1、 空气中悬浮的微粒污染将直接影响到各生产工艺和产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染, ,必须对空气中微粒的类型、微粒运动特性、分布规律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及其影响因素等全面了解, ,在此基础上提出相应的控制方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
2、本理论和方法。基本理论和方法。概述：概述：第四章：空气中微粒控制机理与方法第四章：空气中微粒控制机理与方法 微粒控制技术基础微粒控制技术基础4.1微粒控制技术微粒控制技术4.2空气过滤器及其应用空气过滤器及其应用4.3静电过滤技术静电过滤技术4.4第四章：空气中微粒控制机理与方法第四章：空气中微粒控制机理与方法 由由ISOISO中指出中指出, ,气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液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。体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。概述：概述：4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 了解空气中微粒的特性了
3、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及其在空气中如何运动及其分布规律是空气洁净技术是空气洁净技术( (微粒控制微粒控制) )的重要基础。的重要基础。微粒微粒: :气溶胶状态污染物俗称为微粒。气溶胶状态污染物俗称为微粒。1.1.微粒的分类微粒的分类1)1)按微粒来源分类按微粒来源分类 无机性微粒无机性微粒: :如金属尘粒、矿物尘粒和建材尘粒等。如金属尘粒、矿物尘粒和建材尘粒等。 有机性微粒有机性微粒: :如植物纤维如植物纤维; ;动物毛、发、角质、皮屑动物毛、发、角质、皮屑; ;化学染料和塑料等。化学染料和塑料等。 生物微粒生物微粒: :如各种藻类、菌类、原生动物和病毒等。如
4、各种藻类、菌类、原生动物和病毒等。2)2)按微粒形成方式分类按微粒形成方式分类 分散性微粒分散性微粒: :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。成悬浮状态的粒子。凝结性微粒凝结性微粒: :指通过燃烧、升华、蒸气凝结及气体反应而形成的粒子。指通过燃烧、升华、蒸气凝结及气体反应而形成的粒子。3)3)按微粒大小分类按微粒大小分类 微粒大小为微粒大小为1010-7-71010-1-1cm,cm, 随着微粒大小的变化随着微粒大小的变化, ,其物理性质和规律都其物理性质和规律都将发生变化。将发生变化。 可见微粒可见微粒: :肉眼可
5、见肉眼可见, ,微粒直径大于微粒直径大于10m10m。显微微粒显微微粒: :在普通显微镜下可以看见在普通显微镜下可以看见, ,微粒直径为微粒直径为0.250.2510m10m。超显微微粒超显微微粒: :在超显微镜或电子显微镜下可以看见在超显微镜或电子显微镜下可以看见, ,微粒直径小于微粒直径小于0.25m0.25m。4.1.1 4.1.1 微粒的类型、粒径及其统计分布微粒的类型、粒径及其统计分布4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 在在ISO14644ISO146441 1标准中标准中, ,将微粒直径为将微粒直径为0.10.10.5m0.5m的称为微粒的称为微粒, ,将微将微粒直径
6、小于粒直径小于0.1m0.1m的称为超微粒的称为超微粒, ,而将直径大于而将直径大于0.5m0.5m的称为大粒子。的称为大粒子。4)4)按微粒通俗分类按微粒通俗分类灰尘灰尘: :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、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。它是空气洁净技术接触最多的一种粉尘微粒。烟烟: :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生的微粒, ,还有从液态过渡到结晶态粒子而产生的微
7、粒。一般情况下还有从液态过渡到结晶态粒子而产生的微粒。一般情况下, ,烟的烟的微粒大小远在微粒大小远在0.5m0.5m以下以下( (如香烟的烟、木材的烟、油烟、煤烟等如香烟的烟、木材的烟、油烟、煤烟等),),在空在空气中主要做布朗运动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。有相当强的扩散能力。在静止空气总很难沉降。雾雾: :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态而异, ,介于介于0.10.110m10m之间。微粒运动性质主要受斯托克斯定律支配。之间。微粒运动性质主要受斯托克斯定律支配
8、。例如例如, ,从从SOSO2 2气体产生的硫酸雾气体产生的硫酸雾, ,因加热和压缩空气的作用产生油雾。因加热和压缩空气的作用产生油雾。烟雾烟雾: :包括液态和固态包括液态和固态, ,既含有凝集性微粒既含有凝集性微粒, ,又含有分散性微粒。微粒大又含有分散性微粒。微粒大小从十分之几微米到几十微米。小从十分之几微米到几十微米。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 图图4.14.1为气溶胶微粒的大小和范围。为气溶胶微粒的大小和范围。图图4.1 4.1 微粒的大小和范围微粒的大小和范围 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 2.2.微粒粒径微粒粒径1)1)单一微粒粒径单一微粒
9、粒径 在洁净技术中在洁净技术中, ,粒径是指通过微粒内部的某个长度因次粒径是指通过微粒内部的某个长度因次, ,并不含有并不含有规则几何形状的意义规则几何形状的意义, ,只是便于比较粒子大小的一种只是便于比较粒子大小的一种“名义尺寸名义尺寸”。 粒径的确定可分为粒径的确定可分为2 2大类：一类是按微粒几何性质直接进行测定和大类：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
10、一种当量直径或等价直径。种当量直径或等价直径。 显微镜观测法显微镜观测法 4/HdA用显微镜测定时用显微镜测定时, ,可采用以下可采用以下3 3种方法表示种方法表示, ,如图如图4.24.2所示所示: : (1)(1)定向直径定向直径d dF F ;(2) ;(2)定向面积等分直径定向面积等分直径d dM M ;(3) ;(3)投影圆直径投影圆直径d dH H 。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 图图4.2 4.2 用显微镜观察粒径的用显微镜观察粒径的3 3种方法种方法 沉降直径沉降直径d dS S表示在静止空气中沉降速度与所测微粒沉降速度相等表示在静止空气中沉降速度与所测微粒
11、沉降速度相等的、具有和微粒相同密度的球体直径。的、具有和微粒相同密度的球体直径。 空气动力学直径空气动力学直径d da a表示在空气中与微粒的沉降速度相等的单位密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。若用度的球的直径。若用 表示微粒单位密度表示微粒单位密度, ,则则d da a为：为：1/2 aspddPp沉降法沉降法4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 光散射法光散射法 用光散射式粒子计数器测定时用光散射式粒子计数器测定时, ,可得到等体积直径可得到等体积直径d de e, ,表示与微粒表示与微粒体积相等的球的直径。若微粒体积为体积相等的球的直径。若微粒体积为V
12、V，则，则d de e为为: : 36 eVd2)2)平均粒径平均粒径 气溶胶粒子是粒径不等的粒子集合体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, ,通常通常用用“平均粒径平均粒径”的概念。的概念。 算术平均粒径：算术平均粒径： 1()nddn式中式中: d-: d-粒子直径；粒子直径； n- n-粒子个数。粒子个数。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 名名 称称计算公式计算公式物理意义物理意义几何平均粒径几何平均粒径单一粒径的几何平均值单
13、一粒径的几何平均值面积长度平均粒径面积长度平均粒径表面积总和除以直径总和表面积总和除以直径总和体面积平均粒径体面积平均粒径全部粒子的体积除以总面积全部粒子的体积除以总面积体积平均粒径体积平均粒径与粒子总个数和总体积相等的均一球径与粒子总个数和总体积相等的均一球径质量平均粒径质量平均粒径质量等于总质量质量等于总质量, ,数目等于总个数的等数目等于总个数的等粒子径粒子径表面积平均粒径表面积平均粒径总表面积除以总个数的平方根总表面积除以总个数的平方根比表面积平均粒径比表面积平均粒径由粒子的比表面积由粒子的比表面积a a计算的粒径计算的粒径中位粒径中位粒径筛上累计分布为筛上累计分布为50%50%时的粒
14、径时的粒径众粒径众粒径粒径分布中频率最高的粒径粒径分布中频率最高的粒径1123(,)ngndd d dd21sdndnd32vsdndnd1/33vdndn43mdndnd1/22sdndn6/()pda50ddd表表4.1 4.1 平均粒径的计算公式平均粒径的计算公式 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 3.3.粒径分布粒径分布 在空气洁净技术中在空气洁净技术中, ,经常要接触许多关于微粒大小的数据经常要接触许多关于微粒大小的数据, ,尽管微粒尽管微粒大小的数据看上去是杂乱无章的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但通过对这些微粒数据做一番科学的
15、整理分析理分析, ,就可找出微粒按粒径分布和按密度分布的规律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、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。表防尘、除尘和净化采取技术措施提供理论依据。表4.24.2给出了以粒数分布给出了以粒数分布表示的微粒频率分布。表示的微粒频率分布。 序号序号粒径间隔粒径间隔/m/m间隔中值间隔中值/m/m微粒个数微粒个数/ /个个相对频率相对频率/%/%筛下累积分布筛下累积分布/%/%1 10 00.050.050.0250.02517170.060.060.060.062 20.050.050.10.10.0750.075999912
16、.0312.0314.0914.093 30.10.10.20.20.150.1542942952.1352.1366.2266.224 40.20.20.40.40.30.322522527.3427.3493.5693.565 50.40.40.60.60.50.540404.864.8698.4298.426 60.60.61.01.00.80.813131.581.58100100合合 计计823823100100-表表4.24.2 频率分布频率分布 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 图图4.3 4.3 粒径相对频率分布粒径相对频率分布 图图4.34.3给出了微粒分布的
17、频率。图中虚线则为由直方图光滑后的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。粒径分布曲线。 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 4.1.2 4.1.2 室内微粒运动特性及影响因素室内微粒运动特性及影响因素1.1.微粒运动特性微粒运动特性 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力大致可分为: : 质量力；质量力；分子作用力；分子作用力；场力场力( (如电磁场力、浓度、温度场力等如电磁场力、浓度、温度场力等) )；粒子间的吸引力；粒子间的吸引力；气流力。气流力。 对于洁净室
18、的污染控制来说对于洁净室的污染控制来说, , 气流力气流力( (这里是指送、回风气流和热这里是指送、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；其次为质量力的影响因素最大；其次为质量力( (重重力、惯性力力、惯性力) )、分子扩散力。、分子扩散力。 1)1)微粒的重力沉降作用微粒的重力沉降作用 图图4.44.4为空间中的微粒为空间中的微粒, ,将受到重力将受到重力F F1 1、浮力、浮力F F2 2和介质阻力和介质阻力F F3 3的共同作用。的共同作用。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 ()3.62ppasadv 当阻力、浮力、重力
19、平衡当阻力、浮力、重力平衡, ,即即F F1 1-F-F2 2= =F F3 3时时, ,微粒达到微粒达到等速沉降等速沉降, ,此时的速度此时的速度v v= =v vs s, ,称称v vs s为沉降速度或斯托克为沉降速度或斯托克斯速度斯速度(m/s),(m/s),可由斯托克斯速度式求出：可由斯托克斯速度式求出：式中：式中： 微粒直径微粒直径(m);(m); 微粒和空气的密度微粒和空气的密度(kg/m(kg/m3 3);); 阻力系数。取决于微粒在气流中的流动状态。阻力系数。取决于微粒在气流中的流动状态。 ,papd24Re 对于非球形微粒对于非球形微粒, ,当达到等速沉降时当达到等速沉降时,
20、 ,其沉降速度其沉降速度v vs s(cm/s)(cm/s)(斯托克斯托克斯速度斯速度) )可简化为：可简化为：20.54ppsdv 式中式中, ,在气溶胶技术中一般设在气溶胶技术中一般设 =1000kg/m=1000kg/m3 3, ,而对大气尘微粒一般设而对大气尘微粒一般设 =2000kg/m=2000kg/m3 3, ,若以大气尘微粒密度为例若以大气尘微粒密度为例, ,则可得到则可得到v vs s与与 关系式关系式: : pdpp220.6 10spvd图图4.4 4.4 球形微粒沉降时受球形微粒沉降时受到的力到的力4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 从计算结果可以得出从计
21、算结果可以得出, ,对于对于 1m1m的微粒的微粒,v,vs s0.006cm/s,0.006cm/s,从工从工作区作区( (离地面离地面0.8m)0.8m)降到地面就需降到地面就需4h;4h;而对于而对于0.5m0.5m以下的微粒以下的微粒, ,其扩散其扩散距离接近甚至超过了沉降距离距离接近甚至超过了沉降距离, ,所以就更不容易沉降了。因此所以就更不容易沉降了。因此, ,重力沉重力沉降作用对极小微粒不会有多大影响。降作用对极小微粒不会有多大影响。 pd2)2)惯性力对微粒运动的影响惯性力对微粒运动的影响 微粒在惯性力作用下的运动微粒在惯性力作用下的运动, ,就是在获得初速度后就是在获得初速度
22、后, ,外力随即消失外力随即消失而只依靠惯性力作用下的运动。而只依靠惯性力作用下的运动。/0(1)t CtSC ve当当t t时时, ,即可求得稳定时微粒惯性运动距离即可求得稳定时微粒惯性运动距离S SR R为：为：0RSC v 根据牛顿定律根据牛顿定律, ,结合斯托克斯方程即可推导出微粒运动与时间结合斯托克斯方程即可推导出微粒运动与时间t t的的关系式为：关系式为： 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 式中：式中： 微粒获得的初速度微粒获得的初速度,cm/s; ,cm/s; C 微粒滑动修正系数微粒滑动修正系数, ,其值随粒径增大而减小其值随粒径增大而减小; ; 表征微粒从某一
23、初始稳定状态变化到某一终了稳定状态所需的时间。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在气溶胶力学中被称为“张弛时间张弛时间”。 0v表表4.34.3给出了微粒在惯性力作用下的运动状态。给出了微粒在惯性力作用下的运动状态。 表表4.3 4.3 在惯性力作用下在惯性力作用下(200(2000 0C)C)时微粒时微粒( =2g/cm( =2g/cm3 3) )的水平运动距离的水平运动距离 p粒径粒径/m /m S SR R/cm /cm v v0 0= 100 cm/s = 100 cm/s v v0 0=1000 cm/s=1000 cm/s 10100
24、.060.060.60.65 50.0160.0160.160.161 10.00070.00070.0070.007 由表中可见由表中可见, ,以以1000cm/s1000cm/s的初速度被抛射出去的微粒的初速度被抛射出去的微粒, , 由于速度迅速由于速度迅速衰减衰减, ,所以微粒水平运动的距离极短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。单靠机械力飞扬是不大现实的。 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 3)3)微粒的扩散运动微粒的扩散运动 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
25、均衡位移, ,如图如图4.54.5所示。所示。 图图4.5 4.5 分子和微粒的扩散运动分子和微粒的扩散运动 微粒扩散的平均位移量为：微粒扩散的平均位移量为： 4DDtS式中：式中：t t 时间，时间，s s； D D 微粒的分子扩散系数，微粒的分子扩散系数，cmcm2 2/s/s。 4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 表表4.44.4给出了不同粒径的扩散运动距离。给出了不同粒径的扩散运动距离。 粒径粒径/m /m S SD D/cm /cm 粒径粒径/m /m S SD D/cm /cm 10101.231.231010-4-41 14.024.021010-4-45 51.7
26、41.741010-4-40.50.55.905.901010-4-42 22.782.781010-4-40.10.11.681.681010-3-3 表表4.4 t=1s4.4 t=1s的微粒扩散运动距离的微粒扩散运动距离 从表中可见从表中可见, ,微粒单依靠扩散而运动的距离是微不足道的。微粒单依靠扩散而运动的距离是微不足道的。 4)4)微粒在表面上的沉积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微粒在表面上的沉积分室内有送风和无送风2 2种情况，前者比后种情况，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者的表面沉积要大得多，且有送风的洁净环境相对无
27、送风情况多得多。所以，这里只介绍前一种情况。多。所以，这里只介绍前一种情况。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 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曾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：给出了简化计算公式：sgNNv ft式中：式中： N Ng g 沉积在表面上的微粒数；沉积在表面上的微粒数； f f 沉积面积；沉积面积； t t 沉积的时间；沉积的时间； N N 洁净室的含尘浓度。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，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
28、粒是通过多种途径沉积到平面上的，除沉降沉积外，还有惯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，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，修正系数用对上式进行了修正，修正系数用表示，则上式变为：表示，则上式变为： sgNfNv t式中：式中：修正系数修正系数, ,与粒径有关的参数与粒径有关的参数, ,由表由表4.54.5选取。选取。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础 表表4.5 4.5 值（值（30cm30cm平面）平面） 粒径粒径/m/m1 10.70.70.4
29、0.40.30.30.250.250.180.180.10.11 11.251.251.51.52.32.34.54.59 91010 若假设洁净室含尘浓度为若假设洁净室含尘浓度为N N=1000pc/L=1pc/cm=1000pc/L=1pc/cm3 3，对于空气中，对于空气中0.5m0.5m以上的标准粒径分布可算出以上的标准粒径分布可算出: :d ds s=0.98m1m=0.98m1m，即洁净室空气中，即洁净室空气中0.5m0.5m的微粒沉积量的微粒沉积量, ,可以看作全都是直径为可以看作全都是直径为1m1m的微粒的沉积量。这样就可的微粒的沉积量。这样就可以计算出当空气含尘浓度为以计算出
30、当空气含尘浓度为1000pc/L,1000pc/L,具有具有0.3m/s0.3m/s气流速度的洁净室内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：每小时每平方厘米面积上总微粒沉积量为： 321.3 0.006/36001/28/gcm sspc cmpcNcm 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。材料是完全没有必要的。4.1 4.1 微粒控制技术基础微粒控制技术基础
31、2.2.气流对微粒运动的影响气流对微粒运动的影响 从上述的讨论中可以看出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自身运动的速度和距离是很微小的, ,对于对于1m1m微粒来说微粒来说, ,其运动速度在其运动速度在0.0040.0040.006cm/s,0.006cm/s,而室内气流的速度而室内气流的速度( (包括热气流的对流速度包括热气流的对流速度) )则一般则一般在在0.1m/s0.1m/s以上。在运动的气流中以上。在运动的气流中, ,小微粒几乎以完全相同的速度跟随气小微粒几乎以完全相同的速度跟随气流运动流
32、运动, ,只是相对于气流有一个滞后的时间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但这对所研究的问题便没有影响。有影响。 所以所以, ,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。关于气流对微粒运动影响将在洁净室单向流特性中介绍。送风气流送风气流( (包括一次流和二次流包括一次流和二次流);); 人行走时引起的气流人行走时引起的气流; ; 室内热对流气流。室内热对流气流。4.1 4.1 微粒控制技术
33、基础微粒控制技术基础 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术概述：概述：把固态或液态的微粒从气流中分离出来，一般有把固态或液态的微粒从气流中分离出来，一般有4 4种方法：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。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。机械分离机械分离; ;电力分离电力分离; ;洗涤分离洗涤分离; ;过滤分离。过滤分离。4.
34、2.1 4.2.1 纤维过滤技术纤维过滤技术微粒过滤器可分为微粒过滤器可分为2 2大类：大类： 表面过滤器表面过滤器; ; 深层过滤器。深层过滤器。 有金属网、多孔板、化学微孔滤膜等形式有金属网、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被捕集。其中微孔滤膜表面带有大量电荷, ,均匀的分布着均匀的分布着0.10.110m10m的小孔，平均的小孔，平均1cm1cm2 2上有上有10107 710108 8个小孔个小孔, ,孔隙率高达孔隙率高达707080%80%。这些孔。这些孔沿厚度方向可以近似看成毛细管。比孔径大的微粒沿厚度方向可以
35、近似看成毛细管。比孔径大的微粒100%100%被截留于表面被截留于表面, ,一般认为滤膜能截留的最小微粒径为平均孔径的一般认为滤膜能截留的最小微粒径为平均孔径的1/101/101/151/15。微孔滤。微孔滤膜具有很高过滤效率膜具有很高过滤效率, ,除广泛用液体过滤外除广泛用液体过滤外, ,主要用于小气量如采样过主要用于小气量如采样过滤器滤器; ;有时也用于特殊要求的无菌、无尘的末段过滤。有时也用于特殊要求的无菌、无尘的末段过滤。1)1)表面过滤器表面过滤器高填充率高填充率; ;低填充率低填充率( (又称为低空隙率和高空隙率又称为低空隙率和高空隙率) )。2)2)深层过滤器深层过滤器4.2 4
36、.2 微粒控制技术微粒控制技术填充率填充率为：为：密度过滤材料（如纤维）的密度过滤层（如纤维层）的高填充率过滤高填充率过滤： 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, ,所所形成的微细孔滤膜相当于毛细管的作用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具有表面捕集和微细孔内部捕集集, ,但主要是后者起作用但主要是后者起作用, ,微孔滤膜过滤器具有很高的效率微孔滤膜过滤器具有很高的效率, ,比纤维过滤比纤维过滤器可靠器可靠, ,主要用于气体净化中无尘无菌的末级过滤。主要用于气体净化中无尘无菌的末级过滤。
37、低填充率过滤器低填充率过滤器： 包括纤维填充层、无纺布和滤纸的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虽然这类过滤器内部纤维配置也很复杂维配置也很复杂, ,但由于空隙率较大但由于空隙率较大, , 过滤器阻力较小过滤器阻力较小, ,效率很高效率很高, ,具有具有极好的使用价值极好的使用价值, ,特别在空气洁净技术领域应用极广特别在空气洁净技术领域应用极广, ,所以受到重视。所以受到重视。 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术4.2.2 4.2.2 纤维过滤器的基本过滤过程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过滤材料的性质、
38、被过滤微粒的性质以及他们相互间的作用, ,对过对过滤过程均有极其重要的影响。过滤过程可归结为滤过程均有极其重要的影响。过滤过程可归结为2 2个阶段。个阶段。1)1)稳定阶段稳定阶段 在这个阶段在这个阶段, ,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如在空气洁净技术中过滤室内空气, ,稳稳定阶段对于过滤器非常重要。定阶段对于过滤器非常重要。2)2)非稳
39、定阶段非稳定阶段 在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捕集效率和阻力不取决于微粒的性能, ,而是随时间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, ,且对一般工业用且对一般工业用过滤器有决定意义过滤器有决定意义, ,但是在空气洁净技术中的高效空气过滤器则意义但是在空气洁净技术中的高效空气过滤器则意义不大。不大。 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术4.2.3 4.2.3 纤维过滤器的过滤机理
40、纤维过滤器的过滤机理根据对纤维过滤器研究的结论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过滤层捕集微粒的作用效应至少有5 5种：种： 1)1)拦截效应拦截效应 对于粒径在亚微米范围内的小尘粒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尘粒随着气流流线运动, ,当流线当流线紧靠纤维表面时紧靠纤维表面时, ,尘粒由于与纤维表面发生接触而被拦截尘粒由于与纤维表面发生接触而被拦截( (阻留阻留) )下来。下来。 2)2)惯性效应惯性效应 微粒随气流在纤维层内穿过时微粒随气流在纤维层内穿过时, ,其流线要多次的拐弯其流线要多次的拐弯, , 在流线拐弯在流线拐弯时时, ,
41、微粒由于惯性来不及跟随流线绕过纤维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因而脱离流线向纤维靠近, ,并碰撞在纤维上而沉积下来。并碰撞在纤维上而沉积下来。 3)3)扩散效应扩散效应 由于气体分子热运动由于气体分子热运动, ,微粒越小微粒越小, ,布朗运动越显著。对常温下布朗运动越显著。对常温下0.1m0.1m的微粒每秒钟扩散距离达的微粒每秒钟扩散距离达17m,17m,比纤维间距离大几倍至几十倍比纤维间距离大几倍至几十倍, ,这就使这就使微粒有更大的机会与纤维接触微粒有更大的机会与纤维接触, ,并附着在纤维上。微粒越小并附着在纤维上。微粒越小, ,过滤速度越过滤速度越低低,
42、 ,扩散效应就越显著。扩散效应就越显著。4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术4)4)重力效应重力效应 微粒通过纤维层时微粒通过纤维层时, ,在重力作用下在重力作用下, ,发生脱发生脱离气流流线的位移而沉降在纤维表面上离气流流线的位移而沉降在纤维表面上, ,对于对于粒径小于粒径小于0.5m0.5m的微粒的过滤的微粒的过滤, ,重力沉降完全重力沉降完全可以忽略。可以忽略。( (见图见图4.6d)4.6d)图图4.6 4.6 纤维过滤器的滤尘机理纤维过滤器的滤尘机理5)5)静电效应静电效应 当含尘气流通过纤维滤料时当含尘气流通过纤维滤料时, ,由于气流摩擦由于气流摩擦等原因等原因, ,纤维和微粒
43、都可能带上电荷纤维和微粒都可能带上电荷, ,产生吸引产生吸引微粒的静电效应。微粒的静电效应。( (见图见图4.6e)4.6e) 上述各种作用效应上述各种作用效应, ,对某种微粒的捕集对某种微粒的捕集, ,可可能是由于上述能是由于上述5 5种机理的共同作用种机理的共同作用, ,也可能是由也可能是由于其中某一种或几种过滤机理起主要作用于其中某一种或几种过滤机理起主要作用, ,这主这主要是由微粒的粒径、纤维直径、纤维层的填充要是由微粒的粒径、纤维直径、纤维层的填充率和气流速度等条件决定的。率和气流速度等条件决定的。 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术4.2.4 4.2.4 影响纤维过滤器效率的
44、因素影响纤维过滤器效率的因素主要因素有：主要因素有：微粒直径；微粒直径；纤维粗细；纤维粗细；过滤速度；过滤速度；填充率。填充率。1)1)微粒尺寸的影响微粒尺寸的影响由于各种效应的作用由于各种效应的作用, ,粒径较小的微粒径较小的微粒在扩散效应作用下粒在扩散效应作用下, ,在滤材上沉积。在滤材上沉积。当粒径由小到大时当粒径由小到大时, ,扩散效率逐渐下扩散效率逐渐下降降, ,拦截、惯性效率逐渐增大拦截、惯性效率逐渐增大; ;粒径粒径较大的微粒在拦截和惯性效应的作较大的微粒在拦截和惯性效应的作用下在纤维上沉积。用下在纤维上沉积。与微粒的粒径有关的效率曲线就有与微粒的粒径有关的效率曲线就有一个最低点
45、一个最低点, ,此点的总效率最低或穿此点的总效率最低或穿透率最大透率最大, ,出现在出现在0.10.10.4m,0.4m,如如图图4.74.7所示。所示。 图图4.7 4.7 效率与粒径的关系效率与粒径的关系 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术图图4.84.8给出了直径微粒给出了直径微粒1.5m1.5m的玻璃纤维层的玻璃纤维层过滤器的最大穿透率受滤速影响的试验结过滤器的最大穿透率受滤速影响的试验结果。果。 图图4.8 4.8 不同滤速时穿透率和粒径不同滤速时穿透率和粒径的关系的关系 2)2)微粒形状影响微粒形状影响由于球形微粒与纤维滤料接触时的接触面由于球形微粒与纤维滤料接触时的接触面积
46、比不规则形状微粒要小积比不规则形状微粒要小, ,所以实际上不规所以实际上不规则形状微粒的沉积几率较大则形状微粒的沉积几率较大, ,球形粒子具有球形粒子具有较大穿透率。较大穿透率。 3)3)微粒种类影响微粒种类影响实验表明实验表明, ,过滤固态微粒比过滤液态微粒效率要高。过滤固态微粒比过滤液态微粒效率要高。 固态微粒的凝聚较液态显著；固态微粒的凝聚较液态显著；电荷对固态微粒的影响较液态大；电荷对固态微粒的影响较液态大；固态微粒能明显增加过滤器负荷；固态微粒能明显增加过滤器负荷；液态微粒被捕集到纤维上时发生破损；液态微粒被捕集到纤维上时发生破损；不同相态密度上的差异等。不同相态密度上的差异等。 其
47、原因归纳起来：其原因归纳起来：4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术4)4)过滤速度的影响过滤速度的影响与最大穿透粒径一样与最大穿透粒径一样, ,每种过滤器都有最大穿透速度每种过滤器都有最大穿透速度, ,如图如图4.94.9所示。随所示。随着过滤速度增大扩散效率下降着过滤速度增大扩散效率下降, ,惯性和惯性效率增大惯性和惯性效率增大, ,总效率则是先下降总效率则是先下降随后上升随后上升, ,即存在一个最低效率或者最大穿透率的滤速。即存在一个最低效率或者最大穿透率的滤速。图图4.104.10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
48、2020m m时时,0.7m,0.7m微粒的最大穿透率在流速为微粒的最大穿透率在流速为0.8m/s0.8m/s附近附近, ,而而2m2m微粒的这个微粒的这个数值则在数值则在0.20.20.3m/s0.3m/s。所以。所以, ,在设计过滤器时在设计过滤器时, ,应根据需要过滤掉粒径应根据需要过滤掉粒径范围和纤维直径选取合理滤速范围和纤维直径选取合理滤速。 图图4.9 4.9 滤速对各类效率的影响滤速对各类效率的影响 图图4.10 4.10 滤速对单一纤维效率的影响滤速对单一纤维效率的影响 4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术5)5)纤维填充率的影响纤维填充率的影响 实验证明实验证明, ,若增
49、大纤维滤料的填充率若增大纤维滤料的填充率, ,则纤维层的密实度随之增大则纤维层的密实度随之增大, ,纤维间的流速加快纤维间的流速加快, ,惯性效率和拦截效率都会提高惯性效率和拦截效率都会提高, ,扩散效率下降扩散效率下降, ,而总而总效率得到提高。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, ,一一般不采用增大填充率来提高过滤效率。般不采用增大填充率来提高过滤效率。6)6)气流温度、湿度、压力的影响气流温度、湿度、压力的影响 被过滤气流温度升高被过滤气流温度升高, ,其扩散效率增加其扩散效率增加, ,但因温度的升高但因温度的升高, ,
50、气体的气体的粘性增大粘性增大, ,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。同时也增加了过滤阻力。 实验表明实验表明, ,被过滤气流的湿度增加被过滤气流的湿度增加, ,微粒的穿透能力提高微粒的穿透能力提高, ,从而降从而降低了过滤效率。由于湿空气使静电效应消失低了过滤效率。由于湿空气使静电效应消失, ,布朗运动减弱布朗运动减弱, ,使微粒容使微粒容易被后来的气流夹带继续穿透。易被后来的气流夹带继续穿透。t t的影响：的影响：的影响：的影响：4.2 4.2 微粒控制技术微粒控制技术 被过滤的气流压力降低被过滤的
