高效过滤器容尘性能试验用人工尘与发尘方法探讨.docx

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1、1引言近年来，各类工业建筑尤其是洁净室的综合运行能耗评价需求迅猛增长口1高效过滤器作为其中的重要能耗部件之一，其容尘性能决定了使用寿命和能耗，是评价高效过滤器产品性能的重要参数之一。然而，在现有的高效过滤器评价标准体系中，高效过滤器的容尘性能试验方法尚不明确、不成熟。目前，EN779：2012与ISO168903：20163规定的一般通风用过滤器的容尘性能试验方法在全球范围内获得了广泛认可，但其采用的人工尘源（ASHRAE尘、A2尘）仅适用于一般通风用空气过滤器，与高效过滤器实际使用中面对的尘源相比平均粒径较大，并不适用于高效过滤器容尘性能试验。多位学者曾采用平均粒径较小的KC1气溶胶作为高效

2、过滤材料容尘实验尘源I-,这种高效滤材的容尘实验可在数小时内完成。GB/T135542020标准附录也建议采用KC1气溶胶作为高效过滤器容尘性能试验的尘源，然而，高效过滤器的滤材面积远大于高效滤材容尘实验中仅约IooCm2的过滤面积，由于Ke1气溶胶发生器受限于发生原理，其发尘浓度远低于采用喂尘器发生的人工尘，所以采用KC1气溶胶作为高效过滤器容尘性能试验的尘源可能存在实验时间过长的问题。为探究高效过滤器容尘性能试验用人工尘与发尘方法，本文对KC1气溶胶及多种人工尘进行粒径分布测试，分别采用气溶胶与人工尘对高效过滤器进行容尘实验，通过扫描电镜照片观察颗粒物沉积情况，分析高效过滤器采用不同人工尘

3、的容尘阻力表现，探究适合用于高效过滤器容尘性能试验的尘源与发尘方法，为高效过滤器容尘性能试验方法相关标准的制订提供参考。Part2、实验装置本实验采用的通风用空气过滤器性能试验装置（见图1）依据T/CRAA4304322017口及EN779：2012等相关标准搭建。该试验台主要由变频风机、喷嘴流量计（标准件）、混合式静压箱、人工发生装置、温湿度传感器、压力传感器、粗效过灌器、高效过滤器及风管管道等结构部件构成。1.粗效过滤器2试验台管段；3.压力传感器：4.喷嘴流量计5气溶胶发生装置：6.人工尘发生装置7温湿度传感器：8.粒子计数器；9.下游测试段：10.变频风机；I1均流板：12.高效过滤器

4、：13.混合室：14.上游测试段：15.上游采样管：16.受试过滤器J7.下游采样管；18.末端过滤器（F9密褶过滤器）图1通风用空气过滤器性能试验装置其中气溶胶发生装置在本文中指如图2所示的大颗粒KC1气溶胶发生装置，在该装置中，C1溶液经雾化喷头发生大颗粒KC1气溶胶,气溶胶与加热至Iooc的洁净压缩空气充分混合，进入风管系统。图2大颗粒KC1气溶胶发生装置人工尘发生装置为由电动机、送料带、混合管等结构组成的人工尘喂尘器，用于向过滤器连续、稳定地发送人工尘。该喂尘器气源为压缩空气，压力范围为050OkPa,送料带电动机速度范围为04mm/s。为去除人工尘中较大粒径颗粒、控制人工尘粒径分布，

5、喂尘器发出的人工尘在进入混合室前采用图3所示的旋风分离器进一步处理。该分离器借助离心力将人工尘中的大粒径粒子从气流中分离并捕集于器壁，再借助重力作用使尘粒落入灰斗。图3旋风分离器结构尺寸（单位：mm）粒子计数器为Pa1asPromo2000气溶胶粒径谱仪，该粒径谱仪基于激光散射原理测量气溶胶粒径分布，采样流量为51/min,粒径测量范围为0.210m。因KC1气溶胶与人工尘采用不同的发生方法与发生装置，且粒径分布也存在较大差异，故分别设计气溶胶容尘实验与人工尘容尘实验，单独开展实验研究并分析实验结果。本文在粒径分布实验中，选取计数浓度、浓度百分比与质量累积分布作为评价不同气溶胶与人工尘的指标，

6、采用质量累积分布百分比为5O%所对应的粒径大小（即质量中值直径）对比实验尘源粒径分布。Part3KC1气溶胶容尘实验容尘实验方法实验样品选用效率等级为H13的玻纤高效过滤器,尺寸为492mmx492mm7Omm。实验气溶胶由大颗粒KC1气溶胶发生装置采用2OC的饱和KC1溶液发生，在实验风量6OOm3/h、面风速约O.75mS的条件下，发生的KC1气溶胶粒径分布如图4所示，其质量中值直径约为1.8m0记录实验中高效过滤器阻力随容尘时间的变化。25_ _ _ - _ 1 0 5 0 5 00. 2 11a计数分布Oo50粒径/m-O-质量累积分布质量离散分布b质量累积与离散分布图4KC1气溶胶计

7、数分布、质量累积与离散分布结果与分析过滤器阻力增长曲线如图5所示，容尘开始至结束共计32.1h,其中发尘时长21.8h,夜间停止发尘10.3hoH13玻纤高效过滤器阻力由163Pa增至195Pa,其阻力在前8.后13.5h内平均增速约为1.3h内的平均增速约为1.33Pa/h,而在85Pa/h,过滤器总容尘量为28.5g。时间/h图5过滤器阻力增长曲线图6展示了该过滤器滤纸在容尘终止时的扫描电镜照片。图6a为将玻纤灌料上、下2层剥离后拍摄的中间层表面照片，能够清晰地观察到滤料纤维及少量沉积的KC1颗粒；而在图6b显示的滤料迎风面表面照片中，大量KC1颗粒沉积于滤料表层的纤维上，显著增加了滤料表

8、层的填充率。图6过滤器样品在容尘终止时不同滤料层的扫描电镜照片在上述实验中，经过长达21.8h的发尘，过滤器仅容尘28.5g。尽管KC1气溶胶具有较小的质量中值直径，相同容尘质量颗粒数较多，也更容易沉积于滤料内部导致阻力增长较快。但由于KC1气溶胶的发生浓度极低，导致高效过滤器阻力增长非常缓慢，若以通用的将23倍初阻力作为高效过滤器容尘终阻力，容尘实验难以在实验室能够接受的时长内完成。若将本实验中尺寸为492mm492mm的受试过滤器更换为同滤材的尺寸为61Omm61Omm的高效过滤器,在相同的容尘量下,过滤器的阻力变化会更加不明显，容尘实验时长将进一步增加。此外，本实验过程中存在KC1气溶胶

9、对实验气流湿度变化敏感导致已容尘过滤器阻力降低的现象，此前多位学者在进行滤料与过滤器容尘实验中均关注过这一问题c,-131O基于上述情况，采用常规气溶胶发生器发生KC1气溶胶的方法不适用于高效过滤器容尘性能试验。需考虑采用人工尘作为高效过滤器容尘性能试验的尘源。Part4、人工尘容尘实验人工尘广泛应用于一般通风用过滤器的容尘性能试验，采用人工尘模拟大气尘，能够消除由于大气尘的多样性和多变性造成的测试结果差异。ISo12103-1:2016规定了采用亚利桑那沙漠沙粒制造的4个等级的试验粉尘（ISoA1A4道路尘），均由机动车行驶环境中存在的化合物组成ISO16890-3：2016和EN779：2

10、012分别规定采用A2道路尘和ASHRAE尘作为一般通风用过滤器的容尘性能试验的尘源，A2尘的化学成分如表1所示，而ASHRAE尘则由72%（质量百分数）的A2尘、23%的炭黑与5%的棉绒组成。化学成分质量百分数%SiO26876A12O31015Fe2O325Na2O24CaO25MgO12TiO20.51K2O25表1A2尘化学成分ASHRAE尘组分中因存在平均粒径较大的棉绒，与高效过滤器实际使用情况并不相符，故不适合用于高效过滤器容尘性能试验。为探究适合高效过滤器容尘性能试验的人工尘源，选用A2尘、1250目CaCO：,、SiO2AR（分析纯）、亚微米SiCh、A12O3AR（分析纯）、

11、0.05CRA12O3,气相法白炭黑等粉尘作为受试尘源。上述粉尘多为A2道路尘中单一组分物质或相近物质，对大气尘中的对应组分有一定程度的模拟作用，涵盖不同粒径范围，生产加工工艺成熟，价格低，易获取。为了既能保证人工尘主要组分不变，又能使人工尘整体保持较小粒径，采用旋风分离器串联喂尘器的发尘方法去除含尘气流中的较大粒子。实验对受试尘源依次进行发尘，测试其在使用与不使用旋风分离器情况下的粒径分布特性。并选用合适的人工尘与发尘方法，进一步探究其对高效过滤器容尘性能的影响。4.1旋风分离器进气压力与喂尘速率对人工尘粒径分布的影响旋风分离器的性能表现直接影响所发人工尘的粒径分布。在结构尺寸、粉尘物性确定

12、的情况下，影响旋风分离器性能表现的主要因素为进口气流速度与气体含尘浓度,前者由喂尘器进气压力决定，而后者由喂尘速率决定。因此设计多种喂尘器进气压力与喂尘速率组合，测量气相法白炭黑粉末在不同发尘条件下的质量累积粒径分布,实验在6OOm3/h风量下进行，结果如图7所示。可见在不使用旋风分离器的情况下，进气压力与喂尘速率对受试尘的质量累积分布特性没有显著影响，而在相同的进气压力与喂尘速率下，旋风分离器的使用能够显著降低受试尘的质量中值直径。在所有的实验组合中，采用喂尘器串联旋风分离器的发尘方式在进气压力0.5MPa、喂尘速率4.5g/min的条件下能够获得最小的质量中值直径（约为2.13m）O这说明

13、，在本实验设备调节范围内，适当提高进气压力与喂尘速率，能够提高旋风分离器的性能表现，得到整体粒径分布更小的粒子。粒径mO.5MPa、0.4MPa、0.5MPa、-0.2MPa.4.5gmin+分离器一0.4MPa、3.5gmin+分离器2.0gmin+分离器一0.2MPa、2.0gmin+分离器4.5g/minO.4MPa2.0g/min2.0g/min图7不同进气压力与喂尘速率条件下气相法白炭黑的质量累积分布情况4.2人工尘粒径分布特性在6001113/卜风量、0.5MPa进气压力下，采用喂尘器与喂尘器串联旋风分离器2种方法发生多种粉尘。实验主要用于检验旋风分离器性能并定性对比不同尘源的粒径

14、分布特性，故仅在正常发尘操作的情况下测试粒径分布，并不严格控制使用与不使用旋风分离器时的发尘质量或发尘浓度相同。实验结果如图8所示。IOOO(专、6)/怛娃弱MA2尘SiOsAR亚彼米SiQ?气相法白飘黑A2尘分离器,SiQAR十分高器亚微米SiO/分离零粒禄1260BCeCO,A1tO5AR0.05011j03，相法白发黑-分离器“250目CaCUJ分离器A1R十分内器*0.05CRAw坳离器a发尘浓度1i1250HCoCO,“250日CaCoJ分离器A1xO1ARA1RAR.分离器0.05CA1sO340.06CR分离器气相法白史黑+分点器求、殳公口空燧 A2尘A2尘，分离器 SiOjAR

15、SiOR+分高器 亚施米SiO?亚旅米SiO.十分离零 气相法白炭黑-A2尘-SiOjARSiOrAR+分离器A12O3ARA%O,AR十分离器0.OdCRAI1Oj0.05CRA10分离器-亚微米SiOz一亚稚米SiO2一分离器一气相法白炭黑气相法白炭黑一分网器b浓度百分比C质量祟积分布图8人工尘发尘浓度、浓咬仃分比质帛:累积分布情况由图8可以观察到：第一，旋风分离器的使用会不同程度地降低各粒径挡的粒子浓度；第二，所有受试人工尘发尘浓度均远高于KC1气溶胶计数浓度，A2尘、气相法白炭黑的整体发尘浓度较高，但它们的浓度能否满足容尘实验的时长要求仍需进一步实验验证；第三，受试尘源中，A12O3AR,亚微米SiO2、气相法白炭黑的高浓度粒径挡较小且较集中,大部分集中在小于1m的范围内；第四，旋风分离器能够明显降低受试尘源的质量中值直径，气相法白炭黑在使用分离器的条件下，质量中值直径约为2.13m,能够反映受试尘的整体粒子处于较小水平。在上述粉尘中，A2尘与气相法白炭黑在粒径特性上各具一定代表