高效过滤器现场大气尘检漏方法的理论探讨

高效过滤器现场大气尘检漏方法的理论探讨
[摘　要]用射流理论具体论证了大气尘粒子计数器检漏方法(简称漏孔法),普通高效过滤器需要不低于2200粒/L(2·83L/min采样)的上游大气尘浓度,超高效过滤器需要不低于5800粒/L(28·3L/min采样)的上游大气尘浓度。只要扫描特征读数≥1,即可作静止检漏,若再≥3,即可判断为漏。漏孔法比ISO透过率法适用漏孔更小。

[关键词]高效过滤器;扫描检漏;定点检漏;漏泄标准

1·背　景
对在洁净室及受控环境中已安装好了的高效过滤器进行扫描检漏即现场检漏(抽检或全检),这是过去美联邦标准209、美国空军技术条令203和美国航天宇宙局的NASA标准以及现在的ISO标准都规定了的,我国有关标准也不例外。
不同的是,过去国外标准都规定用光度计方法人工发尘(DOP)来检漏,而当下游浓度超过上游浓度10-4时即为漏,对于后来的超高效过滤器这一数值显然是不适用的。而我国标准JGJ 71-90《洁净室施工及验收规范》(以下简称“规范”),根据理论研究成果[1],首次在国内外明确规定用粒子计数器法检漏,可以用大气尘,必要时用DOP。

是这样规定的:“在被检高效过滤器上风侧测定大气尘的微粒数,以≥0·5μm微粒为准,其浓度必须≥3·5×104粒/L;若检测超高效过滤器,则以≥0·1μm微粒为准,其浓度必须≥3·5×106~3·5×107粒/L。”

当按这一规定检漏时,应在距过滤器表面2~3cm处扫描。其评定标准为“由受检过滤器下风侧测到的漏泄浓度换算成的透过率,对于高效过滤器,应不大于过滤器出厂合格透过率的3倍,对于超高效过滤器,应不大于出厂合格透过率的2倍。”(“规范”原文“3”和“2”印倒了,规范说明是对的)这一检漏标准被后来许多标准、规范,包括新的《电子厂房设计规范》(报批稿)所采用。
但是,这一检漏标准在实施中并未得到执行,一是因为太严,即使按规定上游浓度达到3·5×104粒/L,由于低的A类过滤器(钠焰法效率为99·9% )即可具有对≥0·5μm微粒达99·999%的效率,不大于3倍的透过率多有1粒/L微粒,也不好检定;
二是因为每一台过滤器的透过率也很难事先搞准确。所以长期以来,在实测中使用的是一种简便方法(对于不高于ISO 5级的洁净环境),即,不计过滤器前浓度(认为都符合要求,详见下文),只要中流量粒子计数器(2·83L/min),每分钟读数不大于三个,即认为不漏。后来有关规范中更放宽到3粒/L为界限。
事实证明,当ISO 5级工作区高度或其以上某高度的一个区域浓度偏大时,用上述方法检漏,一般均能找到相应的漏泄点。

粒子计数器法明显比光度计法简便精确,大气尘法明显比DOP法没有污染。但是由于受美国标准影响,国际上某些领域如制药行业,仍坚持用DOP光度计法。直到2005年, ISO 14644-1才明确指出:

(1) DOP光度计法用于透过率>0·005%的过滤器系统检漏,即对0·3μm单分散气溶胶效率不大于99·995%的高效过滤器(相当于我国B~C类过滤器);
(2) DOP光度计法只适用于当沉积在过滤器和管道上的挥发性有机测试气溶胶释放出的气体对洁净室内的产品或工艺不是有害的,如核设施的过滤器检漏;
(3)人工气溶胶的粒子计数器法适用于过滤器透过率≤0·0000005%的检漏,即效率≥99·9999995% (按为对0·3μm微粒)过滤器检漏;
(4)粒子计数器法比光度计法更为灵敏,造成的污染小,对检漏来说既有精度也有速度;
(5)推荐上游加入的人工气溶胶有:甲基苯二甲酸盐、癸二酸二酯、聚苯乙烯乳胶球等。由此可见, ISO标准充分肯定了粒子计数器法,并且在气溶胶源中也列入了大气气溶胶。但在具体应用上仍着重介绍发生人工气溶胶,没有介绍大气尘气溶胶的可行性。
这就使检漏不免仍有困难,给系统和过滤器留下附加物质。如果可以既用粒子计数器,又用大气尘来检漏,则是工程上简捷的办法。由于现场检漏对过滤器既有效率并不感兴趣,而关心的是有无漏孔漏泄,不论何种效率过滤器,只要有漏孔,孔前后压差一定,就都有相同的漏泄量。因此只需确定漏不漏,而对漏的定量并无需要,在这一目的下,还必须弄清楚以下问题:
(1)多大的上游大气尘浓度才能发现漏?
(2)下游检漏出多大的浓度才可判定为漏?
2·理论分析
2·1　漏泄流量
高效过滤器滤纸电镜照片如图1所示[2]。由玻璃纤维组成的网格杂乱无章,大小不同,但可见单层网格长向可达30μm。

所谓漏,即应是纤维网格因擦、划、扎等将网格撕开一个孔口,形成孔口出流,其流量远大于通过正常网格的流量。
孔口出流流量Q0由经典的式(1)给出:
式中,A为孔口面积,A=0·78d0;d0为孔口直径;ΔP为过滤器前后(孔前后)压差,按检漏时初阻力计,取200Pa;ρ空气密度, 1·2kg/m3;μ为流量系数,按式(2)进行计算:
μ=εφ(2)
其中,ε为孔口流速收缩系数,对于孔口周边为开阔的过滤面积按流体力学定义,应为完全收缩,ε小,取0·62;φ为流速系数。
关于流速系数φ,理论值为0·82[3],大可达到1,实验大值为0·97,扩张形孔口(θ=5°~7°,见图2)为0·45[4]。对于复杂的缝、孔,实验小平均值为0·29[5],对于漏孔很小,只比单层纤维网格大几倍的情况,其孔的边缘纤维凌乱情况的相对影响变大,即阻力变大,流量系数更小。假定以大约纤维网格的3~4倍为界,相当于0·1mm漏孔为界(这纯属设定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即大的系数取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;当<0·1mm的孔按小的φ=0·29计算,则μ=εφ=0·18。
2·2　漏泄的基本特性
设如图3所示的漏孔,简化为在出风面上———垂直于气流的表面上的孔。漏泄气流断面不断扩大,浓度不断被稀释,现将这股气流称为污染气流,这是带动了周边气流的结果,但是这种扩展不是无限制的,当污染气流边界速度衰减到与周边气流速度相近时,这种带动也就停止了。
所以可以认为当污染气流断面平均速度衰减到高效过滤器出口送风速度水平,就可能不再扩展稀释了。由于单向流受漏泄的影响更显著,所以以单向流为准。设其高效过滤器出口送风速度为0·5m/s,则根据射流原理可得出一系列特性参数[6]:
式中,v为质量平均流速,m/s;v0为漏孔出流速度,m/s;a为紊流系数,取0·08;s为射程,mm;d0为漏孔直径,mm。