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高效空氣過濾器現(xiàn)場大氣塵檢漏方法的理論探討
———國標(biāo)《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》編制組系列探討問題之九
許鐘麟,曹國慶,馮　昕,張益昭,張彥國,牛維樂,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(shù)器檢漏方法(簡稱漏孔法),普通高效過濾器需要不低于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(shù)≥1,即可作靜止檢漏,若再≥3,即可判斷為漏。漏孔法比ISO透過率法適用漏孔更小。   [關(guān)鍵詞]高效過濾器;掃描檢漏;定點(diǎn)檢漏;漏泄標(biāo)準(zhǔn)
    [中圖分類號]TU834·8+33　　　[文獻(xiàn)標(biāo)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濾器進(jìn)行掃描檢漏即現(xiàn)場檢漏(抽檢或全檢),這是過去美聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209、美國空軍技術(shù)條令203和美國航天宇宙局的NASA標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)在的ISO標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了的,我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不例外。不同的是,過去國外標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用光度計方法人工發(fā)塵(DOP)來檢漏,而當(dāng)下游濃度超過上游濃度10-4時即為漏,對于后來的超高效過濾器這一數(shù)值顯然是不適用的。而我國標(biāo)準(zhǔn)JGJ 71-90《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”),根據(jù)理論研究成果[1],首次在國內(nèi)外明確規(guī)定用粒子計數(shù)器法檢漏,可以用大氣塵,必要時用DOP。是這樣規(guī)定的:“在被檢高效過濾器上風(fēng)側(cè)測定大氣塵的微粒數(shù),以≥0·5μm微粒為準(zhǔn),其濃度必須≥3·5×104粒/L;若檢測超高效過濾器,則以≥0·1μm微粒為準(zhǔn),其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L?！?br/>    當(dāng)按這一規(guī)定檢漏時,應(yīng)在距過濾器表面2~3cm處掃描。其評定標(biāo)準(zhǔn)為“由受檢過濾器下風(fēng)側(cè)測到的漏泄?jié)舛葥Q算成的透過率,對于高效過濾器,應(yīng)不大于過濾器出廠合格透過率的3倍,對于超高效過濾器,應(yīng)不大于出廠合格透過率的2倍?！?“規(guī)范”原文“3”和“2”印倒了,規(guī)范說明是對的)這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)被后來許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,包括新的《電子廠房設(shè)計規(guī)范》(報批稿)所采用。
    但是,這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)施中并未得到執(zhí)行,一是因?yàn)樘珖?yán),即使按規(guī)定上游濃度達(dá)到3·5×104粒/L,由于低的A類過濾器(鈉焰法效率為99·9% )即可具有對≥0·5μm微粒達(dá)99·999%的效率,不大于3倍的透過率多有1粒/L微粒,也不好檢定;二是因?yàn)槊恳慌_過濾器的透過率也很難事先搞準(zhǔn)確。所以長期以來,在實(shí)測中使用的是一種簡便方法(對于不高于ISO 5級的潔凈環(huán)境),即,不計過濾器前濃度(認(rèn)為都符合要求,詳見下文),只要中流量粒子計數(shù)器(2·83L/min),每分鐘讀數(shù)不大于三個,即認(rèn)為不漏。后來有關(guān)規(guī)范中更放寬到3粒/L為界限。
    事實(shí)證明,當(dāng)ISO 5級工作區(qū)高度或其以上某高度的一個區(qū)域濃度偏大時,用上述方法檢漏,一般均能找到相應(yīng)的漏泄點(diǎn)。
    粒子計數(shù)器法明顯比光度計法簡便精確,大氣塵法明顯比DOP法沒有污染。但是由于受美國標(biāo)準(zhǔn)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光度計法用于透過率>0·005%的過濾器系統(tǒng)檢漏,即對0·3μm單分散氣溶膠效率不大于99·995%的高效過濾器(相當(dāng)于我國B~C類過濾器);
    (2) DOP光度計法只適用于當(dāng)沉積在過濾器和管道上的揮發(fā)性有機(jī)測試氣溶膠釋放出的氣體對潔凈室內(nèi)的產(chǎn)品或工藝不是有害的,如核設(shè)施的過濾器檢漏;
    (3)人工氣溶膠的粒子計數(shù)器法適用于過濾器透過率≤0·0000005%的檢漏,即效率≥99·9999995% (按為對0·3μm微粒)過濾器檢漏;
    (4)粒子計數(shù)器法比光度計法更為靈敏,造成的污染小,對檢漏來說既有精度也有速度;
    (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, ISO標(biāo)準(zhǔn)充分肯定了粒子計數(shù)器法,并且在氣溶膠源中也列入了大氣氣溶膠。但在具體應(yīng)用上仍著重介紹發(fā)生人工氣溶膠,沒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(tǒng)和過濾器留下附加物質(zhì)。如果可以既用粒子計數(shù)器,又用大氣塵來檢漏,則是工程上簡捷的辦法。由于現(xiàn)場檢漏對過濾器既有效率并不感興趣,而關(guān)心的是有無漏孔漏泄,不論何種效率過濾器,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,而對漏的定量并無需要,在這一目的下,還必須弄清楚以下問題:
    (1)多大的上游大氣塵濃度才能發(fā)現(xiàn)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)格雜亂無章,大小不同,但可見單層網(wǎng)格長向可達(dá)30μm。
               所謂漏,即應(yīng)是纖維網(wǎng)格因擦、劃、扎等將網(wǎng)格撕開一個孔口,形成孔口出流,其流量遠(yuǎn)大于通過正常網(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為過濾器前后(孔前后)壓差,按檢漏時初阻力計,取200Pa;ρ空氣密度, 1·2kg/m3;μ為流量系數(shù),按式(2)進(jìn)行計算:
    μ=εφ(2)
    其中,ε為孔口流速收縮系數(shù),對于孔口周邊為開闊的過濾面積按流體力學(xué)定義,應(yīng)為完全收縮,ε小,取0·62;φ為流速系數(shù)。
    關(guān)于流速系數(shù)φ,理論值為0·82[3],大可達(dá)到1,實(shí)驗(yàn)大值為0·97,擴(kuò)張形孔口(θ=5°~7°,見圖2)為0·45[4]。對于復(fù)雜的縫、孔,實(shí)驗(yàn)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(shù)更小。假定以大約纖維網(wǎng)格的3~4倍為界,相當(dāng)于0·1mm漏孔為界(這純屬設(shè)定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即大的系數(shù)取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當(dāng)<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(shè)如圖3所示的漏孔,簡化為在出風(fēng)面上———垂直于氣流的表面上的孔。漏泄氣流斷面不斷擴(kuò)大,濃度不斷被稀釋,現(xiàn)將這股氣流稱為污染氣流,這是帶動了周邊氣流的結(jié)果,但是這種擴(kuò)展不是無限制的,當(dāng)污染氣流邊界速度衰減到與周邊氣流速度相近時,這種帶動也就停止了。
    所以可以認(rèn)為當(dāng)污染氣流斷面平均速度衰減到高效過濾器出口送風(fēng)速度水平,就可能不再擴(kuò)展稀釋了。由于單向流受漏泄的影響更顯著,所以以單向流為準(zhǔn)。設(shè)其高效過濾器出口送風(fēng)速度為0·5m/s,則根據(jù)射流原理可得出一系列特性參數(shù)[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(shù),取0·08;s為射程,mm;d0為漏孔直徑,mm。
    代入相應(yīng)數(shù)據(jù)后為
     
    由此式可求出射程s。
    對于不同的d0,漏泄氣流不再擴(kuò)展的距離s見表1。漏泄氣流不再擴(kuò)展時的直徑由式(5)給出,漏泄流量計算結(jié)果見表1。
                漏泄氣流在大擴(kuò)展直徑處或25mm處已被稀釋,稀釋倍數(shù)由式(6)給出,只要壓差不變,φ、v恒定,則稀釋倍數(shù)恒定。結(jié)果見表1。
                2·3　定點(diǎn)檢漏
    當(dāng)采樣口正對著漏孔定點(diǎn)檢漏時有三種情況:
    (1)擴(kuò)展距離小于國際公認(rèn)的采樣距離25mm,大擴(kuò)展直徑小于采樣口直徑,如圖4所示。
               此時,如采樣流量大于污染氣流到達(dá)采樣口的稀釋流量,則漏過來的微粒將全部進(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(shè)采樣流量為2·83L/min,于是采樣濃度為:
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