مطالعه تجربی عملکرد فیلتر هوای HEPA

توسعه صنعت مدرن، تقاضاهای فزاینده‌ای را برای محیط آزمایش، تحقیق و تولید ایجاد کرده است. راه اصلی برای دستیابی به این الزام، استفاده گسترده از فیلترهای هوا در سیستم‌های تهویه مطبوع پاک است. در میان آنها، فیلترهای HEPA و ULPA آخرین محافظ ذرات گرد و غبار ورودی به اتاق تمیز هستند. عملکرد آن مستقیماً با سطح اتاق تمیز مرتبط است که به نوبه خود بر فرآیند و کیفیت محصول تأثیر می‌گذارد. بنابراین، انجام تحقیقات تجربی روی فیلتر معنادار است. عملکرد مقاومتی و عملکرد فیلتراسیون دو فیلتر در سرعت‌های مختلف باد با اندازه‌گیری راندمان فیلتراسیون فیلتر الیاف شیشه و فیلتر PTFE برای ذرات PAO با اندازه 0.3 میکرومتر، 0.5 میکرومتر و 1.0 میکرومتر مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد که سرعت باد عامل بسیار مهمی است که بر راندمان فیلتراسیون فیلترهای هوای HEPA تأثیر می‌گذارد. هرچه سرعت باد بیشتر باشد، راندمان فیلتراسیون کمتر است و این تأثیر برای فیلترهای PTFE آشکارتر است.

کلمات کلیدی:فیلتر هوای HEPA؛ عملکرد مقاومتی؛ عملکرد فیلتراسیون؛ کاغذ فیلتر PTFE؛ کاغذ فیلتر الیاف شیشه؛ فیلتر الیاف شیشه
شماره CLC: X964 کد شناسایی سند: A
با توسعه مداوم علم و فناوری، تولید و نوسازی محصولات صنعتی مدرن، نیاز به پاکیزگی هوای داخل ساختمان را بیش از پیش افزایش داده است. به طور خاص، صنایع میکروالکترونیک، پزشکی، شیمیایی، بیولوژیکی، فرآوری مواد غذایی و سایر صنایع نیاز به کوچک‌سازی دارند. دقت، خلوص بالا، کیفیت بالا و قابلیت اطمینان بالا در محیط داخلی، الزامات بالاتر و بالاتری را بر عملکرد فیلتر هوای HEPA تحمیل می‌کند، بنابراین چگونگی تولید فیلتر HEPA برای برآوردن تقاضای مصرف‌کننده به یک نیاز فوری برای تولیدکنندگان تبدیل شده است. یکی از مشکلات حل شده [1-2]. به خوبی شناخته شده است که عملکرد مقاومتی و راندمان فیلتراسیون فیلتر دو شاخص مهم برای ارزیابی فیلتر هستند. این مقاله تلاش می‌کند تا عملکرد فیلتراسیون و عملکرد مقاومتی فیلتر هوای HEPA از مواد فیلتر مختلف را با آزمایش‌ها [3] و ساختارهای مختلف همان ماده فیلتر تجزیه و تحلیل کند. عملکرد فیلتراسیون و خواص مقاومتی فیلتر، مبنای نظری را برای تولیدکننده فیلتر فراهم می‌کند.

۱ تحلیل روش آزمون
روش‌های زیادی برای تشخیص فیلترهای هوای HEPA وجود دارد و کشورهای مختلف استانداردهای متفاوتی دارند. در سال 1956، کمیسیون نظامی ایالات متحده USMIL-STD282، یک استاندارد تست فیلتر هوای HEPA، و روش DOP برای آزمایش کارایی را تدوین کرد. در سال 1965، استاندارد بریتانیایی BS3928 تدوین شد و روش شعله سدیم برای تشخیص کارایی مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1973، انجمن تهویه اروپا استاندارد Eurovent 4/4 را تدوین کرد که از روش تشخیص شعله سدیم پیروی می‌کرد. بعدها، انجمن آمریکایی آزمایش محیطی و علوم کارایی فیلتر مجموعه‌ای از استانداردهای مشابه را برای روش‌های آزمایش توصیه شده تدوین کرد که همگی از روش شمارش کولیس DOP استفاده می‌کردند. در سال 1999، اروپا استاندارد BSEN1822 را تدوین کرد که از شفاف‌ترین اندازه ذرات (MPPS) برای تشخیص کارایی فیلتراسیون استفاده می‌کند [4]. استاندارد تشخیص چین روش شعله سدیم را اتخاذ می‌کند. سیستم تشخیص عملکرد فیلتر هوای HEPA که در این آزمایش استفاده می‌شود بر اساس استاندارد 52.2 ایالات متحده توسعه یافته است. روش تشخیص از روش شمارش کولیس استفاده می‌کند و آئروسل از ذرات PAO استفاده می‌کند.
۱. ۱ ساز اصلی
این آزمایش از دو شمارنده ذرات استفاده می‌کند که در مقایسه با سایر تجهیزات آزمایش غلظت ذرات، ساده، راحت، سریع و شهودی هستند [5]. مزایای فوق شمارنده ذرات باعث می‌شود که به تدریج جایگزین سایر روش‌ها شود و به روش اصلی آزمایش غلظت ذرات تبدیل شود. آنها می‌توانند هم تعداد ذرات و هم توزیع اندازه ذرات (یعنی شمارش تعداد) را شمارش کنند که تجهیزات اصلی این آزمایش است. سرعت جریان نمونه‌برداری 28.6 لیتر در دقیقه است و پمپ خلاء بدون کربن آن دارای ویژگی‌های صدای کم و عملکرد پایدار است. در صورت نصب این آپشن، دما و رطوبت و همچنین سرعت باد قابل اندازه‌گیری و آزمایش فیلتر است.
سیستم تشخیص از آئروسل‌هایی که از ذرات PAO به عنوان گرد و غبار فیلتر شده استفاده می‌کنند. ما از ژنراتورهای آئروسل (نسل‌های آئروسل) مدل TDA-5B تولید شده در ایالات متحده استفاده می‌کنیم. محدوده وقوع 500 تا 65000 فوت مکعب در دقیقه (1 فوت مکعب در دقیقه = 28.6 لیتر در دقیقه) و غلظت 100 میکروگرم در لیتر، 6500 فوت مکعب در دقیقه؛ 10 میکروگرم در لیتر، 65000 فوت مکعب در دقیقه است.
۱. ۲ اتاق تمیز
به منظور بهبود دقت آزمایش، آزمایشگاه ۱۰۰۰۰ سطحی مطابق با استاندارد فدرال ۲۰۹C ایالات متحده طراحی و تزئین شد. از پوشش کف استفاده شده است که با مزایای موزاییک سیمانی، مقاومت در برابر سایش، آب‌بندی خوب، انعطاف‌پذیری و ساختار پیچیده مشخص می‌شود. جنس آن لاک اپوکسی است و دیوار از سایدینگ اتاق تمیز مونتاژ شده ساخته شده است. اتاق مجهز به ۶ لامپ تصفیه ۲۲۰ ولت، ۲×۴۰ وات و مطابق با الزامات روشنایی و تجهیزات میدانی چیده شده است. اتاق تمیز دارای ۴ خروجی هوای بالا و ۴ پورت برگشت هوا است. اتاق دوش هوا برای کنترل لمسی معمولی تکی طراحی شده است. زمان دوش هوا ۰ تا ۱۰۰ ثانیه است و سرعت باد هر نازل حجم هوای در گردش قابل تنظیم بزرگتر یا مساوی ۲۰ میلی‌ثانیه است. از آنجا که مساحت اتاق تمیز کمتر از ۵۰ متر مربع و کارکنان کمتر از ۵ نفر هستند، یک خروجی ایمن برای اتاق تمیز فراهم شده است. فیلتر HEPA انتخاب شده GB01×4، حجم هوای ورودی 1000 متر مکعب بر ساعت و راندمان فیلتراسیون بزرگتر یا مساوی 0.5 میکرومتر و 99.995% است.
۱. ۳ نمونه آزمایشی
مدل‌های فیلتر الیاف شیشه عبارتند از: ۶۱۰ (طول) × ۶۱۰ (ارتفاع) × ۱۵۰ (عرض) میلی‌متر، نوع بافل، ۷۵ چین، اندازه ۶۱۰ (طول) × ۶۱۰ (ارتفاع) × ۹۰ (عرض) میلی‌متر، با ۲۰۰ پلیسه، اندازه فیلتر PTFE ۴۸۰ (طول) × ۴۸۰ (ارتفاع) × ۷۰ (عرض) میلی‌متر، نوع بدون بافل، با ۱۰۰ چین.
۲ اصول اساسی
اصل اساسی میز آزمایش این است که فن به هوا دمیده می‌شود. از آنجایی که HEPA/UEPA نیز به فیلتر هوای HEPA مجهز است، می‌توان در نظر گرفت که هوا قبل از رسیدن به HEPA/UEPA مورد آزمایش، به هوای پاک تبدیل شده است. دستگاه ذرات PAO را به داخل خط لوله منتشر می‌کند تا غلظت مطلوبی از گاز حاوی گرد و غبار تشکیل شود و از یک شمارنده ذرات لیزری برای تعیین غلظت ذرات استفاده می‌کند. سپس گاز حاوی گرد و غبار از HEPA/UEPA مورد آزمایش عبور می‌کند و غلظت ذرات گرد و غبار در هوای فیلتر شده توسط HEPA/UEPA نیز با استفاده از یک شمارنده ذرات لیزری اندازه‌گیری می‌شود و غلظت گرد و غبار هوا قبل و بعد از فیلتر مقایسه می‌شود و در نتیجه عملکرد فیلتر HEPA/UEPA تعیین می‌شود. علاوه بر این، سوراخ‌های نمونه‌برداری به ترتیب قبل و بعد از فیلتر چیده شده‌اند و مقاومت هر سرعت باد با استفاده از یک فشارسنج میکرو شیب‌دار در اینجا آزمایش می‌شود.

۳ مقایسه عملکرد مقاومت فیلتر
ویژگی مقاومت HEPA یکی از ویژگی‌های مهم HEPA است. با فرض برآورده کردن راندمان تقاضای مردم، ویژگی‌های مقاومت با هزینه استفاده مرتبط هستند، مقاومت کم است، مصرف انرژی کم است و هزینه صرفه‌جویی می‌شود. بنابراین، عملکرد مقاومت فیلتر به یک نگرانی تبدیل شده است. یکی از شاخص‌های مهم.
با توجه به داده‌های اندازه‌گیری تجربی، رابطه بین میانگین سرعت باد دو فیلتر با ساختار متفاوت الیاف شیشه و فیلتر PTFE و اختلاف فشار فیلتر به دست آمده است.این رابطه در شکل ۲ نشان داده شده است:

از داده‌های تجربی می‌توان دریافت که با افزایش سرعت باد، مقاومت فیلتر از کم به زیاد به صورت خطی افزایش می‌یابد و دو خط مستقیم دو فیلتر الیاف شیشه‌ای اساساً بر هم منطبق هستند. به راحتی می‌توان دید که وقتی سرعت باد فیلتراسیون ۱ متر بر ثانیه است، مقاومت فیلتر الیاف شیشه‌ای حدود چهار برابر فیلتر PTFE است.

با دانستن مساحت فیلتر، رابطه بین سرعت سطح و اختلاف فشار فیلتر را می‌توان به صورت زیر بدست آورد:
از داده‌های تجربی می‌توان دریافت که با افزایش سرعت باد، مقاومت فیلتر به صورت خطی از کم به زیاد افزایش می‌یابد و دو خط مستقیم دو فیلتر الیاف شیشه‌ای اساساً بر هم منطبق هستند. به راحتی می‌توان دید که وقتی سرعت باد فیلتراسیون ۱ متر بر ثانیه است، مقاومت فیلتر الیاف شیشه‌ای حدود چهار برابر فیلتر PTFE است.

با دانستن مساحت فیلتر، رابطه بین سرعت سطح و اختلاف فشار فیلتر را می‌توان به صورت زیر بدست آورد:

با توجه به تفاوت بین سرعت سطحی دو نوع فیلتر و اختلاف فشار فیلتر دو کاغذ فیلتر، مقاومت فیلتر با مشخصات 610×610×90 میلی‌متر در سرعت سطحی یکسان، بیشتر از مقاومت فیلتر با مشخصات 610×150 میلی‌متر است.

با این حال، واضح است که در سرعت سطح یکسان، مقاومت فیلتر الیاف شیشه از مقاومت PTFE بیشتر است. این نشان می‌دهد که PTFE از نظر عملکرد مقاومتی نسبت به فیلتر الیاف شیشه برتری دارد. به منظور درک بیشتر ویژگی‌های فیلتر الیاف شیشه و مقاومت PTFE، آزمایش‌های بیشتری انجام شد. با مطالعه مستقیم مقاومت دو کاغذ فیلتر با تغییر سرعت باد فیلتر، نتایج تجربی در زیر نشان داده شده است:

این موضوع، نتیجه‌گیری قبلی مبنی بر اینکه مقاومت کاغذ فیلتر الیاف شیشه در سرعت باد یکسان، بیشتر از PTFE است را بیشتر تأیید می‌کند [6].
مقایسه عملکرد فیلتر ۴ فیلتره
با توجه به شرایط آزمایش، راندمان فیلتراسیون برای ذرات با اندازه ذرات 0.3 میکرومتر، 0.5 میکرومتر و 1.0 میکرومتر در سرعت‌های مختلف باد قابل اندازه‌گیری است و نمودار زیر به دست می‌آید:

بدیهی است که راندمان فیلتراسیون دو فیلتر فایبرگلاس برای ذرات ۱.۰ میکرومتر در سرعت‌های مختلف باد، ۱۰۰٪ است و راندمان فیلتراسیون ذرات ۰.۳ میکرومتر و ۰.۵ میکرومتر با افزایش سرعت باد کاهش می‌یابد. مشاهده می‌شود که راندمان فیلتراسیون برای ذرات بزرگ بیشتر از ذرات کوچک است و عملکرد فیلتراسیون فیلتر ۶۱۰×۶۱۰×۱۵۰ میلی‌متری نسبت به فیلتر با مشخصات ۶۱۰×۶۱۰×۹۰ میلی‌متری برتر است.
با استفاده از همین روش، نموداری که رابطه بین راندمان فیلتراسیون فیلتر PTFE با ابعاد 480×480×70 میلی‌متر را به عنوان تابعی از سرعت باد نشان می‌دهد، به دست می‌آید:

با مقایسه شکل ۵ و شکل ۶، اثر فیلتراسیون فیلتر شیشه‌ای ذرات ۰.۳ میکرومتر و ۰.۵ میکرومتر، به ویژه برای اثر کنتراست گرد و غبار ۰.۳ میکرومتر، بهتر است. اثر فیلتراسیون سه ذره بر روی ذرات ۱ میکرومتری ۱۰۰٪ بود.
به منظور مقایسه شهودی‌تر عملکرد فیلتراسیون فیلتر الیاف شیشه و ماده فیلتر PTFE، آزمایش‌های عملکرد فیلتر مستقیماً روی دو کاغذ فیلتر انجام شد و نمودار زیر به دست آمد:

نمودار فوق با اندازه‌گیری اثر فیلتراسیون PTFE و کاغذ فیلتر الیاف شیشه بر روی ذرات 0.3 میکرومتر در سرعت‌های مختلف باد بدست آمده است [7-8]. بدیهی است که راندمان فیلتراسیون کاغذ فیلتر PTFE کمتر از کاغذ فیلتر الیاف شیشه است.
با توجه به خواص مقاومتی و خواص فیلتراسیون ماده فیلتر، به راحتی می‌توان دریافت که ماده فیلتر PTFE برای ساخت فیلترهای درشت یا زیر هپا و ماده فیلتر الیاف شیشه برای ساخت فیلترهای هپا یا فوق هپا مناسب‌تر است.
۵ نتیجه‌گیری
چشم‌انداز کاربردهای مختلف فیلتر با مقایسه خواص مقاومتی و خواص فیلتراسیون فیلترهای PTFE با فیلترهای الیاف شیشه‌ای بررسی شده است. از این آزمایش می‌توان نتیجه گرفت که سرعت باد عامل بسیار مهمی است که بر اثر فیلتراسیون فیلتر هوای HEPA تأثیر می‌گذارد. هرچه سرعت باد بیشتر باشد، راندمان فیلتراسیون کمتر است، تأثیر آن بر فیلتر PTFE آشکارتر است و به طور کلی فیلتر PTFE اثر فیلتراسیون کمتری نسبت به فیلتر الیاف شیشه دارد، اما مقاومت آن کمتر از فیلتر الیاف شیشه‌ای است. بنابراین، ماده فیلتر PTFE برای ساخت فیلتر درشت یا با راندمان زیر بالا مناسب‌تر است و ماده فیلتر الیاف شیشه‌ای برای تولید فیلتر کارآمد یا فوق‌العاده کارآمد مناسب‌تر است. فیلتر HEPA الیاف شیشه‌ای با مشخصات 610×610×150 میلی‌متر از فیلتر HEPA الیاف شیشه‌ای 610×610×90 میلی‌متر پایین‌تر است و عملکرد فیلتراسیون آن بهتر از فیلتر HEPA الیاف شیشه‌ای 610×610×90 میلی‌متر است. در حال حاضر، قیمت ماده فیلتر PTFE خالص از الیاف شیشه بیشتر است. با این حال، در مقایسه با الیاف شیشه، PTFE مقاومت دمایی، مقاومت در برابر خوردگی و هیدرولیز بهتری نسبت به الیاف شیشه دارد. بنابراین، هنگام تولید فیلتر باید عوامل مختلفی در نظر گرفته شود. عملکرد فنی و عملکرد اقتصادی را با هم ترکیب کنید.
مراجع:
[1] لیو لای هونگ، وانگ شی هونگ. توسعه و کاربرد فیلترهای هوا [J]•فیلترینگ و جداسازی، 2000، 10(4): 8-10.
[2] فیلتر هوای سی‌ان دیویس [M]، ترجمه شده توسط هوانگ ریگوانگ. پکن: انتشارات انرژی اتمی، 1979.
[3] GB/T6165-1985 روش آزمون عملکرد فیلتر هوای با راندمان بالا، عبور و مقاومت [M]. دفتر ملی استانداردها، 1985.
[4] شینگ سونگنیان. روش تشخیص و کاربرد عملی فیلتر هوای با راندمان بالا [J]• تجهیزات پیشگیری از اپیدمی زیست‌حفاظتی، 2005، 26(1): 29-31.
[5] هوکراینر. توسعه‌های بیشتر شمارنده ذرات
سایزر PCS-2000 الیاف شیشه [J]•فیلتر مجله علوم آئروسل، 2000، 31(1): 771-772.
[6] E. وینگارتنر، پی هالر، اچ. برتسچر و غیره فشار
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science، 1996، 27(1): 639-640.
[7] مایکل جی. ام. و کلاید اور. فیلتراسیون - اصول و روش‌ها [M].
نیویورک:MarcelDekkerInc، 1987•
[8] ژانگ گوکوان. مکانیک آئروسل - مبانی نظری حذف و تصفیه گرد و غبار [M] • پکن: انتشارات علوم محیطی چین، 1987.