Способ контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха
CONTROL METHOD FOR HIGH EFFICIENCY AIR PURIFICATION FILTERS

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности, к контролю загрязнения воздуха, и может быть использовано для оценки качества высокоэффективных фильтров очистки воздуха, применяемых в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, в технологических системах, например, в чистых помещениях, в фармацевтической промышленности, для испытания средств индивидуальной защиты органов дыхания.
Известен способ контроля высокоэффективных фильтров (Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы. - Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1969. С.346), заключающийся в распылении водного раствора метиленового голубого, испарении капель раствора путем подачи в смеситель потока осушенного газа-носителя и получении потока аэрозоля с твердыми частицами, который пропускают через испытуемый фильтр. Отбирают пробы аэрозоля до и после испытуемого фильтра, пропуская их через отдельные пробоотборные фильтры, которые затем обрабатывают водным паром до появления голубого окрашивания. Объемы отобранного для проб аэрозоля до и после испытуемого фильтра подбирают таким образом, чтобы окрашивание имело одинаковую интенсивность. Коэффициент проскока метиленового голубого вычисляют по отношению известных объемов неотфильтрованного и отфильтрованного аэрозоля.
К недостаткам данного способа контроля фильтров следует отнести зависимость времени испытания от коэффициента проскока. При высокой эффективности фильтра время испытания может достигать нескольких часов. При длительных испытаниях и высокой эффективности происходит забивание испытуемого фильтра метиленовым голубым, что уменьшает коэффициент проскока. Кроме того, для анализа отбирается небольшое количество аэрозоля.
Данный способ не пригоден для быстрых испытаний и погрешность определения коэффициента проскока может достигать 50%, что снижает достоверность результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Известен способ контроля высокоэффективных фильтров (ГОСТ Р ЕН 1822-5-2014. Высокоэффективные фильтры очистки воздуха EPA, HEPA и ULPA. Часть 5. Определение эффективности фильтрующих элементов. - Москва, Стандартинформ, 2014. - 22 с.), основанный на счете частиц до и после испытуемого фильтра с использованием контрольного аэрозоля с твердыми частицами и счетчика частиц.
Для определения коэффициента проскока испытуемый фильтр закрепляют в воздуховоде и продувают чистым воздухом. Затем получают контрольный аэрозоль, подают его в воздуховод, где смешивают с отфильтрованным потоком газа-носителя для образования однородного состава контрольного аэрозоля в поперечном сечении воздуховода, и пропускают полученный поток контрольного аэрозоля через испытуемый фильтр. Пробы аэрозоля отбирают до и после испытуемого фильтра и направляют на счетчики частиц.
Контрольный аэрозоль получают конденсационным способом путем конденсации пара на присутствующих в нем мельчайших частицах другого вещества - ядрах конденсации (гетерогенная конденсация).
Способ гетерогенной конденсации реализован в генераторе высокодисперсного аэрозоля Синклер-Ламэр (ГОСТ РЕН 1822-2-2012. Высокоэффективные фильтры очистки воздуха ЕРА, НЕРА и ULPA. Часть 2. Генерирование аэрозолей, испытательное оборудование, статистика счета частиц.- Москва, Стандартинформ, 2014.- 20 с.), содержащем последовательно установленные распылитель, заполненный водным раствором хлорида натрия, сепаратор, соединенный с выходом распылителя, осушитель, выход которого соединен с сосудом, заполненным аэрозольной субстанцией, подогреватель и конденсационную трубу.
Отфильтрованный поток газа-носителя поступает в распылитель, в результате чего происходит распыление водного раствора хлорида натрия и образование тумана. Туман проходит через сепаратор, в котором удаляются крупные капли, и поступает в осушитель, где происходит полное испарение капель тумана и образование твердых частиц хлорида натрия. Полученный аэрозоль поступает в сосуд, где происходит его насыщение парами аэрозольной субстанции. Смесь твердых частиц хлорида натрия с парами аэрозольной субстанции проходит через подогреватель и конденсационную трубу, где пары конденсируются на частицах хлорида натрия, образуя контрольный аэрозоль.
Проба воздуха с контрольным аэрозолем, отобранная перед фильтром, поступает в разбавитель, где его концентрация снижается до значения, соответствующего техническим характеристикам счетчика частиц.
При определении концентрации контрольного аэрозоля за фильтром пробы отбирают с помощью нескольких пробоотборников, перемещая их вдоль поверхности фильтра с определенной скоростью.
Для распыления раствора используют пневматический распылитель, в котором вытекающая из сопла жидкость дробится движущимся с большой скоростью воздушным потоком. Для таких распылителей характерен очень широкий диапазон размеров капель, который можно лишь частично сузить, удаляя их в сепараторе. Поэтому получаемый аэрозоль хлорида натрия, частицы которого являются ядрами конденсации, является полидисперсным, что исключает возможность получения контрольного аэрозоля с узким спектром размеров частиц.
Большое значение для параметров контрольного аэрозоля имеет степень очистки распыляемой жидкости. Различное содержание механических примесей в жидкости приводит к отсутствию воспроизводимости спектра размеров и концентрации частиц аэрозоля.
Это приводит к изменению концентрации и распределения числа частиц по размерам в поперечном сечении воздуховода в течение испытаний, что вносит погрешность в определение коэффициента проскока и уменьшает достоверность результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является «Способ контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха» (Леонов И.И., Попов Б.И. Контроль эффективности воздушных фильтров в условиях эксплуатации// Методы и приборы биоинформации и контроля параметров окружающей среды: Межвуз. сб. науч. тр. Ленинградский ин-т авиационного приборостроения. 1981. Вып. 150. С. 26-30), включающий распыление водного раствора хлорида натрия, испарение капель раствора путем подачи в смеситель потока очищенного и осушенного газа-носителя, получение контрольного аэрозоля с твердыми частицами, зарядку аэрозольных частиц в электрическом поле импульсного коронного разряда и измерение наведенного на индукционном измерительном электроде частицами аэрозоля заряда до испытуемого фильтра, пропускание потока контрольного аэрозоля через испытуемый фильтр, зарядку и измерение заряда частиц, прошедших через испытуемый фильтр, и вычисление коэффициента проскока по отношению заряда частиц после испытуемого фильтра к заряду частиц до фильтра.
Для распыления водного раствора хлорида натрия используют пневматический распылитель.
При испарении растворителя из капелек образуются твердые частицы, радиус которых определяется по формуле [1]
r
r
в
р
в
р
где, ,  - радиусы твердой частицы и капли; ρ, ρ - плотности растворенного вещества в твердом состоянии и раствора соответственно; x - количество растворенного вещества на 100 г раствора.
Контрольный аэрозоль поступает в воздуховод, в котором последовательно установлены зарядная камера коронного разряда и индукционный измерительный электрод.
Частицы аэрозоля, двигаясь вместе с потоком газа-носителя, поступают в зарядную камеру, включающую наружный цилиндрический электрод и внутренний игольчатый, установленный коаксиально с наружным. На эти электроды от блока питания подаются импульсы высокого напряжения, которые инициируют униполярный коронный разряд с острия игольчатого электрода. За счет образовавшихся в результате коронного разряда ионов происходит зарядка частиц аэрозоля.
r=
q
Для крупных частиц (радиус 1 мкм) основная роль принадлежит дрейфовому механизму зарядки. Поэтому заряд  частицы определяется формулой [2]
А
где  - коэффициент, учитывающий дрейфовый механизм зарядки частиц аэрозоля.
r=
q
Для малых частиц (радиус 0,1 мкм) преобладающую роль играют диффузионные процессы. Формула для определения заряда частицы в этом случае имеет вид [2]
B
где  - коэффициент, учитывающий диффузионный механизм зарядки частиц аэрозоля.
r=
В диапазоне размеров 0,1…1 мкм заряд частицы можно определить как сумму зарядов, рассчитанных по теории дрейфового и диффузионного механизмов зарядки,
Заряженные частицы аэрозоля, двигаясь с потоком газа-носителя, попадают в индукционный измерительный электрод, где наводят заряд на поверхности электрода. Наведенный заряд пропорционален суммарному заряду частиц, движущихся в индукционном измерительном электроде.
К индукционному измерительному электроду подключен измеритель заряда. Свободные заряды, стекая через входное сопротивление измерителя, создают на нем падение напряжения, пропорциональное суммарному заряду частиц, находящихся в измерительном электроде.
Q
1
Суммарный заряд частиц аэрозоля до испытуемого фильтра с учетом выражений (1), (2) и (3) определяется формулой
z -
где коэффициент, зависящий от конструкции и режима зарядной камеры;
N
1
- счетная концентрация частиц аэрозоля до испытуемого фильтра;
f (r)
- функция распределения частиц по радиусам.
Затем контрольный аэрозоль проходит через испытуемый фильтр и последовательно установленные в воздуховоде за испытуемым фильтром зарядную камеру коронного разряда и индукционный измерительный электрод.
Q
2
Суммарный заряд частиц аэрозоля после испытуемого фильтра с учетом выражений (1), (2) и (3) определяется формулой
K(r)
N
2
где - коэффициент проскока испытуемого фильтра; - счетная концентрация частиц аэрозоля после испытуемого фильтра.
К
С учетом выражений (4) и (5) коэффициент проскока фильтра определяется по формуле
Достоинством данного способа является то, что анализируется весь проходящий через испытуемый фильтр воздух. Это повышает чувствительность способа и позволяет сократить время оценки интегральной эффективности фильтра.
К
Из выражения (6) следует, что результат измерения коэффициента  проскока фильтра рассмотренным способом зависит от дисперсного состава контрольного аэрозоля.
Контрольный аэрозоль получают распылением водного раствора хлорида натрия пневматическим распылителем. Для таких распылителей характерен широкий диапазон размеров капель. Поэтому аэрозоль хлорида натрия, получаемый после испарения растворителя, является полидисперсным.
К
К
Q
2
Коэффициент  проскока фильтра зависит от размеров частиц [1], поэтому в области размеров контрольного аэрозоля  не имеет постоянного значения. Это обусловливает в процессе фильтрации изменение дисперсного состава аэрозоля за испытуемым фильтром по сравнению с дисперсным составом контрольного аэрозоля на входе испытуемого фильтра, что вносит погрешность в определение суммарного заряда частиц аэрозоля после испытуемого фильтра и, следовательно, в определение коэффициента проскока.
К недостаткам рассмотренного способа следует также отнести использование для контроля фильтра электрически заряженных частиц. Эффективность удержания фильтрами заряженных частиц выше, чем незаряженных. Электрический заряд снижает проскок крупных аэрозольных частиц и уменьшает размер частиц, обладающих наибольшей проникающей способностью, что обусловливает изменение дисперсного состава аэрозоля на выходе из испытуемого фильтра и, как следствие, - возникновение погрешности измерения коэффициента проскока.
Указанные недостатки снижают достоверность определения коэффициента проскока высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Задачей изобретения является создание способа контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Техническим результатом является повышение достоверности результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Технический результат достигается тем, что в способе контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха, включающем получение контрольного аэрозоля с твердыми частицами, зарядку аэрозольных частиц в электрическом поле импульсного коронного разряда и измерение их заряда до и после испытуемого фильтра и вычисление коэффициента проскока, контрольный аэрозоль получают путем химического взаимодействия газообразных реагентов в отфильтрованном потоке газа-носителя, затем поток контрольного аэрозоля разделяют на два потока, аэрозольные частицы, содержащиеся в первом потоке, заряжают и измеряют их заряд, аэрозольные частицы, содержащиеся во втором потоке, сначала пропускают через испытуемый фильтр, затем заряжают и измеряют их заряд, а коэффициент проскока вычисляют по отношению заряда частиц второго потока к заряду частиц первого потока.
Новые существенные признаки предлагаемого способа обеспечивают повышение достоверности результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха, так как позволяют получить контрольный аэрозоль с узким спектром размеров частиц, средний радиус которых близок к размеру наиболее проникающих частиц для фильтрующего материала (радиусы частиц в диапазоне от 0,01 до 0,1 мкм), и исключить зарядку частиц, пропускаемых через испытуемый фильтр, что устраняет изменение дисперсного состава аэрозоля на выходе из испытуемого фильтра и, как следствие, - возникновение погрешности измерения коэффициента проскока.
Это обусловлено тем, что контрольный аэрозоль получают конденсационным способом путем химического взаимодействия газообразных реагентов по механизму газ-частица. В результате химической реакции образуются молекулы-мономеры продукта реакции, давление насыщенного пара которого меньше, чем давление насыщенного пара реагентов. Возникают условия для образования зародышей новой фазы, способных к дальнейшему росту. Твердые частицы образуются в результате присоединения друг к другу молекул-мономеров продукта реакции. Скорость химической реакции является независимой переменной, определяющей степень пересыщения продукта реакции, а следовательно, и скорость образования и роста зародышей твердой фазы.
Твердые частицы образуются в результате химического взаимодействия газообразных реагентов, например,
Для этого можно использовать готовые газовые смеси, хранящиеся в газовых баллонах, твердые вещества (аэрозолеобразующие реагенты), разлагающиеся при комнатной температуре с образованием газообразного реагента.
3
3
Процесс получения аэрозоля путем химического взаимодействия газообразных реагентов NHи HNO при прохождении отфильтрованного потока газа-носителя через проточный реактор исследован с помощью математической модели [3].
Поток газа-носителя перед поступлением в проточный реактор очищается от механических примесей, наличие которых в потоке газа-носителя приводит к изменению условий образования и роста твердых частиц в результате химического взаимодействия газообразных реагентов и, следовательно, - к изменению спектра размеров и концентрации частиц аэрозоля в течение испытаний, что вносит погрешность в определение коэффициента проскока и уменьшает достоверность результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
По результатам исследований установлено, что путем химического взаимодействия газообразных реагентов в отфильтрованном потоке газа-носителя получают высокодисперсный аэрозоль, счетную концентрацию и дисперсный состав которого можно регулировать, изменяя геометрические и режимные параметры проточного реактора.
Деление потока контрольного аэрозоля на два позволяет пропускать через испытуемый фильтр поток, содержащий незаряженные аэрозольные частицы, что устраняет изменение коэффициента проскока, вызванное влиянием электрических зарядов аэрозольных частиц.
Узкий спектр размеров частиц контрольного аэрозоля и пропускание через испытуемый фильтр незаряженных частиц аэрозоля обеспечивают постоянство коэффициента проскока частиц через фильтр в области размеров контрольного аэрозоля, что обусловливает неизменность дисперсного состава аэрозоля после испытуемого фильтра по отношению к дисперсному составу контрольного аэрозоля до испытуемого фильтра, что повышает достоверность результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха.
Предлагаемый способ контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг.2 - спектр размеров частиц контрольного аэрозоля, полученного путем химического взаимодействия газообразных реагентов.
Способ контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха осуществляется следующим образом.
C
С
исх
0
3
Распылитель 1 (фиг.1) заполняют раствором заданной концентрации  дозируемого газа в жидкости (например, вода с растворенным в ней аммиаком). В распылителе 1 происходит распыление раствора струей газа - носителя, поступающего через блок 2 очистки газа - носителя, регулировочный вентиль 4 и ротаметр 5 с помощью побудителя 3 расхода. Образующийся туман смешивают с очищенным и осушенным газом-носителем, подаваемым с помощью побудителя 9 расхода через блок 7 очистки, блок 8 осушки, регулировочный вентиль 10 и ротаметр 11, в смеситель 6. В смесителе 6 происходит полное испарение капель тумана и образование газовой смеси с требуемой концентрацией  (мг/м) дозируемого газа, рассчитываемой по формуле
g
С
W
W
исх
1
2
где  - производительность распылителя, л/мин;  - концентрация дозируемого газа в исходном растворе, г/л; и - соответственно расходы газа-носителя, подаваемого на распыление и испарение капель раствора, л/мин.
3
3
2
3.
3
3
3,
3
3
2
Затем поток газовой смеси, содержащий аммиак, пропускают через аэрозольный фильтр 12, задерживающий механические примеси, присутствующие в растворе, и проточный реактор 13, в котором размещен аэрозолеобразующий реагент (например, кристаллогидрат азотнокислого железа Fe(NO)×9HO), разлагающийся при комнатной температуре с образованием паров HNOКонтрольный аэрозоль с твердыми частицами получают путем химического взаимодействия реагентов NH и HNO в соответствии с реакцией (7) при прохождении потока газа-носителя, содержащего аммиак NHчерез проточный реактор над поверхностью кристаллогидрата азотнокислого железа Fe(NO)×9HO. Концентрация и размер аэрозольных частиц определяется концентрацией дозируемого газа и временем прохождения газовой смеси через проточный реактор 13.
На выходе проточного реактора 13 получают высокодисперсный аэрозоль с узким спектром размеров частиц.
С
С
С
3
3
3
3
3
На фиг. 2 представлен спектр размеров аэрозольных частиц, полученных в проточном реакторе при начальных концентрациях аммиака NH: NH= 1 мг/ м(1) и NH= 0, 2мг/ м (2).
Контрольный аэрозоль имеет узкий спектр размеров частиц со средним радиусом  = 0,02 мкм (кривая 1), который близок к размеру наиболее проникающих через фильтр частиц. Средний радиус частиц рассчитан по формуле, приведенной в [4].
Затем поток контрольного аэрозоля в делителе 14 разделяют на два потока. Первый поток направляют в воздуховод 15, а второй направляют в испытуемый фильтр 16, перепад давления на котором измеряют манометром 17.
Аэрозольные частицы, содержащиеся в первом потоке, поступают в воздуховод 15, в котором последовательно установлены зарядная камера 18 коронного разряда и индукционный измерительный электрод 21. Зарядная камера 18 имеет наружный цилиндрический электрод 19, внутренний игольчатый электрод 20, установленный коаксиально с наружным, и источник 22 высокого напряжения. На электроды 19 и 20 зарядной камеры 18 от источника 22 высокого напряжения подаются импульсы высокого напряжения, которые инициируют униполярный коронный разряд с острия игольчатого электрода 20.
Аэрозольные частицы, содержащиеся в первом потоке, поступают в зарядную камеру 18, где за счет образовавшихся в результате коронного разряда ионов происходит зарядка частиц контрольного аэрозоля.
r=
Для малых частиц (0,1 мкм) преобладающую роль при зарядке играют диффузионные процессы. Поэтому заряд частиц, определяемый формулой (2), пропорционален их радиусу
q
Br.
=
Заряженные аэрозольные частицы, двигаясь с потоком газа-носителя, попадают в индукционный измерительный электрод 21, где наводят заряд на поверхности электрода. Наведенный заряд пропорционален суммарному заряду частиц, движущихся в индукционном измерительном электроде 21.
Q
N
1
1
При узком спектре размеров частиц и постоянном значении среднего радиуса  наведенный заряд  пропорционален счетной концентрации  аэрозольных частиц, движущихся в индукционном измерительном электроде 21
N
1
К индукционному измерительному электроду 21 подключен измеритель 23 заряда. Свободные заряды, стекая через входное сопротивление измерителя 23, создают на нем падение напряжения, пропорциональное заряду частиц, находящихся в индукционном измерительном электроде 21, и, следовательно, пропорциональное концентрации  аэрозольных частиц.
Сигнал с измерителя 23 заряда поступает на блок 31 вычисления коэффициента проскока фильтра.
Второй поток контрольного аэрозоля, содержащий незаряженные частицы, пропускают через испытуемый фильтр 16 и направляют в воздуховод 24, в котором последовательно установлены зарядная камера 25 коронного разряда и индукционный измерительный электрод 28. Зарядная камера 25 имеет наружный цилиндрический электрод 26, внутренний игольчатый, установленный коаксиально с наружным электрод 27, и источник 29 высокого напряжения. На электроды 26 и 27 зарядной камеры 25 от источника 29 подаются импульсы высокого напряжения, которые инициируют униполярный коронный разряд с острия игольчатого электрода 27.
Узкий спектр размеров частиц контрольного аэрозоля и отсутствие электрического заряда на частицах обусловливают постоянство коэффициента проскока частиц через испытуемый фильтр в области размеров контрольного аэрозоля, что обеспечивает неизменность дисперсного состава аэрозоля после испытуемого фильтра по отношению к дисперсному составу контрольного аэрозоля до испытуемого фильтра.
Частицы контрольного аэрозоля, прошедшие через испытуемый фильтр 16, двигаясь вместе с потоком газа-носителя, поступают в зарядную камеру 25, где за счет образовавшихся в результате коронного разряда ионов происходит зарядка частиц контрольного аэрозоля.
r=
Для малых частиц (0,1 мкм) заряд частиц пропорционален их радиусу
q
Br.
=
Заряженные частицы аэрозоля, двигаясь с потоком газа-носителя, поступают в индукционный измерительный электрод 28, где наводят заряд на поверхности измерительного электрода. Наведенный заряд пропорционален суммарному заряду частиц, прошедших через испытуемый фильтр 16.
Q
N
2
2
При узком спектре размеров частиц и постоянном значении среднего радиуса  частиц наведенный заряд  пропорционален счетной концентрации  аэрозольных частиц, прошедших через испытуемый фильтр 16,
N
2
К индукционному измерительному электроду 28 подключен измеритель 30 заряда. Свободные заряды, стекая через входное сопротивление измерителя 30, создают на нем падение напряжения, пропорциональное заряду частиц, находящихся в измерительном электроде 28, и, следовательно, пропорциональное концентрации  аэрозольных частиц, прошедших через испытуемый фильтр 16. Сигнал с измерителя 30 заряда поступает на блок 31 вычисления коэффициента проскока фильтра.
С учетом выражений (9) и (10) коэффициент К проскока фильтра определяется по формуле
К
Q
Q
N
N
2
1
2
1
= (/ ) 100 = (/ ) 100, %
Таким образом, коэффициент проскока фильтра определяется по отношению счетной концентрации наиболее проникающих аэрозольных частиц после испытуемого фильтра к счетной концентрации аэрозольных частиц до фильтра.
Получение контрольного аэрозоля с твердыми частицами, имеющими узкий спектр размеров и средний радиус, близкий к размеру наиболее проникающих через фильтр частиц, путем химического взаимодействия газообразных реагентов и пропускание через испытуемый фильтр незаряженных аэрозольных частиц обусловливают постоянство коэффициента проскока частиц через испытуемый фильтр в области размеров контрольного аэрозоля, что обеспечивает неизменность дисперсного состава аэрозоля после испытуемого фильтра по отношению к дисперсному составу контрольного аэрозоля до испытуемого фильтра.
Таким образом повышается достоверность результатов контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха за счет уменьшения погрешности определения коэффициента проскока частиц, возникающей в результате изменения дисперсного состава контрольного аэрозоля на выходе испытуемого фильтра.
Предложенный способ контроля высокоэффективных фильтров очистки воздуха может быть также использован для контроля медицинских масок, которые должны эффективно способствовать сокращению выхода вирусов из носовой и ротовой полости бессимптомного носителя или пациента с клиническими симптомами.
Источники информации
1. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы: Пер. с англ. Под ред. Н.А. Фукса.- Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1969. 428 с.
2. Мирзабекян Г.З. // Сильные электрические поля в технологических процессах. - М.: Энергия, 1969. Вып. 1. С. 20 - 39.
3. Кораблева А.А., Колобашкина Т.В. Процесс аэрозолеобразования при прохождении газа высокой концентрации над твердым реагентом в проточном реакторе//Коллоидный журнал. 2001. Т. 63. № 6. С. 787-791.
4. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию: Пер. с англ. под ред.
Б.Ф. Садовского. - М.: Мир, 1987. С. 22.