一种ISO 6 级工业洁净室过滤系统的改进方法
摘要：传统ISO 6 级洁净室的过滤系统通常是3 级过滤,即初效、中效和高效过滤,系统阻力很大,为了减少洁净室的能耗,通过用管道式静电除尘器代替高效过滤器改进了洁净室过滤系统,比较了改进后的过滤系统和传统过滤系统对洁净室内含尘浓度、洁净室自净时间、过滤系统阻力的影响,得到了改进后的洁净室过滤系统在换气次数在50～80 次/ h 的范围内既能满足ISO 6 级洁净室的洁净度要求,又能缩短洁净室自净时间,还能减小过滤系统阻力的结论,为工业洁净室的设计提供一定的参考。
关键词：ISO 6, 级洁净室,管道式静电除尘器,含尘浓度,自净时间,换气次数
工业洁净室的洁净度等级是由洁净室内含尘数量浓度决定的。ISO 6 级洁净室内允许的≥0. 5μm粒径的含尘数量浓度上限是35 200 pc/ m3 [1 ] 。室内污染主要来自于室外新风、回风和室内的污染源。要达到规定的含尘浓度,必须由高效率的过滤系统来完成对污染物的控制工作。传统的过滤系统通常是3 级过滤,即初效、中效和高效过滤,初级过滤器保护洁净系统正常工作,并使中级过滤器更为有效地过滤 ≥1μm的尘埃,中级过滤器保护末端过滤器,其优劣程度决定高效过滤器的使用寿命,高效过滤器决定室内的净化级别。只有合理确定各级过滤器除去微粒的粒径以及除尘效率,才能充分、有效地发挥各自的过滤作用,提高系统的综合过滤效率,并使前一级过滤器能够保护后一级过滤器。本试验系统如图1 所示,过滤系统所采用的初效和中效过滤器都是无纺布袋式过滤器,高效过滤器采用无隔板形式,滤料为超细聚丙烯,型号为F45 - 64。另外,本试验通过在过滤系统中用管道式静电除尘器替代高效过滤器,对传统过滤系统进行了改进,对改进后的和传统的过滤系统的性能进行研究,主要从洁净室内含尘浓度、洁净室自净时间、过滤系统的阻力三方面对比研究。
1 管道式静电除尘器
1. 1 管道式静电除尘器的原理
静电除尘器是利用电场使空气中的粒子荷电,再利用电场将荷电粒子捕获。根据结构不同分为单区静电集尘器(电离和集尘在同一区进行) 、双区静电集尘器(电离与集尘分区进行) ,甚至三区静电集尘器(二次电离与集尘) 。根据集尘板的形式不同分为平行平板式和蜂窝式等。本试验采用蜂窝式静电除尘器。
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静电空气净化装置中有实际意义的产生离子的机理是电晕。电晕是放电电极周围一个很狭小的区域电场强度较大,能给空气中受本底辐射(自然界存在的天然辐射) 而形成的自由电子足够的能量,从分子中撞出电子,同时产生相应的正离子。这样,电晕区内就会存在大量的自由电子和正离子。净化用的静电除尘器采用正电晕放电,自由电子朝着电晕极运动并最终作为电流从极线上流走,正离子则朝相反方向运动,离开狭小的电晕区,附着在同它相遇的颗粒上使颗粒带正电。负电晕应用于工业用电除尘器,负电晕操作时会产生大量臭氧,影响人体舒适乃至危害人体健康。本试验的静电空气净化装置采用正电晕,严格控制臭氧发生量。
1. 2 影响静电除尘器效率的因素
静电空气过滤器的效率可表示为[2 ] :
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式中, F 为集尘极板的总有效面积; ue 为分离速度; Q 为通过集尘极板的总风量。
显然,影响静电除尘器净化效率的因素有分离速度、集尘极板的总有效面积和风量。
分离速度是荷电微粒在电场中向着集尘极加速运动受到的气流阻力与电场力平衡时的运动速度。根据气流阻力与电场力的平衡关系式,并考虑滑动修正,得到分离速度ue 的理论表达式[2] :
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式中, Cu 为滑动修正系数,亦称库宁汉(Cunninghum) 修正系数; N 为电荷的数目; e 为单位电荷量, 4. 8 ×10 - 10静电系单位(300 V/ cm= 1 静电系单位) ; E2 为集尘极空间的电场强度,静电系单位;μ为动力黏滞系数, Pa·s; dp 为微粒直径, cm。
其中,分离速度ue 越大, 集尘效率越高。微粒直径dp 越小, ue 越大,集尘效率越高。所以,与机械过滤器相比,静电除尘器更适合捕集微细粒子。提高集尘极电压就是提高了集尘极空间电场强度( E2) ,使分离速度提高。但集尘空间的电场强度太高容易引起电极放电,即使极板经过电抛光之后仍然难免表面不光洁,特别是边缘如有毛刺;或表面很光洁,只要沉积上一颗较大的粒子(特别是纤维) 都能引起放电使电场强度迅速下降。因此,试验采用的集尘极电压控制在 8 kV 左右,相当于电场强度1 kV/ mm 左右。实际影响的因素很多,如气体和悬浮微粒在极板间通道截面上的分布、通道中气流的运动特性、微粒的凝聚、收集到极板上的微粒再次被气流带走等,实际的比理论值要小得多。
当集尘极板宽度一定时,长度越长有效面积F 越大,则效率就越高,但实际上在集尘板的整个长度上并不都能有效集尘。所谓的集尘长度是指一定电场强度下,集尘板上一定的长度有集尘作用,超过这一长度,再长的极板也不能象理论值那样能收集更多的微粒。主要原因是电晕区外的部分空气没被电离或空气含尘浓度太高使一部分微粒荷电极小或不能荷电。集尘极板宽度一定时,集尘极板影响静电空气净化装置集尘效率的因素是极板有效集尘长度,而非极板实际长度。
2 洁净室稳定状态时室内含尘浓度
如洁净室有稳定的通风换气条件,经过一段时间后,室内稳定的含尘浓度可表示为[2 ] :
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式中, G为室内单位容积发尘量, pc/ (m3·min) ; M 为大气含尘浓度,pc/L; n 为换气次数,次/ h ; s 为回风量对于总风量之比;ηn 为新风通路上过滤器的总效率;ηr 为回风通路上过滤器的总效率。
2. 1 理论比较
(1) 由式(3) 可得,若采用初效、中效、高效3 级过滤系统,洁净室内污染物稳态浓度为:
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式中,η1 为初效过滤器的过滤效率;η2 为中效过滤器的过滤效率;η3 为高效过滤器的过滤效率。
(2) 若在洁净室新风通路的中效过滤器的后面安装管道式静电除尘器来替代高效过滤器,静电除尘器距洁净室送风口有一定的距离,主要是防止静电除尘器发生的少量臭氧进入室内,影响人们的健康。此时,洁净室内污染物质的浓度为:
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式中,ηj 为管道式静电除尘器的过滤效率。由式(4) 和式(5) 可以发现,由于无法确定高效过滤器和静电除尘器过滤效率的高低,因而无法从公式判断究竟哪种系统比较好,只有通过试验来判断。
2. 2 试验比较
试验通过先行已做标定的2 台Y09 - 9 型粒子计数器, 分别在室内标高为0. 8 m 和1. 2 m 处测得不同高度下的含尘浓度,结果如图(2) 和图(3) 。
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由试验结果可知,用管道式静电除尘器代替高效过滤器后,室内含尘数量浓度随换气次数的变化而变化的程度明显。当换气次数较小时,即通过静电除尘器的风速较小时, 其净化效果明显,比传统的3 级过滤系统效果好,但是当换气次数超过某个值后,由试验可知在70 次/ h 左右,使用管道式静电除尘器的净化效果不如3 级过滤系统好,说明使用管道式静电除尘器的过滤系统在一定换气范围内可以满足 ISO 6 级洁净室的洁净度要求。
3 洁净室自净时间
洁净室自净时间和换气次数的关系可用式(6) [2 ]表示:
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式中, tz 为自净时间,min; N0 为洁净室原始含尘浓度, 可取值N0 = M ,即与大气含尘浓度相等。
由图4 可以看出,式(6) 的自净时间计算方法对改进后的过滤系统来说不适合,但是图5 的比较可知改进后的过滤系统使洁净室自净时间减短,这主要是由于其阻力小的原因。
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4 过滤器阻力
本试验用的高效过滤器属于无隔板过滤器,滤料为超细聚丙烯,型号为F45 - 64 ,45 代表滤袋直径,64 代表滤袋个数。这类过滤器相对于其他高效过滤器而言,主要特点是阻力较小。而本试验采用的静电除尘器的面积为520 mm ×300 mm ,阳极电晕线直径为0. 25 mm , 阴极呈蜂窝状正六边形, 六边形对边相距30 mm , 其净流通面积比较大。表1 的试验数据表明, 静电除尘器的阻力比F45 - 64 高效过滤器小得多。
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作为末级过滤器的静电除尘器距离送风口较远,其产生的臭氧在到达送风口时已经衰减部分,根据试验测得其臭氧浓度符合国家标准[3 ] 。
5 结论
(1) 应用管道式静电除尘器的过滤系统在一定换气次数范围内能满足ISO 6 级洁净室洁净度要求,净化效果明显,但当换气次数过大时,过滤效果反而下降,这主要是由于静电除尘器的面风速过大,影响了过滤效率。
(2) 应用管道式静电除尘器的过滤系统能使洁净室自净时间缩短,这主要是过滤器阻力小的原因。
(3) 管道式静电除尘器的阻力比高效过滤器阻力小得多,在换气次数50～80 次/ h 时,应用管道式静电除尘器代替高效过滤器是一个可行的方案,它既能减少投初期资和运行费用,又能满足洁净度要求。
(4) 作为末级过滤器的静电除尘器,安装时要注意安装距离应距送风口较远,这样才能使其产生的臭氧浓度在到达送风口时已经处于衰减状态。
参考文献
[1 ]GB 50073 - 2001. 洁净厂房设计规范[ S] .
[2 ]许钟麟. 空气洁净技术原理[M] . 上海:同济大学出版社,1998 :343 - 356.
[3 ]GB/ T18883 - 2002. 室内空气质量标准[ S] . 作者简介 陈帅,男,1977 年生,江苏靖江人,硕士,讲师,毕业于东华大学暖通专业,现主要从事建筑环境与设备工程的设计与研究工作。
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