高效過濾器現場大氣塵檢漏方法的理論探討

高效過濾器現場大氣塵檢漏方法的理論探討
[摘　要]用射流理論具體論證了大氣塵粒子計數器檢漏方法(簡稱漏孔法),普通高效過濾器需要不低于2200粒/L(2·83L/min采樣)的上游大氣塵濃度,超高效過濾器需要不低于5800粒/L(28·3L/min采樣)的上游大氣塵濃度。只要掃描特征讀數≥1,即可作靜止檢漏,若再≥3,即可判斷為漏。漏孔法比ISO透過率法適用漏孔更小。

[關鍵詞]高效過濾器;掃描檢漏;定點檢漏;漏泄標準

1·背　景
對在潔凈室及受控環境中已安裝好了的高效過濾器進行掃描檢漏即現場檢漏(抽檢或全檢),這是過去美聯邦標準209、美國空軍技術條令203和美國航天宇宙局的NASA標準以及現在的ISO標準都規定了的,我國有關標準也不例外。
不同的是,過去國外標準都規定用光度計方法人工發塵(DOP)來檢漏,而當下游濃度超過上游濃度10-4時即為漏,對于后來的超高效過濾器這一數值顯然是不適用的。而我國標準JGJ 71-90《潔凈室施工及驗收規范》(以下簡稱“規范”),根據理論研究成果[1],首次在國內外明確規定用粒子計數器法檢漏,可以用大氣塵,必要時用DOP。

是這樣規定的:“在被檢高效過濾器上風側測定大氣塵的微粒數,以≥0·5μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×104粒/L;若檢測超高效過濾器,則以≥0·1μm微粒為準,其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L。”

當按這一規定檢漏時,應在距過濾器表面2~3cm處掃描。其評定標準為“由受檢過濾器下風側測到的漏泄濃度換算成的透過率,對于高效過濾器,應不大于過濾器出廠合格透過率的3倍,對于超高效過濾器,應不大于出廠合格透過率的2倍。”(“規范”原文“3”和“2”印倒了,規范說明是對的)這一檢漏標準被后來許多標準、規范,包括新的《電子廠房設計規范》(報批稿)所采用。
但是,這一檢漏標準在實施中并未得到執行,一是因為太嚴,即使按規定上游濃度達到3·5×104粒/L,由于低的A類過濾器(鈉焰法效率為99·9% )即可具有對≥0·5μm微粒達99·999%的效率,不大于3倍的透過率多有1粒/L微粒,也不好檢定;
二是因為每一臺過濾器的透過率也很難事先搞準確。所以長期以來,在實測中使用的是一種簡便方法(對于不高于ISO 5級的潔凈環境),即,不計過濾器前濃度(認為都符合要求,詳見下文),只要中流量粒子計數器(2·83L/min),每分鐘讀數不大于三個,即認為不漏。后來有關規范中更放寬到3粒/L為界限。
事實證明,當ISO 5級工作區高度或其以上某高度的一個區域濃度偏大時,用上述方法檢漏,一般均能找到相應的漏泄點。

粒子計數器法明顯比光度計法簡便精確,大氣塵法明顯比DOP法沒有污染。但是由于受美國標準影響,國際上某些領域如制藥行業,仍堅持用DOP光度計法。直到2005年, ISO 14644-1才明確指出:

(1) DOP光度計法用于透過率>0·005%的過濾器系統檢漏,即對0·3μm單分散氣溶膠效率不大于99·995%的高效過濾器(相當于我國B~C類過濾器);
(2) DOP光度計法只適用于當沉積在過濾器和管道上的揮發性有機測試氣溶膠釋放出的氣體對潔凈室內的產品或工藝不是有害的,如核設施的過濾器檢漏;
(3)人工氣溶膠的粒子計數器法適用于過濾器透過率≤0·0000005%的檢漏,即效率≥99·9999995% (按為對0·3μm微粒)過濾器檢漏;
(4)粒子計數器法比光度計法更為靈敏,造成的污染小,對檢漏來說既有精度也有速度;
(5)推薦上游加入的人工氣溶膠有:甲基苯二甲酸鹽、癸二酸二酯、聚苯乙烯乳膠球等。由此可見, ISO標準充分肯定了粒子計數器法,并且在氣溶膠源中也列入了大氣氣溶膠。但在具體應用上仍著重介紹發生人工氣溶膠,沒有介紹大氣塵氣溶膠的可行性。
這就使檢漏不免仍有困難,給系統和過濾器留下附加物質。如果可以既用粒子計數器,又用大氣塵來檢漏,則是工程上簡捷的辦法。由于現場檢漏對過濾器既有效率并不感興趣,而關心的是有無漏孔漏泄,不論何種效率過濾器,只要有漏孔,孔前后壓差一定,就都有相同的漏泄量。因此只需確定漏不漏,而對漏的定量并無需要,在這一目的下,還必須弄清楚以下問題:
(1)多大的上游大氣塵濃度才能發現漏?
(2)下游檢漏出多大的濃度才可判定為漏?
2·理論分析
2·1　漏泄流量
高效過濾器濾紙電鏡照片如圖1所示[2]。由玻璃纖維組成的網格雜亂無章,大小不同,但可見單層網格長向可達30μm。

所謂漏,即應是纖維網格因擦、劃、扎等將網格撕開一個孔口,形成孔口出流,其流量遠大于通過正常網格的流量。
孔口出流流量Q0由經典的式(1)給出:
式中,A為孔口面積,A=0·78d0;d0為孔口直徑;ΔP為過濾器前后(孔前后)壓差,按檢漏時初阻力計,取200Pa;ρ空氣密度, 1·2kg/m3;μ為流量系數,按式(2)進行計算:
μ=εφ(2)
其中,ε為孔口流速收縮系數,對于孔口周邊為開闊的過濾面積按流體力學定義,應為完全收縮,ε小,取0·62;φ為流速系數。
關于流速系數φ,理論值為0·82[3],大可達到1,實驗大值為0·97,擴張形孔口(θ=5°~7°,見圖2)為0·45[4]。對于復雜的縫、孔,實驗小平均值為0·29[5],對于漏孔很小,只比單層纖維網格大幾倍的情況,其孔的邊緣纖維凌亂情況的相對影響變大,即阻力變大,流量系數更小。假定以大約纖維網格的3~4倍為界,相當于0·1mm漏孔為界(這純屬設定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即大的系數取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當<0·1mm的孔按小的φ=0·29計算,則μ=εφ=0·18。
2·2　漏泄的基本特性
設如圖3所示的漏孔,簡化為在出風面上———垂直于氣流的表面上的孔。漏泄氣流斷面不斷擴大,濃度不斷被稀釋,現將這股氣流稱為污染氣流,這是帶動了周邊氣流的結果,但是這種擴展不是無限制的,當污染氣流邊界速度衰減到與周邊氣流速度相近時,這種帶動也就停止了。
所以可以認為當污染氣流斷面平均速度衰減到高效過濾器出口送風速度水平,就可能不再擴展稀釋了。由于單向流受漏泄的影響更顯著,所以以單向流為準。設其高效過濾器出口送風速度為0·5m/s,則根據射流原理可得出一系列特性參數[6]:
式中,v為質量平均流速,m/s;v0為漏孔出流速度,m/s;a為紊流系數,取0·08;s為射程,mm;d0為漏孔直徑,mm。