空氣過濾器原理

空氣過濾器原理
容塵量并非過濾器報(bào)廢時(shí)容納大氣粉塵的重量，它是過濾器在特定試驗(yàn)條件下容納特定試驗(yàn)粉塵的重量。這里的“特定”是指：標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)風(fēng)洞，以及相關(guān)試驗(yàn)與測量設(shè)備；比實(shí)際大氣粉塵顆粒大得多的標(biāo)準(zhǔn)“道路塵”；委托方與試驗(yàn)方商定，或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法與計(jì)算方法；委托方與過濾器商定的終止試驗(yàn)條件。容塵量與過濾器實(shí)際容納粉塵的重量沒有直接對應(yīng)關(guān)系，鼓勵(lì)的容塵量數(shù)據(jù)對用戶沒有任何意義。例如，一個(gè)過濾器的試驗(yàn)容塵量為600g，實(shí)際使用中它可能會(huì)容納2.5kg的大氣粉塵；另一只的容塵量為900g，到你手里它也許只能兜住1.5kg粉塵。只有試驗(yàn)條件和試驗(yàn)粉塵相同時(shí)，才能根據(jù)容塵量數(shù)據(jù)來估計(jì)哪只過濾器會(huì)比另一只的使用壽命更長一些。
專業(yè)試驗(yàn)室和過濾器廠家在評估一般通風(fēng)用過濾器產(chǎn)品時(shí)，要對過濾器進(jìn)行破壞性發(fā)塵試驗(yàn)，其目的是按相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)過濾器在試驗(yàn)全過程的平均效率，容塵量是這類試驗(yàn)得出的一批數(shù)據(jù)中的一個(gè)數(shù)據(jù)。如何試驗(yàn)室長期堅(jiān)持對過濾器進(jìn)行發(fā)塵試驗(yàn)，試驗(yàn)者就可以利用打量歷史數(shù)據(jù)來比較某只過濾器的優(yōu)劣，外人很難搞清容塵量數(shù)量的實(shí)際意義。
歐美一些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)終止條件是：
阻力達(dá)到初阻力的2倍或更高時(shí)；
瞬時(shí)過濾效率低于高效率值的85%。大多數(shù)過濾器的阻力只升不降，只有用蓬松的粗纖維（≧10μm）材料制成的低效率過濾器可能出現(xiàn)第二種情況。顯然，試驗(yàn)時(shí)終阻力定得越高，得到的容塵量數(shù)值就越大。所以，委托人和試驗(yàn)者要明確規(guī)定終止試驗(yàn)的條件，否則，容塵量數(shù)據(jù)就沒多大意義。
歐洲Eurovernt4/9標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的終止試驗(yàn)阻力為450Pa，這個(gè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2倍初阻力，但那是效率試驗(yàn)而不是容塵量試驗(yàn)。
中國標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定對“粗效”過濾器進(jìn)行發(fā)塵試驗(yàn)，其目的是獲得記重效率而是容塵量。當(dāng)與他人討論容塵量時(shí)，你得知道對方說的是哪國話。
歐美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)粉塵俗稱ASHRAE塵，其主要成分為”AC細(xì)灰”，那是美國亞利桑那州荒漠地帶某特定地點(diǎn)的浮塵（ArizonaRoadDust），在AC細(xì)灰中混入特定比例的細(xì)炭黑和短纖維后就成了ASHRAE塵。中國曾規(guī)定用黃土高原的浮塵，日本規(guī)定用自己的“關(guān)東亞粘土”。
⒉黏住粉塵的力
兩個(gè)物體接觸時(shí)，表面間存在一種微小的引力，它不是人們熟悉的萬有引力，不是磁力，也不是靜電力，它是一種分子與分子、分子團(tuán)與分子團(tuán)之間的力，課本上管它叫“范德瓦爾斯力”，或“范德華力”。
從微觀上講，單個(gè)原子或分子中帶負(fù)電的電子云有個(gè)中心，帶正電的原子核也有個(gè)中心，當(dāng)這兩個(gè)中心不重合，就有了電偶極。單個(gè)偶極可能瞬息萬變，也可能相對穩(wěn)定，但多個(gè)偶極湊在一起，就會(huì)對周圍物體產(chǎn)生引力。這種引力很微弱，其量值比化學(xué)鍵小1~2個(gè)數(shù)量級。他的作用區(qū)間也很窄，距離大了引力消失；距離太近（>7?）時(shí)電子云重疊，相鄰分子又互相排斥。
粉筆末留在黑板上，因?yàn)榉兜峦郀査沽梢詫Ω赌切┓勰?；粉筆頭不會(huì)被黑板黏住，因?yàn)榕c重力相比，范德瓦爾斯力微不足道。空氣中的粉塵互相碰撞，因范德瓦爾斯力而合為一體，具成大顆粉塵。室內(nèi)的粉塵撞到墻上并留在哪里，使壁面“褪色”或形成黑漬。粗糙表面因與粉塵的接觸面大，更容易黏住粉塵。
在過濾器中的過濾介質(zhì)是迷宮，置身其中的粉塵比平時(shí)有更多的機(jī)會(huì)撞擊障礙物，并因過濾介質(zhì)中無處不在的范德瓦爾斯力而留下來。在特定情況下，靜電力也參與捕捉粉塵的過程。如果過濾介質(zhì)帶靜電，過濾效果會(huì)明顯改善，其原因之一是靜電力使粉塵改變軌跡而撞擊障礙物，之二是靜電力比范德瓦爾斯力更容易將粉塵黏住。粉塵也可以被人為地加上靜電，使它們?nèi)菀妆黄渌矬w吸附，例如家用的靜電過濾器和工業(yè)用的靜電除塵器。
⒊過濾器阻力
過濾器對氣流形成阻力。過濾器積灰，阻力增加，當(dāng)阻力增加大到某一規(guī)定值時(shí)，過濾器報(bào)廢新過濾器的阻力稱“初阻力”，對應(yīng)過濾器報(bào)廢的阻力值稱“終阻力”。設(shè)計(jì)時(shí)，常需要一個(gè)有代表性的阻力值，以核算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量，這一阻力值稱“設(shè)計(jì)阻力”，慣用的方法是取初阻力與終阻力的平均值。確定終阻力終阻力的選擇直接關(guān)系到過濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范圍、系統(tǒng)能耗。一般情況下，終阻力的選取是空掉設(shè)計(jì)師的事。有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以根據(jù)現(xiàn)場情況改變原設(shè)計(jì)的終阻力值。有的設(shè)計(jì)師會(huì)忘記告訴用戶他所選定的終阻力值；有時(shí)用戶會(huì)改換其他型號過濾器或其他供應(yīng)商。這時(shí)，現(xiàn)場工程師不得不自己確定終阻力值。大多數(shù)情況下，使用現(xiàn)場的過濾器終阻力是初阻力的2~4倍。
過濾器越臟，阻力增長越快。過高的終阻力值并不意味著過濾器的使用壽命會(huì)明顯延長，但它會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量銳減。因此，沒有必要將終阻力值定的過高。有些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定終止試驗(yàn)的條件是當(dāng)阻力為“初阻力的2倍或更高時(shí)”，這種規(guī)定與實(shí)際使用條件沒多大關(guān)系。
低效率過濾器常使用直徑≧10μm的粗纖維濾料。由于纖維間空隙大，過大的阻力有可能將過濾器上的積灰吹散，此時(shí)，阻力不再增高，但過濾效率降為零。因此，要嚴(yán)格限制G4以下過濾器的終阻力值。
表1-1中給出一些建議的終阻力，它來自經(jīng)驗(yàn)，沒多少道理好講。
終阻力建議值表1-1
過濾效率規(guī)格
建議終阻力（Pa）
G3（粗效）
100-200
G4
150-250
F5-F6（中效）
250-300
F7-F8（高中效）
300-400
F9-H11（亞高效）
400-450
高效與超高效
450-600
過濾器達(dá)到終阻力，可能意味著要立刻更換過濾器，也可能意味著要做計(jì)劃在明天、下星期或下個(gè)月更換過濾器。使用者怎么看待終阻力取決于現(xiàn)場具體規(guī)定和操作者的經(jīng)驗(yàn)。
阻力監(jiān)測每個(gè)過濾段都應(yīng)安裝阻力監(jiān)測裝置。終阻力要靠儀表來判定，不能僅憑操作者的感覺。便宜的阻力監(jiān)測裝置是U形管壓差計(jì)。斜管壓差計(jì)比U形管美觀，準(zhǔn)確度也高些。指針式壓差表檔次和價(jià)格都高一些。差壓變送器可以將阻力變成電流或電壓信號，然后輸給控制系統(tǒng)。除了能讀數(shù)的阻力監(jiān)測裝置外，還應(yīng)加上終阻力報(bào)警裝置。省事的辦法是壓差計(jì)上劃紅杠；保險(xiǎn)的方法是使用差壓開關(guān)。
⒋過濾效率
空氣過濾器的“過濾效率”是被捕捉的粉塵量與原空氣含塵量之比：效率的意義看似簡單，可它的含義和數(shù)值卻因試驗(yàn)方法的不同而大不一樣。在決定過濾效率的因素中，粉塵“量”的含義多種多樣，由此計(jì)算和測量出來的過濾器效率數(shù)值也就五花八門。實(shí)用中，有粉塵的總重量，粉塵的顆粒數(shù)量；有時(shí)是針對某一典型粒徑粉塵的量，又是是所有粒徑粉塵的量；還有用特定方法簡介地反映濃度的通光量（比色法）、熒光量（熒光法）；有某種狀態(tài)下的瞬時(shí)量，也有發(fā)塵試驗(yàn)全過程變化效率值的加權(quán)平均量。對同一只過濾器采用不同的方法進(jìn)行測試，測得效率值就會(huì)不一樣。各國家、各廠商使用的測試方法不統(tǒng)一，對過濾器效果的解釋和表達(dá)大相徑庭。離開測試方法，過濾效率就無從談起。
歷史上，搞通風(fēng)和潔凈室過濾器的是一伙人，搞汽車濾清器的是另一伙人，此外還有搞除塵器的，搞液體過濾的，他們各用各的方法，各說各的效率。當(dāng)空氣過濾器廠攙和汽車濾清器的買賣時(shí)，或除塵器廠開發(fā)空氣過濾器時(shí)，他們自己也難免會(huì)被自己所說的過濾效率搞糊涂。
為了省事冰減少誤解，國外出現(xiàn)了一些用代號表示效率的方法，那些代號即明確了試驗(yàn)方法，也確定了效率指標(biāo)，鄉(xiāng)間2.1節(jié)“過濾效率標(biāo)識”和2.2節(jié)“過濾器效率規(guī)格比較”。如今，全世界的過濾器廠商都擠占中國市場，國內(nèi)廠商為了向各種背景的用戶推銷產(chǎn)品，也隨心所欲地使用效率標(biāo)識。各種各樣的效率數(shù)值和效率名詞使用戶、設(shè)計(jì)師和制作廠云山霧罩。
此外，過濾理論中還有個(gè)“單纖維效率”，它是個(gè)可以大于100%的幾何意義，詳見本書下篇關(guān)于過濾理論的有關(guān)內(nèi)容。稍不小心，搞理論的人也會(huì)在效率問題上暈菜。
在這種混亂的局面下，如果你一定要知道具體的效率數(shù)值，請別忘記規(guī)定具體的試驗(yàn)方法和計(jì)算效率的方法。
⒌過濾機(jī)理
⑴碰撞并粘住
空氣中的塵埃粒子，或隨氣流做慣性運(yùn)動(dòng)，或做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，或受某種場力的作用而移動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)中的粒子撞到障礙物，粒子與障礙物表面間存在的范德瓦爾斯力使他們粘在一起。
⑵纖維過濾材料
過濾材料應(yīng)能：既有效地?cái)r截塵埃粒子，又不對氣流形成過大的阻力。非織造纖維材料和特指的紙張符合這一要求。雜亂交織的纖維形成對粉塵的無數(shù)道屏障，纖維間寬闊的空間允許氣流順利通過。
⑶慣性原理
大粒子在氣流中作慣性運(yùn)動(dòng)。氣流遇障繞行，粒子因慣性偏離氣流方向并撞到障礙物上。粒子越大，慣性力越強(qiáng)，撞擊障礙物的可能性越大，因此過濾效果越好。
⑷擴(kuò)散原理
小粒子做無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)。對無規(guī)則運(yùn)動(dòng)做數(shù)學(xué)處理時(shí)使用傳質(zhì)學(xué)中的“擴(kuò)散”理論，所以有擴(kuò)散原理一說。粒子越小，無規(guī)則運(yùn)動(dòng)越劇烈，撞擊障礙物的機(jī)會(huì)越多，因此過濾效果越好。
⑸效率隨塵粒大小而已
過濾器捕集粉塵的量與為未過濾空氣中的粉塵量之比為“過濾效率”。小于0.1μm(微米)的粒子主要作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，粒子越大，效率越高；大于0.5μm的粒子主要作慣性運(yùn)動(dòng)，粒子越大，效率越高。
在0.1~0.5μm之間，效率有一處低點(diǎn)，該粒徑大小的粉塵難過濾。
⑹阻力
纖維使氣流繞行，產(chǎn)生微笑阻力。無數(shù)纖維的阻力之和就是過濾器的阻力。
過濾器阻力隨氣流量的增加而提高，通過增大過濾材料面積，可以降低過濾料的相對風(fēng)速，以減少過濾器阻力。
⑺動(dòng)態(tài)性能
被捕捉的粉塵對氣流產(chǎn)生附加阻力，于是，使用中過濾器的阻力逐漸增加。被捕捉的粉塵與過濾介質(zhì)合為一體，形成新的障礙物，于是，過濾效率略有改善。
被捕捉的粉塵打斗聚集在過濾材料的迎風(fēng)面上。過濾面積越大，能容納的粉塵越多，過濾器的使用壽命越長。
⑻過濾器報(bào)廢
過濾器積塵越多，阻力越大。當(dāng)阻力大到設(shè)計(jì)所不允許的程度時(shí)，過濾器的壽命就到頭了。有時(shí)，過大的阻力會(huì)使過濾器上已捕捉到的灰塵飛散，出現(xiàn)這種危險(xiǎn)時(shí)，過濾器也該報(bào)廢了。
⑼靜電
若過濾材料帶靜電或粉塵帶靜電，過濾效果可以明顯改善。
其原因：靜電使粉塵改變運(yùn)動(dòng)軌跡并撞向障礙物，靜電力參與粘住的工作。c1nN6VM7