高效空氣過(guò)濾器現場(chǎng)大氣塵檢漏方法的理論探討
———國標《潔凈室施工及驗收規范》編制組系列探討問(wèn)題之九
許鐘麟,曹?chē)鴳c,馮　昕,張益昭,張彥國,牛維樂(lè ),劉　華,王　榮
(中國建筑科學(xué)研究院,北京100013)
    [摘　要]用射流理論具體論證了大氣塵粒子計數器檢漏方法(簡(jiǎn)稱(chēng)漏孔法),普通高效過(guò)濾器需要不低于2200粒/L(2·83L/min采樣)的上游大氣塵濃度,超高效過(guò)濾器需要不低于5800粒/L(28·3L/min采樣)的上游大氣塵濃度。只要掃描特征讀數≥1,即可作靜止檢漏,若再≥3,即可判斷為漏。漏孔法比ISO透過(guò)率法適用漏孔更小。   [關(guān)鍵詞]高效過(guò)濾器;掃描檢漏;定點(diǎn)檢漏;漏泄標準
    [中圖分類(lèi)號]TU834·8+33　　　[文獻標識碼]A
    [文章編號]1002-8528(2010)01-0001-06
    1·背　景
    對在潔凈室及受控環(huán)境中已安裝好了的高效過(guò)濾器進(jìn)行掃描檢漏即現場(chǎng)檢漏(抽檢或全檢),這是過(guò)去美聯(lián)邦標準209、美國空軍技術(shù)條令203和美國航天宇宙局的NASA標準以及現在的ISO標準都規定了的,我國有關(guān)標準也不例外。不同的是,過(guò)去國外標準都規定用光度計方法人工發(fā)塵(DOP)來(lái)檢漏,而當下游濃度超過(guò)上游濃度10-4時(shí)即為漏,對于后來(lái)的超高效過(guò)濾器這一數值顯然是不適用的。而我國標準JGJ 71-90《潔凈室施工及驗收規范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“規范”),根據理論研究成果[1],首次在國內外明確規定用粒子計數器法檢漏,可以用大氣塵,必要時(shí)用DOP。是這樣規定的:“在被檢高效過(guò)濾器上風(fēng)側測定大氣塵的微粒數,以≥0·5μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×104粒/L;若檢測超高效過(guò)濾器,則以≥0·1μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L?！?br/>    當按這一規定檢漏時(shí),應在距過(guò)濾器表面2~3cm處掃描。其評定標準為“由受檢過(guò)濾器下風(fēng)側測到的漏泄濃度換算成的透過(guò)率,對于高效過(guò)濾器,應不大于過(guò)濾器出廠(chǎng)合格透過(guò)率的3倍,對于超高效過(guò)濾器,應不大于出廠(chǎng)合格透過(guò)率的2倍?！?“規范”原文“3”和“2”印倒了,規范說(shuō)明是對的)這一檢漏標準被后來(lái)許多標準、規范,包括新的《電子廠(chǎng)房設計規范》(報批稿)所采用。
    但是,這一檢漏標準在實(shí)施中并未得到執行,一是因為太嚴,即使按規定上游濃度達到3·5×104粒/L,由于低的A類(lèi)過(guò)濾器(鈉焰法效率為99·9% )即可具有對≥0·5μm微粒達99·999%的效率,不大于3倍的透過(guò)率多有1粒/L微粒,也不好檢定;二是因為每一臺過(guò)濾器的透過(guò)率也很難事先搞準確。所以長(cháng)期以來(lái),在實(shí)測中使用的是一種簡(jiǎn)便方法(對于不高于ISO 5級的潔凈環(huán)境),即,不計過(guò)濾器前濃度(認為都符合要求,詳見(jiàn)下文),只要中流量粒子計數器(2·83L/min),每分鐘讀數不大于三個(gè),即認為不漏。后來(lái)有關(guān)規范中更放寬到3粒/L為界限。
    事實(shí)證明,當ISO 5級工作區高度或其以上某高度的一個(gè)區域濃度偏大時(shí),用上述方法檢漏,一般均能找到相應的漏泄點(diǎn)。
    粒子計數器法明顯比光度計法簡(jiǎn)便精確,大氣塵法明顯比DOP法沒(méi)有污染。但是由于受美國標準影響,國際上某些領(lǐng)域如制藥行業(yè),仍堅持用DOP光度計法。直到2005年, ISO 14644-1才明確指出:
    (1) DOP光度計法用于透過(guò)率>0·005%的過(guò)濾器系統檢漏,即對0·3μm單分散氣溶膠效率不大于99·995%的高效過(guò)濾器(相當于我國B(niǎo)~C類(lèi)過(guò)濾器);
    (2) DOP光度計法只適用于當沉積在過(guò)濾器和管道上的揮發(fā)性有機測試氣溶膠釋放出的氣體對潔凈室內的產(chǎn)品或工藝不是有害的,如核設施的過(guò)濾器檢漏;
    (3)人工氣溶膠的粒子計數器法適用于過(guò)濾器透過(guò)率≤0·0000005%的檢漏,即效率≥99·9999995% (按為對0·3μm微粒)過(guò)濾器檢漏;
    (4)粒子計數器法比光度計法更為靈敏,造成的污染小,對檢漏來(lái)說(shuō)既有精度也有速度;
    (5)推薦上游加入的人工氣溶膠有:甲基苯二甲酸鹽、癸二酸二酯、聚苯乙烯乳膠球等。由此可見(jiàn), ISO標準充分肯定了粒子計數器法,并且在氣溶膠源中也列入了大氣氣溶膠。但在具體應用上仍著(zhù)重介紹發(fā)生人工氣溶膠,沒(méi)有介紹大氣塵氣溶膠的可行性。這就使檢漏不免仍有困難,給系統和過(guò)濾器留下附加物質(zhì)。如果可以既用粒子計數器,又用大氣塵來(lái)檢漏,則是工程上簡(jiǎn)捷的辦法。由于現場(chǎng)檢漏對過(guò)濾器既有效率并不感興趣,而關(guān)心的是有無(wú)漏孔漏泄,不論何種效率過(guò)濾器,只要有漏孔,孔前后壓差一定,就都有相同的漏泄量。因此只需確定漏不漏,而對漏的定量并無(wú)需要,在這一目的下,還必須弄清楚以下問(wèn)題:
    (1)多大的上游大氣塵濃度才能發(fā)現漏?
    (2)下游檢漏出多大的濃度才可判定為漏?
    2·理論分析
    2·1　漏泄流量
    高效過(guò)濾器濾紙電鏡照片如圖1所示[2]。由玻璃纖維組成的網(wǎng)格雜亂無(wú)章,大小不同,但可見(jiàn)單層網(wǎng)格長(cháng)向可達30μm。
               所謂漏,即應是纖維網(wǎng)格因擦、劃、扎等將網(wǎng)格撕開(kāi)一個(gè)孔口,形成孔口出流,其流量遠大于通過(guò)正常網(wǎng)格的流量。
    孔口出流流量Q0由經(jīng)典的式(1)給出:
               式中,A為孔口面積,A=0·78d0;d0為孔口直徑;ΔP為過(guò)濾器前后(孔前后)壓差,按檢漏時(shí)初阻力計,取200Pa;ρ空氣密度, 1·2kg/m3;μ為流量系數,按式(2)進(jìn)行計算:
    μ=εφ(2)
    其中,ε為孔口流速收縮系數,對于孔口周邊為開(kāi)闊的過(guò)濾面積按流體力學(xué)定義,應為完全收縮,ε小,取0·62;φ為流速系數。
    關(guān)于流速系數φ,理論值為0·82[3],大可達到1,實(shí)驗大值為0·97,擴張形孔口(θ=5°~7°,見(jiàn)圖2)為0·45[4]。對于復雜的縫、孔,實(shí)驗小平均值為0·29[5],對于漏孔很小,只比單層纖維網(wǎng)格大幾倍的情況,其孔的邊緣纖維凌亂情況的相對影響變大,即阻力變大,流量系數更小。假定以大約纖維網(wǎng)格的3~4倍為界,相當于0·1mm漏孔為界(這純屬設定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即大的系數取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當<0·1mm的孔按小的φ=0·29計算,則μ=εφ=0·18。  
              2·2　漏泄的基本特性
    設如圖3所示的漏孔,簡(jiǎn)化為在出風(fēng)面上———垂直于氣流的表面上的孔。漏泄氣流斷面不斷擴大,濃度不斷被稀釋,現將這股氣流稱(chēng)為污染氣流,這是帶動(dòng)了周邊氣流的結果,但是這種擴展不是無(wú)限制的,當污染氣流邊界速度衰減到與周邊氣流速度相近時(shí),這種帶動(dòng)也就停止了。
    所以可以認為當污染氣流斷面平均速度衰減到高效過(guò)濾器出口送風(fēng)速度水平,就可能不再擴展稀釋了。由于單向流受漏泄的影響更顯著(zhù),所以以單向流為準。設其高效過(guò)濾器出口送風(fēng)速度為0·5m/s,則根據射流原理可得出一系列特性參數[6]:
         式中,v為質(zhì)量平均流速,m/s;v0為漏孔出流速度,m/s;a為紊流系數,取0·08;s為射程,mm;d0為漏孔直徑,mm。
    代入相應數據后為
     
    由此式可求出射程s。
    對于不同的d0,漏泄氣流不再擴展的距離s見(jiàn)表1。漏泄氣流不再擴展時(shí)的直徑由式(5)給出,漏泄流量計算結果見(jiàn)表1。
                漏泄氣流在大擴展直徑處或25mm處已被稀釋,稀釋倍數由式(6)給出,只要壓差不變,φ、v恒定,則稀釋倍數恒定。結果見(jiàn)表1。
                2·3　定點(diǎn)檢漏
    當采樣口正對著(zhù)漏孔定點(diǎn)檢漏時(shí)有三種情況:
    (1)擴展距離小于國際公認的采樣距離25mm,大擴展直徑小于采樣口直徑,如圖4所示。
               此時(shí),如采樣流量大于污染氣流到達采樣口的稀釋流量,則漏過(guò)來(lái)的微粒將全部進(jìn)入采樣口,由于其漏泄流量Q0很小,采樣口吸入的絕大部分是周邊潔凈氣流,則采樣濃度將大幅度降低。大約0·6mm以下的孔屬于這種情況,設采樣流量為2·83L/min,于是采樣濃度為:
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