HEPA ჰაერის ფილტრის მუშაობის ექსპერიმენტული კვლევა

თანამედროვე ინდუსტრიის განვითარებამ ექსპერიმენტების, კვლევისა და წარმოების გარემოზე მზარდი მოთხოვნები დააყენა. ამ მოთხოვნის მიღწევის მთავარი გზა სუფთა კონდიცირების სისტემებში ჰაერის ფილტრების ფართოდ გამოყენებაა. მათ შორის, HEPA და ULPA ფილტრები წარმოადგენს სუფთა ოთახში შემავალი მტვრის ნაწილაკების ბოლო დაცვას. მისი მუშაობა პირდაპირ კავშირშია სუფთა ოთახის დონესთან, რაც თავის მხრივ გავლენას ახდენს პროცესისა და პროდუქტის ხარისხზე. ამიტომ, მნიშვნელოვანია ფილტრზე ექსპერიმენტული კვლევის ჩატარება. ორი ფილტრის წინააღმდეგობის და ფილტრაციის მუშაობა შედარებული იქნა სხვადასხვა ქარის სიჩქარეზე, მინის ბოჭკოვანი ფილტრისა და PTFE ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობის გაზომვით 0.3 μm, 0.5 μm, 1.0 μm PAO ნაწილაკებისთვის. შედეგები აჩვენებს, რომ ქარის სიჩქარე ძალიან მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს HEPA ჰაერის ფილტრების ფილტრაციის ეფექტურობაზე. რაც უფრო მაღალია ქარის სიჩქარე, მით უფრო დაბალია ფილტრაციის ეფექტურობა და ეფექტი უფრო აშკარაა PTFE ფილტრებისთვის.

საკვანძო სიტყვები:HEPA ჰაერის ფილტრი; წინააღმდეგობის მახასიათებლები; ფილტრაციის მახასიათებლები; PTFE ფილტრის ქაღალდი; მინის ბოჭკოვანი ფილტრის ქაღალდი; მინის ბოჭკოვანი ფილტრი.
CLC ნომერი: X964 დოკუმენტის საიდენტიფიკაციო კოდი: A
მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უწყვეტი განვითარების კვალდაკვალ, თანამედროვე სამრეწველო პროდუქტების წარმოება და მოდერნიზაცია სულ უფრო და უფრო მოთხოვნადი ხდება შიდა ჰაერის სისუფთავის მიმართ. კერძოდ, მიკროელექტრონიკა, სამედიცინო, ქიმიური, ბიოლოგიური, კვების პროდუქტების გადამამუშავებელი და სხვა ინდუსტრიები საჭიროებენ მინიატურიზაციას. სიზუსტე, მაღალი სისუფთავე, მაღალი ხარისხი და მაღალი საიმედოობა შიდა გარემოში, რაც სულ უფრო და უფრო მაღალ მოთხოვნებს აკისრებს HEPA ჰაერის ფილტრის მუშაობას, ამიტომ მწარმოებლებისთვის გადაუდებელი აუცილებლობა გახდა, თუ როგორ უნდა დაამზადონ HEPA ფილტრი მომხმარებლის მოთხოვნის დასაკმაყოფილებლად. ერთ-ერთი გადაჭრილი პრობლემა [1-2]. კარგად არის ცნობილი, რომ ფილტრის წინააღმდეგობის მახასიათებლები და ფილტრაციის ეფექტურობა ფილტრის შეფასების ორი მნიშვნელოვანი ინდიკატორია. ეს ნაშრომი ცდილობს გააანალიზოს სხვადასხვა ფილტრის მასალის HEPA ჰაერის ფილტრის ფილტრაციის მახასიათებლები და წინააღმდეგობის მახასიათებლები ექსპერიმენტებით [3] და ერთი და იგივე ფილტრის მასალის სხვადასხვა სტრუქტურით. ფილტრის ფილტრაციის მახასიათებლები და წინააღმდეგობის თვისებები თეორიულ საფუძველს წარმოადგენს ფილტრის მწარმოებლისთვის.

1 ტესტის მეთოდის ანალიზი
HEPA ჰაერის ფილტრების აღმოჩენის მრავალი მეთოდი არსებობს და სხვადასხვა ქვეყანას განსხვავებული სტანდარტები აქვს. 1956 წელს აშშ-ის სამხედრო კომისიამ შეიმუშავა USMIL-STD282, HEPA ჰაერის ფილტრის ტესტის სტანდარტი და DOP მეთოდი ეფექტურობის ტესტირებისთვის. 1965 წელს დაარსდა ბრიტანული სტანდარტი BS3928 და ეფექტურობის აღმოჩენისთვის გამოყენებული იქნა ნატრიუმის ალის მეთოდი. 1973 წელს ევროპის ვენტილაციის ასოციაციამ შეიმუშავა Eurovent 4/4 სტანდარტი, რომელიც მიჰყვებოდა ნატრიუმის ალის აღმოჩენის მეთოდს. მოგვიანებით, გარემოსდაცვითი ტესტირებისა და ფილტრის ეფექტურობის მეცნიერების ამერიკულმა საზოგადოებამ შეადგინა მსგავსი სტანდარტების სერია რეკომენდებული ტესტირების მეთოდებისთვის, ყველა მათგანი იყენებდა DOP კალიპერის დათვლის მეთოდს. 1999 წელს ევროპამ დაამკვიდრა BSEN1822 სტანდარტი, რომელიც იყენებს ყველაზე გამჭვირვალე ნაწილაკების ზომას (MPPS) ფილტრაციის ეფექტურობის დასადგენად [4]. ჩინეთის აღმოჩენის სტანდარტი იყენებს ნატრიუმის ალის მეთოდს. ამ ექსპერიმენტში გამოყენებული HEPA ჰაერის ფილტრის მუშაობის აღმოჩენის სისტემა შემუშავებულია აშშ-ის 52.2 სტანდარტის საფუძველზე. აღმოჩენის მეთოდი იყენებს კალიპერის დათვლის მეთოდს, ხოლო აეროზოლი - PAO ნაწილაკებს.
1. 1 მთავარი ინსტრუმენტი
ეს ექსპერიმენტი იყენებს ორ ნაწილაკების მთვლელს, რომლებიც მარტივი, მოსახერხებელი, სწრაფი და ინტუიციურია სხვა ნაწილაკების კონცენტრაციის სატესტო მოწყობილობებთან შედარებით [5]. ნაწილაკების მთვლელის ზემოთ ჩამოთვლილი უპირატესობები მას თანდათანობით ცვლის სხვა მეთოდებს და ნაწილაკების კონცენტრაციის მთავარ სატესტო მეთოდად აქცევს. მათ შეუძლიათ როგორც ნაწილაკების რაოდენობის, ასევე ნაწილაკების ზომის განაწილების (ანუ რაოდენობის დათვლა) დათვლა, რაც ამ ექსპერიმენტის ძირითადი მოწყობილობაა. სინჯის აღების ნაკადის სიჩქარეა 28.6 ლ/წთ, ხოლო მის უჟანგავი ვაკუუმურ ტუმბოს აქვს დაბალი ხმაურისა და სტაბილური მუშაობის მახასიათებლები. თუ ეს ვარიანტი დაინსტალირებულია, შესაძლებელია ტემპერატურისა და ტენიანობის, ასევე ქარის სიჩქარის გაზომვა და ფილტრის ტესტირება.
დეტექციის სისტემა იყენებს აეროზოლებს, რომლებიც ფილტრაციისთვის მტვრის სახით იყენებენ PAO ნაწილაკებს. ჩვენ ვიყენებთ აშშ-ში წარმოებულ TDA-5B მოდელის აეროზოლურ გენერატორებს (აეროზოლის თაობები). გავრცელების დიაპაზონია 500 – 65000 cfm (1 cfm = 28.6 LPM), ხოლო კონცენტრაციაა 100 μg/L, 6500 cfm; 10 μg/L, 65000 cfm.
1. 2 სუფთა ოთახი
ექსპერიმენტის სიზუსტის გასაუმჯობესებლად, 10,000 დონის ლაბორატორია დაპროექტდა და გაფორმდა აშშ-ის ფედერალური სტანდარტის 209C შესაბამისად. გამოყენებულია საფარის იატაკი, რომელიც ხასიათდება ტერაცოს, ცვეთამედეგობის, კარგი დალუქვის, მოქნილობისა და რთული კონსტრუქციის უპირატესობებით. მასალაა ეპოქსიდური ლაქი, ხოლო კედელი დამზადებულია აწყობილი სუფთა ოთახის საფარისგან. ოთახი აღჭურვილია 220 ვოლტიანი, 2×40 ვატიანი გამწმენდი 6 ნათურით და მოწყობილია განათებისა და საველე აღჭურვილობის მოთხოვნების შესაბამისად. სუფთა ოთახს აქვს 4 ზედა ჰაერის გამოსასვლელი და 4 ჰაერის დაბრუნების პორტი. ჰაერის საშხაპე ოთახი განკუთვნილია ერთი ჩვეულებრივი შეხებით მართვისთვის. ჰაერის საშხაპე დროა 0-100 წმ, ხოლო ნებისმიერი რეგულირებადი ცირკულირებადი ჰაერის მოცულობის საქშენის ქარის სიჩქარე მეტია ან ტოლია 20 ms-ის. რადგან სუფთა ოთახის ფართობი <50 მ2-ია და პერსონალი <5 ადამიანია, სუფთა ოთახისთვის გათვალისწინებულია უსაფრთხო გასასვლელი. შერჩეული HEPA ფილტრია GB01×4, ჰაერის მოცულობაა 1000 მ3/სთ, ხოლო ფილტრაციის ეფექტურობა მეტია ან ტოლია 0.5 მკმ-ისა და 99.995%-ის.
1. 3 ექსპერიმენტული ნიმუში
მინაბოჭკოვანი ფილტრის მოდელებია: 610 (სიგრძე) × 610 (სიმაღლე) × 150 (სიგანე) მმ, დეფლექტორის ტიპი, 75 ნაოჭი, ზომა 610 (სიგრძე) × 610 (სიმაღლე) × 90 (სიგანე) მმ, 200 ნაკეცით, PTFE ფილტრის ზომა 480 (სიგრძე) × 480 (სიმაღლე) × 70 (სიგანე) მმ, დეფლექტორის გარეშე, 100 ნაოჭით.
2 ძირითადი პრინციპი
სატესტო მაგიდის ძირითადი პრინციპია ვენტილატორის ჰაერში გაშვება. რადგან HEPA/UEPA ასევე აღჭურვილია HEPA ჰაერის ფილტრით, შეიძლება ჩაითვალოს, რომ ჰაერი სუფთა გახდა ტესტირებული HEPA/UEPA-მდე მიღწევამდე. მოწყობილობა გამოყოფს PAO ნაწილაკებს მილსადენში მტვრის შემცველი აირის სასურველი კონცენტრაციის შესაქმნელად და იყენებს ლაზერულ ნაწილაკების მთვლელს ნაწილაკების კონცენტრაციის დასადგენად. შემდეგ მტვრის შემცველი აირი მიედინება ტესტირებული HEPA/UEPA-ს გავლით და HEPA/UEPA-ს მიერ გაფილტრულ ჰაერში მტვრის ნაწილაკების კონცენტრაცია ასევე იზომება ლაზერული ნაწილაკების მთვლელის გამოყენებით და შედარებულია ჰაერის მტვრის კონცენტრაცია ფილტრამდე და მის შემდეგ, რითაც განისაზღვრება HEPA/UEPA ფილტრის მუშაობა. გარდა ამისა, ფილტრამდე და მის შემდეგ შესაბამისად არის განლაგებული სინჯის აღების ხვრელები და თითოეული ქარის სიჩქარის წინააღმდეგობა შემოწმებულია დახრილი მიკრო წნევის საზომით.

3 ფილტრის წინააღმდეგობის მახასიათებლების შედარება
HEPA-ს წინაღობის მახასიათებელი HEPA-ს ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია. მოსახლეობის მოთხოვნის ეფექტურობის დაკმაყოფილების წინაპირობის გათვალისწინებით, წინაღობის მახასიათებლები დაკავშირებულია გამოყენების ღირებულებასთან, წინააღმდეგობა მცირეა, ენერგიის მოხმარება მცირეა და ხარჯები დაზოგილია. ამიტომ, ფილტრის წინაღობის მახასიათებლები საზრუნავად იქცა. ეს ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მაჩვენებელია.
ექსპერიმენტული გაზომვის მონაცემების მიხედვით, მიღებულია ორი განსხვავებული სტრუქტურული ფილტრისა და PTFE ფილტრის საშუალო ქარის სიჩქარესა და ფილტრის წნევის სხვაობას შორის კავშირი.ურთიერთობა ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში:

ექსპერიმენტული მონაცემებიდან ჩანს, რომ ქარის სიჩქარის ზრდასთან ერთად, ფილტრის წინააღმდეგობა წრფივად იზრდება დაბალიდან მაღალზე და მინაბოჭკოვანი ორი ფილტრის ორი სწორი ხაზი არსებითად ემთხვევა ერთმანეთს. ადვილი დასანახია, რომ როდესაც ფილტრაციის ქარის სიჩქარე 1 მ/წმ-ია, მინაბოჭკოვანი ფილტრის წინააღმდეგობა დაახლოებით ოთხჯერ აღემატება PTFE ფილტრის წინააღმდეგობას.

ფილტრის ფართობის ცოდნით, შესაძლებელია სახის სიჩქარესა და ფილტრის წნევის სხვაობას შორის დამოკიდებულების გამოთვლა:
ექსპერიმენტული მონაცემებიდან ჩანს, რომ ქარის სიჩქარის ზრდასთან ერთად, ფილტრის წინააღმდეგობა წრფივად იზრდება დაბალიდან მაღალ სიჩქარემდე და მინაბოჭკოვანი ორი ფილტრის ორი სწორი ხაზი არსებითად ემთხვევა ერთმანეთს. ადვილი შესამჩნევია, რომ როდესაც ფილტრაციის ქარის სიჩქარე 1 მ/წმ-ია, მინაბოჭკოვანი ფილტრის წინააღმდეგობა დაახლოებით ოთხჯერ აღემატება PTFE ფილტრის წინააღმდეგობას.

ფილტრის ფართობის ცოდნით, შესაძლებელია სახის სიჩქარესა და ფილტრის წნევის სხვაობას შორის დამოკიდებულების გამოთვლა:

ორი სახის ფილტრის ფილტრის ზედაპირულ სიჩქარესა და ორი ფილტრის ქაღალდის ფილტრის წნევის სხვაობის გამო, იმავე ზედაპირული სიჩქარით 610×610×90 მმ სპეციფიკაციით ფილტრის წინააღმდეგობა უფრო მაღალია, ვიდრე 610× სპეციფიკაციით. 610 x 150 მმ ფილტრის წინააღმდეგობა.

თუმცა, ცხადია, რომ ერთი და იგივე ზედაპირული სიჩქარის დროს, მინის ბოჭკოვანი ფილტრის წინააღმდეგობა უფრო მაღალია, ვიდრე PTFE-ს წინააღმდეგობა. ეს აჩვენებს, რომ PTFE წინააღმდეგობის მახასიათებლების თვალსაზრისით აღემატება მინის ბოჭკოვან ფილტრს. მინის ბოჭკოვანი ფილტრისა და PTFE-ს წინააღმდეგობის მახასიათებლების უკეთ გასაგებად, ჩატარდა დამატებითი ექსპერიმენტები. ორი ფილტრის ქაღალდის წინააღმდეგობის უშუალოდ შესასწავლად ფილტრის ქარის სიჩქარის ცვლილებასთან ერთად, ექსპერიმენტის შედეგები ნაჩვენებია ქვემოთ:

ეს კიდევ უფრო ადასტურებს წინა დასკვნას, რომ მინაბოჭკოვანი ფილტრის ქაღალდის წინააღმდეგობა უფრო მაღალია, ვიდრე PTFE-ს იმავე ქარის სიჩქარის პირობებში [6].
4 ფილტრის ფილტრის მუშაობის შედარება
ექსპერიმენტული პირობების მიხედვით, შესაძლებელია ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობის გაზომვა 0.3 μm, 0.5 μm და 1.0 μm ნაწილაკების ზომის ნაწილაკებისთვის სხვადასხვა ქარის სიჩქარის დროს და მიიღება შემდეგი დიაგრამა:

ცხადია, ორი მინაბოჭკოვანი ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობა 1.0 μm ნაწილაკებისთვის სხვადასხვა ქარის სიჩქარის დროს 100%-ია, ხოლო 0.3 μm და 0.5 μm ნაწილაკების ფილტრაციის ეფექტურობა მცირდება ქარის სიჩქარის მატებასთან ერთად. ჩანს, რომ ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობა დიდი ნაწილაკებისთვის უფრო მაღალია, ვიდრე პატარა ნაწილაკებისთვის და 610×610×150 მმ ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობა აღემატება 610×610×90 მმ სპეციფიკაციის ფილტრს.
იმავე მეთოდის გამოყენებით, მიიღება გრაფიკი, რომელიც აჩვენებს 480×480×70 მმ PTFE ფილტრის ფილტრაციის ეფექტურობის ქარის სიჩქარის ფუნქციასთან კავშირს:

ნახ. 5-ისა და ნახ. 6-ის შედარებისას, 0.3 μm, 0.5 μm ნაწილაკების მინის ფილტრის ფილტრაციის ეფექტი უკეთესია, განსაკუთრებით 0.3 μm მტვრის კონტრასტული ეფექტისთვის. სამივე ნაწილაკის ფილტრაციის ეფექტი 1 μm ნაწილაკებზე 100%-ს შეადგენდა.
მინაბოჭკოვანი ფილტრისა და PTFE ფილტრის მასალის ფილტრაციის მახასიათებლების უფრო ინტუიციურად შესადარებლად, ფილტრის მუშაობის ტესტები პირდაპირ ორ ფილტრის ქაღალდზე ჩატარდა და მიღებული იქნა შემდეგი დიაგრამა:

ზემოთ მოცემული დიაგრამა მიღებულია PTFE-სა და მინაბოჭკოვანი ფილტრის ქაღალდის ფილტრაციის ეფექტის გაზომვით 0.3 μm ნაწილაკებზე სხვადასხვა ქარის სიჩქარით [7-8]. აშკარაა, რომ PTFE ფილტრის ქაღალდის ფილტრაციის ეფექტურობა უფრო დაბალია, ვიდრე მინაბოჭკოვანი ფილტრის ქაღალდისა.
ფილტრის მასალის წინააღმდეგობისა და ფილტრაციის თვისებების გათვალისწინებით, ადვილი დასადგენია, რომ PTFE ფილტრის მასალა უფრო შესაფერისია უხეში ან სუბ-HEPA ფილტრების დასამზადებლად, ხოლო მინის ბოჭკოვანი ფილტრის მასალა უფრო შესაფერისია HEPA ან ულტრა-HEPA ფილტრების დასამზადებლად.
5 დასკვნა
ფილტრის სხვადასხვა გამოყენების პერსპექტივები შესწავლილია PTFE ფილტრების წინააღმდეგობისა და ფილტრაციის თვისებების მინის ბოჭკოს ფილტრებთან შედარებით. ექსპერიმენტიდან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ქარის სიჩქარე ძალიან მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს HEPA ჰაერის ფილტრის ფილტრაციის ეფექტზე. რაც უფრო მაღალია ქარის სიჩქარე, მით უფრო დაბალია ფილტრაციის ეფექტურობა, მით უფრო აშკარაა გავლენა PTFE ფილტრზე და საერთო ჯამში, PTFE ფილტრს აქვს უფრო დაბალი ფილტრაციის ეფექტი, ვიდრე მინის ბოჭკოს ფილტრს, მაგრამ მისი წინააღმდეგობა უფრო დაბალია, ვიდრე მინის ბოჭკოს ფილტრის. ამიტომ, PTFE ფილტრის მასალა უფრო შესაფერისია უხეში ან დაბალი ეფექტურობის ფილტრის დასამზადებლად, ხოლო მინის ბოჭკოს ფილტრის მასალა უფრო შესაფერისია ეფექტური ან ულტრაეფექტური ფილტრის წარმოებისთვის. 610×610×150 მმ სპეციფიკაციით მინის ბოჭკოს HEPA ფილტრი უფრო დაბალია, ვიდრე 610×610×90 მმ მინის ბოჭკოს HEPA ფილტრი, ხოლო ფილტრაციის ეფექტურობა უკეთესია, ვიდრე 610×610×90 მმ მინის ბოჭკოს HEPA ფილტრი. ამჟამად, სუფთა PTFE ფილტრის მასალის ფასი უფრო მაღალია, ვიდრე მინის ბოჭკოს. თუმცა, მინის ბოჭკოსთან შედარებით, PTFE-ს უკეთესი ტემპერატურასთან, კოროზიასთან და ჰიდროლიზთან შედარებით აქვს უკეთესი მდგრადობა. ამიტომ, ფილტრის წარმოებისას გასათვალისწინებელია სხვადასხვა ფაქტორი. გააერთიანეთ ტექნიკური და ეკონომიკური მახასიათებლები.
ცნობები:
[1] ლიუ ლაიჰონგი, ვანგ შიჰონგი. ჰაერის ფილტრების შემუშავება და გამოყენება [J]•ფილტრაცია და გამოყოფა, 2000, 10(4): 8-10.
[2] CN Davis-ის ჰაერის ფილტრი [M], თარგმნილი ჰუანგ რიგუანგის მიერ. პეკინი: Atomic Energy Press, 1979.
[3] GB/T6165-1985 მაღალი ეფექტურობის ჰაერის ფილტრის მუშაობის ტესტირების მეთოდი გამტარობისა და წინააღმდეგობის მიხედვით [M]. სტანდარტების ეროვნული ბიურო, 1985.
[4] სინგ სონგნიანი. მაღალი ეფექტურობის ჰაერის ფილტრის აღმოჩენის მეთოდი და პრაქტიკული გამოყენება [J] • ბიოდამცავი ეპიდემიის პრევენციის აღჭურვილობა, 2005, 26(1): 29-31.
[5] ჰოხრაინერი. ნაწილაკების მრიცხველის შემდგომი განვითარება
sizerPCS-2000 მინის ბოჭკო [J]•ფილტრის ჟურნალი აეროზოლის მეცნიერება, 2000,31(1): 771-772.
[6]ე. Weingartner, P. Haller, H. Burtscher და ა.შ. წნევა
DropAcrossFiberFilters[J]•აეროზოლური მეცნიერება, 1996, 27(1): 639-640.
[7] მაიკლ ჯ.მ. და კლაიდ ორი. ფილტრაცია - პრინციპები და პრაქტიკა [მ.].
ნიუ-იორკი: MarcelDekkerInc, 1987 •
[8] ჟანგ გუოკუანი. აეროზოლური მექანიკა - მტვრის მოცილების და გაწმენდის თეორიული საფუძველი [M] • პეკინი: ჩინეთის გარემოსდაცვითი მეცნიერების გამომცემლობა, 1987.