3·5×104粒/L;若检测超高效过滤器,则以≥0·1μm微粒为准,其浓度必须≥3·5×106~3·5×107粒/L。”

当按这一规定检漏时,应在距过滤器表面2~3cm处扫描。其评定标准为“由受检过滤器下风侧测到的漏泄浓度换算成的透过率,对于高效过滤器,应不大于过滤器出厂合格透过率的3倍,对于超高效过滤器,应不大于出厂合格透过率的2倍。”(“规范”原文“3”和“2”印倒了,规范说明是对的)这一检漏标准被后来许多标准、规范,包括最新的《电子厂房设计规范》(报批稿)所采用。


    但是,这一检漏标准在实施中并未得到执行,一是因为太严,即使按规定上游浓度达到3·5×104粒/L,由于最低的A类过滤器(钠焰法效率为99·9% )即可具有对≥0·5μm微粒达99·999%的效率,不大于3倍的透过率最多有1粒/L微粒,也不好检定;


    二是因为每一台过滤器的透过率也很难事先搞准确。所以长期以来,在实测中使用的是一种简便方法(对于不高于ISO 5级的洁净环境),即,不计过滤器前浓度(认为都符合要求,详见下文),只要中流量粒子计数器(2·83L/min),每分钟读数不大于三个,即认为不漏。后来有关规范中更放宽到3粒/L为界限。


    事实证明,当ISO 5级工作区高度或其以上某高度的一个区域浓度偏大时,用上述方法检漏,一般均能找到相应的漏泄点。


    粒子计数器法明显比光度计法简便精确,大气尘法明显比DOP法没有污染。但是由于受美国标准影响,国际上某些领域如制药行业,仍坚持用DOP光度计法。直到2005年, ISO 14644-1才明确指出:


    (1) DOP光度计法用于透过率>0·005%的过滤器系统检漏,即对0·3μm单分散气溶胶效率不大于99·995%的高效过滤器(相当于我国B~C类过滤器);


    (2) DOP光度计法只适用于当沉积在过滤器和管道上的挥发性有机测试气溶胶释放出的气体对洁净室内的产品或工艺不是有害的,如核设施的过滤器检漏;


    (3)人工气溶胶的粒子计数器法适用于过滤器透过率≤0·0000005%的检漏,即效率≥99·9999995% (按为对0·3μm微粒)过滤器检漏;


    (4)粒子计数器法比光度计法更为灵敏,造成的污染小,对检漏来说既有精度也有速度;


    (5)推荐上游加入的人工气溶胶有:甲基苯二甲酸盐、癸二酸二酯、聚苯乙烯乳胶球等。由此可见, ISO标准充分肯定了粒子计数器法,并且在气溶胶源中也列入了大气气溶胶。但在具体应用上仍着重介绍发生人工气溶胶,没有介绍大气尘气溶胶的可行性。


     这就使检漏不免仍有困难,给系统和过滤器留下附加物质。如果可以既用粒子计数器,又用大气尘来检漏,则是工程上最简捷的办法。由于现场检漏对过滤器既有效率并不感兴趣,而关心的是有无漏孔漏泄,不论何种效率过滤器,只要有漏孔,孔前后压差一定,就都有相同的漏泄量。因此只需确定漏不漏,而对漏的定量并无需要,在这一目的下,还必须弄清楚以下问题:


    (1)多大的上游大气尘浓度才能发现漏?

    (2)下游检漏出多大的浓度才可判定为漏?


    2·理论分析


    2·1 漏泄流量

    高效过滤器滤纸电镜照片如图1所示[2]。由玻璃纤维组成的网格杂乱无章,大小不同,但可见单层网格长向可达30μm。

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所谓漏,即应是纤维网格因擦、划、扎等将网格撕开一个孔口,形成孔口出流,其流量远大于通过正常网格的流量。

    孔口出流流量Q0由经典的式(1)给出:

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式中,A为孔口面积,A=0·78d0;d0为孔口直径;ΔP为过滤器前后(孔前后)压差,按检漏时初阻力计,取200Pa;ρ空气密度, 1·2kg/m3;μ为流量系数,按式(2)进行计算:

    μ=εφ(2)

    其中,ε为孔口流速收缩系数,对于孔口周边为开阔的过滤面积按流体力学定义,应为完全收缩,ε最小,取0·62;φ为流速系数。

    关于流速系数φ,理论值为0·82[3],最大可达到1,实验最大值为0·97,扩张形孔口(θ=5°~7°,见图2)为0·45[4]。对于复杂的缝、孔,实验最小平均值为0·29[5],对于漏孔很小,只比单层纤维网格大几倍的情况,其孔的边缘纤维凌乱情况的相对影响变大,即阻力变大,流量系数更小。假定以大约纤维网格的3~4倍为界,相当于0·1mm漏孔为界(这纯属设定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即最大的系数取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;当<0·1mm的孔按最小的φ=0·29计算,则μ=εφ=0·18。

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    2·2 漏泄的基本特性

    设如图3所示的漏孔,简化为在出风面上———垂直于气流的表面上的孔。漏泄气流断面不断扩大,浓度不断被稀释,现将这股气流称为污染气流,这是带动了周边气流的结果,但是这种扩展不是无限制的,当污染气流边界速度衰减到与周边气流速度相近时,这种带动也就停止了。


    所以可以认为当污染气流断面平均速度衰减到高效过滤器出口送风速度水平,就可能不再扩展稀释了。由于单向流受漏泄的影响更显著,所以以单向流为准。设其高效过滤器出口送风速度为0·5m/s,则根据射流原理可得出一系列特性参数[6]:

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式中,v为质量平均流速,m/s;v0为漏孔出流速度,m/s;a为紊流系数,取0·08;s为射程,mm;d0为漏孔直径,mm。

    代入相应数据后为

5 (2).png

 由此式可求出射程s。

    对于不同的d0,漏泄气流不再扩展的距离s见表1。漏泄气流不再扩展时的直径由式(5)给出,漏泄流量计算结果见表1。

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漏泄气流在最大扩展直径处或25mm处已被稀释,稀释倍数由式(6)给出,只要压差不变,φ、v恒定,则稀释倍数恒定。结果见表1。

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  2·3 定点检漏

    当采样口正对着漏孔定点检漏时有三种情况:

    (1)扩展距离小于国际公认的采样距离25mm,最大扩展直径小于采样口直径,如图4所示。

8.png

此时,如采样流量大于污染气流到达采样口的稀释流量,则漏过来的微粒将全部进入采样口,由于其漏泄流量Q0很小,采样口吸入的绝大部分是周边洁净气流,则采样浓度将大幅度降低。大约0·6mm以下的孔属于这种情况,设采样流量为2·83L/min,于是采样浓度为:

9.png

   式中,Ns为采样浓度,粒/L;Nx为漏过来的微粒数,Nx=Q0N0粒。

    (2)扩展距离>25mm。25mm处扩展直径D大于采样口直径d,约0·6mm以上的孔属此情况,采样流量小于污染气流,如图5a所示。此时,式(7)简化为:

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  (3)扩展距离>25mm, 25mm处扩展直径D小于采样口直径d,如图5b所示,则

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 2·4 孔径、透过率、上游浓度的关系

    漏孔孔径、过滤器透过率、上游浓度和漏泄与否的关系,计算结果汇总于表2中。

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表2中0·000005%过滤器相当于超高效过滤器。0·0023%的设定是这样考虑的,因为整体透过率一般是用0·3μm标定的,所以≥0·0023%透过率的过滤器,就相当于我国C类及其以下包括A、B三类过滤器,都属于普通高效过滤器(即0·3μm计数法99·9977%的过滤器可以相当于钠焰法99·999%的过滤器),而小于此透过率的即为D类及其以上的过滤器。(参考www.bacclean.com)


    以表2中K=0·000005%,漏孔孔径0·05mm,上游粒子浓度N0=7800粒/L,采样量28·3L/min,由表1按式(7)计算,可得到Ns=0·107粒/L,则透过率为0·107/7800≈0·0014%≤300×0·000005%=0·0015%。按照ISO 14644-1的规定应为不漏。漏孔法则为0·107粒/L=3·03粒/2·83L,按照漏孔法判定应为漏。表中0·0023%以内插于表3中,定其10倍即0·023%为漏。

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  由此可见:

    (1)透过率法得出的是否漏泄的透过率与采样量有关,用小采样量时可能为漏,用大采样量时可能为不漏,而漏孔法以检测容积为准则无此问题;


    (2)漏孔法易判为漏,而透过率法有时判为不漏;


    (3)按ISO透过率法漏泄与否,与上游浓度无关,不论上游浓度多少,各孔径采样处透过率都相同,即N0Q0/N0。这表明漏泄只和漏孔大小有关,和高效过滤器固有透过率无关,因此不论对何种过滤器用漏孔法将更直接反映漏泄程度;


    (4)对于当前最高效率的过滤器,按ISO漏泄标准,则有0·05mm的漏孔,用28·3L/min采样, ISO的透过率判定为不漏,而0·1mm漏就能判定为漏,所以若以ISO标准为准,则应将0·1mm漏孔作为超高效过滤器漏孔的起点。而对于0·0023%的普通高效过滤器, 0·1mm漏孔用2·83L/min或28·3L/min采样,用ISO漏泄标准判定,都为不漏,而0·2mm漏孔时就可判定为漏,因此,把0·2mm漏孔作为普通高效过滤器漏孔的起点。


    3·漏泄标准


    过滤器透过多少微粒算漏?除去上述作者过去给出纯理论值(3倍或2倍透过率外,外国文献和标准上都给出过人为确定的标准)是透过率的5倍、10倍或更高倍数,例如2005年ISO标准给出的漏泄标准(见表3)。这里将需计算透过率的ISO方法称为透过率法。


    根据用户和过滤器供应商商定的漏泄倍数,只要测出的漏泄透过率与产品应有的整体透过率之比不大于表中的倍数,或漏泄透过率不大于表中计算出的漏泄透过率,即为不漏。


    从表3中可见,效率越高的过滤器,允许的漏泄越大,漏泄倍数越高,显然有设定的因素。


    如果确知上、下游浓度,则基于漏孔大小的检漏方法,本文称为漏孔法,也可算出透过率,成为透过率法。但前面已说明,现场检漏并不一定要求出透过率,只要判断漏与不漏,或称为定性检漏。


    根据最小检测容量理论[8],每一检测容量的平均浓度达到3,则95%的读数可为非零读数,即可判断为漏。此种定性判断漏泄的方法,即本文称为漏孔法中的定性检漏。


    符合上述图4和图5b两种情况的定点定性检漏≥3粒/L检测容量时,需要的上游浓度如表4所列。表4中2·83L/min时的0·1~0·2mm漏孔和28·3L/min的所有孔径适用图4; 0·6~1mm漏孔适用图5b。

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4·扫描检漏


    显然,在一扫即过的扫描检漏中,很难捕捉到真正的漏点,所以应设法去发现漏的特征。ISO14644-1规定:“在扫描时,如果显示出有等于或大于限值的漏泄,表现出规定的漏泄特征,则应把采样探管停在漏泄处,以判断是否有漏泄存在。


     保有最大读数的采样位置,就应是漏泄位置所在。”也就是说,必须在扫描时间内,采到非“0”数,起码是1的读数,才定为漏泄,再作定点检漏(ISO标准称静止检漏)。漏泄特征数见表5。该表计算结果与ISO标准给出的基本相同。为了在扫描时间内采到1粒,可由式(10)计算必要的扫描检漏上游浓度N0:

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  式中,t为扫描时间,min,t=B /60v;B为采样口平行于扫描方向的边长, cm;v为扫描速度, cm/s。

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这部分相对于Q0才有意义。而从高效过滤器开始,K即从0·00001(如国产A类)开始降低,所以在式(10)的计算中可忽略这部分。


    设用2·83L/min采样时,采样口尺寸A×B=1·5cm×2cm。其中B为平行于扫描方向的边。采样速度为1·5cm/s (根据209A标准,建议取1·25cm/s)。此时采样口虽不是等速采样,但入口气流速度为15·7cm/s,与室内0·5m/s速度之比为0·314,理论证明此比例若在0·3~7之间时,非等速采样误差在5%之内,是完全可行的[9]。


    则对于普通高效过滤器和0·2mm漏孔,有:

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对于超高效过滤器(K<0·0023%,相当于我国D类及其以上过滤器)和0·1mm漏孔;当用28·3L/min采样时,采样口如为A×B=2·5cm×4cm,扫描速度v=2cm/s,则:

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 若扫描速度为4cm/s,采样口为1·5cm×6cm,则N0=7693粒/L;采样口为3cm×3cm,扫描速度v=2cm/s,则N0=7693粒/L。


    普通高效过滤器用28·3L/min采样时,设A×B=2·5cm×4cm,v=2cm/s,只要1429粒/L。

    可见,需要的上游浓度和透过率无关,而是和采样口大小有关,采样量大,一般采样口也大。对普通高效过滤器, 2·83L/min时最小上游浓度可用2200粒/L, 28·3L/min时最小上游浓度可用1500粒/L;对超高效用28·3L/min采样,最小上游浓度可用5800粒/L,可据采样口尺寸来选择,要用小的上游浓度,就要牺牲扫描速度。


    现在来验算一下,对超高效过滤器,扫描上游浓度用5500粒/L是否能查出漏:

    过滤器有最小透过率,为K=0·000005%,对0·1mm漏孔, 28·3L/min采样时,由表1按式(7)计算可得采样处浓度Ns=1·01粒/L=28·6粒/28·3L采样容积。


    对透过率法,采样处透过率为3·57%,大于表2中漏泄标准0·0015%,判定为漏。

    对漏孔法,采样处采到28·6粒/28·3L采样容积远大于3粒,所以判定为漏。因为定点检漏时,这种条件下上游只要有557粒/L就行了,现在上游浓度大了10倍,漏就不奇怪了。


    这说明5500粒/L的扫描上游浓度作为超高效过滤器定点检漏时的上游浓度是非常宽裕的,因为定点检漏需要的上游浓度只及扫描时需要的上游浓度的十几分之一。


    再看过滤器有最大透过率为0·0023%,用2·83L/min采样,对0·2mm漏孔, 2500粒/L上游浓度,由表1按式(7)计算可得采样处浓度Ns=18·6粒/L=52·64粒/2·83L采样容积。


    对透过率法,采样处透过率为0·744%,大于额定透过率10倍即大于0·023%,判为漏。对漏孔法,采样容积中已采到52·64粒,肯定为太漏了。


    5·现场情况下高效前浓度


    (1)全新风,设新风浓度达到3×105粒/L。常规系统,新风过滤和预过滤效率约为60%,则高效前将有1·2×105粒/L;新风设粗效、中效、高中效(或亚高效)三级过滤系统,效率约90% ~95%,则高效过滤器前将约有1·5×104~3×104粒/L。


    (2)循环风,设新风比为0·3,新风浓度同上。常规系统高效过滤器前将有4×104粒/L;新风三级过滤系统高效过滤器前将有0·5×104~1×104粒/L。 


    可见对于以上两种系统,不论是2·83L/min或28·3L/min粒子计数器都可用于检漏。但对超高效过滤器,当其前面还有普通高效过滤器时,则上游大气尘浓度就不够了,应另外采取短路增加大气尘或发尘的措施。


    6·结 论


    (1)对超高效过滤器0·1mm漏孔按ISO标准才可能表现为漏,普通高效过滤器0·2mm漏孔才表现为漏,即以此作为两种过滤器漏孔极限,可不再考虑更小的漏孔;


    (2)漏孔法既可以定性检漏,也可以定量检漏。它只和漏孔大小有关,和透过率、采样率均无关;而透过率法则和透过率、采样率有关。由于漏孔法可以用大气尘,为现场检漏带来方便;


    (3)漏孔法比透过率法可以判断出漏的漏孔更小,即范围更广;


    (4)不论是透过率法还是漏孔法,都必须在采样口扫描到不少于1粒才可以作出判断。为此对于普通高效过滤器,需要≥2200粒/L的上游浓度,对于超高效过滤器需要≥5800粒/L的上游浓度;


    (5)对≥0·5μm微粒有不大于99·999%效率的高效过滤器,两种方法的上游浓度均不宜>105粒/L,否则在此条件下,各处随时都可以采到1粒/L,扫描时将增加静止检漏的工作量。


    (6)透过率法也不必发生人工尘,当大气尘合适时,大气尘也可满足要求,但必须随时测出上、下游浓度才能计算;漏孔法中的定性检漏完全适用于大气尘,而只要测出下游浓度,上游浓度只要监测一下,这就大大节省了工作量。如果也同时测出上游浓度,则也可以计算透过率,成为定量检漏;


    (7)当扫描检漏发现非“0”读数时,可能有漏,要求停在原处采样1min,读数≥3粒,则判定此处为漏。


[参考文献]

[1]许钟麟.超级洁净室允许漏泄流量的计算[C].全国暖通空调制冷学术年会论文集, 1986: 392.

[2]许钟麟,沈晋明编著.空气洁净技术应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 1989, 164.

[3]许钟麟著.空气洁净技术原理(3版) [M].北京:科学出版社, 2003: 274.

[4]魏润柏.通风工程空气流动理论[M].北京:中国建筑工业出版社, 1981: 88.

[5]许钟麟,张益昭,等.关于隔离病房隔离原理的探讨[J].暖通空调, 2006, 1: 1.

[6]周谟仁主编.流体力学泵与风机[M].北京:中国建筑工业出版社, 1979.

[7]姚丹,王荣,等.关于高效过滤器大气尘检漏浓度的研究[J]暖通空调, 2008, 38(8): 1~3.

[8]许钟麟,顾闻周.不同洁净度下粒子计数器最小检测容量的计算[J].空调技术, 1980, 1: 22.

[9]许钟麟著.空气洁净技术原理(3版) [M].北京:科学出版社, 2003: 464.

[10]许钟麟著.空气洁净技术原理(3版) [M].北京:科学出版社, 2003: 481.


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