洁净技术讲稿1-3

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,空 气 洁 净 技 术,1,空气洁净技术,课程性质：选修,2,学分,空气洁净技术：指除去空气中的污染物质，控制房间或空间内空气达到洁净要求的技术。,空气中的污染物：粉尘、烟雾、微生物、花粉等。,现代科学与工业产生技术的发展，对空气洁净度提出严格要求，现代生物医学的发展，对空气中细菌数量的控制要求。,本课程教学目标：掌握、了解空气洁净技术的基本原理、理论及其应用，为工程实践应用打下基础。,选用教材：许钟麟著，空气洁净技术原理，原书共16章，选编其中11章（课时、成本），专著与教材有区别。,考核方式：开卷/闭卷结合,2,空气洁净度的意义,加工的精密化,产品的微型化,产品的高纯度,产品的高可靠性,3,洁净室技术的发展,第一，朝鲜战争中美国发现其大量电子仪器失灵，返修率甚高，最后终于找到主要原因在于灰尘作怪，这促成了掐净室技术的起步。,4,第二，,1957,年苏联第一颗人造卫星上天后，刺激美国加速发展宇航事业，特别是阿波罗号登月，不仅精密机械加工和电于控制仪器要求净化。,而且为了从月球带回岩石，对容器、工具的洁,净度有严格要求，其加工环境必须超净，因而动洁净室技术和设备的大发展，出现了层流技术和百级洁净室，出现了第一个洁净室标准。,5,第三，,1970,年,1K,位的集成电路进入大生产时期，中国不久也开始集成电路会战，使洁净室技术得以腾飞,日本从,60,年代初到,70,年代空气洁净技术产品迅猛发展，,1971,年突然急剧降到低谷，但次年又突然飞速发展起来。,这还和药品生产对洁净室的需求进入新阶段有关，因为,L969,年世界卫生组织正式制订了,GMP(,药品生产质量管理规范,),。,6,第四，80年代大规模和超大规模集成电路的发展进一步促进空气洁净技术的发展。,7,第五，即90年代，世界范围的沾海室技术将依探什么动力再发展?,生物洁净室与工业洁净室,(1)超大规模集成电路生产取得了新发展,(2)海湾战争使人们认识到电子技术的极端重要性，可以说，洁净室技术是电子尖端技术的一大支柱。,8,9,10,洁净室建设在我国的发展,从军工走向民用制药医疗、食品,从高精走向普及,从国内走向国外,11,1 微粒及其分布特性,空气洁净技术所要对付的主要对象是空气中悬浮的微粒，而微粒分散于气态介质则形成气溶胶。,气溶胶：悬浮于气体介质中，粒径范围为0.0011000,m,的固体、液体小粒子形成的胶溶状的分散体系。,国际标准化组织给出了更概括的表达形式：气溶胶是指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。,我们通常就生活在气溶胶中，组成气溶胶的微粒称为分散相，气态介质称为分散介质。,本门课中的微粒系指组成气溶胶的微粒。,12,1.1 微粒的分类,（1）按微粒的形成方式分类：,1）分散性微粒：可以是固态或液态。,2） 凝集性微粒：由许多更细小的粒子凝结或松散的组合体。,（2）按微粒的来源分类,无机性微粒； 有机性微粒；有生命微粒,（3）按微粒大小分类：气溶胶10,-3,m10,3,m,范围很宽分三档：,1）可见微粒 10,m；,2）,显微微粒（普通显微镜可见0.2510,m）；,3）,超显微微粒 超显微镜或电子显微镜下可见 0.2,为高填充率深层过滤器，净化用的有高效厚层滤纸，以及孔径很小的微孔滤膜，,100，扩散效应会引起拦截效应的增加，这时拦截效率扩大为,3） 总捕集率,122,（6）纤维干涉的影响和修正方法,孤立单根纤维对微粒的捕集效率是在作了一系列假定的条件下得出的，实际过滤器中的纤维分布很复杂，对单根纤维的过滤效率要进行纤维干涉的修正，,注意：还是单根纤维的效率！,纤维间的干涉影响随填充率的增大而增大，所以，填充率是修正系数的组成部分。,教材介绍了4种修正方法，对实际而言，最易计算最接近实际的是我国学者陈家镛提出的公式,为前面给出的总效率。,单根纤维的过滤效率在实际中没有用处，但给计算过滤器总的效率打下基础。,123,3.5 计算纤维过程器总效率的对数穿透定律,（1）对数穿透定律,为讨论方便需做一些假定：纤维为单一直径，均匀分布垂直于气流方向，过滤前气流中微粒浓度为,N,0,，,速度,v,，,过滤后气流中微粒浓度为,N,。,取一单元体积，面积,S,，,沿气流方向厚,dh,，,通过单元体积后气流微粒浓度变化为,dN,，,则单位时间经过单元体积滤料后减少的微粒数为-,vSdN,，,位长度长单根纤维的捕集效率计算已解决，其值,那么它能捕集的微粒数目是,推导,:,124,上式称为过滤器的对数穿透定律，对数穿透率,lgK,与填充率、厚度成反比，是讨论过滤器效率的一个最基本的定律。,可以看出，,、,H,、,d,f,确定之后,K,即为定值，即过滤器的效率与初始浓度无关，实验结果也证实了对数穿透定律的正确性。,125,（,2,）对数穿透定律的适用性,对数穿透定律在推导过程中实际上还沿用了孤立单根纤维过滤效率的一些假定，但实际过滤器并不符合这些条件，需要明确其适用范围。,1),厚度的影响,实验表明，厚度,H,在一定范围内，对数穿透定律成立，具体量化，令,l,为纤维间距离，则,H,/,l,为名义层数。,H,/,l,500,时，对数穿透定律成立。,2),填充率的影响,实验表明，,小于,0.25,时，对数穿透定律成立，而,大于,0.25,时不能成立，而一般高效滤纸，对数穿透定律可用。,126,3.6 影响纤维过滤效率的因素,过滤器对数穿透定律,或过滤效率,可以看出其影响因素主要为纤维的粗细,d,f,，,填充率,，还有含在 中的拦截参数 ，惯性参,数 ，影响因素即微粒粒径,d,p,和过滤速,度,v,，,还有一些次要因素：,127,（1）微粒粒径的影响,最主要的影响因素，对,扩散效应而言，粒径越小，,效率越高，随着粒径增加，,扩散效率逐渐减小，对于,拦截效应和惯性效应而言，,粒径由小到大变化，惯性,拦截效率逐渐增加，那么总的过滤效率随着粒径从小到大变化必然有一个转折点，即最低效率点，在该点穿透率最大，称最大穿透率计为,K,max,，,所对应的粒径计为,d,max,，,称最大穿透粒径。实验研究表明，,d,max,不是定值，受微粒的性质、纤维的性质、过滤速度、填充率等因素的影响，对于纤维层过滤器而言,d,max,的范围在0.10.4,m,之间。,128,最大穿透粒径,d,max,是评价过滤器的一个十分重要的参数，对于其应用：,1）测过滤器效率就应该用具有该粒径的单分散相微粒或者用平均直径接近,d,max,的多分散微粒，这样获得的效率值才是过滤器,最起码,的效率值，对捕集其它粒径的微粒效率更高。,2）由于存在,d,max,使得过滤器对微粒的过滤有选择性，对于过滤器串联的效率计算有影响。,129,（2）微粒种类的影响,主要指相态的影响，实验表明，过滤器对固态微粒要比相同粒径的液态微粒的效率高，随着过滤速度的增加，这种相态差别对效率的影响逐渐减小。相态之间过滤效率差别的可能原因如下：,1）固态微粒的凝聚现象较液态显著，在过滤时凝聚的粒径增大，效率自然要高。,2）电荷对固态微粒的影响较液态大，相当于对固态微粒的过滤过程增加了一个静电效应，尽管很弱，也有影响。,130,3）固态微粒被捕集后有明显的集尘效果，能使效率提高。,4）液态微粒被捕集到纤维上时发生破损，有的形成更小的液态微粒穿过过滤器。,5） 固态微粒多为不规则形态，而液态多为球形，球形微粒穿透率大。,6）测试实验误差。,由于在粒径相同情况下，滤料对液态粒子的过滤效率小于等于固态粒子，那么用液态粒子做实验偏于安全，所以用,DOP,测效率很普遍。,131,（3）微粒形状的影响,球形微粒与纤维的接触面最小，而不规则形状的微粒接触面大，因而球形微粒的穿透率最大，所以进行过滤器效率测试的尘源大多用球形微粒，其测出的效率偏于安全。,（4）纤维粗细和断面形状的影响,理论和实验研究均表明，纤维直径减小，捕集效率提高，纤维的断面形状对过滤效率的影响不大，可以忽略，但对阻力有一定影响。,132,（5）过滤速度的影响,由于过滤器捕集微粒主要是三种效应在起作用，其相应的效率均与过滤速度相关，其总效率随着速度的增加，先下降然后上升，类似于最大穿透粒径的概念，有一个最低效率或最大穿透率的滤速。,实验表明最低效率的滤速与纤维的粗细和所过滤的微粒的粒径相关，具体地说，对应于最低效率或最大穿透率的,滤速,，对于同一直径的纤维，该滤速随粒径的减小而增大，对于同一粒径的微粒，最大穿透率的滤速则随纤维直径的增加而增大。注意：,是最大穿透率的滤速。,在较低的滤速范围内0.1,m/s，,对较小的微粒如,d,p,=0.5m，,过滤效率随着滤速的减小而升高，即穿透率随滤速减小而降低，而且粒径越小越显著，其原因是扩散效应起主要作用，在某些纤维穿透率随滤速的减小而降低，甚至有较明确的函数关系。,133,（6）纤维填充率的影响,提高过滤器的填充率可以提高过滤效率，但分解开来看,的提高对惯性效率和拦截效率都有较大幅度的提高，但对扩散效率却略有降低，这是70年代前苏联一学者的实验成果，其原因是由于，,使纤维间的流速加快，因而是导致扩散效率下降，但总效率是要提高的，由于阻力与速度的平方成正比，所以由,所造成纤维间,v,而造在阻力的上升远比效率的提高幅度大，靠,使,不合算,。,134,（,7,）,气流参数的影响（温度、湿度、压力）,按一般情况温度上升使微粒扩散系数提高，因而对小微粒的扩散效率提高，但对以惯性、拦截效应为主的较大微粒的过滤效率由于粘性变大而下降。而实验表明，湿度增加却使得效率要降低。,气流压力的降低会使扩散和惯性效率增加，因而总效率增加，但就净化空调所涉及的空气，其上述参数变化范围很小，不会带来影响。,（,8,）容尘量的影响,提法：称,积尘,量更合适，是过程值，单位面积上积尘的多少，而不是指额定值（最大值）,过滤器的效率随着积尘的增加而提高，这早已被实验所证实，有人为了能确切地进行计算还建立了数学模型。尽管容尘后过滤效率提高，而且容尘后过滤器运行所处的第二阶段（不稳定阶段）又较长，但我们所说的过滤效率均指未容尘时的效率。,135,4.,空气过滤器的特性,在空气净化系统中，空气过滤器是核心设备，因而有必要对其特性全面地了解。,4.1,空气净化系统中过滤器的作用和分类,表,4-1,是我国国家标准对过滤器进行分类，共分,5,档，分别为粗、中、高中、亚高和高效，其中高效中又分了,ABCD4,档，分类的指标基准为额定风量效率和阻力，其中在注的一栏注明测试所用的气溶胶种类即用什么方法测出的效率，那么如何判别其高低，一般讲,DOP,法、钠焰法、油雾法和计数法（粒径为,0.3m,）的效率值基本上可比。,136,方法,DOP,发 比色法 人工尘计重法,99.97 100 100,效,95 99 100,8085 9397 100,率,5060 8085 99,2030 4555 96,1520 3035 92,137,国外也有用统一的测试标准分类的,名称 计数效率（%） 阻力（,Pa）,（对粒径为0.3,m,的尘粒）,粗效过滤器 ,F,，,对于高效过滤器甚至为几十倍，因而,u,、,v,差异甚大。,142,4.3 效率,与通风中除尘器的效率，穿透率的概念完全一样，不再叙述，这里分级效率与总效率的关系有一新表达方式。,各粒径分级效率；,各粒径微粒含量所占全体的比例。,4.1节给出部分效滤检测方法的效率值的对比，差异较大，因此提到效率，必须说明是什么方法测得的效率。,与效率（穿透率）有关的一个指标称净化系数，为,穿透率的倒数， ，表示经过滤器后微粒浓度降低的程度，也说明过滤前后浓度相差的倍数。,143,4.4 阻力,过滤器初力主要由两部分组成：滤料阻力和结构阻力，作为设备还有进出口阻力（很小），一般作为定值附加阻力不作讨论。,（1）滤料阻力,纤维过滤器的阻力是由于气流通过纤维层时受到纤维迎风面的阻挡而形成的，涉及到过滤速度和纤维直径，当然与,Re,有关，由于,d,f,很小，,v,很小，,cm,量级，所以,Re,很小，一般在层流范围，我们常用气流受到的阻力实际是压强单位,Pa,，,分析时还得从受力开始，单位长度的单根纤维当气流垂直流过时，这时其所受的压力也就是对气流形成的阻力，为气流动压与迎风面积的乘积再乘以阻力系数。,N/m,（4-10）,144,若滤料内纤维长度为,L,，,则滤料所受力即为气流形成的阻力,FL,。,设滤料厚为,H,，,面积为,S,，,填充率,则单位面积上的阻力即我们习惯上称的阻力,（,Pa）,将4-10代入得,（,Pa）,145,P,与,v,、,H,、,、,及,d,f,有关，与,C,有关，而,C,本身可能与纤维排列方式，,、,纤维表面形状及,Re,有关，需用实验方法确定具体值。经实验和理论推导得出具体表达式,Pa（4-15）,为纤维断面形状系数， ，,m,2,为,实验指数，与纤维材料有关。,实际上每种纤维滤料的阻力值都是实测的，理论计算影响因素太多，与实测有出入。,146,（2）过滤器全阻力,由滤料的阻力公式可看出，阻力与滤速成正比。在滤速较低范围内呈直线关系，所以滤料阻力可写为,（4-16）,测滤料阻力与测过滤器阻力发现的问题：差值，结构阻力计为,P,2,，阻力肯定与空气流速相对应，滤料对应的为滤速,v,，,而隔板形成的通道（结构因素）对应的是面速,u,。,因而,过滤器总阻力,（4-18）,对不同的过滤器,n,值略有不同，1,n,0.3,m,某粒径的穿透率；,d,为0.3,m,的某一粒径。,仅适用于高效过滤器。该公式与实测结果较吻合。,148,对于效率较低的过滤器范围也可进行换算。,效率值增加,10%,149,4.7 过滤器的串联效率,在暖通课程中讲到除尘器串联后总效率的计算,提到两个相同型号的除尘器串联运行时，由于它们处理的粉尘的粒径不同，和是不同的，,2,n,2,n,n,，即小粒径的微粒粒数多，粒数的比例大，而,1,2,n,1,，所对应的粒径相当于最大穿透粒径,d,max,，,而其它粒径微粒的比例，由于高效过滤器的效率高，一般,n,2,n,2,，n,3,n,3,而,n,1,+n,2,+n,n-2,=1,两式相比,一、二两级的过滤效率究竟能差别多大，表4-6给出一实际计算例子，按教材的计算结果，第二级的效率比第一级下降了0.041%，而穿透率确由0.045%升高到0.086%，增加近一倍。从串联的第二级开始效率已接近过滤器对最大穿透粒径的过滤效率，到第三级几乎仅剩,d,max,粒径微粒，其效率与第二级几乎相同，若再串联多级，从第二级以后，效率相同，对于空气洁净工程，由于两级高效过滤器串联后效率已经很高，而第二级过滤效率下降的影响又很小，所以多级过滤器串联总效率的公式能用，但我们应知道第二级过滤器效率略有下降这一实际情况。,152,（2）中效过滤器串联效率,由于中效过滤器对小粒径微粒的过滤效率较低，而小粒径的微粒个数在大气尘中占绝大多数，如大气尘中0.5,m,的微粒数占到91.68%，对,计数,效率而言，对小微粒的过滤效率决定其总效率，因而串联后第二级中效过滤器的效率与第一级差别很小，可以认为不变，公式 能用，仍用表4-6算例中的粒径分布，0.3,m,占46%，0.4,m,占20%，0.5,m,占34%，,0.3,=0.4，,0.4,=0.47, ,0.5,=0.54，,可算得第一、二级,一,=0.46 ，,二,=0.454。但对于计重效率，总串联效率公式不适用，以两级为例，第二级效率会下降很大，因大于等于0.5,m,的微粒的总重占到99%，而5,m,的占80%，若用串联公式,2,需用新粒微分布情况下的效率值。,153,（1）过滤器的寿命,过滤器使用寿命特别是高效过滤器由于造价较高，其使用寿命的长短直接关系到空调净化系统的运行、维护费用。,正常使用的过滤器其使用寿命是由积尘量决定的，达到容尘量时，即到达使用期限。而积尘量是不易在运行中测得，是靠过滤器前后阻力即压差的变化来反映。一般情况下，当过滤器的终阻力等于初阻力的2倍时，即阻力增加了1倍时，即达到额定容尘量，过滤器使用寿命结束。,当过滤器前空气含尘浓度用,N,1,mg/m,3,表示，过滤器效率为额定处理风量为,Q,0,m,3,/h，,每天运行,t,小时，则一天积尘量为：,g/d,154,达到容尘量,P,0,所需的时间,T,0,即为使用寿命,（天）（4-24）,一般情况过滤器特别是中效以上的过滤器所处理的空气都是室外新风与室内回风的混合空气，当大气含尘浓度，室内洁净级别以及新回风的比例已知,N,1,可计算,155,（2）寿命和运行风量的关系,P,0,一定时，运行时间与运行风量成反比。,T,1,为当风量低于额定风量运行时，达到容尘量时所用的时间更长（并不代表寿命），其寿命肯定增加。但增加量不能是简单比例关系，因为容尘量的达到是用终阻力来判断的，我们曾在介绍过滤器全阻力时给出公式,m,=1.11.36,，,也可写成，,实际为初阻力与风量的关系，终阻力肯定也是类似的形式，即过滤器阻力与风量的,m,次方成正比，,m,1,，,当在部分风量下运行时，过滤器达到了容尘量值,g/m,2,，,但其阻力还未达到终阻力。这时仍能继续使用一段时间，直到阻力达到终阻力值为止。,156,用,K,表示运行风量与额定风量之，据日本学者的实测结果，而当,K,=0.5，,即为额定风量一半时，达到终阻力的运行时数为额定风量下运行时数的3.4倍。公式4-264-29为根据实测曲线拟合的方程，其中4-27中的常数项应为23.86，是过滤器的初阻力值。,利用4个公式，将,K,值的影响作为一参数得出一综合方程 （4-30）,为过滤器工作过程的阻力与风量及运行时间的关系，当达到终阻力时，如,H,=2,H,0,为常数，风量已知时,K,为常数，将,T,解出即为过滤器寿命,T,0,，,其解为下式，该公式是根据实测结果回归得到的应该有一定的普遍意义。,157,