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空气过滤器原理

空气过滤器原理
容尘量并非过滤器报废时容纳大气粉尘的重量,它是过滤器在特定试验条件下容纳特定试验粉尘的重量。这里的“特定”是指:标准试验风洞,以及相关试验与测量设备;比实际大气粉尘颗粒大得多的标准“道路尘”;委托方与试验方商定,或标准规定的试验方法与计算方法;委托方与过滤器商定的终止试验条件。容尘量与过滤器实际容纳粉尘的重量没有直接对应关系,鼓励的容尘量数据对用户没有任何意义。例如,一个过滤器的试验容尘量为600g,实际使用中它可能会容纳2.5kg的大气粉尘;另一只的容尘量为900g,到你手里它也许只能兜住1.5kg粉尘。只有试验条件和试验粉尘相同时,才能根据容尘量数据来估计哪只过滤器会比另一只的使用寿命更长一些。
专业试验室和过滤器厂家在评估一般通风用过滤器产品时,要对过滤器进行破坏性发尘试验,其目的是按相关试验标准评价过滤器在试验全过程的平均效率,容尘量是这类试验得出的一批数据中的一个数据。如何试验室长期坚持对过滤器进行发尘试验,试验者就可以利用打量历史数据来比较某只过滤器的优劣,外人很难搞清容尘量数量的实际意义。
欧美一些标准中规定的试验终止条件是:
阻力达到初阻力的2倍或更高时;
瞬时过滤效率低于最高效率值的85%。大多数过滤器的阻力只升不降,只有用蓬松的粗纤维(≧10μm)材料制成的低效率过滤器可能出现第二种情况。显然,试验时终阻力定得越高,得到的容尘量数值就越大。所以,委托人和试验者要明确规定终止试验的条件,否则,容尘量数据就没多大意义。
欧洲Eurovernt4/9标准规定的终止试验阻力为450Pa,这个数据远远高于2倍初阻力,但那是效率试验而不是容尘量试验。
中国标准只规定对“粗效”过滤器进行发尘试验,其目的是获得记重效率而是容尘量。当与他人讨论容尘量时,你得知道对方说的是哪国话。
欧美标准规定的试验粉尘俗称ASHRAE尘,其主要成分为”AC细灰”,那是美国亚利桑那州荒漠地带某特定地点的浮尘(ArizonaRoadDust),在AC细灰中混入特定比例的细炭黑和短纤维后就成了ASHRAE尘。中国曾规定用黄土高原的浮尘,日本规定用自己的“关东亚粘土”。
⒉黏住粉尘的力
两个物体接触时,表面间存在一种微小的引力,它不是人们熟悉的万有引力,不是磁力,也不是静电力,它是一种分子与分子、分子团与分子团之间的力,课本上管它叫“范德瓦尔斯力”,或“范德华力”。
从微观上讲,单个原子或分子中带负电的电子云有个中心,带正电的原子核也有个中心,当这两个中心不重合,就有了电偶极。单个偶极可能瞬息万变,也可能相对稳定,但多个偶极凑在一起,就会对周围物体产生引力。这种引力很微弱,其量值比化学键小1~2个数量级。他的作用区间也很窄,距离大了引力消失;距离太近(>7?)时电子云重叠,相邻分子又互相排斥。
粉笔末留在黑板上,因为范德瓦尔斯力可以对付那些粉末;粉笔头不会被黑板黏住,因为与重力相比,范德瓦尔斯力微不足道。空气中的粉尘互相碰撞,因范德瓦尔斯力而合为一体,具成大颗粉尘。室内的粉尘撞到墙上并留在哪里,使壁面“褪色”或形成黑渍。粗糙表面因与粉尘的接触面大,更容易黏住粉尘。
在过滤器中的过滤介质是迷宫,置身其中的粉尘比平时有更多的机会撞击障碍物,并因过滤介质中无处不在的范德瓦尔斯力而留下来。在特定情况下,静电力也参与捕捉粉尘的过程。如果过滤介质带静电,过滤效果会明显改善,其原因之一是静电力使粉尘改变轨迹而撞击障碍物,之二是静电力比范德瓦尔斯力更容易将粉尘黏住。粉尘也可以被人为地加上静电,使它们容易被其他物体吸附,例如家用的静电过滤器和工业用的静电除尘器。
⒊过滤器阻力
过滤器对气流形成阻力。过滤器积灰,阻力增加,当阻力增加大到某一规定值时,过滤器报废新过滤器的阻力称“初阻力”,对应过滤器报废的阻力值称“终阻力”。设计时,常需要一个有代表性的阻力值,以核算系统的设计风量,这一阻力值称“设计阻力”,惯用的方法是取初阻力与终阻力的平均值。确定终阻力终阻力的选择直接关系到过滤器的使用寿命、系统风量变化范围、系统能耗。一般情况下,终阻力的选取是空掉设计师的事。有经验的工程师可以根据现场情况改变原设计的终阻力值。有的设计师会忘记告诉用户他所选定的终阻力值;有时用户会改换其他型号过滤器或其他供应商。这时,现场工程师不得不自己确定终阻力值。大多数情况下,使用现场的过滤器终阻力是初阻力的2~4倍。
过滤器越脏,阻力增长越快。过高的终阻力值并不意味着过滤器的使用寿命会明显延长,但它会使空调系统风量锐减。因此,没有必要将终阻力值定的过高。有些试验标准规定终止试验的条件是当阻力为“初阻力的2倍或更高时”,这种规定与实际使用条件没多大关系。
低效率过滤器常使用直径≧10μm的粗纤维滤料。由于纤维间空隙大,过大的阻力有可能将过滤器上的积灰吹散,此时,阻力不再增高,但过滤效率降为零。因此,要严格限制G4以下过滤器的终阻力值。
表1-1中给出一些建议的终阻力,它来自经验,没多少道理好讲。
终阻力建议值表1-1
过滤效率规格
建议终阻力(Pa)
G3(粗效)
100-200
G4
150-250
F5-F6(中效)
250-300
F7-F8(高中效)
300-400
F9-H11(亚高效)
400-450
高效与超高效
450-600
过滤器达到终阻力,可能意味着要立刻更换过滤器,也可能意味着要做计划在明天、下星期或下个月更换过滤器。使用者怎么看待终阻力取决于现场具体规定和操作者的经验。
阻力监测每个过滤段都应安装阻力监测装置。终阻力要靠仪表来判定,不能仅凭操作者的感觉。最便宜的阻力监测装置是U形管压差计。斜管压差计比U形管美观,准确度也高些。指针式压差表档次和价格都高一些。差压变送器可以将阻力变成电流或电压信号,然后输给控制系统。除了能读数的阻力监测装置外,还应加上终阻力报警装置。省事的办法是压差计上划红杠;保险的方法是使用差压开关。
⒋过滤效率
空气过滤器的“过滤效率”是被捕捉的粉尘量与原空气含尘量之比:效率的意义看似简单,可它的含义和数值却因试验方法的不同而大不一样。在决定过滤效率的因素中,粉尘“量”的含义多种多样,由此计算和测量出来的过滤器效率数值也就五花八门。实用中,有粉尘的总重量,粉尘的颗粒数量;有时是针对某一典型粒径粉尘的量,又是是所有粒径粉尘的量;还有用特定方法简介地反映浓度的通光量(比色法)、荧光量(荧光法);有某种状态下的瞬时量,也有发尘试验全过程变化效率值的加权平均量。对同一只过滤器采用不同的方法进行测试,测得效率值就会不一样。各国家、各厂商使用的测试方法不统一,对过滤器效果的解释和表达大相径庭。离开测试方法,过滤效率就无从谈起。
历史上,搞通风和洁净室过滤器的是一伙人,搞汽车滤清器的是另一伙人,此外还有搞除尘器的,搞液体过滤的,他们各用各的方法,各说各的效率。当空气过滤器厂搀和汽车滤清器的买卖时,或除尘器厂开发空气过滤器时,他们自己也难免会被自己所说的过滤效率搞糊涂。
为了省事冰减少误解,国外出现了一些用代号表示效率的方法,那些代号即明确了试验方法,也确定了效率指标,乡间2.1节“过滤效率标识”和2.2节“过滤器效率规格比较”。如今,全世界的过滤器厂商都挤占中国市场,国内厂商为了向各种背景的用户推销产品,也随心所欲地使用效率标识。各种各样的效率数值和效率名词使用户、设计师和制作厂云山雾罩。
此外,过滤理论中还有个“单纤维效率”,它是个可以大于100%的几何意义,详见本书下篇关于过滤理论的有关内容。稍不小心,搞理论的人也会在效率问题上晕菜。
在这种混乱的局面下,如果你一定要知道具体的效率数值,请别忘记规定具体的试验方法和计算效率的方法。
⒌过滤机理
⑴碰撞并粘住
空气中的尘埃粒子,或随气流做惯性运动,或做无规则运动,或受某种场力的作用而移动。当运动中的粒子撞到障碍物,粒子与障碍物表面间存在的范德瓦尔斯力使他们粘在一起。
⑵纤维过滤材料
过滤材料应能:既有效地拦截尘埃粒子,又不对气流形成过大的阻力。非织造纤维材料和特指的纸张符合这一要求。杂乱交织的纤维形成对粉尘的无数道屏障,纤维间宽阔的空间允许气流顺利通过。
⑶惯性原理
大粒子在气流中作惯性运动。气流遇障绕行,粒子因惯性偏离气流方向并撞到障碍物上。粒子越大,惯性力越强,撞击障碍物的可能性越大,因此过滤效果越好。
⑷扩散原理
小粒子做无规则的布朗运动。对无规则运动做数学处理时使用传质学中的“扩散”理论,所以有扩散原理一说。粒子越小,无规则运动越剧烈,撞击障碍物的机会越多,因此过滤效果越好。
⑸效率随尘粒大小而已
过滤器捕集粉尘的量与为未过滤空气中的粉尘量之比为“过滤效率”。小于0.1μm(微米)的粒子主要作扩散运动,粒子越大,效率越高;大于0.5μm的粒子主要作惯性运动,粒子越大,效率越高。
在0.1~0.5μm之间,效率有一处最低点,该粒径大小的粉尘最难过滤。
⑹阻力
纤维使气流绕行,产生微笑阻力。无数纤维的阻力之和就是过滤器的阻力。
过滤器阻力随气流量的增加而提高,通过增大过滤材料面积,可以降低过滤料的相对风速,以减少过滤器阻力。
⑺动态性能
被捕捉的粉尘对气流产生附加阻力,于是,使用中过滤器的阻力逐渐增加。被捕捉的粉尘与过滤介质合为一体,形成新的障碍物,于是,过滤效率略有改善。
被捕捉的粉尘打斗聚集在过滤材料的迎风面上。过滤面积越大,能容纳的粉尘越多,过滤器的使用寿命越长。
⑻过滤器报废
过滤器积尘越多,阻力越大。当阻力大到设计所不允许的程度时,过滤器的寿命就到头了。有时,过大的阻力会使过滤器上已捕捉到的灰尘飞散,出现这种危险时,过滤器也该报废了。
⑼静电
若过滤材料带静电或粉尘带静电,过滤效果可以明显改善。
其原因:静电使粉尘改变运动轨迹并撞向障碍物,静电力参与粘住的工作。c1nN6VM7

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