一種ISO 6 級工業(yè)潔凈室過濾系統(tǒng)的改進(jìn)方法
摘要：傳統(tǒng)ISO 6 級潔凈室的過濾系統(tǒng)通常是3 級過濾,即初效、中效和高效過濾,系統(tǒng)阻力很大,為了減少潔凈室的能耗,通過用管道式靜電除塵器代替高效過濾器改進(jìn)了潔凈室過濾系統(tǒng),比較了改進(jìn)后的過濾系統(tǒng)和傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)對潔凈室內(nèi)含塵濃度、潔凈室自凈時(shí)間、過濾系統(tǒng)阻力的影響,得到了改進(jìn)后的潔凈室過濾系統(tǒng)在換氣次數(shù)在50～80 次/ h 的范圍內(nèi)既能滿足ISO 6 級潔凈室的潔凈度要求,又能縮短潔凈室自凈時(shí)間,還能減小過濾系統(tǒng)阻力的結(jié)論,為工業(yè)潔凈室的設(shè)計(jì)提供一定的參考。
關(guān)鍵詞：ISO 6, 級潔凈室,管道式靜電除塵器,含塵濃度,自凈時(shí)間,換氣次數(shù)
工業(yè)潔凈室的潔凈度等級是由潔凈室內(nèi)含塵數(shù)量濃度決定的。ISO 6 級潔凈室內(nèi)允許的≥0. 5μm粒徑的含塵數(shù)量濃度上限是35 200 pc/ m3 [1 ] 。室內(nèi)污染主要來自于室外新風(fēng)、回風(fēng)和室內(nèi)的污染源。要達(dá)到規(guī)定的含塵濃度,必須由高效率的過濾系統(tǒng)來完成對污染物的控制工作。傳統(tǒng)的過濾系統(tǒng)通常是3 級過濾,即初效、中效和高效過濾,初級過濾器保護(hù)潔凈系統(tǒng)正常工作,并使中級過濾器更為有效地過濾 ≥1μm的塵埃,中級過濾器保護(hù)末端過濾器,其優(yōu)劣程度決定高效過濾器的使用壽命,高效過濾器決定室內(nèi)的凈化級別。只有合理確定各級過濾器除去微粒的粒徑以及除塵效率,才能充分、有效地發(fā)揮各自的過濾作用,提高系統(tǒng)的綜合過濾效率,并使前一級過濾器能夠保護(hù)后一級過濾器。本試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示,過濾系統(tǒng)所采用的初效和中效過濾器都是無紡布袋式過濾器,高效過濾器采用無隔板形式,濾料為超細(xì)聚丙烯,型號為F45 - 64。另外,本試驗(yàn)通過在過濾系統(tǒng)中用管道式靜電除塵器替代高效過濾器,對傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),對改進(jìn)后的和傳統(tǒng)的過濾系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究,主要從潔凈室內(nèi)含塵濃度、潔凈室自凈時(shí)間、過濾系統(tǒng)的阻力三方面對比研究。
1 管道式靜電除塵器
1. 1 管道式靜電除塵器的原理
靜電除塵器是利用電場使空氣中的粒子荷電,再利用電場將荷電粒子捕獲。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為單區(qū)靜電集塵器(電離和集塵在同一區(qū)進(jìn)行) 、雙區(qū)靜電集塵器(電離與集塵分區(qū)進(jìn)行) ,甚至三區(qū)靜電集塵器(二次電離與集塵) 。根據(jù)集塵板的形式不同分為平行平板式和蜂窩式等。本試驗(yàn)采用蜂窩式靜電除塵器。
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靜電空氣凈化裝置中有實(shí)際意義的產(chǎn)生離子的機(jī)理是電暈。電暈是放電電極周圍一個(gè)很狹小的區(qū)域電場強(qiáng)度較大,能給空氣中受本底輻射(自然界存在的天然輻射) 而形成的自由電子足夠的能量,從分子中撞出電子,同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的正離子。這樣,電暈區(qū)內(nèi)就會存在大量的自由電子和正離子。凈化用的靜電除塵器采用正電暈放電,自由電子朝著電暈極運(yùn)動(dòng)并最終作為電流從極線上流走,正離子則朝相反方向運(yùn)動(dòng),離開狹小的電暈區(qū),附著在同它相遇的顆粒上使顆粒帶正電。負(fù)電暈應(yīng)用于工業(yè)用電除塵器,負(fù)電暈操作時(shí)會產(chǎn)生大量臭氧,影響人體舒適乃至危害人體健康。本試驗(yàn)的靜電空氣凈化裝置采用正電暈,嚴(yán)格控制臭氧發(fā)生量。
1. 2 影響靜電除塵器效率的因素
靜電空氣過濾器的效率可表示為[2 ] :
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式中, F 為集塵極板的總有效面積; ue 為分離速度; Q 為通過集塵極板的總風(fēng)量。
顯然,影響靜電除塵器凈化效率的因素有分離速度、集塵極板的總有效面積和風(fēng)量。
分離速度是荷電微粒在電場中向著集塵極加速運(yùn)動(dòng)受到的氣流阻力與電場力平衡時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)氣流阻力與電場力的平衡關(guān)系式,并考慮滑動(dòng)修正,得到分離速度ue 的理論表達(dá)式[2] :
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式中, Cu 為滑動(dòng)修正系數(shù),亦稱庫寧漢(Cunninghum) 修正系數(shù); N 為電荷的數(shù)目; e 為單位電荷量, 4. 8 ×10 - 10靜電系單位(300 V/ cm= 1 靜電系單位) ; E2 為集塵極空間的電場強(qiáng)度,靜電系單位;μ為動(dòng)力黏滯系數(shù), Pa·s; dp 為微粒直徑, cm。
其中,分離速度ue 越大, 集塵效率越高。微粒直徑dp 越小, ue 越大,集塵效率越高。所以,與機(jī)械過濾器相比,靜電除塵器更適合捕集微細(xì)粒子。提高集塵極電壓就是提高了集塵極空間電場強(qiáng)度( E2) ,使分離速度提高。但集塵空間的電場強(qiáng)度太高容易引起電極放電,即使極板經(jīng)過電拋光之后仍然難免表面不光潔,特別是邊緣如有毛刺;或表面很光潔,只要沉積上一顆較大的粒子(特別是纖維) 都能引起放電使電場強(qiáng)度迅速下降。因此,試驗(yàn)采用的集塵極電壓控制在 8 kV 左右,相當(dāng)于電場強(qiáng)度1 kV/ mm 左右。實(shí)際影響的因素很多,如氣體和懸浮微粒在極板間通道截面上的分布、通道中氣流的運(yùn)動(dòng)特性、微粒的凝聚、收集到極板上的微粒再次被氣流帶走等,實(shí)際的比理論值要小得多。
當(dāng)集塵極板寬度一定時(shí),長度越長有效面積F 越大,則效率就越高,但實(shí)際上在集塵板的整個(gè)長度上并不都能有效集塵。所謂的集塵長度是指一定電場強(qiáng)度下,集塵板上一定的長度有集塵作用,超過這一長度,再長的極板也不能象理論值那樣能收集更多的微粒。主要原因是電暈區(qū)外的部分空氣沒被電離或空氣含塵濃度太高使一部分微粒荷電極小或不能荷電。集塵極板寬度一定時(shí),集塵極板影響靜電空氣凈化裝置集塵效率的因素是極板有效集塵長度,而非極板實(shí)際長度。
2 潔凈室穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)室內(nèi)含塵濃度
如潔凈室有穩(wěn)定的通風(fēng)換氣條件,經(jīng)過一段時(shí)間后,室內(nèi)穩(wěn)定的含塵濃度可表示為[2 ] :
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式中, G為室內(nèi)單位容積發(fā)塵量, pc/ (m3·min) ; M 為大氣含塵濃度,pc/L; n 為換氣次數(shù),次/ h ; s 為回風(fēng)量對于總風(fēng)量之比;ηn 為新風(fēng)通路上過濾器的總效率;ηr 為回風(fēng)通路上過濾器的總效率。
2. 1 理論比較
(1) 由式(3) 可得,若采用初效、中效、高效3 級過濾系統(tǒng),潔凈室內(nèi)污染物穩(wěn)態(tài)濃度為:
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式中,η1 為初效過濾器的過濾效率;η2 為中效過濾器的過濾效率;η3 為高效過濾器的過濾效率。
(2) 若在潔凈室新風(fēng)通路的中效過濾器的后面安裝管道式靜電除塵器來替代高效過濾器,靜電除塵器距潔凈室送風(fēng)口有一定的距離,主要是防止靜電除塵器發(fā)生的少量臭氧進(jìn)入室內(nèi),影響人們的健康。此時(shí),潔凈室內(nèi)污染物質(zhì)的濃度為:
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式中,ηj 為管道式靜電除塵器的過濾效率。由式(4) 和式(5) 可以發(fā)現(xiàn),由于無法確定高效過濾器和靜電除塵器過濾效率的高低,因而無法從公式判斷究竟哪種系統(tǒng)比較好,只有通過試驗(yàn)來判斷。
2. 2 試驗(yàn)比較
試驗(yàn)通過先行已做標(biāo)定的2 臺Y09 - 9 型粒子計(jì)數(shù)器, 分別在室內(nèi)標(biāo)高為0. 8 m 和1. 2 m 處測得不同高度下的含塵濃度,結(jié)果如圖(2) 和圖(3) 。
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由試驗(yàn)結(jié)果可知,用管道式靜電除塵器代替高效過濾器后,室內(nèi)含塵數(shù)量濃度隨換氣次數(shù)的變化而變化的程度明顯。當(dāng)換氣次數(shù)較小時(shí),即通過靜電除塵器的風(fēng)速較小時(shí), 其凈化效果明顯,比傳統(tǒng)的3 級過濾系統(tǒng)效果好,但是當(dāng)換氣次數(shù)超過某個(gè)值后,由試驗(yàn)可知在70 次/ h 左右,使用管道式靜電除塵器的凈化效果不如3 級過濾系統(tǒng)好,說明使用管道式靜電除塵器的過濾系統(tǒng)在一定換氣范圍內(nèi)可以滿足 ISO 6 級潔凈室的潔凈度要求。
3 潔凈室自凈時(shí)間
潔凈室自凈時(shí)間和換氣次數(shù)的關(guān)系可用式(6) [2 ]表示:
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式中, tz 為自凈時(shí)間,min; N0 為潔凈室原始含塵濃度, 可取值N0 = M ,即與大氣含塵濃度相等。
由圖4 可以看出,式(6) 的自凈時(shí)間計(jì)算方法對改進(jìn)后的過濾系統(tǒng)來說不適合,但是圖5 的比較可知改進(jìn)后的過濾系統(tǒng)使?jié)崈羰易詢魰r(shí)間減短,這主要是由于其阻力小的原因。
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4 過濾器阻力
本試驗(yàn)用的高效過濾器屬于無隔板過濾器,濾料為超細(xì)聚丙烯,型號為F45 - 64 ,45 代表濾袋直徑,64 代表濾袋個(gè)數(shù)。這類過濾器相對于其他高效過濾器而言,主要特點(diǎn)是阻力較小。而本試驗(yàn)采用的靜電除塵器的面積為520 mm ×300 mm ,陽極電暈線直徑為0. 25 mm , 陰極呈蜂窩狀正六邊形, 六邊形對邊相距30 mm , 其凈流通面積比較大。表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明, 靜電除塵器的阻力比F45 - 64 高效過濾器小得多。
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作為末級過濾器的靜電除塵器距離送風(fēng)口較遠(yuǎn),其產(chǎn)生的臭氧在到達(dá)送風(fēng)口時(shí)已經(jīng)衰減部分,根據(jù)試驗(yàn)測得其臭氧濃度符合國家標(biāo)準(zhǔn)[3 ] 。
5 結(jié)論
(1) 應(yīng)用管道式靜電除塵器的過濾系統(tǒng)在一定換氣次數(shù)范圍內(nèi)能滿足ISO 6 級潔凈室潔凈度要求,凈化效果明顯,但當(dāng)換氣次數(shù)過大時(shí),過濾效果反而下降,這主要是由于靜電除塵器的面風(fēng)速過大,影響了過濾效率。
(2) 應(yīng)用管道式靜電除塵器的過濾系統(tǒng)能使?jié)崈羰易詢魰r(shí)間縮短,這主要是過濾器阻力小的原因。
(3) 管道式靜電除塵器的阻力比高效過濾器阻力小得多,在換氣次數(shù)50～80 次/ h 時(shí),應(yīng)用管道式靜電除塵器代替高效過濾器是一個(gè)可行的方案,它既能減少投初期資和運(yùn)行費(fèi)用,又能滿足潔凈度要求。
(4) 作為末級過濾器的靜電除塵器,安裝時(shí)要注意安裝距離應(yīng)距送風(fēng)口較遠(yuǎn),這樣才能使其產(chǎn)生的臭氧濃度在到達(dá)送風(fēng)口時(shí)已經(jīng)處于衰減狀態(tài)。
參考文獻(xiàn)
[1 ]GB 50073 - 2001. 潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范[ S] .
[2 ]許鐘麟. 空氣潔凈技術(shù)原理[M] . 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1998 :343 - 356.
[3 ]GB/ T18883 - 2002. 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[ S] . 作者簡介 陳帥,男,1977 年生,江蘇靖江人,碩士,講師,畢業(yè)于東華大學(xué)暖通專業(yè),現(xiàn)主要從事建筑環(huán)境與設(shè)備工程的設(shè)計(jì)與研究工作。
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