高效空氣過濾器現(xiàn)場(chǎng)大氣塵檢漏方法的理論探討
———國(guó)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(guó)慶,馮　昕,張益昭,張彥國(guó),牛維樂,劉　華,王　榮
(中國(guó)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(jì)數(shù)器檢漏方法(簡(jiǎn)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(hào)]TU834·8+33　　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
    [文章編號(hào)]1002-8528(2010)01-0001-06

1·背　景
對(duì)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(chǎng)檢漏(抽檢或全檢),這是過去美聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209、美國(guó)空軍技術(shù)條令203和美國(guó)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(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不例外。不同的是,過去國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用光度計(jì)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(shí)即為漏,對(duì)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 71-90《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”),根據(jù)理論研究成果[1],首次在國(guó)內(nèi)外明確規(guī)定用粒子計(jì)數(shù)器法檢漏,可以用大氣塵,必要時(shí)用DOP。是這樣規(guī)定的:“在被檢高效過濾器上風(fēng)側(cè)測(cè)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(cè)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。”

當(dāng)按這一規(guī)定檢漏時(shí),應(yīng)在距過濾器表面2~3cm處掃描。其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為“由受檢過濾器下風(fēng)側(cè)測(cè)到的漏泄?jié)舛葥Q算成的透過率,對(duì)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(duì)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(duì)的)這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)被后來許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,包括最新的《電子廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(報(bào)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,由于最低的A類過濾器(鈉焰法效率為99·9% )即可具有對(duì)≥0·5μm微粒達(dá)99·999%的效率,不大于3倍的透過率最多有1粒/L微粒,也不好檢定;二是因?yàn)槊恳慌_(tái)過濾器的透過率也很難事先搞準(zhǔn)確。所以長(zhǎng)期以來,在實(shí)測(cè)中使用的是一種簡(jiǎn)便方法(對(duì)于不高于ISO 5級(jí)的潔凈環(huán)境),即,不計(jì)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(jì)數(shù)器(2·83L/min),每分鐘讀數(shù)不大于三個(gè),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(jí)工作區(qū)高度或其以上某高度的一個(gè)區(qū)域濃度偏大時(shí),用上述方法檢漏,一般均能找到相應(yīng)的漏泄點(diǎn)。
    粒子計(jì)數(shù)器法明顯比光度計(jì)法簡(jiǎn)便精確,大氣塵法明顯比DOP法沒有污染。但是由于受美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)影響,國(guó)際上某些領(lǐng)域如制藥行業(yè),仍堅(jiān)持用DOP光度計(jì)法。直到2005年, ISO 14644-1才明確指出:
    (1) DOP光度計(jì)法用于透過率>0·005%的過濾器系統(tǒng)檢漏,即對(duì)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(guó)B~C類過濾器);
    (2) DOP光度計(jì)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(cè)試氣溶膠釋放出的氣體對(duì)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(jì)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(duì)0·3μm微粒)過濾器檢漏;
    (4)粒子計(jì)數(shù)器法比光度計(jì)法更為靈敏,造成的污染小,對(duì)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(jì)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(jì)數(shù)器,又用大氣塵來檢漏,則是工程上最簡(jiǎn)捷的辦法。由于現(xiàn)場(chǎng)檢漏對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(gè)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(shí)初阻力計(jì),取200Pa;ρ空氣密度, 1·2kg/m3;μ為流量系數(shù),按式(2)進(jìn)行計(jì)算:
    μ=εφ(2)
    其中,ε為孔口流速收縮系數(shù),對(duì)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最小,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],最大可達(dá)到1,實(shí)驗(yàn)最大值為0·97,擴(kuò)張形孔口(θ=5°~7°,見圖2)為0·45[4]。對(duì)于復(fù)雜的縫、孔,實(shí)驗(yàn)最小平均值為0·29[5],對(duì)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(duì)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按通常采用的即最大的系數(shù)取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當(dāng)

    2·2　漏泄的基本特性
    設(shè)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(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(dòng)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(shí),這種帶動(dòng)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(duì)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(shí)的直徑由式(5)給出,漏泄流量計(jì)算結(jié)果見表1。

    漏泄氣流在最大擴(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(duì)著漏孔定點(diǎn)檢漏時(shí)有三種情況:
    (1)擴(kuò)展距離小于國(guó)際公認(rèn)的采樣距離25mm,最大擴(kuò)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(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:

    式中,Ns為采樣濃度,粒/L;Nx為漏過來的微粒數(shù),Nx=Q0N0粒。
    (2)擴(kuò)展距離>25mm。25mm處擴(kuò)展直徑D大于采樣口直徑d,約0·6mm以上的孔屬此情況,采樣流量小于污染氣流,如圖5a所示。此時(shí),式(7)簡(jiǎn)化為:

    (3)擴(kuò)展距離>25mm, 25mm處擴(kuò)展直徑D小于采樣口直徑d,如圖5b所示,則

    2·4　孔徑、透過率、上游濃度的關(guān)系
    漏孔孔徑、過濾器透過率、上游濃度和漏泄與否的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果匯總于表2中。

    表2中0·000005%過濾器相當(dāng)于超高效過濾器。0·0023%的設(shè)定是這樣考慮的,因?yàn)檎w透過率一般是用0·3μm標(biāo)定的,所以≥0·0023%透過率的過濾器,就相當(dāng)于我國(guó)C類及其以下包括A、B三類過濾器,都屬于普通高效過濾器(即0·3μm計(jì)數(shù)法99·9977%的過濾器可以相當(dāng)于鈉焰法99·999%的過濾器),而小于此透過率的即為D類及其以上的過濾器。
    以表2中K=0·000005%,漏孔孔徑0·05mm,上游粒子濃度N0=7800粒/L,采樣量28·3L/min,由表1按式(7)計(jì)算,可得到Ns=0·107粒/L,則透過率為0·107/7800≈0·0014%≤300×0·000005%=0·0015%。按照ISO 14644-1的規(guī)定應(yīng)為不漏。漏孔法則為0·107粒/L=3·03粒/2·83L,按照漏孔法判定應(yīng)為漏。表中0·0023%以內(nèi)插于表3中,定其10倍即0·023%為漏。

    由此可見:
    (1)透過率法得出的是否漏泄的透過率與采樣量有關(guān),用小采樣量時(shí)可能為漏,用大采樣量時(shí)可能為不漏,而漏孔法以檢測(cè)容積為準(zhǔn)則無此問題;
    (2)漏孔法易判為漏,而透過率法有時(shí)判為不漏;
    (3)按ISO透過率法漏泄與否,與上游濃度無關(guān),不論上游濃度多少,各孔徑采樣處透過率都相同,即N0Q0/N0。這表明漏泄只和漏孔大小有關(guān),和高效過濾器固有透過率無關(guān),因此不論對(duì)何種過濾器用漏孔法將更直接反映漏泄程度;
    (4)對(duì)于當(dāng)前最高效率的過濾器,按ISO漏泄標(biāo)準(zhǔn),則有0·05mm的漏孔,用28·3L/min采樣, ISO的透過率判定為不漏,而0·1mm漏就能判定為漏,所以若以ISO標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn),則應(yīng)將0·1mm漏孔作為超高效過濾器漏孔的起點(diǎn)。而對(duì)于0·0023%的普通高效過濾器(www.klcfilter.com), 0·1mm漏孔用2·83L/min或28·3L/min采樣,用ISO漏泄標(biāo)準(zhǔn)判定,都為不漏,而0·2mm漏孔時(shí)就可判定為漏,因此,把0·2mm漏孔作為普通高效過濾器漏孔的起點(diǎn)。

    3·漏泄標(biāo)準(zhǔn)
    過濾器透過多少微粒算漏?除去上述作者過去給出純理論值(3倍或2倍透過率外,外國(guó)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)上都給出過人為確定的標(biāo)準(zhǔn))是透過率的5倍、10倍或更高倍數(shù),例如2005年ISO標(biāo)準(zhǔn)給出的漏泄標(biāo)準(zhǔn)(見表3)。這里將需計(jì)算透過率的ISO方法稱為透過率法。
    根據(jù)用戶和過濾器供應(yīng)商商定的漏泄倍數(shù),只要測(cè)出的漏泄透過率與產(chǎn)品應(yīng)有的整體透過率之比不大于表中的倍數(shù),或漏泄透過率不大于表中計(jì)算出的漏泄透過率,即為不漏。
    從表3中可見,效率越高的過濾器,允許的漏泄越大,漏泄倍數(shù)越高,顯然有設(shè)定的因素。
    如果確知上、下游濃度,則基于漏孔大小的檢漏方法,本文稱為漏孔法,也可算出透過率,成為透過率法。但前面已說明,現(xiàn)場(chǎng)檢漏并不一定要求出透過率,只要判斷漏與不漏,或稱為定性檢漏。
    根據(jù)最小檢測(cè)容量理論[8],每一檢測(cè)容量的平均濃度達(dá)到3,則95%的讀數(shù)可為非零讀數(shù),即可判斷為漏。此種定性判斷漏泄的方法,即本文稱為漏孔法中的定性檢漏。
    符合上述圖4和圖5b兩種情況的定點(diǎn)定性檢漏≥3粒/L檢測(cè)容量時(shí),需要的上游濃度如表4所列。表4中2·83L/min時(shí)的0·1~0·2mm漏孔和28·3L/min的所有孔徑適用圖4; 0·6~1mm漏孔適用圖5b。

    4·掃描檢漏
    顯然,在一掃即過的掃描檢漏中,很難捕捉到真正的漏點(diǎn),所以應(yīng)設(shè)法去發(fā)現(xiàn)漏的特征。ISO14644-1規(guī)定:“在掃描時(shí),如果顯示出有等于或大于限值的漏泄,表現(xiàn)出規(guī)定的漏泄特征,則應(yīng)把采樣探管停在漏泄處,以判斷是否有漏泄存在。保有最大讀數(shù)的采樣位置,就應(yīng)是漏泄位置所在。”也就是說,必須在掃描時(shí)間內(nèi),采到非“0”數(shù),起碼是1的讀數(shù),才定為漏泄,再作定點(diǎn)檢漏(ISO標(biāo)準(zhǔn)稱靜止檢漏)。漏泄特征數(shù)見表5。該表計(jì)算結(jié)果與ISO標(biāo)準(zhǔn)給出的基本相同。為了在掃描時(shí)間內(nèi)采到1粒,可由式(10)計(jì)算必要的掃描檢漏上游濃度N0:

    式中,t為掃描時(shí)間,min,t=B /60v;B為采樣口平行于掃描方向的邊長(zhǎng), cm;v為掃描速度, cm/s。

    這部分相對(duì)于Q0才有意義。而從高效過濾器開始,K即從0·00001(如國(guó)產(chǎn)A類)開始降低,所以在式(10)的計(jì)算中可忽略這部分。
    設(shè)用2·83L/min采樣時(shí),采樣口尺寸A×B=1·5cm×2cm。其中B為平行于掃描方向的邊。采樣速度為1·5cm/s (根據(jù)209A標(biāo)準(zhǔn),建議取1·25cm/s)。此時(shí)采樣口雖不是等速采樣,但入口氣流速度為15·7cm/s,與室內(nèi)0·5m/s速度之比為0·314,理論證明此比例若在0·3~7之間時(shí),非等速采樣誤差在5%之內(nèi),是完全可行的[9]。
    則對(duì)于普通高效過濾器和0·2mm漏孔,有:

    對(duì)于超高效過濾器(K

    若掃描速度為4cm/s,采樣口為1·5cm×6cm,則N0=7693粒/L;采樣口為3cm×3cm,掃描速度v=2cm/s,則N0=7693粒/L。
    普通高效過濾器用28·3L/min采樣時(shí),設(shè)A×B=2·5cm×4cm,v=2cm/s,只要1429粒/L。
    可見,需要的上游濃度和透過率無關(guān),而是和采樣口大小有關(guān),采樣量大,一般采樣口也大。對(duì)普通高效過濾器, 2·83L/min時(shí)最小上游濃度可用2200粒/L, 28·3L/min時(shí)最小上游濃度可用1500粒/L;對(duì)超高效用28·3L/min采樣,最小上游濃度可用5800粒/L,可據(jù)采樣口尺寸來選擇,要用小的上游濃度,就要犧牲掃描速度。
    現(xiàn)在來驗(yàn)算一下,對(duì)超高效過濾器,掃描上游濃度用5500粒/L是否能查出漏:
    過濾器有最小透過率,為K=0·000005%,對(duì)0·1mm漏孔, 28·3L/min采樣時(shí),由表1按式(7)計(jì)算可得采樣處濃度Ns=1·01粒/L=28·6粒/28·3L采樣容積。
    對(duì)透過率法,采樣處透過率為3·57%,大于表2中漏泄標(biāo)準(zhǔn)0·0015%,判定為漏。
    對(duì)漏孔法,采樣處采到28·6粒/28·3L采樣容積遠(yuǎn)大于3粒,所以判定為漏。因?yàn)槎c(diǎn)檢漏時(shí),這種條件下上游只要有557粒/L就行了,現(xiàn)在上游濃度大了10倍,漏就不奇怪了。
    這說明5500粒/L的掃描上游濃度作為超高效過濾器定點(diǎn)檢漏時(shí)的上游濃度是非常寬裕的,因?yàn)槎c(diǎn)檢漏需要的上游濃度只及掃描時(shí)需要的上游濃度的十幾分之一。
    再看過濾器有最大透過率為0·0023%,用2·83L/min采樣,對(duì)0·2mm漏孔, 2500粒/L上游濃度,由表1按式(7)計(jì)算可得采樣處濃度Ns=18·6粒/L=52·64粒/2·83L采樣容積。
    對(duì)透過率法,采樣處透過率為0·744%,大于額定透過率10倍即大于0·023%,判為漏。對(duì)漏孔法,采樣容積中已采到52·64粒,肯定為太漏了。

    5·現(xiàn)場(chǎng)情況下高效前濃度
    (1)全新風(fēng),設(shè)新風(fēng)濃度達(dá)到3×105粒/L。常規(guī)系統(tǒng),新風(fēng)過濾和預(yù)過濾效率約為60%,則高效前將有1·2×105粒/L;新風(fēng)設(shè)粗效、中效、高中效(或亞高效)三級(jí)過濾系統(tǒng),效率約90% ~95%,則高效過濾器前將約有1·5×104~3×104粒/L。
    (2)循環(huán)風(fēng),設(shè)新風(fēng)比為0·3,新風(fēng)濃度同上。常規(guī)系統(tǒng)高效過濾器前將有4×104粒/L;新風(fēng)三級(jí)過濾系統(tǒng)高效過濾器前將有0·5×104~1×104粒/L。
    可見對(duì)于以上兩種系統(tǒng),不論是2·83L/min或28·3L/min粒子計(jì)數(shù)器都可用于檢漏。但對(duì)超高效空氣過濾器,當(dāng)其前面還有普通高效過濾器時(shí),則上游大氣塵濃度就不夠了,應(yīng)另外采取短路增加大氣塵或發(fā)塵的措施。

    6·結(jié)　論
    (1)對(duì)超高效過濾器0·1mm漏孔按ISO標(biāo)準(zhǔn)才可能表現(xiàn)為漏,普通高效過濾器0·2mm漏孔才表現(xiàn)為漏,即以此作為兩種過濾器漏孔極限,可不再考慮更小的漏孔;
    (2)漏孔法既可以定性檢漏,也可以定量檢漏。它只和漏孔大小有關(guān),和透過率、采樣率均無關(guān);而透過率法則和透過率、采樣率有關(guān)。由于漏孔法可以用大氣塵,為現(xiàn)場(chǎng)檢漏帶來方便;
    (3)漏孔法比透過率法可以判斷出漏的漏孔更小,即范圍更廣;
    (4)不論是透過率法還是漏孔法,都必須在采樣口掃描到不少于1粒才可以作出判斷。為此對(duì)于普通高效過濾器,需要≥2200粒/L的上游濃度,對(duì)于超高效過濾器需要≥5800粒/L的上游濃度;
    (5)對(duì)≥0·5μm微粒有不大于99·999%效率的高效過濾器,兩種方法的上游濃度均不宜>105粒/L,否則在此條件下,各處隨時(shí)都可以采到1粒/L,掃描時(shí)將增加靜止檢漏的工作量。
    (6)透過率法也不必發(fā)生人工塵,當(dāng)大氣塵合適時(shí),大氣塵也可滿足要求,但必須隨時(shí)測(cè)出上、下游濃度才能計(jì)算;漏孔法中的定性檢漏完全適用于大氣塵,而只要測(cè)出下游濃度,上游濃度只要監(jiān)測(cè)一下,這就大大節(jié)省了工作量。如果也同時(shí)測(cè)出上游濃度,則也可以計(jì)算透過率,成為定量檢漏;
    (7)當(dāng)掃描檢漏發(fā)現(xiàn)非“0”讀數(shù)時(shí),可能有漏,要求停在原處采樣1min,讀數(shù)≥3粒,則判定此處為漏。

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