高效過(guò)濾器現(xiàn)場(chǎng)大氣塵檢漏方法的理論探討
高效過(guò)濾器現(xiàn)場(chǎng)大氣塵檢漏方法的理論探討
[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(guò)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(guò)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(guò)率法適用漏孔更小。
[關(guān)鍵詞]高效過(guò)濾器;掃描檢漏;定點(diǎn)檢漏;漏泄標(biāo)準(zhǔn)
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(guò)濾器進(jìn)行掃描檢漏即現(xiàn)場(chǎng)檢漏(抽檢或全檢),這是過(guò)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(guò)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(lái)檢漏,而當(dāng)下游濃度超過(guò)上游濃度10-4時(shí)即為漏,對(duì)于后來(lái)的超高效過(guò)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(guò)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(guò)濾器,則以≥0·1μm微粒為準(zhǔn),其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L?！?/span>
當(dāng)按這一規(guī)定檢漏時(shí),應(yīng)在距過(guò)濾器表面2~3cm處掃描。其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為“由受檢過(guò)濾器下風(fēng)側(cè)測(cè)到的漏泄?jié)舛葥Q算成的透過(guò)率,對(duì)于高效過(guò)濾器,應(yīng)不大于過(guò)濾器出廠合格透過(guò)率的3倍,對(duì)于超高效過(guò)濾器,應(yīng)不大于出廠合格透過(guò)率的2倍。”(“規(guī)范”原文“3”和“2”印倒了,規(guī)范說(shuō)明是對(duì)的)這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)被后來(lái)許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,包括新的《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,由于低的A類過(guò)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(guò)率多有1粒/L微粒,也不好檢定;
二是因?yàn)槊恳慌_(tái)過(guò)濾器的透過(guò)率也很難事先搞準(zhǔn)確。所以長(zhǎng)期以來(lái),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(guò)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(lái)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(méi)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(guò)率>0·005%的過(guò)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(guò)濾器(相當(dāng)于我國(guó)B~C類過(guò)濾器);
(2) DOP光度計(jì)法只適用于當(dāng)沉積在過(guò)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(guò)濾器檢漏;
(3)人工氣溶膠的粒子計(jì)數(shù)器法適用于過(guò)濾器透過(guò)率≤0·0000005%的檢漏,即效率≥99·9999995% (按為對(duì)0·3μm微粒)過(guò)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(lái)說(shuō)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(méi)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(guò)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(lái)檢漏,則是工程上簡(jiǎn)捷的辦法。由于現(xiàn)場(chǎng)檢漏對(duì)過(guò)濾器既有效率并不感興趣,而關(guān)心的是有無(wú)漏孔漏泄,不論何種效率過(guò)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(wú)需要,在這一目的下,還必須弄清楚以下問(wèn)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)于復(fù)雜的縫、孔,實(shí)驗(yàn)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(jì)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(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(wú)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(guò)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(guò)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。
