高效過濾器現(xiàn)場大氣塵檢漏方法的理論探討:
有大氣塵粒子計數(shù)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(shù)≥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。
1、對在潔凈室及受控環(huán)境中已安裝好了的高效過濾器進行掃描檢漏即現(xiàn)場檢漏(抽檢或全檢),這是過去美聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209、標(biāo)準(zhǔn)以及現(xiàn)在的ISO標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了的,我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也不例外。

不同的是,過去國外標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定用光度計方法人工發(fā)塵(DOP)來檢漏,而當(dāng)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(shù)值顯然是不適用的。而我國標(biāo)準(zhǔn)《潔凈室施工及驗收規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”),根據(jù)理論研究成果,首次在國內(nèi)外明確規(guī)定用粒子計數(shù)器法檢漏,可以用大氣塵,必要時用DOP。

是這樣規(guī)定的:“在被檢高效過濾器上風(fēng)側(cè)測定大氣塵的微粒數(shù)，以≥0·5μm微粒為準(zhǔn),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(zhǔn),其濃度必須≥3·5×106~3·5×107粒/L?！?/p>

當(dāng)按這一規(guī)定檢漏時,應(yīng)在距過濾器表面2~3cm處掃描。其評定標(biāo)準(zhǔn)為“由受檢過濾器下風(fēng)側(cè)測到的漏泄?jié)舛葥Q算成的透過率,對于高效過濾器,應(yīng)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(yīng)不大于出廠合格透過率的2倍?！?“規(guī)范”原文“3”和“2”印倒了,規(guī)范說明是對的)這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)被后來許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,包括最新的《電子廠房設(shè)計規(guī)范》(報批稿)所采用。
但是,這一檢漏標(biāo)準(zhǔn)在實施中并未得到執(zhí)行,一是因為太嚴(yán),即使按規(guī)定上游濃度達到3·5×104粒/L,由于最低的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倍的透過率最多有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(zhǔn)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(huán)境),即,不計過濾器前濃度(認(rèn)為都符合要求,詳見下文),只要中流量粒子計數(shù)器(2·83L/min),每分鐘讀數(shù)不大于三個,即認(rèn)為不漏。后來有關(guān)規(guī)范中更放寬到3粒/L為界限。

事實證明,當(dāng)ISO5級工作區(qū)高度或其以上某高度的一個區(qū)域濃度偏大時,用方法檢漏,一般均能找到相應(yīng)的漏泄點。

粒子計數(shù)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。但是由于受標(biāo)準(zhǔn)影響，國際上某些領(lǐng)域如制藥行業(yè),仍堅持用DOP光度計法。

(1) DOP光度計法用于透過率>0·005%的過濾器系統(tǒng)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(dāng)于我國B~C類過濾器);

(2) DOP光度計法只適用于當(dāng)沉積在過濾器和管道上的揮發(fā)性有機測試氣溶膠釋放出的氣體對潔凈室內(nèi)的產(chǎn)品或工藝不是有害的,如核設(shè)施的過濾器檢漏;

(3)人工氣溶膠的粒子計數(shù)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)充分肯定了粒子計數(shù)器法,并且在氣溶膠源中也列入了大氣氣溶膠。但在具體應(yīng)用上仍著重介紹發(fā)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(tǒng)和過濾器留下附加物質(zhì)。如果可以既用粒子計數(shù)器,又用大氣塵來檢漏,則是工程上最簡捷的辦法。由于現(xiàn)場檢漏對過濾器既有效率并不感興趣,而關(guān)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(fā)現(xiàn)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。由玻璃纖維組成的網(wǎng)格雜亂無章,大小不同,但可見單層網(wǎng)格長向可達30μm。
所謂漏,即應(yīng)是纖維網(wǎng)格因擦、劃、扎等將網(wǎng)格撕開一個孔口,形成孔口出流,其流量遠(yuǎn)大于通過正常網(wǎng)格的流量。

孔口出流流量Q0由經(jīng)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(shù),按式(2)進行計算: μ=εφ(2) 其中,ε為孔口流速收縮系數(shù),對于孔口周邊為開闊的過濾面積按流體力學(xué)定義,應(yīng)為完全收縮,ε最小,取0·62;φ為流速系數(shù)。 關(guān)于流速系數(shù)φ,理論值為0·82[3],最大可達到1,實驗最大值為0·97,擴張形孔口(θ=5°~7°,見圖2)為0·45[4]。對于復(fù)雜的縫、孔,實驗最小平均值為0·29,對于漏孔很小,只比單層纖維網(wǎng)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(shù)更小。假定以大約纖維網(wǎng)格的3~4倍為界,相當(dāng)于0·1mm漏孔為界(這純屬設(shè)定),≥0·1mm的孔,μ按通常采用的即最大的系數(shù)取值,μ=εφ=0·62×0·97≈0·6;當(dāng)<0·1mm的孔按最小的φ=0·29計算,則μ=εφ=0·18。

2·2 漏泄的基本特性設(shè)如圖3所示的漏孔,簡化為在出風(fēng)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(xiàn)將這股氣流稱為污染氣流,這是帶動了周邊氣流的結(jié)果,但是這種擴展不是無限制的,當(dāng)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(rèn)為當(dāng)污染氣流斷面平均速度衰減到高效過濾器出口送風(fēng)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(zhǔn)。設(shè)其高效過濾器出口送風(fēng)速度為0·5m/s,則根據(jù)射流原理可得出一系列特性參數(shù)[6]: 式中,v為質(zhì)量平均流速,m/s;v0為漏孔出流速度,m/s;a為紊流系數(shù),取0·08;s為射程,mm;d0為漏孔直徑,mm。 代入相應(yīng)數(shù)據(jù)后為 由此式可求出射程s。 對于不同的d0,漏泄氣流不再擴展的距離s見表1。漏泄氣流不再擴展時的直徑由式(5)給出,漏泄流量計算結(jié)果見表1。 漏泄氣流在最大擴展直徑處或25mm處已被稀釋,稀釋倍數(shù)由式(6)給出,只要壓差不變,φ、v恒定,則稀釋倍數(shù)恒定。結(jié)果見表1。2·3 定點檢漏當(dāng)采樣口正對著漏孔定點檢漏時有三種情況: (1)擴展距離小于國際公認(rèn)的采樣距離25mm,最大擴展直徑小于采樣口直徑,如圖4所示。 此時,如采樣流量大于污染氣流到達采樣口的稀釋流量,則漏過來的微粒將全部進入采樣口,由于其漏泄流量Q0很小,采樣口吸入的絕大部分是周邊潔凈氣流,則采樣濃度將大幅度降低。大約0·6mm以下的孔屬于這種情況,設(shè)采樣流量為2·83L/min,于是采樣濃度為: 式中,Ns為采樣濃度,粒/L;Nx為漏過來的微粒數(shù),Nx=Q0N0粒。 (2)擴展距離>25mm。25mm處擴展直徑D大于采樣口直徑d,約0·6mm以上的孔屬此情況,采樣流量小于污染氣流,如圖5a所示。此時,式(7)簡化為: (3)擴展距離>25mm, 25mm處擴展直徑D小于采樣口直徑d,如圖5b所示,則 2·4 孔徑、透過率、上游濃度的關(guān)系 漏孔孔徑、過濾器透過率、上游濃度和漏泄與否的關(guān)系,計算結(jié)果匯總于表2中。 表2中0·000005%過濾器相當(dāng)于超高效過濾器。0·0023%的設(shè)定是這樣考慮的,因為整體透過率一般是用0·3μm標(biāo)定的,所以≥0·0023%透過率的過濾器,就相當(dāng)于我國C類及其以下包括A、B三類過濾器,都屬于普通高效過濾器(即0·3μm計數(shù)法99·9977%的過濾器可以相當(dāng)于鈉焰法99·999%的過濾器),而小于此透過率的即為D類及其以上的過濾器。

以表2中K=0·000005%,漏孔孔徑0·05mm,上游粒子濃度N0=7800粒/L,采樣量28·3L/min,由表1按式(7)計算,可得到Ns=0·107粒/L,則透過率為0·107/7800≈0·0014%≤300×0·000005%=0·0015%。按照ISO 14644-1的規(guī)定應(yīng)為不漏。漏孔法則為0·107粒/L=3·03粒/2·83L,按照漏孔法判定應(yīng)為漏。表中0·0023%以內(nèi)插于表3中,定其10倍即0·023%為漏。

由此可見: (1)透過率法得出的是否漏泄的透過率與采樣量有關(guān),用小采樣量時可能為漏,用大采樣量時可能為不漏,而漏孔法以檢測容積為準(zhǔn)則無此問題;

(2)漏孔法易判為漏,而透過率法有時判為不漏;

(3)按ISO透過率法漏泄與否,與上游濃度無關(guān),不論上游濃度多少,各孔徑采樣處透過率都相同,即N0Q0/N0。這表明漏泄只和漏孔大小有關(guān),和高效過濾器固有透過率無關(guān),因此不論對何種過濾器用漏孔法將更直接反映漏泄程度;

(4)對于當(dāng)前最高效率的過濾器,按ISO漏泄標(biāo)準(zhǔn),則有0·05mm的漏孔,用28·3L/min采樣, ISO的透過率判定為不漏,而0·1mm漏就能判定為漏,所以若以ISO標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn),則應(yīng)將0·1mm漏孔作為超高效過濾器漏孔的起點。而對于0·0023%的普通高效過濾器, 0·1mm漏孔用2·83L/min或28·3L/min采樣,用ISO漏泄標(biāo)準(zhǔn)判定,都為不漏,而0·2mm漏孔時就可判定為漏,因此,把0·2mm漏孔作為普通高效過濾器漏孔的起點。

3、漏泄標(biāo)準(zhǔn)過濾器透過多少微粒算漏?除去上述作者過去給出純理論值(3倍或2倍透過率外,外國文獻和標(biāo)準(zhǔn)上都給出過人為確定的標(biāo)準(zhǔn))是透過率的5倍、10倍或更高倍數(shù),例如2005年ISO標(biāo)準(zhǔn)給出的漏泄標(biāo)準(zhǔn)(見表3)。這里將需計算透過率的ISO方法稱為透過率法。

根據(jù)用戶和過濾器供應(yīng)商商定的漏泄倍數(shù),只要測出的漏泄透過率與產(chǎn)品應(yīng)有的整體透過率之比不大于表中的倍數(shù),或漏泄透過率不大于表中計算出的漏泄透過率,即為不漏。

從表3中可見,效率越高的過濾器,允許的漏泄越大,漏泄倍數(shù)越高,顯然有設(shè)定的因素。 如果確知上、下游濃度,則基于漏孔大小的檢漏方法,本文稱為漏孔法,也可算出透過率,成為透過率法。但前面已說明,現(xiàn)場檢漏并不一定要求出透過率,只要判斷漏與不漏,或稱為定性檢漏。 根據(jù)最小檢測容量理論[8],每一檢測容量的平均濃度達到3,則95%的讀數(shù)可為非零讀數(shù),即可判斷為漏。此種定性判斷漏泄的方法,即本文稱為漏孔法中的定性檢漏。

符合上述圖4和圖5b兩種情況的定點定性檢漏≥3粒/L檢測容量時,需要的上游濃度如表4所列。表4中2·83L/min時的0·1~0·2mm漏孔和28·3L/min的所有孔徑適用圖4; 0·6~1mm漏孔適用圖5b。4·掃描檢漏顯然,在一掃即過的掃描檢漏中,很難捕捉到真正的漏點,所以應(yīng)設(shè)法去發(fā)現(xiàn)漏的特征。ISO14644-1規(guī)定:“在掃描時,如果顯示出有等于或大于限值的漏泄,表現(xiàn)出規(guī)定的漏泄特征,則應(yīng)把采樣探管停在漏泄處,以判斷是否有漏泄存在。

保有最大讀數(shù)的采樣位置,就應(yīng)是漏泄位置所在?！币簿褪钦f,必須在掃描時間內(nèi),采到非“0”數(shù),起碼是1的讀數(shù),才定為漏泄,再作定點檢漏(ISO標(biāo)準(zhǔn)稱靜止檢漏)。漏泄特征數(shù)見表5。該表計算結(jié)果與ISO標(biāo)準(zhǔn)給出的基本相同。為了在掃描時間內(nèi)采到1粒,可由式(10)計算必要的掃描檢漏上游濃度N0: 式中,t為掃描時間,min,t=B /60v;B為采樣口平行于掃描方向的邊長, cm;v為掃描速度, cm/s。 這部分相對于Q0才有意義。而從高效過濾器開始,K即從0·00001(如國產(chǎn)A類)開始降低,所以在式(10)的計算中可忽略這部分。

設(shè)用2·83L/min采樣時,采樣口尺寸A×B=1·5cm×2cm。其中B為平行于掃描方向的邊。采樣速度為1·5cm/s (根據(jù)209A標(biāo)準(zhǔn),建議取1·25cm/s)。此時采樣口雖不是等速采樣,但入口氣流速度為15·7cm/s,與室內(nèi)0·5m/s速度之比為0·314,理論證明此比例若在0·3~7之間時,非等速采樣誤差在5%之內(nèi),是完全可行的[9]。

則對于普通高效過濾器和0·2mm漏孔,有: 對于超高效過濾器(K<0·0023%,相當(dāng)于我國D類及其以上過濾器)和0·1mm漏孔;當(dāng)用28·3L/min采樣時,采樣口如為A×B=2·5cm×4cm,掃描速度v=2cm/s,則: 若掃描速度為4cm/s,采樣口為1、5cm×6cm,則N0=7693粒/L;采樣口為3cm×3cm,掃描速度v=2cm/s,則N0=7693粒/L。
普通高效過濾器用28·3L/min采樣時,設(shè)A×B=2·5cm×4cm,v=2cm/s,只要1429粒/L。 可見,需要的上游濃度和透過率無關(guān),而是和采樣口大小有關(guān),采樣量大,一般采樣口也大。對普通高效過濾器, 2·83L/min時最小上游濃度可用2200粒/L, 28、3L/min時最小上游濃度可用1500粒/L;對超高效用28·3L/min采樣,最小上游濃度可用5800粒/L,可據(jù)采樣口尺寸來選擇,要用小的上游濃度,就要犧牲掃描速度。

現(xiàn)在來驗算一下,對超高效過濾器,掃描上游濃度用5500粒/L是否能查出漏: 過濾器有最小透過率,為K=0·000005%,對0·1mm漏孔, 28·3L/min采樣時,由表1按式(7)計算可得采樣處濃度Ns=1·01粒/L=28·6粒/28·3L采樣容積。

對透過率法,采樣處透過率為3·57%,大于表2中漏泄標(biāo)準(zhǔn)0·0015%,判定為漏。 對漏孔法,采樣處采到28·6粒/28·3L采樣容積遠(yuǎn)大于3粒,所以判定為漏。因為定點檢漏時,這種條件下上游只要有557粒/L就行了,現(xiàn)在上游濃度大了10倍,漏就不奇怪了。

這說明5500粒/L的掃描上游濃度作為超高效過濾器定點檢漏時的上游濃度是非常寬裕的,因為定點檢漏需要的上游濃度只及掃描時需要的上游濃度的十幾分之一。

再看過濾器有最大透過率為0·0023%,用2·83L/min采樣,對0·2mm漏孔, 2500粒/L上游濃度,由表1按式(7)計算可得采樣處濃度Ns=18·6粒/L=52·64粒/2·83L采樣容積。
對透過率法,采樣處透過率為0·744%,大于額定透過率10倍即大于0·023%,判為漏。對漏孔法,采樣容積中已采到52·64粒,肯定為太漏了。

5、現(xiàn)場情況下高效前濃度(1)全新風(fēng),設(shè)新風(fēng)濃度達到3×105粒/L。常規(guī)系統(tǒng),新風(fēng)過濾和預(yù)過濾效率約為60%,則高效前將有1·2×105粒/L;新風(fēng)設(shè)粗效、中效、高中效(或亞高效)三級過濾系統(tǒng),效率約90% ~95%,則高效過濾器前將約有1·5×104~3×104粒/L。
(2)循環(huán)風(fēng),設(shè)新風(fēng)比為0·3,新風(fēng)濃度同上。常規(guī)系統(tǒng)高效過濾器前將有4×104粒/L;新風(fēng)三級過濾系統(tǒng)高效過濾器前將有0·5×104~1×104粒/L。
可見對于以上兩種系統(tǒng),不論是2·83L/min或28·3L/min粒子計數(shù)器都可用于檢漏。但對超高效過濾器,當(dāng)其前面還有普通高效過濾器時,則上游大氣塵濃度就不夠了,應(yīng)另外采取短路增加大氣塵或發(fā)塵的措施。

6、結(jié) 論(1)對超高效過濾器0·1mm漏孔按ISO標(biāo)準(zhǔn)才可能表現(xiàn)為漏,普通高效過濾器0·2mm漏孔才表現(xiàn)為漏,即以此作為兩種過濾器漏孔極限,可不再考慮更小的漏孔;

(2)漏孔法既可以定性檢漏,也可以定量檢漏。它只和漏孔大小有關(guān),和透過率、采樣率均無關(guān);而透過率法則和透過率、采樣率有關(guān)。由于漏孔法可以用大氣塵,為現(xiàn)場檢漏帶來方便;

(3)漏孔法比透過率法可以判斷出漏的漏孔更小,即范圍更廣;

(4)不論是透過率法還是漏孔法,都必須在采樣口掃描到不少于1粒才可以作出判斷。為此對于普通高效過濾器,需要≥2200粒/L的上游濃度,對于超高效過濾器需要≥5800粒/L的上游濃度;

(5)對≥0·5μm微粒有不大于99·999%效率的高效過濾器,兩種方法的上游濃度均不宜>105粒/L,否則在此條件下,各處隨時都可以采到1粒/L,掃描時將增加靜止檢漏的工作量。

(6)透過率法也不必發(fā)生人工塵,當(dāng)大氣塵合適時,大氣塵也可滿足要求,但必須隨時測出上、下游濃度才能計算;漏孔法中的定性檢漏完全適用于大氣塵,而只要測出下游濃度,上游濃度只要監(jiān)測一下,這就大大節(jié)省了工作量。如果也同時測出上游濃度,則也可以計算透過率,成為定量檢漏;

(7)當(dāng)掃描檢漏發(fā)現(xiàn)非“0”讀數(shù)時,可能有漏,要求停在原處采樣,讀數(shù)≥3粒,則判定此處為漏。

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