關(guān)于靜電過濾器性能的研究

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簡(jiǎn)介： 本文通過采用我國(guó)一般通風(fēng)用過濾器的測(cè)試方法——大氣塵計(jì)數(shù)法和日本標(biāo)準(zhǔn)JIS9908中的DOP法，對(duì)不同形式的靜電過濾器的性能進(jìn)行了分析。對(duì)民用進(jìn)氣靜電過濾器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，得出靜電過濾器的過濾性能。研究表明，在一定的條件下，被研究的靜電過濾器的過濾級(jí)別可以達(dá)到纖維過濾器中的中效及高中效過濾器，過濾阻力明顯低于纖維型過濾器，而且線狀電極的靜電過濾器效率高于據(jù)齒狀電極的靜電過濾器的結(jié)果。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，認(rèn)為靜電過濾器在民用空調(diào)中是有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的。
關(guān)鍵字：靜電過濾器 大氣塵計(jì)數(shù)法 建筑能耗

過濾器是獲得良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的有效的設(shè)備。現(xiàn)在的過濾器種類多樣，過濾能力也分為許多級(jí)別。現(xiàn)在用的較多的是纖維型過濾器。這種過濾器有其自身的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它也存在一些缺陷。比如如果想提高過濾效率，可以增加纖維的厚度，也可以減小纖維直徑，增加纖維填充率，但是這樣會(huì)增加阻力。阻力的增加導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，能源的利用率本來就很低，加之我國(guó)是能耗大國(guó)，能耗越大，污染越嚴(yán)重，而污染越嚴(yán)重，需要的過濾器過濾效率就越高，其阻力也就越大，能量消耗也就越多。這要就會(huì)形成一個(gè)惡性循環(huán)。有沒有更好的空器過濾方法呢？人們通過多年的研究找到了一種新的方法——靜電過濾器。靜電過濾器是借助靜電力從氣流中分離懸浮粒子的一種裝置^[1]。它與其他類用機(jī)械方法分離粒子的裝置的根本不同在于，分離力直接作用于各粒子上，而不是通過作用于整個(gè)氣流上的力間接作用在粒子上。靜電力直接而高效的利用，決定了靜電過濾器具有捕集效率高和能耗低兩個(gè)重要的特點(diǎn)。靜電過濾的工作原理是使含塵氣流中的粉塵微粒荷電，在電場(chǎng)力的作用下驅(qū)使帶電塵粒沉降在收塵極板的表面上。我們通過對(duì)靜電過濾器的測(cè)試，為靜電過濾器的可用性提供了依據(jù)。

1. 靜電過濾器標(biāo)準(zhǔn)分析

靜電過濾器一般都用于工業(yè)除塵，在民用空調(diào)上基本不使用。為了將靜電過濾器應(yīng)用于民用建筑的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，我們對(duì)某公司研制的新型空調(diào)用靜電過濾器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,由于我國(guó)關(guān)于電除塵器的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[40]（GB/T 13931-2002）中規(guī)定使用煙氣測(cè)量靜電過濾器的性能，這對(duì)于工業(yè)除塵是合適的，而民用靜電過濾器一般是用來過濾大氣塵的，煙氣中塵粒的成分和粒徑分布和大氣塵完全不同，見表6-1，所以煙氣作為氣溶膠用在民用靜電過濾器測(cè)試中是不合適的。對(duì)于其它國(guó)家的靜電過濾器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所使用的方法和我國(guó)電除塵器的測(cè)試方法是不相同的。我參照了日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS B 9908）和美國(guó)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)（ASHRAE52.2），發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)國(guó)家的電除塵器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與一般通風(fēng)用過濾器（通常指纖維過濾器）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，僅是測(cè)試的方法有所區(qū)別。

對(duì)于日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS B 9908種規(guī)定采用DOP法測(cè)試靜電過濾器的效率（初始值）、阻力以及臭氧濃度的值。對(duì)于容塵量以及測(cè)試停止條件沒有規(guī)定。

美國(guó)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)52.2規(guī)定采用人工塵——ASHRAE塵測(cè)試靜電過濾器的效率（初始值、加權(quán)值）、阻力、容塵量、多次清洗后的效率、臭氧濃度、耗電量、收塵極板的面積等參數(shù)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE52.2對(duì)靜電過濾器的測(cè)試是比較全面的。其中對(duì)容塵量的測(cè)試是其它標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定的。而且采用阻力作為靜電過濾器清洗更換（容塵量達(dá)到規(guī)定）的標(biāo)志。采用阻力作為標(biāo)志對(duì)于纖維過濾器是適合的，但是對(duì)于靜電過濾器就不十分適合了，因?yàn)殪o電過濾器的阻力隨容塵量的變化很小，采用阻力監(jiān)測(cè)誤差較大?，F(xiàn)在有些人提出了采用其它的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，比如：電壓降、單位時(shí)間放電次數(shù)、固定容塵量等。這些好的想法都在進(jìn)一步的研究中。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE52.2中仍然使用ASHRAE塵測(cè)試靜電過濾器。由于ASHRAE塵中使用碳黑，而碳黑的電特性：比電阻值范圍大約是0.22Ω.cm至0.26Ω.cm。靜電過濾器對(duì)于比電阻在104Ω.cm至5×1010Ω.cm之間的粒子過濾效果較好（粒子比電阻較小容易重返氣流，比電阻過大易形成反電暈），附著在極板上的碳黑的靜電過濾器大大減少對(duì)其他顆粒的靜電吸引力，造成過濾效率偏低。所以碳黑不適于靜電過濾器的測(cè)試。今后還要加強(qiáng)靜電過濾器用人工塵的研究。

我國(guó)沒有專門的靜電過濾器的標(biāo)準(zhǔn)，只有電除塵器的標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)電除塵器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定測(cè)試電除塵器進(jìn)出口的煙氣含塵濃度和電除塵器本體漏風(fēng)率及本體壓力降，經(jīng)過計(jì)算得到除塵效率（計(jì)重效率）。這種方法對(duì)于使用靜電除塵器過濾鍋爐等的煙氣是適用的，但是對(duì)于民用空調(diào)系統(tǒng)中使用的靜電過濾器就不合適了。因?yàn)橐话忝裼每照{(diào)系統(tǒng)中使用的靜電過濾器的效率都達(dá)到中效的水平，要求對(duì)較小的顆粒有較好的過濾效果，所以中效過濾器一般采用計(jì)數(shù)效率。而且民用靜電過濾器與人的健康息息相關(guān)，臭氧濃度必須加以控制。

通過以上這三種方法的比較，我認(rèn)為我們單獨(dú)采用任何一種方法測(cè)試靜電過濾器都是不合適的。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)國(guó)外的方法與纖維過濾器測(cè)試方法一致。所以我認(rèn)為在測(cè)試中應(yīng)該結(jié)合我國(guó)一般通風(fēng)用過濾器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)——大氣塵計(jì)徑計(jì)數(shù)法測(cè)定靜電過濾器的效率、阻力，有條件時(shí)采用人工塵測(cè)定其容塵量等參數(shù)。這樣測(cè)試的好處是能將測(cè)試結(jié)果直接與一般通風(fēng)用過濾器級(jí)別分類對(duì)比，得到評(píng)價(jià)方法相同的靜電過濾器的級(jí)別。這樣的級(jí)別分類用戶容易接受，也便于和一般通風(fēng)用過濾器（纖維過濾器）進(jìn)行對(duì)比。

2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

我們實(shí)驗(yàn)中采用了選擇了兩種電暈集的靜電過濾器。通過上面講的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同電壓，風(fēng)量下過濾器的效率進(jìn)行了測(cè)試，見圖1，2。

圖1 相同風(fēng)量下除塵效率和粒徑的關(guān)系（8KV） 圖2 相同風(fēng)量下除塵效率和粒徑的關(guān)系（10KV）

從圖1、2中可以看出，電暈極形式不同，靜電過濾器的效率也存在很大的差距。線狀電暈極的荷電效果明顯高于鋸齒狀電暈極。由于線狀電極和鋸齒狀電極周圍的電場(chǎng)分布的差異，造成電場(chǎng)荷電的能力不同，從而影響集塵極的集塵性能?？偠灾ㄟ^實(shí)驗(yàn)可以看出，在其它條件相同的前提下，線狀電極優(yōu)于鋸齒狀電極的荷電能力，但是線狀電極強(qiáng)度不如其它形式的電極。強(qiáng)度不夠，易斷是其缺點(diǎn)。今后要加強(qiáng)線狀電極材料的研究，提高其強(qiáng)度，甚至可進(jìn)行新型電極的研究，以便得到強(qiáng)度好、荷電能力高的電暈極。從圖1、2、3中可以看出過濾效率隨電壓的增加而增加，隨風(fēng)量的減小而減小，而且效率可以達(dá)到中效甚至更高的效率。

靜電過濾器最大的特點(diǎn)就是捕集力直接作用在粒子上，由于捕集原理和結(jié)構(gòu)的不同使得靜電過濾器在不同風(fēng)量和容塵量下的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖維過濾器。

發(fā)塵時(shí)我們采用煙廠的煙絲灰塵（道路塵與植物纖維為主），避免了碳黑的影響。從圖3、4中都可以看無論是隨風(fēng)量還是隨容塵量的變化纖維過濾器的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜電過濾器。隨著風(fēng)速的增大，纖維過濾器的阻力增加的幅度很大，而靜電過濾器的阻力變化比較緩慢。阻力的巨大差異是由于纖維過濾器和靜電過濾器的過濾機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同造成的。纖維過濾器的阻力一是濾料阻力，二是結(jié)構(gòu)阻力。濾料阻力是由氣流流過纖維層是時(shí)纖維的迎面阻力造成的。阻力的大小和纖維層內(nèi)流動(dòng)的氣流是紊流還是層流關(guān)系極大。從前面第三章給出的阻力公式可以看出，不論是阻力的理論公式還是經(jīng)驗(yàn)公式，都毫無疑問地反映出，當(dāng)纖維層厚度和填充率越大，纖維越細(xì)，濾速越高的情況下，纖維過濾器的除塵阻力越大。而對(duì)于靜電過濾器氣流不受纖維層的阻擋，而纖維層的阻力對(duì)過濾器全阻力貢獻(xiàn)很大，所以靜電過濾器的阻力較纖維過濾器小很多。由于阻力的減小，靜電過濾器在使用過程中能耗便可以減小很多，這是靜電過濾器的一大特點(diǎn)。靜電過濾器與纖維過濾器相比，可使空調(diào)箱風(fēng)機(jī)的壓頭降低很多，可減少日常運(yùn)行費(fèi)用。

不同容塵量下纖維過濾器和靜電過濾器阻力也存在類似的情況。纖維過濾器在不同容塵量下阻力明顯高于靜電過濾器。對(duì)于初、中效纖維過濾器，它的微孔大小分布可能很寬，所以大部分氣流從較大的孔通過，過濾效率很低。當(dāng)大孔逐漸被阻塞后，在某種程度上微孔分布變得更均勻，微孔尺寸的中位值變小了，因而過濾器的阻力迅速增高。沉淀粒子一般并不是均勻分布在纖維整個(gè)表面上的，而是形成一個(gè)鏈狀聚合體，這些聚合體本身的作用就像很細(xì)的纖維一樣，比制造過濾器的纖維材料能更有效的收集粒子。這些聚合體同樣對(duì)氣流起阻礙作用，這樣就使纖維過濾器阻力隨容塵量增大而增大。而靜電過濾器粒子是捕集在極板上，加上清灰比較頻繁，使得氣體的流道比較暢通，所以對(duì)氣流影響很小。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中主要采用大氣塵法，為了和日本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，我們用DOP法進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖5：

由實(shí)驗(yàn)分析得到，采用不同的氣溶膠對(duì)靜電過濾器性能的測(cè)試結(jié)果有比較大的差別。這主要和氣溶膠的電特性、物理化學(xué)特性有很大的關(guān)系。大氣塵和DOP的介電常數(shù)不同，由電場(chǎng)荷電公式可以得到介電常數(shù)越大，離子所帶的電荷越多，粒子就更容易被捕獲。同時(shí)由于DOP是液體，當(dāng)其被捕集之后液滴是從收塵表面上躺下來的，基本不會(huì)造成二次揚(yáng)塵。濕式靜電過濾器或捕集液態(tài)氣溶膠的除霧器就減小了二次揚(yáng)塵的影響。而對(duì)于干料（譬如：大氣塵、電場(chǎng)中的灰塵等），沖向收塵極的塵粒撞擊到積灰的表面上時(shí)會(huì)引起二次揚(yáng)塵。粉塵越大慣性越大，大粒子粉塵的慣性足以使已經(jīng)沉積的粉塵重新脫離積灰表面。所以采用不同的測(cè)試氣溶膠對(duì)靜電過濾器的評(píng)價(jià)影響很大。從本實(shí)驗(yàn)看，DOP所測(cè)得的效率要高出大氣塵所測(cè)得的效率約10%以上。這就要求至少各國(guó)內(nèi)部在測(cè)試靜電過濾器的性能時(shí)要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。