מחקר ניסיוני על ביצועי מסנן אוויר HEPA

התפתחות התעשייה המודרנית הציבה דרישות גוברות לסביבת הניסויים, המחקר והייצור. הדרך העיקרית להשגת דרישה זו היא שימוש נרחב במסנני אוויר במערכות מיזוג אוויר נקיות. ביניהם, מסנני HEPA ו-ULPA הם ההגנה האחרונה מפני חלקיקי אבק הנכנסים לחדר הנקי. ביצועיהם קשורים ישירות לרמת החדר הנקי, אשר בתורה משפיעה על איכות התהליך והמוצר. לכן, חשוב לערוך מחקר ניסיוני על המסנן. ביצועי ההתנגדות וביצועי הסינון של שני המסננים הושוו במהירויות רוח שונות על ידי מדידת יעילות הסינון של מסנן סיבי הזכוכית ומסנן PTFE עבור חלקיקי PAO בגודל 0.3 מיקרון, 0.5 מיקרון ו-1.0 מיקרון. התוצאות מראות שמהירות הרוח היא גורם חשוב מאוד המשפיע על יעילות הסינון של מסנני אוויר HEPA. ככל שמהירות הרוח גבוהה יותר, כך יעילות הסינון נמוכה יותר, וההשפעה ניכרת יותר עבור מסנני PTFE.

מילות מפתח:מסנן אוויר HEPA; ביצועי התנגדות; ביצועי סינון; נייר סינון PTFE; נייר סינון סיבי זכוכית; מסנן סיבי זכוכית.
מספר CLC: X964 קוד זיהוי מסמך: A
עם ההתפתחות המתמשכת של המדע והטכנולוגיה, הייצור והמודרניזציה של מוצרים תעשייתיים מודרניים הפכו תובעניים יותר ויותר לניקיון האוויר בתוך הבית. בפרט, מיקרואלקטרוניקה, רפואה, כימיה, ביולוגיה, עיבוד מזון ותעשיות אחרות דורשות מזעור. דיוק, טוהר גבוה, איכות גבוהה ואמינות גבוהה סביבת פנים, אשר מציבים דרישות גבוהות יותר ויותר לביצועי מסנן אוויר HEPA, ולכן כיצד לייצר מסנן HEPA כדי לענות על דרישות הצרכנים הפך לצורך דחוף של יצרנים. אחת הבעיות שנפתרו [1-2]. ידוע היטב שביצועי ההתנגדות ויעילות הסינון של המסנן הם שני אינדיקטורים חשובים להערכת המסנן. מאמר זה מנסה לנתח את ביצועי הסינון וביצועי ההתנגדות של מסנן אוויר HEPA מחומרי סינון שונים באמצעות ניסויים [3], ואת המבנים השונים של אותו חומר סינון. ביצועי הסינון ותכונות ההתנגדות של המסנן מספקים בסיס תיאורטי ליצרן המסננים.

1 ניתוח שיטת הבדיקה
ישנן שיטות רבות לגילוי מסנני אוויר HEPA, ולמדינות שונות יש סטנדרטים שונים. בשנת 1956, פיתחה הוועדה הצבאית של ארה"ב את USMIL-STD282, תקן לבדיקת מסנני אוויר HEPA, ואת שיטת DOP לבדיקת יעילות. בשנת 1965 נקבע התקן הבריטי BS3928, ושיטת להבת הנתרן לגילוי יעילות שימשה. בשנת 1973, פיתח איגוד האוורור האירופי את תקן Eurovent 4/4, אשר עקב אחר שיטת גילוי להבת הנתרן. מאוחר יותר, האגודה האמריקאית לבדיקות סביבתיות ומדעי יעילות מסננים ערכה סדרה של סטנדרטים דומים לשיטות בדיקה מומלצות, כולן באמצעות שיטת ספירת קליפר DOP. בשנת 1999, קבעה אירופה את תקן BSEN1822, המשתמש בגודל החלקיקים השקוף ביותר (MPPS) לגילוי יעילות סינון [4]. תקן הגילוי של סין מאמץ את שיטת להבת הנתרן. מערכת גילוי ביצועי מסנן האוויר HEPA ששימשה בניסוי זה פותחה על סמך תקן 52.2 האמריקאי. שיטת הגילוי משתמשת בשיטת ספירת קליפר, והאירוסול משתמש בחלקיקי PAO.
1. 1 כלי נגינה עיקרי
ניסוי זה משתמש בשני מוני חלקיקים, שהם פשוטים, נוחים, מהירים ואינטואיטיביים בהשוואה לציוד אחר לבדיקת ריכוז חלקיקים [5]. היתרונות הנ"ל של מונה החלקיקים הופכים אותו להחלפת הדרגתית של שיטות אחרות ולשיטת הבדיקה העיקרית לריכוז חלקיקים. הם יכולים לספור הן את מספר החלקיקים והן את התפלגות גודל החלקיקים (כלומר, ספירת מונה), שהם הציוד המרכזי של ניסוי זה. קצב זרימת הדגימה הוא 28.6 ליטר לדקה, ולמשאבת הוואקום נטולת הפחמן שלה יש מאפיינים של רעש נמוך וביצועים יציבים. אם מותקנת אפשרות זו, ניתן למדוד את הטמפרטורה והלחות כמו גם את מהירות הרוח ולבדוק את המסנן.
מערכת הגילוי משתמשת באירוסולים המשתמשים בחלקיקי PAO כאבק לסינון. אנו משתמשים במחוללי אירוסולים (דורות אירוסול) מדגם TDA-5B המיוצר בארצות הברית. טווח ההופעה הוא 500 – 65000 cfm (1 cfm = 28.6 LPM), והריכוז הוא 100 מיקרוגרם/ליטר, 6500 cfm; 10 מיקרוגרם/ליטר, 6500 cfm.
1. 2 חדרים נקיים
על מנת לשפר את דיוק הניסוי, המעבדה בת 10,000 הקומות תוכננה ועוצבה בהתאם לתקן הפדרלי האמריקאי 209C. נעשה שימוש ברצפת הציפוי, המאופיינת ביתרונות של טרצו, עמידות בפני שחיקה, איטום טוב, גמישות ובנייה מורכבת. החומר הוא לכה אפוקסי והקיר עשוי מחיפויי חדר נקי מורכבים. החדר מצויד במנורות טיהור 220 וולט, 2×40 וואט, 6, ומסודרות בהתאם לדרישות התאורה וציוד השטח. לחדר הנקי 4 פתחי יציאת אוויר עליונים ו-4 פתחי החזרת אוויר. חדר מקלחת האוויר מיועד לשליטה רגילה במגע אחד. זמן מקלחת האוויר הוא 0-100 שניות, ומהירות הרוח של כל זרבובית נפח אוויר מתכווננת גדולה או שווה ל-20ms. מכיוון ששטח חדר הנקי הוא <50 מ"ר וצוות העובדים הוא <5 אנשים, מסופקת יציאה בטוחה לחדר הנקי. מסנן ה-HEPA שנבחר הוא GB01×4, נפח האוויר הוא 1000 מ"ק/שעה, ויעילות הסינון גדולה או שווה ל-0.5 מיקרומטר ו-99.995%.
1. 3 דגימות ניסיוניות
דגמי מסנן סיבי הזכוכית הם: 610 (אורך) × 610 (גובה) × 150 (רוחב) מ"מ, סוג מחיצה, 75 קמטים, גודל 610 (אורך) × 610 (גובה) × 90 (רוחב) מ"מ, עם 200 קפלים, גודל מסנן PTFE 480 (אורך) × 480 (גובה) × 70 (רוחב) מ"מ, ללא מחיצה, עם 100 קמטים.
2 עקרונות בסיסיים
העיקרון הבסיסי של שולחן הבדיקה הוא שהמאוורר נשאב לאוויר. מכיוון ש-HEPA/UEPA מצויד גם במסנן אוויר HEPA, ניתן להסיק שהאוויר הופך לאוויר נקי לפני שהוא מגיע ל-HEPA/UEPA הנבדק. המכשיר פולט חלקיקי PAO לצינור כדי ליצור ריכוז רצוי של גז המכיל אבק ומשתמש במונה חלקיקים בלייזר כדי לקבוע את ריכוז החלקיקים. לאחר מכן, הגז המכיל אבק זורם דרך ה-HEPA/UEPA הנבדק, וריכוז חלקיקי האבק באוויר המסונן על ידי HEPA/UEPA נמדד גם הוא באמצעות מונה חלקיקים בלייזר, וריכוז האבק באוויר לפני ואחרי המסנן מושווה, ובכך נקבע ביצועי מסנן ה-HEPA/UEPA. יתר על כן, חורי דגימה מסודרים בהתאמה לפני ואחרי המסנן, וההתנגדות של כל מהירות רוח נבדקת באמצעות מד לחץ מיקרו-הטיה כאן.

3 השוואת ביצועי התנגדות מסנן
מאפיין ההתנגדות של HEPA הוא אחד המאפיינים החשובים של HEPA. תחת ההנחה של עמידה ביעילות הביקוש של אנשים, מאפייני ההתנגדות קשורים לעלות השימוש, ההתנגדות קטנה, צריכת האנרגיה קטנה והעלות נחסכת. לכן, ביצועי ההתנגדות של המסנן הפכו לדאגה. אחד המדדים החשובים.
על פי נתוני המדידה הניסויים, מתקבל הקשר בין מהירות הרוח הממוצעת של שני המסננים המבניים השונים של סיבי הזכוכית ומסנן ה-PTFE לבין הפרש הלחץ במסנן.הקשר מוצג באיור 2:

ניתן לראות מנתוני הניסוי שככל שמהירות הרוח עולה, התנגדות המסנן עולה באופן ליניארי מנמוך לגבוה, ושני הקווים הישרים של שני המסננים העשויים מסיבי זכוכית חופפים במידה רבה. קל לראות שכאשר מהירות הרוח בסינון היא 1 מטר לשנייה, התנגדות מסנן סיבי הזכוכית היא בערך פי ארבעה מזו של מסנן PTFE.

בידיעת שטח המסנן, ניתן לגזור את הקשר בין מהירות פני השטח לבין הפרש לחץ המסנן:
ניתן לראות מנתוני הניסוי שככל שמהירות הרוח עולה, התנגדות המסנן עולה באופן ליניארי מנמוך לגבוה, ושני הקווים הישרים של שני המסננים העשויים מסיבי זכוכית חופפים במידה רבה. קל לראות שכאשר מהירות הרוח בסינון היא 1 מטר לשנייה, התנגדות מסנן סיבי הזכוכית היא בערך פי ארבעה מזו של מסנן PTFE.

בידיעת שטח המסנן, ניתן לגזור את הקשר בין מהירות פני השטח לבין הפרש לחץ המסנן:

עקב ההבדל בין מהירות פני השטח של שני סוגי המסננים וההפרש בלחץ המסנן של שני ניירות הסינון, התנגדות המסנן בעל המפרט 610×610×90 מ"מ באותה מהירות פני השטח גבוהה יותר מההתנגדות המפרטת 610×. של המסנן 610 x 150 מ"מ.

עם זאת, ברור שבאותה מהירות פני השטח, ההתנגדות של מסנן סיבי הזכוכית גבוהה יותר מההתנגדות של PTFE. ממצא זה מראה ש-PTFE עדיף על מסנן סיבי זכוכית מבחינת ביצועי ההתנגדות. על מנת להבין טוב יותר את המאפיינים של מסנן סיבי הזכוכית ואת ההתנגדות של PTFE, נערכו ניסויים נוספים. בחנו ישירות את ההתנגדות של שני ניירות הסינון כאשר מהירות הרוח של המסנן משתנה, תוצאות הניסוי מוצגות להלן:

זה מאשר עוד יותר את המסקנה הקודמת לפיה ההתנגדות של נייר סינון מסיבי זכוכית גבוהה יותר מזו של PTFE תחת אותה מהירות רוח [6].
4 השוואת ביצועי מסנן
בהתאם לתנאי הניסוי, ניתן למדוד את יעילות הסינון של המסנן עבור חלקיקים בגודל חלקיקים של 0.3 מיקרון, 0.5 מיקרון ו-1.0 מיקרון במהירויות רוח שונות, ומתקבלת הטבלה הבאה:

ברור כי יעילות הסינון של שני מסנני סיבי הזכוכית עבור חלקיקים של 1.0 מיקרון במהירויות רוח שונות היא 100%, ויעילות הסינון של חלקיקים של 0.3 מיקרון ו-0.5 מיקרון פוחתת עם עליית מהירות הרוח. ניתן לראות כי יעילות הסינון של המסנן לחלקיקים גדולים גבוהה יותר מזו של חלקיקים קטנים, וביצועי הסינון של המסנן 610×610×150 מ"מ עדיפים על המסנן בעל המפרט 610×610×90 מ"מ.
באמצעות אותה שיטה, מתקבל גרף המציג את הקשר בין יעילות הסינון של מסנן PTFE בגודל 480×480×70 מ"מ כפונקציה של מהירות הרוח:

בהשוואה בין איור 5 לאיור 6, אפקט הסינון של מסנן הזכוכית עם חלקיקים בגודל 0.3 מיקרומטר ו-0.5 מיקרומטר טוב יותר, במיוחד עבור אפקט ניגודיות האבק בגודל 0.3 מיקרומטר. אפקט הסינון של שלושת החלקיקים על חלקיקים בגודל 1 מיקרומטר היה 100%.
על מנת להשוות בצורה אינטואיטיבית יותר את ביצועי הסינון של מסנן סיבי הזכוכית וחומר המסנן PTFE, בדיקות ביצועי המסנן בוצעו ישירות על שני ניירות הסינון, והתקבל הטבלה הבאה:

הטבלה לעיל מתקבלת על ידי מדידת אפקט הסינון של נייר סינון PTFE ונייר סינון סיבי זכוכית על חלקיקים של 0.3 מיקרון במהירויות רוח שונות [7-8]. ברור כי יעילות הסינון של נייר סינון PTFE נמוכה מזו של נייר סינון סיבי זכוכית.
בהתחשב בתכונות ההתנגדות ותכונות הסינון של חומר המסנן, קל לראות שחומר המסנן PTFE מתאים יותר לייצור מסננים גסים או תת-HEPA, וחומר המסנן סיבי זכוכית מתאים יותר לייצור מסנני HEPA או אולטרה-HEPA.
5 סיכום
הסיכויים ליישומי סינון שונים נבדקים על ידי השוואת תכונות ההתנגדות ותכונות הסינון של מסנני PTFE עם מסנני סיבי זכוכית. מהניסוי ניתן להסיק שמהירות הרוח היא גורם חשוב מאוד המשפיע על אפקט הסינון של מסנן אוויר HEPA. ככל שמהירות הרוח גבוהה יותר, יעילות הסינון נמוכה יותר, כך ההשפעה על מסנן PTFE ניכרת יותר, ובסך הכל למסנן PTFE אפקט סינון נמוך יותר מאשר למסנן פיברגלס, אך ההתנגדות שלו נמוכה יותר מזו של מסנן סיבי זכוכית. לכן, חומר מסנן PTFE מתאים יותר לייצור מסנן גס או יעילות נמוכה, וחומר מסנן סיבי זכוכית מתאים יותר לייצור. מסנן יעיל או יעיל במיוחד. מסנן HEPA מסיבי זכוכית עם מפרט של 610×610×150 מ"מ נמוך יותר ממסנן HEPA מסיבי זכוכית 610×610×90 מ"מ, וביצועי הסינון טובים יותר ממסנן HEPA מסיבי זכוכית 610×610×90 מ"מ. נכון לעכשיו, מחיר חומר מסנן PTFE טהור גבוה יותר מזה של סיבי זכוכית. עם זאת, בהשוואה לסיבי זכוכית, ל-PTFE עמידות טובה יותר בטמפרטורה, קורוזיה והידרוליזה מאשר לסיבי זכוכית. לכן, יש לקחת בחשבון גורמים שונים בעת ייצור המסנן. יש לשלב ביצועים טכניים וביצועים כלכליים.
הפניות:
[1] ליו לאיהונג, וואנג שיהונג. פיתוח ויישום של מסנני אוויר [J]•סינון והפרדה, 2000, 10(4): 8-10.
[2] מסנן אוויר CN Davis [M], בתרגום של הואנג ריגואנג. בייג'ינג: הוצאת Atomic Energy Press, 1979.
[3] שיטת בדיקת ביצועי מסנן אוויר יעיל במיוחד GB/T6165-1985 להעברה והתנגדות [M]. הלשכה הלאומית לתקנים, 1985.
[4] שינג סונגניאן. שיטת גילוי ויישום מעשי של מסנן אוויר יעיל במיוחד. [J] • ציוד למניעת מגפות ביו-פרוטקטיבי, 2005, 26(1): 29-31.
[5] הוכריינר. פיתוחים נוספים של מונה החלקיקים
sizerPCS-2000 סיב זכוכית [J]•Filter Journal of AerosolScience, 2000,31(1): 771-772.
[6]ה. וינגרטנר, פ' הלר, ה' בורצ'ר וכו' לחץ
DropAcrossFiberFilters[J]•Aerosol Science, 1996, 27(1): 639-640.
[7] מייקל ג'יי.אם וקלייד אור. סינון - עקרונות ושיטות עבודה [M].
ניו יורק:MarcelDekkerInc, 1987•
[8] ג'אנג גואוקואן. מכניקת אירוסולים - בסיס תיאורטי של הסרת וטיהור אבק [M] • בייג'ינג: הוצאת מדעי הסביבה של סין, 1987.