室内污染控制与洁净技术4章(微粒控制机理与方法)课件

室内污染控制与洁净技术第四章：空气中微粒控制机理与方法室内污染控制与洁净技术第四章：空气中微粒控制机理与方法空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产品的质量。良好的生产环境是保证产品质量、提高生产效率的必要条件。为了有效控制空气中微粒对生产环境的污染,必须对空气中微粒的类型、微粒运动特性、分布规律及其影响因素等全面了解,在此基础上提出相应的控制方法与策略。本章节针对上述内容讨论空气中微粒控制一些基本理论和方法。概述：第四章：空气中微粒控制机理与方法空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产品的质微粒控制技术基础4.1微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用4.3静电过滤技术4.4第四章：空气中微粒控制机理与方法微粒控制技术基础4.1微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用4由ISO中指出,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。概述：4.1微粒控制技术基础了解空气中微粒的特性,及其在空气中如何运动及其分布规律是空气洁净技术(微粒控制)的重要基础。微粒:气溶胶状态污染物俗称为微粒。由ISO中指出,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子1.微粒的分类1)按微粒来源分类①无机性微粒:如金属尘粒、矿物尘粒和建材尘粒等。②有机性微粒:如植物纤维;动物毛、发、角质、皮屑;化学染料和塑料等。③生物微粒:如各种藻类、菌类、原生动物和病毒等。2)按微粒形成方式分类

①分散性微粒:系指固体或液体在分裂、破碎、气流和振荡等作用下变成悬浮状态的粒子。②凝结性微粒:指通过燃烧、升华、蒸气凝结及气体反应而形成的粒子。3)按微粒大小分类

微粒大小为10-7～10-1cm,随着微粒大小的变化,其物理性质和规律都将发生变化。

①可见微粒:肉眼可见,微粒直径大于10μm。②显微微粒:在普通显微镜下可以看见,微粒直径为0.25～10μm。③超显微微粒:在超显微镜或电子显微镜下可以看见,微粒直径小于0.25μm。4.1.1微粒的类型、粒径及其统计分布4.1微粒控制技术基础1.微粒的分类1)按微粒来源分类2)按微粒形成方式分类①分在ISO14644－1标准中,将微粒直径为0.1～0.5μm的称为微粒,将微粒直径小于0.1μm的称为超微粒,而将直径大于0.5μm的称为大粒子。4)按微粒通俗分类①灰尘:包括所有固体分散性微粒。这类微粒在空气中的运动受到重力、扩散等多种因素的作用,它是空气洁净技术接触最多的一种粉尘微粒。②烟:包括所有固态凝结体微粒以及液态粒子和固态粒子因凝结作用而产生的微粒,还有从液态过渡到结晶态粒子而产生的微粒。一般情况下,烟的微粒大小远在0.5μm以下(如香烟的烟、木材的烟、油烟、煤烟等),在空气中主要做布朗运动,有相当强的扩散能力。在静止空气总很难沉降。③雾:包括所有液态分散性微粒和液态凝集性微粒。其微粒大小因生成状态而异,介于0.1～10μm之间。微粒运动性质主要受斯托克斯定律支配。例如,从SO2气体产生的硫酸雾,因加热和压缩空气的作用产生油雾。④烟雾:包括液态和固态,既含有凝集性微粒,又含有分散性微粒。微粒大小从十分之几微米到几十微米。4.1微粒控制技术基础图4.1为气溶胶微粒的大小和范围。在ISO14644－1标准中,将微粒直径为0.1～0图4.1微粒的大小和范围4.1微粒控制技术基础图4.1微粒的大小和范围4.1微粒控制技术基础2.微粒粒径1)单一微粒粒径在洁净技术中,粒径是指通过微粒内部的某个长度因次,并不含有规则几何形状的意义,只是便于比较粒子大小的一种“名义尺寸”。粒径的确定可分为2大类：一类是按微粒几何性质直接进行测定和定义的，如显微镜法确定的粒径；另一类是按微粒某种物理性质间接进行测定和定义的。如采用光电法、沉降法确定的直径，实际上是一种当量直径或等价直径。①显微镜观测法用显微镜测定时,可采用以下3种方法表示,如图4.2所示:(1)定向直径dF;(2)定向面积等分直径dM;(3)投影圆直径dH

。4.1微粒控制技术基础2.微粒粒径1)单一微粒粒径在洁净技术中,粒径是指通图4.2用显微镜观察粒径的3种方法沉降直径dS表示在静止空气中沉降速度与所测微粒沉降速度相等的、具有和微粒相同密度的球体直径。空气动力学直径da表示在空气中与微粒的沉降速度相等的单位密度的球的直径。若用表示微粒单位密度,则da为：②沉降法4.1微粒控制技术基础图4.2用显微镜观察粒径的3种方法沉降直径dS表示在静③光散射法用光散射式粒子计数器测定时,可得到等体积直径de,表示与微粒体积相等的球的直径。若微粒体积为V，则de为:2)平均粒径气溶胶粒子是粒径不等的粒子集合体,由于微粒的形状各不相同，为了简便地反映所研究的粒子群的全部粒子的粒径特征,通常用“平均粒径”的概念。算术平均粒径：式中:d--粒子直径；n--粒子个数。4.1微粒控制技术基础③光散射法用光散射式粒子计数器测定时,可得到等体积表4.1平均粒径的计算公式4.1微粒控制技术基础表4.1平均粒径的计算公式4.1微粒控制技术基础3.粒径分布在空气洁净技术中,经常要接触许多关于微粒大小的数据,尽管微粒大小的数据看上去是杂乱无章的,但通过对这些微粒数据做一番科学的整理分析,就可找出微粒按粒径分布和按密度分布的规律,从而可为测尘、防尘、除尘和净化采取技术措施提供理论依据。表4.2给出了以粒数分布表示的微粒频率分布。表4.2频率分布4.1微粒控制技术基础3.粒径分布在空气洁净技术中,经常要接触许多关于微粒图4.3粒径相对频率分布图4.3给出了微粒分布的频率。图中虚线则为由直方图光滑后的粒径分布曲线。4.1微粒控制技术基础图4.3粒径相对频率分布图4.3给出了微粒分布的频4.1.2室内微粒运动特性及影响因素1.微粒运动特性微粒伴随着气流力、惯性力、沉降和扩散而运动。作用于微粒上的力大致可分为:①质量力；②分子作用力；③场力(如电磁场力、浓度、温度场力等)；④粒子间的吸引力；⑤气流力。对于洁净室的污染控制来说,

气流力(这里是指送、回风气流和热对流及人工搅动引起的气流力等)的影响因素最大；其次为质量力(重力、惯性力)、分子扩散力。

1)微粒的重力沉降作用

图4.4为空间中的微粒,将受到重力F1、浮力F2和介质阻力F3的共同作用。4.1微粒控制技术基础4.1.2室内微粒运动特性及影响因素1.微粒运动特性当阻力、浮力、重力平衡,即F1-F2=F3时,微粒达到等速沉降,此时的速度v=vs,称vs为沉降速度或斯托克斯速度(m/s),可由斯托克斯速度式求出：式中：

—微粒直径(m);

—微粒和空气的密度(kg/m3);

—阻力系数。取决于微粒在气流中的流动状态。对于非球形微粒,当达到等速沉降时,其沉降速度vs(cm/s)(斯托克斯速度)可简化为：式中,在气溶胶技术中一般设=1000kg/m3,而对大气尘微粒一般设=2000kg/m3,若以大气尘微粒密度为例,则可得到vs与关系式:图4.4球形微粒沉降时受到的力4.1微粒控制技术基础当阻力、浮力、重力平衡,即F1-F2=F3时,微粒达从计算结果可以得出,对于＝1μm的微粒,vs＝0.006cm/s,从工作区(离地面0.8m)降到地面就需4h;而对于0.5μm以下的微粒,其扩散距离接近甚至超过了沉降距离,所以就更不容易沉降了。因此,重力沉降作用对极小微粒不会有多大影响。2)惯性力对微粒运动的影响微粒在惯性力作用下的运动,就是在获得初速度后,外力随即消失而只依靠惯性力作用下的运动。当t→∞时,即可求得稳定时微粒惯性运动距离SR为：根据牛顿定律,结合斯托克斯方程即可推导出微粒运动与时间t的关系式为：4.1微粒控制技术基础从计算结果可以得出,对于＝1μm的微粒,vs＝0式中：

—微粒获得的初速度,cm/s;

C—微粒滑动修正系数,其值随粒径增大而减小;

—表征微粒从某一初始稳定状态变化到某一终了稳定状态所需的时间。在气溶胶力学中被称为“张弛时间”。表4.3给出了微粒在惯性力作用下的运动状态。表4.3在惯性力作用下(2000C)时微粒(=2g/cm3)的水平运动距离由表中可见,以1000cm/s的初速度被抛射出去的微粒,由于速度迅速衰减,所以微粒水平运动的距离极短,单靠机械力飞扬是不大现实的。4.1微粒控制技术基础式中：—微粒获得的初速度,cm/s;表4.3给出了微3)微粒的扩散运动空气中的微粒由于与做布朗运动的空气分子相撞击而产生显著不均衡位移,如图4.5所示。图4.5分子和微粒的扩散运动微粒扩散的平均位移量为：

式中：t—时间，s；D—微粒的分子扩散系数，cm2/s。4.1微粒控制技术基础3)微粒的扩散运动空气中的微粒由于与做布朗运动的空气表4.4给出了不同粒径的扩散运动距离。表4.4t=1s的微粒扩散运动距离从表中可见,微粒单依靠扩散而运动的距离是微不足道的。4)微粒在表面上的沉积微粒在表面上的沉积分室内有送风和无送风2种情况，前者比后者的表面沉积要大得多，且有送风的洁净环境相对无送风情况多得多。所以，这里只介绍前一种情况。4.1微粒控制技术基础表4.4给出了不同粒径的扩散运动距离。表4.4t=1s的微粒在送风室内表面上的沉积的计算，日本学者菅原文子等曾给出了简化计算公式：式中：Ng——

沉积在表面上的微粒数；f

——

沉积面积；t——

沉积的时间；N

——

洁净室的含尘浓度。上式中，只考虑了微粒的沉降沉积的作用，而在实际的送风室内，气流中的微粒是通过多种途径沉积到平面上的，除沉降沉积外，还有惯性沉积、拦截沉积、扩散沉积等因素的影响，考虑到这些因素的影响，对上式进行了修正，修正系数用α表示，则上式变为：式中：α——修正系数,与粒径有关的参数,由表4.5选取。4.1微粒控制技术基础微粒在送风室内表面上的沉积的计算，日本学者菅原文子等表4.5α值（≥30cm平面）若假设洁净室含尘浓度为N=1000pc/L=1pc/cm3，对于空气中0.5μm以上的标准粒径分布可算出:ds=0.98μm≈1μm，即洁净室空气中0.5μm的微粒沉积量,可以看作全都是直径为1μm的微粒的沉积量。这样就可以计算出当空气含尘浓度为1000pc/L,具有0.3m/s气流速度的洁净室内每小时每平方厘米面积上总微粒沉积量为：由计算结果可知，微粒在垂直表面上的沉积量和在底（平）面上的沉积量相比是很小的，所以对洁净室墙面要求用高级的不锈钢之类材料是完全没有必要的。4.1微粒控制技术基础表4.5α值（≥30cm平面）若假设洁净室含尘浓2.气流对微粒运动的影响从上述的讨论中可以看出,微粒在重力、惯性力和扩散力作用下,自身运动的速度和距离是很微小的,对于1μm微粒来说,其运动速度在0.004～0.006cm/s,而室内气流的速度(包括热气流的对流速度)则一般在0.1m/s以上。在运动的气流中,小微粒几乎以完全相同的速度跟随气流运动,只是相对于气流有一个滞后的时间,但这对所研究的问题便没有影响。所以,在室内空气总微粒运动状态主要是由气流分布作用决定的,室内微粒所受到的气流的作用主要有:关于气流对微粒运动影响将在洁净室单向流特性中介绍。①送风气流(包括一次流和二次流);

②人行走时引起的气流;③室内热对流气流。4.1微粒控制技术基础2.气流对微粒运动的影响从上述的讨论中可以看出,微粒4.2微粒控制技术概述：把固态或液态的微粒从气流中分离出来，一般有4种方法：从空气洁净技术角度看，室内空气中微粒浓度相对较低，微粒尺寸很小，而且要确保末级过滤效果，所以主要采用带有阻隔性质的过滤分离来消除气流中的微粒，其次是电力分离的办法。①机械分离;②电力分离;③洗涤分离;④过滤分离。4.2微粒控制技术概述：把固态或液态的微粒从气流中分离出来4.2.1纤维过滤技术微粒过滤器可分为2大类：①表面过滤器;②深层过滤器。有金属网、多孔板、化学微孔滤膜等形式,空气中的微粒在表面被捕集。其中微孔滤膜表面带有大量电荷,均匀的分布着0.1～10μm的小孔，平均1cm2上有107～108个小孔,孔隙率高达70～80%。这些孔沿厚度方向可以近似看成毛细管。比孔径大的微粒100%被截留于表面,一般认为滤膜能截留的最小微粒径为平均孔径的1/10～1/15。微孔滤膜具有很高过滤效率,除广泛用液体过滤外,主要用于小气量如采样过滤器;有时也用于特殊要求的无菌、无尘的末段过滤。1)表面过滤器①高填充率;②低填充率(又称为低空隙率和高空隙率)。2)深层过滤器4.2微粒控制技术4.2.1纤维过滤技术微粒过滤器可分为2大类：①表面过滤填充率α为：高填充率过滤：

填充层具有活性炭层、各种厚度滤纸层、多孔质的滤材滤膜等,所形成的微细孔滤膜相当于毛细管的作用,具有表面捕集和微细孔内部捕集,但主要是后者起作用,微孔滤膜过滤器具有很高的效率,比纤维过滤器可靠,主要用于气体净化中无尘无菌的末级过滤。低填充率过滤器：

包括纤维填充层、无纺布和滤纸的过滤器,虽然这类过滤器内部纤维配置也很复杂,但由于空隙率较大,过滤器阻力较小,效率很高,具有极好的使用价值,特别在空气洁净技术领域应用极广,所以受到重视。4.2微粒控制技术填充率α为：高填充率过滤：低填充率过滤器：4.2微粒控制技4.2.2纤维过滤器的基本过滤过程过滤材料的性质、被过滤微粒的性质以及他们相互间的作用,对过滤过程均有极其重要的影响。过滤过程可归结为2个阶段。1)稳定阶段在这个阶段,过滤器对微粒的捕集效率和阻力是不随时间而改变的，而是由过滤器的固有结构、微粒的性质和气流的特点决定。对于过滤微粒浓度很低的气流,如在空气洁净技术中过滤室内空气,稳定阶段对于过滤器非常重要。2)非稳定阶段在非稳定阶段,捕集效率和阻力不取决于微粒的性能,而是随时间的变化而变化。主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响而变化。尽管非稳定阶段与稳定阶段相比要长得多,且对一般工业用过滤器有决定意义,但是在空气洁净技术中的高效空气过滤器则意义不大。4.2微粒控制技术4.2.2纤维过滤器的基本过滤过程过滤材料的性质、4.2.3纤维过滤器的过滤机理根据对纤维过滤器研究的结论,过滤层捕集微粒的作用效应至少有5种：1)拦截效应对于粒径在亚微米范围内的小尘粒,尘粒随着气流流线运动,当流线紧靠纤维表面时,尘粒由于与纤维表面发生接触而被拦截(阻留)下来。2)惯性效应微粒随气流在纤维层内穿过时,其流线要多次的拐弯,在流线拐弯时,微粒由于惯性来不及跟随流线绕过纤维,因而脱离流线向纤维靠近,并碰撞在纤维上而沉积下来。3)扩散效应由于气体分子热运动,微粒越小,布朗运动越显著。对常温下0.1μm的微粒每秒钟扩散距离达17μm,比纤维间距离大几倍至几十倍,这就使微粒有更大的机会与纤维接触,并附着在纤维上。微粒越小,过滤速度越低,扩散效应就越显著。4.2微粒控制技术4.2.3纤维过滤器的过滤机理根据对纤维过滤器研究的结论,4)重力效应微粒通过纤维层时,在重力作用下,发生脱离气流流线的位移而沉降在纤维表面上,对于粒径小于0.5μm的微粒的过滤,重力沉降完全可以忽略。(见图4.6d)图4.6纤维过滤器的滤尘机理5)静电效应当含尘气流通过纤维滤料时,由于气流摩擦等原因,纤维和微粒都可能带上电荷,产生吸引微粒的静电效应。(见图4.6e)

上述各种作用效应,对某种微粒的捕集,可能是由于上述5种机理的共同作用,也可能是由于其中某一种或几种过滤机理起主要作用,这主要是由微粒的粒径、纤维直径、纤维层的填充率和气流速度等条件决定的。4.2微粒控制技术4)重力效应微粒通过纤维层时,在重力作用下,发生脱离4.2.4影响纤维过滤器效率的因素主要因素有：①微粒直径；②纤维粗细；③过滤速度；④填充率。1)微粒尺寸的影响由于各种效应的作用,粒径较小的微粒在扩散效应作用下,在滤材上沉积。当粒径由小到大时,扩散效率逐渐下降,拦截、惯性效率逐渐增大;粒径较大的微粒在拦截和惯性效应的作用下在纤维上沉积。与微粒的粒径有关的效率曲线就有一个最低点,此点的总效率最低或穿透率最大,出现在0.1～0.4μm,如图4.7所示。图4.7效率与粒径的关系4.2微粒控制技术4.2.4影响纤维过滤器效率的因素主要因素有：①微粒直径；图4.8给出了直径微粒1.5μm的玻璃纤维层过滤器的最大穿透率受滤速影响的试验结果。图4.8不同滤速时穿透率和粒径的关系2)微粒形状影响由于球形微粒与纤维滤料接触时的接触面积比不规则形状微粒要小,所以实际上不规则形状微粒的沉积几率较大,球形粒子具有较大穿透率。3)微粒种类影响实验表明,过滤固态微粒比过滤液态微粒效率要高。①固态微粒的凝聚较液态显著；②电荷对固态微粒的影响较液态大；③固态微粒能明显增加过滤器负荷；④液态微粒被捕集到纤维上时发生破损；⑤不同相态密度上的差异等。其原因归纳起来：4.2微粒控制技术图4.8给出了直径微粒1.5μm的玻璃纤维层过滤器的最大穿透4)过滤速度的影响与最大穿透粒径一样,每种过滤器都有最大穿透速度,如图4.9所示。随着过滤速度增大扩散效率下降,惯性和惯性效率增大,总效率则是先下降随后上升,即存在一个最低效率或者最大穿透率的滤速。图4.10为某单一玻璃纤维的效率和滤速的定量关系。当纤维粒径为20μm时,0.7μm微粒的最大穿透率在流速为0.8m/s附近,而2μm微粒的这个数值则在0.2～0.3m/s。所以,在设计过滤器时,应根据需要过滤掉粒径范围和纤维直径选取合理滤速。

图4.9滤速对各类效率的影响图4.10滤速对单一纤维效率的影响4.2微粒控制技术4)过滤速度的影响与最大穿透粒径一样,每种过滤器都有最大穿透5)纤维填充率的影响实验证明,若增大纤维滤料的填充率,则纤维层的密实度随之增大,纤维间的流速加快,惯性效率和拦截效率都会提高,扩散效率下降,而总效率得到提高。但此时阻力的增加比总效率的提高要快得多。所以,一般不采用增大填充率来提高过滤效率。6)气流温度、湿度、压力的影响被过滤气流温度升高,其扩散效率增加,但因温度的升高,气体的粘性增大,从而使依靠重力效应和惯性效应的大微粒的沉积效率下降,同时也增加了过滤阻力。实验表明,被过滤气流的湿度增加,微粒的穿透能力提高,从而降低了过滤效率。由于湿空气使静电效应消失,布朗运动减弱,使微粒容易被后来的气流夹带继续穿透。①t的影响：②ψ的影响：4.2微粒控制技术5)纤维填充率的影响实验证明,若增大纤维滤料的填充率被过滤的气流压力降低,将使气流密度减小,空气分子自由行程变大,从而使扩散效应、惯性效应都增加,而对拦截效应影响不大。若是压力、温度同时增加,由于压力的增加比温度的增加给予粘性的影响大得多,所以惯性效率下降。③p的影响：7)容尘量的影响容尘量:是指运行中的过滤器终阻力(清洗时的阻力)达到其初阻力1倍(或其他倍数)的数值时过滤器上的积尘量。4.2微粒控制技术被过滤的气流压力降低,将使气流密度减小,空气分子自由4.3空气过滤器及其应用概述：空气过滤则是应用微粒捕集技术将各种微粒（有生命和无生命的微粒）捕集下来，以满足室内卫生标准、生产工艺对空气质量的要求以及洁净间、无菌室等特殊要求。4.3空气过滤器及其应用概述：空气过滤则是应用微粒特性指标有4项：①面速或滤速；②效率；③阻力；④容尘量。1)面速和滤速①面速:指过滤器断面上通过气流的速度即：式中:Q—风量，m3/h；F—过滤器截面积，即迎风面积，m2。面速反映过滤器的通过能力和安装面积,面速越大,安装过滤器所需面积越小。所以,面速是反映过滤器结构特性的重要参数。②滤速:指滤料面积上通过气流的速度v,即:4.3.1空气过滤器的特性4.3空气过滤器及其应用特性指标有4项：①面速或滤速；1)面速和滤速①面速:指过滤或式中：—滤料净面积，即除去黏结等占去的面积，m2。—滤速，单位一般为L/（cm2·min）或cm/s；滤速反映滤料的通过能力,特别是反映滤料的过滤性能,过滤器利用的滤速越低,越可获取较高的过滤效率。高级或超高级过滤器的滤速一般为2～3cm/s,亚高效过滤器为5～7cm/s。2)净化效率净化效率是表示空气净化效果的重要技术指标,可用效率、穿透率和净化系数来表示。4.3空气过滤器及其应用或式中：—滤料净面积，即除去黏结等占去的面积，m2。—滤速①效率:最常用的表示方法是计数效率：

式中:G1、G2—过滤器进、出口气流中微粒的质量或数量,(mg/h或粒/h)；Q

—过滤器的风量,(m3/h或L/h);N1、N2—过滤器进、出口气流中的含尘计数浓度或计重浓度,(mg/m3或粒/m3)。②穿透率:即效率的反义词,用K表达穿透率:

若比较=0.9999，=0.9998时,看不出差异的实际意义,但换算成穿透率则有:=0.01%,=0.02%,说明比大1倍,即用这个过滤器比透过来的微粒多1倍。③净化系数:净化系数用穿透率K的倒数来表示,即：4.3空气过滤器及其应用①效率:最常用的表示方法是计数效率：式中:②穿透率:即效表示经过过滤器以后微粒浓度降低的程度。当K=0.01%时,=100/0.01=10000,说明过滤器入口和出口的微粒浓度相差1万倍。④过滤器的串联效率:若已知各级过滤器的过滤器效率为,,…,,则串联后的总净化效率可表示为：

3)阻力空气过滤器的阻力由2部分组成：滤料阻力的大小与在纤维层中流动的气流状态是层流还是紊流有关。由于纤维极细,滤速很低,Re也很小,因此纤维层内的气流属于层流。对于一个给定的过滤器,其填料层厚度、填充率、纤维直径、纤维断面的形状系数为定值,此时,滤料阻力可表示为：①滤料的阻力;②过滤器结构的阻力。…4.3空气过滤器及其应用表示经过过滤器以后微粒浓度降低的程度。当K=0.01式中:A—结构系数，与纤维层结构特性有关;

v—滤速。图4.11给出了几种滤纸(布)的阻力与流量的关系。图4.11滤纸(布)的阻力与流量的关系曲线过滤器的结构阻力与气流速度不成直线关系。气流通过过滤器的滤材和支撑材料构成的通路时,迎风面风速达到m/s的量级,通常比滤速要大得多。此时的Re相对也较大,所以此时的气流特征已不是层流,阻力和速度将不成直线关系,因此,过滤器结构阻力可表示为:式中：B—过滤器结构阻力系数；

u—过滤器的迎面风速；

n—无量纲指数,由试验确定。4.3空气过滤器及其应用式中:A—结构系数，与纤维层结构特性有关;图4.11给出了则过滤器的全阻力为：显然,不同过滤器有不同的A,B值,若以滤速v来统一表示,全阻力可写成：式中,c,m--经验系数与指数,国产过滤器c=3～10,m=1.1～1.36。通常把过滤器上没有积尘的阻力,称为初阻力;把需要更换或清洗时过滤器阻力称为终阻力,对粗、中效过滤器其终阻力一般为1～2倍初阻力,而高效过滤器的终阻力为初阻力的1倍。4)容尘量及寿命①容尘量：通常将运行中的过滤器的终阻力达到其初阻力1倍(或其他倍数)的数值时,或效率下降到初始效率的85%以下时(一般对预过滤器来说)过滤器上的积尘量,作为该过滤器的标准容尘量(简称容尘量)。过滤器的容尘量P用下式表达：4.3空气过滤器及其应用则过滤器的全阻力为：显然,不同过滤器有不同的A,B值,若以滤式中：P—过滤器上的积尘量，g；T—过滤器的使用时间，d；N1—过滤器前空气的含尘浓度，mg/m3；Q

—过滤器的风量，m3/h；T—过滤器一天的运行时间，h；η—过滤器的计重效率。过滤器的容尘量并不与滤料面积成简单的正比关系,各过滤器的单位滤料面积容尘量都不相同。对于风量为1000m3/h时,折叠式无纺布过滤器的容尘量为100g左右,玻璃纤维过滤器为250～350g,高效过滤器为400～500g。即使同类过滤器,若尺寸不同,容尘量也不同。②使用寿命：当过滤器在额定风量Q0下运行,积尘量P从0增加到过滤器的终阻力等于初阻力的既定倍数(一般为1倍)时,此过滤器不能再使用,其上的积尘量已达到标准容尘量P0,则过滤器的使用寿命T0为:4.3空气过滤器及其应用式中：P—过滤器上的积尘量，g；过滤器的容尘量并不式中：M—大气含尘浓度,mg/m3；

Nr—回风浓度,对于浓度最高的10万级洁净室,也不会超过0.001～0.01mg/m3；s—回风量对送风量之比；ηn—过滤器前的新风通路上过滤器计重效率；

ηr—过滤器前的回风通路上过滤器计重效率。若设P0=450g,M＝0.3mg/m3,＝0.005mg/m3,s＝0.7,＝0.7,＝0.65,t＝24h,(对高效过滤器),Q0＝1000m3/h,则可求出高效过滤器使用期限为660d,如果每天工作12h,则T0可延长到1320d,相当于3.5a以上。4.3空气过滤器及其应用式中：M—大气含尘浓度,mg/m3；若设P0=454.3.2空气过滤器的分类按过滤器的效率分类:粗效、中效、高中效、亚高效和高效过滤器5种类别。国家标准《高效空气过滤器》(GB13544-92)把高效过滤器又分为A类、B类、C类和D类4种类型,见表4.7。表4.7我国空气过滤器分类性能指标类型4.3空气过滤器及其应用4.3.2空气过滤器的分类按过滤器的效率分类:粗效1)粗效过滤器①滤材:金属丝网、粗孔无纺布、泡沫塑料等。

②过滤对象:＞5μm的悬浮微粒;＞10μm的沉降性微粒。注意:净化空调用粗过滤器严禁选用浸油过滤器。

2)中效过滤器①滤材:中、细孔泡沫塑料,中、细孔无纺布,复合无纺布或纤维(如玻璃纤维毡)等滤料。②过滤对象:1～10μm的悬浮性微粒。3)高、中效过滤器①滤材:比中效较细的材料。②过滤对象:1～5μm的悬浮性微粒。

这类过滤器可以用作一般净化程度的系统末端过滤器,或用于保护高效过滤器而用作中间过滤器。4.3空气过滤器及其应用1)粗效过滤器①滤材:金属丝网、粗孔无纺布、泡沫塑料等。4)亚高效过滤器①滤材:玻璃纤维滤纸、棉短纤维滤纸。②过滤对象:<1μm以下亚微粒。它既可以作为洁净室末端过滤器使用,达到一定的空气洁净度级别;也可以用作高效过滤器的预过滤器,进一步提高和确保送风的洁净度;同时还可以作为新风的末级过滤,以提高新风品质。过滤效率应以过滤0.5μm的微粒为准,静电除尘器也属于亚高效空气过滤器。5)高效过滤器①滤材:超细玻璃纤维纸,合成纤维纸和石棉纤维纸等。②过滤对象:<0.5μm以下微粒。高效过滤器主要用于洁净室、洁净厂房的终端空气过滤。各类过滤器效率和压力见表4.7所示。4.3空气过滤器及其应用4)亚高效过滤器①滤材:玻璃纤维滤纸、棉短纤维滤纸。②过滤国产高效过滤器滤芯结构分为有分隔板过滤器和无分隔板过滤器2类,如图4.13所示。(a)有分隔板结构(b)无分隔板结构图4.13高效过滤器外观图1-滤纸;2-分隔板;3-外壳4.3空气过滤器及其应用国产高效过滤器滤芯结构分为有分隔板过滤器和无分隔板过表4.8列出了国内某制造厂生产的无隔板高效过滤器性能表。表4.8无隔板高效过滤器/(m3.h-1)4.3空气过滤器及其应用表4.8列出了国内某制造厂生产的无隔板高效过滤器性能表。表4国际上通常把末端空气过滤器分为高效空气过滤器(HighEfficiencyParticulateairFilter,HEPA)和超低穿透率空气过滤器(UltraLowPenetratingAirFilter,ULPA)2大类。通常将粒径不小于0.12μm,效率99.9995％以上的称为超低穿透率空气过滤器。对于空气过滤器的效率分类方式和规格性各国不尽相同,图4.14是国产过滤器与其他国家的对比情况。在评价过滤器效率时,需要注意以下2点：①指明效率检测所采用的方法;②确定效率值所对应的粒径。6)新型空气过滤器上述5种过滤器都属于粒子类过滤器,在空气净化中主要用于控制空气中微粒、微生物的浓度。随着科学技术的发展,尤其是超大规模集成电路生产技术的飞跃发展,空气中能够危害产品质量和人员健康的化学4.3空气过滤器及其应用国际上通常把末端空气过滤器分为高效空气过滤器(Hig污染物或重金属物质日益受到人们的特别关注。国际上,把化学污染物质称为“分子级污染物”

(AirborneMolecularContamination,AMC),并根据分子污染的性质不同将其分为酸性(MA)、碱性(MB)、可凝性(MC)、参杂性(MD)4种类型,对每一类型分为5个污染浓度等级,表6.7。为了控制洁净室内空气中各类化学污染物浓度,应采用多种污染物控制技术措施,包括洁净室建造材料污染物控制、人员污染物控制、原辅材料污染物控制、生产工艺方法污染控制、室内外污染物控制等。目前,国内外都在研究开发各种类型的化学过滤器。表4.9是日本一家公司生产化学过滤器技术数据。表4.10化学过滤器技术数据4.3空气过滤器及其应用污染物或重金属物质日益受到人们的特别关注。国际上,把化学污染4.3空气过滤器及其应用4.3空气过滤器及其应用康斐尔公司生产多种类型的化学过滤器,见表4.10和表4.11所示。表4.10GigasorbENC化学过滤器的规格由于化学过滤器主要用于处理空气中有害气体,因此过滤器自身滋生不能释放AMC之类的物质(包括滤料、分隔线、密封胶及测试用的粒子残留物)。目前化学过滤器常用活性炭作滤料。由于活性炭可能会散发颗粒造成二次污染,因此化学过滤器还必须设置在高效过滤器前面。4.3空气过滤器及其应用康斐尔公司生产多种类型的化学过滤器,见表4.10和表4.11表4.11GigasorbENP组合过滤器4.3空气过滤器及其应用表4.11GigasorbENP组合过滤器4.3空气4.3.3空气过滤器的选配与应用空气过滤器的选择应根据洁净室的空气洁净度等级、产品生产工艺的特殊要求合理配置和选用。如:对于6级(1000级)和比6级洁净度差的洁净室的净化空调系统，通常采用3级空气过滤,即粗效、中效和高效过滤器;粗效、中效(或高中效)过滤器通常设在空气处理装置(AHU)内,且将中效或中高效设在正压段,亚高效或高效过滤器一般设在洁净室内净化空调系统的末端。对于5级(100级)和更严格的洁净室的净化空调系统中空气过滤器的配置,应根据洁净室的总体设计方案及采用的净化空调系统的要求配置各类过滤器。过滤器的风量选择：一般应按小于或等于额定风量选用。在工程实际应用中,习惯按低于额定风量来选配。4.3空气过滤器及其应用4.3.3空气过滤器的选配与应用空气过滤器的选择应空气过滤器在系统位置的设置:①粗效过滤器设在空气处理装置的进口段,用以去除大气中的微粒和各种污染物等；②中效过滤器集中在系统的正压段。这是考虑到若设在负压段时,易使没有经过中效过滤器的污染物较多的漏入系统中,增加后续的高效过滤器的使用寿命；③高效过滤器是实现洁净室的关键设备,宜设在净化空调的末端。一般设在洁净室的顶棚上。对可能产生有害气体或有害微生物的洁净室,高效过滤器的设置应尽量靠近洁净室。以防这些有害污染物污染管道或由于管道漏风使未经过滤的脏空气污染生产环境；④超高效过滤器是控制洁净室洁净度的最后一道防线。因此,该设备必须将其设置在净化空调系统的末端中,以确保洁净室所要求的空气洁净度等级。4.3空气过滤器及其应用空气过滤器在系统位置的设置:①粗效过滤器设在空气处理装置的在净化空调系统的设计中，应首先根据用户的洁净度要求来确定最末一级过滤器的效率,然后选择起保护作用的过滤器。对起保护作用的过滤器统称为“预过滤器”。在净化空调系统中,预过滤器匹配的优劣,对洁净室末端高效过滤器的使用寿命将产生极大的影响。一般来说,高效过滤器的使用寿命为5～15年。若是高效过滤器前一级的过滤器选择不当,则高效过滤器将会丧失应有的功能而报废。所以,要妥善匹配各级过滤器的效率。过滤器效率的匹配,一般应遵循2个基本原则:①相邻两级过滤器的效率规格选择不能相差太大。显然,相邻的2个过滤器规格相差太大,则前一级起不到保护作用。②相邻两级的规格相差不能太小。若太小,则后一级承担净化负荷太少,有可能增加所需的过滤器的数量,增加阻力和能耗。4.3空气过滤器及其应用在净化空调系统的设计中，应首先根据用户的洁净度要求来综上所述,净化空调系统的设计,对过滤器的选配要达到：①末级过滤器的性能要可靠；②预过滤器的效率规格要合理；③初级过滤器的维护要方便等。4.3空气过滤器及其应用综上所述,净化空调系统的设计,对过滤器的选配要达到：①末级4.4静电过滤技术静电过滤技术在空调及其他室内空气净化中的应用与用于工业粉尘治理方面的主要区别是：(1)工业除尘的目的是去除工业生产过程中产生的粉尘，以防止其污染大气环境；而用于空气净化中的目的是对含尘浓度极低的空气，进行净化处理，满足卫生的要求；(2)空调净化用的静电除尘设备是采用正电晕放电，工业上用的电除尘器采用的负电极刚好相反。概述：4.4静电过滤技术静电过滤技术在空调及其他室内空气电离段是一系列等距离平行安装的平板状接地电极，当采用正电晕时，在电离极的金属丝上加有足够高的直流正电压，两边的极板接地，这样就在电离极附近形成不均匀电场，空气中的少数自由电子从电场获取能量，和气体分子激烈碰撞，即形成碰撞电离，出现不完全放电－电晕放电。在电晕极周围可以看见一圈淡蓝色的光环，称为电晕。这样，在电离极附近充满正离子和电子，电子移向导线并在其上

用于空调净化方面多采用双区式电场，如图4.18所示图4.18双区式净电过滤原理4.4静电过滤技术4.4.1空气中微粒的荷电电离段是一系列等距离平行安装的平板状接地电极，当采用中和，而正离子在电场作用下在有规则的运动过程中，遇到中性的微粒就附着在上面，使微粒带正电，这就是所谓的电场荷电。离子不仅在电场作用下运动，而且还有热运动，离子在热运动过程中附着于微粒而使微粒带电，这就是所谓的扩散荷电。4.4静电过滤技术电场荷电主要对于1μm以上微粒起作用，此时微粒获取的最大电量为：式中：E1—电离极空间电场强度，V/cm;N—电荷的数目；e—单位电荷量，48×10-10静电系单位；dp—微粒直径cm;k

—系数，k＝ε—微粒的介电常数，平均可取ε=2～3。中和，而正离子在电场作用下在有规则的运动过程中，遇到中性的微对于1μm以下，特别是对0.2μm以下的微粒，扩散电荷起主要作用，但目前还没有简单计算最大扩散荷电量的公式。根据式(4.29)，lμm以上微粒所带的电荷数与其粒径的平方成正比。但由于扩散电荷的作用，使得1μm及其以下的微粒所带电荷数比按上式计算的结果要大。4.4静电过滤技术4.4.2荷电微粒的吸附荷电微粒进入由平行铝板组成的空间，由于带正电和接地的金属板交错排列，于是就在整个空间形成一个均匀电场。带电微粒在电场中受到正极板的斥力——静电力作用，而在接地极板上沉集下来。所以静电力为：Fe

=QE2=neE2式中：Fe—静电力；

Q—微粒所带电量；E2

—微粒所处位置的电场强度，V/cm。对于1μm以下，特别是对0.2μm以下的微粒，扩散电荷起当微粒雷诺数（Re＜1)时，球形微粒在气流中受到的阻力将由式(4.6)给出，当阻力和静电力平衡时，则考虑滑动修正，可得到微粒在电场中的运动速度Ue,即：式中，各项符号含义与前述相同。从该式可以看出，对于既定的微粒群，在其他条件不变肘，Ue和n/dp成正比。前面已提出，对于＜1微米的微粒，由于n/dp稳定，所以Ue也趋向稳定，不再减小；而若注意到随着粒径的减小，滑动修正系数c将变大，则分离速度还要加大一些。所以和其他种类过滤器相比，静电过滤器装置更适合吸附微细粒子。4.4静电过滤技术当微粒雷诺数（Re＜1)时，球形微粒在气流中受对于集尘极为平板式的静电过滤器的集尘效率可表示如下：4.4.3静电过滤效率4.4静电过滤技术式中：NL、NO——分别为出入口微粒的浓度；

F——集尘极板总有效面积；

ue

——微粒在电势中运动的速度；Q——通过集尘极的总风量；e——单位电荷量。从上式可以看出，当集尘极板高（宽）度一定，其有效面积越大，即长度相应地越长时，其效率越高。对于集尘极为平板式的静电过滤器的集尘效率可表示如下：4.4.4.4静电过滤技术显然：Q↓,则η↑；ue↑，则η↑，而ue主要取决于电离极和集尘极电压，集尘极电压一般可加到7000～8000V，过高的电离极电压也容易放电，故一般不超过15000V。这里需要说明一点，由于公式中的ue只是理论值，由于该式没有全面反映其影响因素，故实际测出的分离速度比理论值要小得多。但这种情况对空调净化作用的静电过滤来说其差别要小一些。4.4静电过滤技术显然：Q↓,则η↑；ue↑，则η室内污染控制与洁净技术第四章：空气中微粒控制机理与方法室内污染控制与洁净技术第四章：空气中微粒控制机理与方法空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产品的质量。良好的生产环境是保证产品质量、提高生产效率的必要条件。为了有效控制空气中微粒对生产环境的污染,必须对空气中微粒的类型、微粒运动特性、分布规律及其影响因素等全面了解,在此基础上提出相应的控制方法与策略。本章节针对上述内容讨论空气中微粒控制一些基本理论和方法。概述：第四章：空气中微粒控制机理与方法空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产品的质微粒控制技术基础4.1微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用4.3静电过滤技术4.4第四章：空气中微粒控制机理与方法微粒控制技术基础4.1微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用4由ISO中指出,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。概述：4.1微粒控制技术基础了解空气中微粒的特性,及其在空气中如何运动及其分布规律是空气洁净技术(微粒控制)的重要基础。微粒:气溶胶状态污染物俗称为微粒。由ISO中指出,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子1.微粒的分类1)按微粒来源分类①无机性微粒:如金属尘粒、矿物尘粒和建材尘粒等。②有机性微粒:如植物纤维;动物毛、发、角质、皮屑;化学染料和塑料等。③生物微粒:如各种藻类、菌类、原生动物和病毒等。2)按微粒形成方式分类

①分散性微粒:系指固体或液体在分裂、破碎、气流和振荡等作用下变成悬浮状态的粒子。②凝结性微粒:指通过燃烧、升华、蒸气凝结及气体反应而形成的粒子。3)按微粒大小分类

微粒大小为10-7～10-1cm,随着微粒大小的变化,其物理性质和规律都将发生变化。

①可见微粒:肉眼可见,微粒直径大于10μm。②显微微粒:在普通显微镜下可以看见,微粒直径为0.25～10μm。③超显微微粒:在超显微镜或电子显微镜下可以看见,微粒直径小于0.25μm。4.1.1微粒的类型、粒径及其统计分布4.1微粒控制技术基础1.微粒的分类1)按微粒来源分类2)按微粒形成方式分类①分在ISO14644－1标准中,将微粒直径为0.1～0.5μm的称为微粒,将微粒直径小于0.1μm的称为超微粒,而将直径大于0.5μm的称为大粒子。4)按微粒通俗分类①灰尘:包括所有固体分散性微粒。这类微粒在空气中的运动受到重力、扩散等多种因素的作用,它是空气洁净技术接触最多的一种粉尘微粒。②烟:包括所有固态凝结体微粒以及液态粒子和固态粒子因凝结作用而产生的微粒,还有从液态过渡到结晶态粒子而产生的微粒。一般情况下,烟的微粒大小远在0.5μm以下(如香烟的烟、木材的烟、油烟、煤烟等),在空气中主要做布朗运动,有相当强的扩散能力。在静止空气总很难沉降。③雾:包括所有液态分散性微粒和液态凝集性微粒。其微粒大小因生成状态而异,介于0.1～10μm之间。微粒运动性质主要受斯托克斯定律支配。例如,从SO2气体产生的硫酸雾,因加热和压缩空气的作用产生油雾。④烟雾:包括液态和固态,既含有凝集性微粒,又含有分散性微粒。微粒大小从十分之几微米到几十微米。4.1微粒控制技术基础图4.1为气溶胶微粒的大小和范围。在ISO14644－1标准中,将微粒直径为0.1～0图4.1微粒的大小和范围4.1微粒控制技术基础图4.1微粒的大小和范围4.1微粒控制技术基础2.微粒粒径1)单一微粒粒径在洁净技术中,粒径是指通过微粒内部的某个长度因次,并不含有规则几何形状的意义,只是便于比较粒子大小的一种“名义尺寸”。粒径的确定可分为2大类：一类是按微粒几何性质直接进行测定和定义的，如显微镜法确定的粒径；另一类是按微粒某种物理性质间接进行测定和定义的。如采用光电法、沉降法确定的直径，实际上是一种当量直径或等价直径。①显微镜观测法用显微镜测定时,可采用以下3种方法表示,如图4.2所示:(1)定向直径dF;(2)定向面积等分直径dM;(3)投影圆直径dH

。4.1微粒控制技术基础2.微粒粒径1)单一微粒粒径在洁净技术中,粒径是指通图4.2用显微镜观察粒径的3种方法沉降直径dS表示在静止空气中沉降速度与所测微粒沉降速度相等的、具有和微粒相同密度的球体直径。空气动力学直径da表示在空气中与微粒的沉降速度相等的单位密度的球的直径。若用表示微粒单位密度,则da为：②沉降法4.1微粒控制技术基础图4.2用显微镜观察粒径的3种方法沉降直径dS表示在静③光散射法用光散射式粒子计数器测定时,可得到等体积直径de,表示与微粒体积相等的球的直径。若微粒体积为V，则de为:2)平均粒径气溶胶粒子是粒径不等的粒子集合体,由于微粒的形状各不相同，为了简便地反映所研究的粒子群的全部粒子的粒径特征,通常用“平均粒径”的概念。算术平均粒径：式中:d--粒子直径；n--粒子个数。4.1微粒控制技术基础③光散射法用光散射式粒子计数器测定时,可得到等体积表4.1平均粒径的计算公式4.1微粒控制技术基础表4.1平均粒径的计算公式4.1微粒控制技术基础3.粒径分布在空气洁净技术中,经常要接触许多关于微粒大小的数据,尽管微粒大小的数据看上去是杂乱无章的,但通过对这些微粒数据做一番科学的整理分析,就可找出微粒按粒径分布和按密度分布的规律,从而可为测尘、防尘、除尘和净化采取技术措施提供理论依据。表4.2给出了以粒数分布表示的微粒频率分布。表4.2频率分布4.1微粒控制技术基础3.粒径分布在空气洁净技术中,经常要接触许多关于微粒图4.3粒径相对频率分布图4.3给出了微粒分布的频率。图中虚线则为由直方图光滑后的粒径分布曲线。4.1微粒控制技术基础图4.3粒径相对频率分布图4.3给出了微粒分布的频4.1.2室内微粒运动特性及影响因素1.微粒运动特性微粒伴随着气流力、惯性力、沉降和扩散而运动。作用于微粒上的力大致可分为:①质量力；②分子作用力；③场力(如电磁场力、浓度、温度场力等)；④粒子间的吸引力；⑤气流力。对于洁净室的污染控制来说,

气流力(这里是指送、回风气流和热对流及人工搅动引起的气流力等)的影响因素最大；其次为质量力(重力、惯性力)、分子扩散力。

1)微粒的重力沉降作用

图4.4为空间中的微粒,将受到重力F1、浮力F2和介质阻力F3的共同作用。4.1微粒控制技术基础4.1.2室内微粒运动特性及影响因素1.微粒运动特性当阻力、浮力、重力平衡,即F1-F2=F3时,微粒达到等速沉降,此时的速度v=vs,称vs为沉降速度或斯托克斯速度(m/s),可由斯托克斯速度式求出：式中：

—微粒直径(m);

—微粒和空气的密度(kg/m3);

—阻力系数。取决于微粒在气流中的流动状态。对于非球形微粒,当达到等速沉降时,其沉降速度vs(cm/s)(斯托克斯速度)可简化为：式中,在气溶胶技术中一般设=1000kg/m3,而对大气尘微粒一般设=2000kg/m3,若以大气尘微粒密度为例,则可得到vs与关系式:图4.4球形微粒沉降时受到的力4.1微粒控制技术基础当阻力、浮力、重力平衡,即F1-F2=F3时,微粒达从计算结果可以得出,对于＝1μm的微粒,vs＝0.006cm/s,从工作区(离地面0.8m)降到地面就需4h;而对于0.5μm以下的微粒,其扩散距离接近甚至超过了沉降距离,所以就更不容易沉降了。因此,重力沉降作用对极小微粒不会有多大影响。2)惯性力对微粒运动的影响微粒在惯性力作用下的运动,就是在获得初速度后,外力随即消失而只依靠惯性力作用下的运动。当t→∞时,即可求得稳定时微粒惯性运动距离SR为：根据牛顿定律,结合斯托克斯方程即可推导出微粒运动与时间t的关系式为：4.1微粒控制技术基础从计算结果可以得出,对于＝1μm的微粒,vs＝0式中：

—微粒获得的初速度,cm/s;

C—微粒滑动修正系数,其值随粒径增大而减小;

—表征微粒从某一初始稳定状态变化到某一终了稳定状态所需的时间。在气溶胶力学中被称为“张弛时间”。表4.3给出了微粒在惯性力作用下的运动状态。表4.3在惯性力作用下(2000C)时微粒(=2g/cm3)的水平运动距离由表中可见,以1000cm/s的初速度被抛射出去的微粒,由于速度迅速衰减,所以微粒水平运动的距离极短,单靠机械力飞扬是不大现实的。4.1微粒控制技术基础式中：—微粒获得的初速度,cm/s;表4.3给出了微3)微粒的扩散运动空气中的微粒由于与做布朗运动的空气分子相撞击而产生显著不均衡位移,如图4.5所示。图4.5分子和微粒的扩散运动微粒扩散的平均位移量为：

式中：t—时间，s；D—微粒的分子扩散系数，cm2/s。4.1微粒控制技术基础3)微粒的扩散运动空气中的微粒由于与做布朗运动的空气表4.4给出了不同粒径的扩散运动距离。表4.4t=1s的微粒扩散运动距离从表中可见,微粒单依靠扩散而运动的距离是微不足道的。4)微粒在表面上的沉积微粒在表面上的沉积分室内有送风和无送风2种情况，前者比后者的表面沉积要大得多，且有送风的洁净环境相对无送风情况多得多。所以，这里只介绍前一种情况。4.1微粒控制技术基础表4.4给出了不同粒径的扩散运动距离。表4.4t=1s的微粒在送风室内表面上的沉积的计算，日本学者菅原文子等曾给出了简化计算公式：式中：Ng——

沉积在表面上的微粒数；f

——

沉积面积；t——

沉积的时间；N

——

洁净室的含尘浓度。上式中，只考虑了微粒的沉降沉积的作用，而在实际的送风室内，气流中的微粒是通过多种途径沉积到平面上的，除沉降沉积外，还有惯性沉积、拦截沉积、扩散沉积等因素的影响，考虑到这些因素的影响，对上式进行了修正，修正系数用α表示，则上式变为：式中：α——修正系数,与粒径有关的参数,由表4.5选取。4.1微粒控制技术基础微粒在送风室内表面上的沉积的计算，日本学者菅原文子等表4.5α值（≥30cm平面）若假设洁净室含尘浓度为N=1000pc/L=1pc/cm3，对于空气中0.5μm以上的标准粒径分布可算出:ds=0.98μm≈1μm，即洁净室空气中0.5μm的微粒沉积量,可以看作全都是直径为1μm的微粒的沉积量。这样就可以计算出当空气含尘浓度为1000pc/L,具有0.3m/s气流速度的洁净室内每小时每平方厘米面积上总微粒沉积量为：由计算结果可知，微粒在垂直表面上的沉积量和在底（平）面上的沉积量相比是很小的，所以对洁净室墙面要求用高级的不锈钢之类材料是完全没有必要的。4.1微粒控制技术基础表4.5α值（≥30cm平面）若假设洁净室含尘浓2.气流对微粒运动的影响从上述的讨论中可以看出,微粒在重力、惯性力和扩散力作用下,自身运动的速度和距离是很微小的,对于1μm微粒来说,其运动速度在0.004～0.006cm/s,而室内气流的速度(包括热气流的对流速度)则一般在0.1m/s以上。在运动的气流中,小微粒几乎以完全相同的速度跟随气流运动,只是相对于气流有一个滞后的时间,但这对所研究的问题便没有影响。所以,在室内空气总微粒运动状态主要是由气流分布作用决定的,室内微粒所受到的气流的作用主要有:关于气流对微粒运动影响将在洁净室单向流特性中介绍。①送风气流(包括一次流和二次流);

②人行走时引起的气流;③室内热对流气流。4.1微粒控制技术基础2.气流对微粒运动的影响从上述的讨论中可以看出,微粒4.2微粒控制技术概述：把固态或液态的微粒从气流中分离出来，一般有4种方法：从空气洁净技术角度看，室内空气中微粒浓度相对较低，微粒尺寸很小，而且要确保末级过滤效果，所以主要采用带有阻隔性质的过滤分离来消除气流中的微粒，其次是电力分离的办法。①机械分离;②电力分离;③洗涤分离;④过滤分离。4.2微粒控制技术概述：把固态或液态的微粒从气流中分离出来4.2.1纤维过滤技术微粒过滤器可分为2大类：①表面过滤器;②深层过滤器。有金属网、多孔板、化学微孔滤膜等形式,空气中的微粒在表面被捕集。其中微孔滤膜表面带有大量电荷,均匀的分布着0.1～10μm的小孔，平均1cm2上有107～108个小孔,孔隙率高达70～80%。这些孔沿厚度方向可以近似看成毛细管。比孔径大的微粒100%被截留于表面,一般认为滤膜能截留的最小微粒径为平均孔径的1/10～1/15。微孔滤膜具有很高过滤效率,除广泛用液体过滤外,主要用于小气量如采样过滤器;有时也用于特殊要求的无菌、无尘的末段过滤。1)表面过滤器①高填充率;②低填充率(又称为低空隙率和高空隙率)。2)深层过滤器4.2微粒控制技术4.2.1纤维过滤技术微粒过滤器可分为2大类：①表面过滤填充率α为：高填充率过滤：

填充层具有活性炭层、各种厚度滤纸层、多孔质的滤材滤膜等,所形成的微细孔滤膜相当于毛细管的作用,具有表面捕集和微细孔内部捕集,但主要是后者起作用,微孔滤膜过滤器具有很高的效率,比纤维过滤器可靠,主要用于气体净化中无尘无菌的末级过滤。低填充率过滤器：

包括纤维填充层、无纺布和滤纸的过滤器,虽然这类过滤器内部纤维配置也很复杂,但由于空隙率较大,过滤器阻力较小,效率很高,具有极好的使用价值,特别在空气洁净技术领域应用极广,所以受到重视。4.2微粒控制技术填充率α为：高填充率过滤：低填充率过滤器：4.2微粒控制技4.2.2纤维过滤器的基本过滤过程过滤材料的性质、被过滤微粒的性质以及他们相互间的作用,对过滤过程均有极其重要的影响。过滤过程可归结为2个阶段。1)稳定阶段在这个阶段,过滤器对微粒的捕集效率和阻力是不随时间而改变的，而是由过滤器的固有结构、微粒的性质和气流的特点决定。对于过滤微粒浓度很低的气流,如在空气洁净技术中过滤室内空气,稳定阶段对于过滤器非常重要。2)非稳定阶段在非稳定阶段,捕集效率和阻力不取决于微粒的性能,而是随时间的变化而变化。主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响而变化。尽管非稳定阶段与稳定阶段相比要长得多,且对一般工业用过滤器有决定意义,但是在空气洁净技术中的高效空气过滤器则意义不大。4.2微粒控制技术4.2.2纤维过滤器的基本过滤过程过滤材料的性质、4.2.3纤维过滤器的过滤机理根据对纤维过滤器研究的结论,过滤层捕集微粒的作用效应至少有5种：1)拦截效应对于粒径在亚微米范围内的小尘粒,尘粒随着气流流线运动,当流线紧靠纤维表面时,尘粒由于与纤维表面发生接触而被拦截(阻留)下来。2)惯性效应微粒随气流在纤维层内穿过时,其流线要多次的拐弯,在流线拐弯时,微粒由于惯性来不及跟随流线绕过纤维,因而脱离流线向纤维靠近,并碰撞在纤维上而沉积下来。3)扩散效应由于气体分子热运动,微粒越小,布朗运动越显著。对常温下0.1μm的微粒每秒钟扩散距离达17μm,比纤维间距离大几倍至几十倍,这就使微粒有更大的机会与纤维接触,并附着在纤维上。微粒越小,过滤速度越低,扩散效应就越显著。4.2微粒控制技术4.2.3纤维过滤器的过滤机理根据对纤维过滤器研究的结论,4)重力效应微粒通过纤维层时,在重力作用下,发生脱离气流流线的位移而沉降在纤维表面上,对于粒径小于0.5μm的微粒的过滤,重力沉降完全可以忽略。(见图4.6d)图4.6纤维过滤器的滤尘机理5)静电效应当含尘气流通过纤维滤料时,由于气流摩擦等原因,纤维和微粒都可能带上电荷,产生吸引微粒的静电效应。(见图4.6e)

上述各种作用效应,对某种微粒的捕集,可能是由于上述5种机理的共同作用,也可能是由于其中某一种或几种过滤机理起主要作用,这主要是由微粒的粒径、纤维直径、纤维层的填充率和气流速度等条件决定的。4.2微粒控制技术4)重力效应微粒通过纤维层时,在重力作用下,发生脱离4.2.4影响纤维过滤器效率的因素主要因素有：①微粒直径；②纤维粗细；③过滤速度；④填充率。1)微粒尺寸的影响由于各种效应的作用,粒径较小的微粒在扩散效应作用下,在滤材上沉积。当粒径由小到大时,扩散效率逐渐下降,拦截、惯性效率逐渐增大;粒径较大的微粒在拦截和惯性效应的作用下在纤维上沉积。与微粒的粒径有关的效率曲线就有一个最低点,此点的总效率最低或穿透率最大,出现在0.1～0.4μm,如图4.7所示。图4.7效率与粒径的关系4.2微粒控制技术4.2.4影响纤维过滤器效率的因素主要因素有：①微粒直径；图4.8给出了直径微粒1.5μm的玻璃纤维层过滤器的最大穿透率受滤速影响的试验结果。图4.8不同滤速时穿透率和粒径的关系2)微粒形状影响由于球形微粒与纤维滤料接触时的接触面积比不规则形状微粒要小,所以实际上不规则形状微粒的沉积几率较大,球形粒子具有较大穿透率。3)微粒种类影响实验表明,过滤固态微粒比过滤液态微粒效率要高。①固态微粒的凝聚较液态显著；②电荷对固态微粒的影响较液态大；③固态微粒能明显增加过滤器负荷；④液态微粒被捕集到纤维上时发生破损；⑤不同相态密度上的差异等。其原因归纳起来：4.2微粒控制技术图4.8给出了直径微粒1.5μm的玻璃纤维层过滤器的最大穿透4)过滤速度的影响与最大穿透粒径一样,每种过滤器都有最大穿透速度,如图4.9所示。随着过滤速度增大扩散效率下降,惯性和惯性效率增大,总效率则是先下降随后上升,即存在一个最低效率或者最大穿透率的滤速。图4.10为某