空氣過(guò)濾器粒子計(jì)數(shù)法試驗(yàn)結(jié)果的影響因素分析

張萬(wàn)

(航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計(jì)測(cè)科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019)

0 引言

對(duì)空氣過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾性能試驗(yàn)時(shí)，主要使用納焰法、油霧法、粒子計(jì)數(shù)法等來(lái)檢測(cè)其過(guò)濾效率。而粒子計(jì)數(shù)法由于能夠檢測(cè)不同顆粒尺寸的過(guò)濾效率而非質(zhì)量效率，所以正逐漸被國(guó)內(nèi)外暖通行業(yè)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)所接受。在用粒子計(jì)數(shù)法測(cè)量空氣過(guò)濾器的計(jì)徑效率時(shí)，測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確，哪些因素會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，本文作者對(duì)此進(jìn)行了分析[1]。

1 粒子計(jì)數(shù)法的原理和計(jì)算公式

粒子計(jì)數(shù)法是在潔凈的上游試驗(yàn)氣流中發(fā)生氣溶膠，使用粒子計(jì)數(shù)器分別測(cè)量被試過(guò)濾器上下游粒子的計(jì)數(shù)濃度，然后計(jì)算得出過(guò)濾效率的試驗(yàn)方法。主要試驗(yàn)設(shè)備為風(fēng)機(jī)、氣溶膠發(fā)生裝置、粒子計(jì)數(shù)器、流量計(jì)、壓力計(jì)、試驗(yàn)管路和采樣管等。粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率試驗(yàn)原理

粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率試驗(yàn)的計(jì)算公式[2]如下所示：

式中：E是過(guò)濾效率；P是穿透率；R是上下游計(jì)數(shù)的相關(guān)比系數(shù)；Nut、Ndt分別是上、下游同體積的粒子計(jì)數(shù)濃度。從公式中可以看出，上、下游的粒子計(jì)數(shù)濃度Nut、Ndt和相關(guān)比系數(shù)R直接影響決定著過(guò)濾效率E。由于氣溶膠是發(fā)散在管路的流動(dòng)氣流中的，所以氣溶膠均勻性，流動(dòng)的氣流(試驗(yàn)風(fēng)量)，粒子計(jì)數(shù)器，上、下游粒子計(jì)數(shù)一致性及管路的氣密性等都會(huì)影響上下游的粒子計(jì)數(shù)濃度。因此，需要對(duì)這些影響因素逐一展開(kāi)分析，以減小對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

2 粒子計(jì)數(shù)法的影響因素分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備、儀器的質(zhì)量保證

粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率是通過(guò)空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)和儀器等間接測(cè)量計(jì)算而得到的，試驗(yàn)臺(tái)的儀表和測(cè)量?jī)x器的量值的準(zhǔn)確性和一致性直接影響著測(cè)量結(jié)果。所以，在試驗(yàn)臺(tái)上安裝使用的壓力計(jì)(壓差計(jì))、流量計(jì)、氣溶膠發(fā)生器、粒子計(jì)數(shù)器、稀釋器、靜電中和器及微分遷移率分級(jí)器(DMA)、稀釋器等都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，并且使用時(shí)還要在校準(zhǔn)有效期限內(nèi)。只有量值準(zhǔn)確的儀器，才能獲得準(zhǔn)確可靠的測(cè)量結(jié)果。

2.2 氣溶膠

氣溶膠是粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率試驗(yàn)的重要媒介，氣溶膠的特性和粒子的濃度、粒徑分布等密切相關(guān)。氣溶膠按照相態(tài)分為液體氣溶膠和固體氣溶膠，液體氣溶膠主要有DEHS，固體氣溶膠主要有NaCl、KCl及ISO12103-A2等。液體氣溶膠通過(guò)氣溶膠發(fā)生器形成霧化液滴直接進(jìn)入試驗(yàn)風(fēng)道。KCl、NaCl氣溶膠在使用時(shí)配制成鹽溶液，氣溶膠發(fā)生器將鹽溶液霧化，形成濃度和粒徑分布均質(zhì)的薄霧氣溶膠，利用干燥空氣、加熱、干燥劑等方法來(lái)干燥細(xì)小的液滴，使其形成鹽粒子。A2氣溶膠是發(fā)生器直接將A2細(xì)灰分散，形成濃度和粒徑分布穩(wěn)定的塵粒氣溶膠。

氣溶膠的種類不同，發(fā)散的氣溶膠粒徑分布也有很大的區(qū)別。幾種常用氣溶膠的粒徑中值呈現(xiàn)以下關(guān)系：dDEHS

氣溶膠均勻性應(yīng)滿足在規(guī)定的任一采樣點(diǎn)，每個(gè)粒徑的濃度值與平均濃度的偏差不超過(guò)±10%。氣溶膠發(fā)生器的粒子流量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)風(fēng)量和過(guò)濾效率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，在不超過(guò)計(jì)數(shù)器的重疊誤差極限的前提下，氣溶膠的濃度應(yīng)該足夠大，部分標(biāo)準(zhǔn)給出了最低計(jì)數(shù)要求，一般最低濃度要求不小于500 個(gè)/L或者最少計(jì)數(shù)不少于500個(gè)。濃度過(guò)低會(huì)影響數(shù)據(jù)顆粒數(shù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，數(shù)據(jù)偶然性的影響很大，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。

2.3 試驗(yàn)風(fēng)量

試驗(yàn)風(fēng)量是空氣過(guò)濾器過(guò)濾性能時(shí)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，一般都是以額定試驗(yàn)風(fēng)量進(jìn)行試驗(yàn)。然而如果試驗(yàn)風(fēng)量不是額定風(fēng)量，風(fēng)量會(huì)對(duì)粒子法過(guò)濾效率產(chǎn)生什么影響呢？根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)論述：對(duì)于纖維類過(guò)濾材料，當(dāng)過(guò)濾濾材的風(fēng)量增加時(shí)，過(guò)濾效率會(huì)下降；在氣溶膠加入量不變的情況下，改變?cè)囼?yàn)風(fēng)量，會(huì)改變單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)被試過(guò)濾器氣溶膠的濃度，而且被試過(guò)濾器的壓差也會(huì)變化。由此可以判斷，試驗(yàn)風(fēng)量對(duì)過(guò)濾器過(guò)濾性能產(chǎn)生較大影響，盡量按照額定試驗(yàn)風(fēng)量進(jìn)行試驗(yàn)，以免出現(xiàn)使測(cè)量結(jié)果“降低”或“增大”的影響[5]。

2.4 粒子計(jì)數(shù)器和上下游粒子計(jì)數(shù)一致性

粒子計(jì)數(shù)器是粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾的關(guān)鍵測(cè)量?jī)x器，粒子計(jì)數(shù)器有凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器(CPC)和光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(OPC)，對(duì)于HEPA和ULPA的過(guò)濾器，一般使用CPC測(cè)量單分散氣溶膠，其他過(guò)濾器使用一般使用OPC和多分散氣溶膠進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)可以使用兩臺(tái)粒子計(jì)數(shù)器分別測(cè)量上、下游氣溶膠的粒子濃度，也可以使用一臺(tái)粒子計(jì)數(shù)器在上、下游取樣處進(jìn)行切換測(cè)量。無(wú)論是使用兩臺(tái)計(jì)數(shù)器還是使用一臺(tái)計(jì)數(shù)器，在上下游測(cè)量時(shí)，計(jì)徑尺寸、取樣流速和取樣時(shí)間應(yīng)該一致，測(cè)量相同取樣體積的粒子濃度才有意義，在氣溶膠趨于穩(wěn)定后數(shù)據(jù)才可以作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在超出計(jì)數(shù)器的濃度范圍時(shí)，可使用稀釋器進(jìn)行稀釋后取樣測(cè)量。為了降低計(jì)數(shù)器間的計(jì)數(shù)差異，當(dāng)使用兩臺(tái)計(jì)數(shù)器時(shí)，建議使用同型號(hào)的。計(jì)數(shù)器在測(cè)試前應(yīng)自凈化或使用配套的空氣濾進(jìn)行凈化，去除偽計(jì)數(shù)的影響。

粒子計(jì)數(shù)法測(cè)量過(guò)濾效率是在上游、下游分別取樣測(cè)量的，上下游測(cè)量的粒子濃度不會(huì)完全一樣，所以為了驗(yàn)證上下游粒子計(jì)數(shù)的一致性，一般先測(cè)量相關(guān)比。相關(guān)比是一個(gè)修正系數(shù)，是為了修正上下游粒子計(jì)數(shù)不一致的測(cè)量結(jié)果，降低上下游不一致對(duì)穿透率的影響。相關(guān)比R公式如下所示：

式中：Nuc、Ndc分別是上、下游同體積的粒子計(jì)數(shù)濃度。對(duì)于相關(guān)比的取值，不同行業(yè)使用的空氣過(guò)濾器要求也不同。HEPA和ULPA的試驗(yàn)進(jìn)行到計(jì)算時(shí)，雖然沒(méi)有代入相關(guān)比，但是卻要求在未安裝過(guò)濾器時(shí)，上、下游采樣位置所測(cè)濃度的差別不應(yīng)超過(guò)5%。乘駕室用空氣過(guò)濾器的要求稍有放寬，設(shè)定范圍為0.7～1.6。而汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)進(jìn)氣空氣濾及一般通風(fēng)過(guò)濾器試驗(yàn)對(duì)于相關(guān)比的要求如表1、表2所示，在表1中也列舉了不代入計(jì)算相關(guān)比時(shí)的穿透率(P1、P2、P3)和代入計(jì)算相關(guān)比的穿透率(P)的關(guān)系比較。由此可見(jiàn)，上下游計(jì)數(shù)粒子一致性對(duì)過(guò)濾效率的影響很大，需要代入計(jì)算相關(guān)比。

表1 某汽車(chē)用空氣過(guò)濾器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)比[6]

表2 ISO16890-2規(guī)定的相關(guān)比[3]

2.5 被試過(guò)濾器的安裝與氣密性

不管是正壓試驗(yàn)系統(tǒng)還是負(fù)壓試驗(yàn)系統(tǒng)，如果被試過(guò)濾器在安裝時(shí)密封不好，都會(huì)改變下游管路氣體中粒子的濃度和粒徑分布，直接影響過(guò)濾效率。被試過(guò)濾器在正壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時(shí)，由于泄漏處的壓力差，系統(tǒng)管路中的一部分氣流會(huì)從安裝的縫隙處流向大氣中，而改變了系統(tǒng)中氣溶膠的濃度和分布。而負(fù)壓系統(tǒng)泄漏時(shí)，大氣壓力高于系統(tǒng)內(nèi)部壓力，大氣會(huì)從縫隙處進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)中，而改變了系統(tǒng)中氣溶膠的濃度和分布。所以，安裝被試過(guò)濾器時(shí)，必須做好過(guò)濾器與管路之間的密封工作。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上分析，空氣過(guò)濾器粒子計(jì)數(shù)法過(guò)濾效率試驗(yàn)結(jié)果會(huì)受到很多因素的影響，為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低外在因素的影響，試驗(yàn)前必須對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行計(jì)量確認(rèn)、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作，然后根據(jù)空氣過(guò)濾器的額定流量、過(guò)濾器等級(jí)(分級(jí))等提供的試驗(yàn)參數(shù)選擇合適的氣溶膠、確定合適的氣溶膠濃度，進(jìn)行相關(guān)比測(cè)量，同時(shí)在安裝被試過(guò)濾器時(shí)要確保密封性要求。