摘要：傳統(tǒng)ISO 6 級(jí)潔凈室的過(guò)濾系統(tǒng)通常是3 級(jí)過(guò)濾,即初效、中效和高效過(guò)濾,系統(tǒng)阻力很大,為了減少潔凈室的能耗,通過(guò)用管道式靜電除塵器代替高效過(guò)濾器改進(jìn)了潔凈室過(guò)濾系統(tǒng),比較了改進(jìn)后的過(guò)濾系統(tǒng)和傳統(tǒng)過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)潔凈室內(nèi)含塵濃度、潔凈室自凈時(shí)間、過(guò)濾系統(tǒng)阻力的影響,得到了改進(jìn)后的潔凈室過(guò)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(jí)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(guò)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(jí)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(jí)是由潔凈室內(nèi)含塵數(shù)量濃度決定的。ISO 6 級(jí)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(lái)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(guò)濾系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)污染物的控制工作。傳統(tǒng)的過(guò)濾系統(tǒng)通常是3 級(jí)過(guò)濾,即初效、中效和高效過(guò)濾,初級(jí)過(guò)濾器保護(hù)潔凈系統(tǒng)正常工作,并使中級(jí)過(guò)濾器更為有效地過(guò)濾 ≥1μm的塵埃,中級(jí)過(guò)濾器保護(hù)末端過(guò)濾器,其優(yōu)劣程度決定高效過(guò)濾器的使用壽命,高效過(guò)濾器決定室內(nèi)的凈化級(jí)別。只有合理確定各級(jí)過(guò)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(guò)濾作用,提高系統(tǒng)的綜合過(guò)濾效率,并使前一級(jí)過(guò)濾器能夠保護(hù)后一級(jí)過(guò)濾器。本試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示,過(guò)濾系統(tǒng)所采用的初效和中效過(guò)濾器都是無(wú)紡布袋式過(guò)濾器,高效過(guò)濾器采用無(wú)隔板形式,濾料為超細(xì)聚丙烯,型號(hào)為F45 - 64。另外,本試驗(yàn)通過(guò)在過(guò)濾系統(tǒng)中用管道式靜電除塵器替代高效過(guò)濾器,對(duì)傳統(tǒng)過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),對(duì)改進(jìn)后的和傳統(tǒng)的過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)的阻力三方面對(duì)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(chǎng)使空氣中的粒子荷電,再利用電場(chǎng)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。

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(chǎng)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(huì)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(kāi)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(huì)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(guò)濾器的效率可表示為[2 ] :

式中, F 為集塵極板的總有效面積; ue 為分離速度; Q 為通過(guò)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(chǎng)中向著集塵極加速運(yùn)動(dòng)受到的氣流阻力與電場(chǎng)力平衡時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)氣流阻力與電場(chǎng)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] :

式中, Cu 為滑動(dòng)修正系數(shù),亦稱庫(kù)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)強(qiáng)度( E2) ,使分離速度提高。但集塵空間的電場(chǎng)強(qiáng)度太高容易引起電極放電,即使極板經(jīng)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度越長(zhǎng)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(zhǎng)度上并不都能有效集塵。所謂的集塵長(zhǎng)度是指一定電場(chǎng)強(qiáng)度下,集塵板上一定的長(zhǎng)度有集塵作用,超過(guò)這一長(zhǎng)度,再長(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)度,而非極板實(shí)際長(zhǎng)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(guò)一段時(shí)間后,室內(nèi)穩(wěn)定的含塵濃度可表示為[2 ] :

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(duì)于總風(fēng)量之比;ηn 為新風(fēng)通路上過(guò)濾器的總效率;ηr 為回風(fēng)通路上過(guò)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(jí)過(guò)濾系統(tǒng),潔凈室內(nèi)污染物穩(wěn)態(tài)濃度為:

式中,η1 為初效過(guò)濾器的過(guò)濾效率;η2 為中效過(guò)濾器的過(guò)濾效率;η3 為高效過(guò)濾器的過(guò)濾效率。

(2) 若在潔凈室新風(fēng)通路的中效過(guò)濾器的后面安裝管道式靜電除塵器來(lái)替代高效過(guò)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:

式中,ηj 為管道式靜電除塵器的過(guò)濾效率。由式(4) 和式(5) 可以發(fā)現(xiàn),由于無(wú)法確定高效過(guò)濾器和靜電除塵器過(guò)濾效率的高低,因而無(wú)法從公式判斷究竟哪種系統(tǒng)比較好,只有通過(guò)試驗(yàn)來(lái)判斷。

2. 2 　試驗(yàn)比較

試驗(yàn)通過(guò)先行已做標(biāo)定的2 臺(tái)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(cè)得不同高度下的含塵濃度,結(jié)果如圖(2) 和圖(3) 。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,用管道式靜電除塵器代替高效過(guò)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(guò)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(jí)過(guò)濾系統(tǒng)效果好,但是當(dāng)換氣次數(shù)超過(guò)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(jí)過(guò)濾系統(tǒng)好,說(shuō)明使用管道式靜電除塵器的過(guò)濾系統(tǒng)在一定換氣范圍內(nèi)可以滿足 ISO 6 級(jí)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:

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(duì)改進(jìn)后的過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不適合,但是圖5 的比較可知改進(jìn)后的過(guò)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。

4 　過(guò)濾器阻力

本試驗(yàn)用的高效過(guò)濾器屬于無(wú)隔板過(guò)濾器,濾料為超細(xì)聚丙烯,型號(hào)為F45 - 64 ,45 代表濾袋直徑,64 代表濾袋個(gè)數(shù)。這類過(guò)濾器相對(duì)于其他高效過(guò)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(yáng)極電暈線直徑為0. 25 mm , 陰極呈蜂窩狀正六邊形, 六邊形對(duì)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(guò)濾器小得多。

作為末級(jí)過(guò)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(cè)得其臭氧濃度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3 ] 。

5 　結(jié)論

(1) 應(yīng)用管道式靜電除塵器的過(guò)濾系統(tǒng)在一定換氣次數(shù)范圍內(nèi)能滿足ISO 6 級(jí)潔凈室潔凈度要求,凈化效果明顯,但當(dāng)換氣次數(shù)過(guò)大時(shí),過(guò)濾效果反而下降,這主要是由于靜電除塵器的面風(fēng)速過(guò)大,影響了過(guò)濾效率。

(2) 應(yīng)用管道式靜電除塵器的過(guò)濾系統(tǒng)能使?jié)崈羰易詢魰r(shí)間縮短,這主要是過(guò)濾器阻力小的原因。

(3) 管道式靜電除塵器的阻力比高效過(guò)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(guò)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(jí)過(guò)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(jiǎn)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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