用于HEPA滤料效率检测的蒸发冷凝技术

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江锋, 庄子威, 张振中, 尉继英. 用于HEPA滤料效率检测的蒸发冷凝技术. 清华大学学报: 自然科学版, 2014, 54(5): 629-632[Feng JIANG, Ziwei ZHUANG, Zhenzhong ZHANG, et al. Evaporation-condensation technology for testing the efficiency of HEPA filter media[J]. 2014, 54(5): 629-632] 复制到剪切板

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用于HEPA滤料效率检测的蒸发冷凝技术

江锋, 庄子威, 张振中, 尉继英

清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 100084

作者简介: 江锋(1959-), 男(汉), 浙江, 研究员。E-mail:jf601@mail.tsinghua.edu.cn

基金:国家自然科学基金资助项目 (50978154,50608044);

摘要

明确蒸发冷凝技术产生准单分散气溶胶的发生效果及其与数值模拟的吻合程度,可以应用于高效(high efficiency particulate air, HEPA)滤料计数效率的测量,使其兼具测量速度快和可测效率范围宽的优点。通过Euler-Lagrange模型数值模拟计算和扫描电迁移率粒度分析仪(scanning mobility particle sizers, SMPS)实验测量,研究了不同参数条件下,蒸发冷凝装置产生气溶胶的粒径分布状况。研究结果表明:模拟结果与实验数据吻合程度较高; Euler-Lagrange模型适用于模拟冷凝管中气溶胶的生长规律; 通过调节发生器的参数可产生不同粒径的高浓度准单分散气溶胶。气溶胶粒径分布不仅完全满足HEPA滤料效率检测要求,而且可以应用于超高效(ultra low penetration air, ULPA)滤料效率检测。

关键词: 气溶胶发生; 效率检测; 蒸发冷凝技术; 高效(high efficiency particulate air; HEPA)滤料

中图分类号:O648.18;X513 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)05-0629-04

Evaporation-condensation technology for testing the efficiency of HEPA filter media

Feng JIANG, Ziwei ZHUANG, Zhenzhong ZHANG, Jiying WEI

Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University, Beijing 100084, China

Fund:

Abstract

Quasi-monodispersed aerosols can be generated by an evaporation-condensation generator. The aerosol characteristics and the differences between models and experiments need to be understood for testing the use of high efficiency particulate air (HEPA) filters to get both high measurement speeds and wide ranges of filters efficiencies. The size distributions of the aerosol particles generated by the evaporation-condensation generator are analyzed for various spring parameters through numerical simulations using the Euler-Lagrange modeling method and experimental measurements using a scanning mobility particle sizes (SMPS). The results show that the simulations are quite consistent with the experimental data, so the Euler-Lagrange modeling method can be applied to simulate aerosol growth in the condensation tube. Different sizes of high-concentration, quasi-monodisperse aerosols can be generated by changing the generator operating parameters. The size distribution not only meets the HEPA filter media efficiency testing standard but can also be used for ultra low penetration air (ULPA) filter media efficiency testing.

Keyword: aerosol generation; efficiency testing; evaporation-condensation technology; high efficiency particulate air (HEPA) filter media

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欧盟和美国分别在标准EN1822和IEST RP021中规定了高效(high efficiency particulate air, HEPA)滤料的测试方法^[1,2]。测试方法主要分为2大类:

1) 使用多分散气溶胶发生器发生固态或者液态气溶胶,与干净空气混合后,分别在滤料的上下游采样(上游采样气体还需经过稀释器稀释), 通入激光粒子计数器(optical particle counter, OPC)即可测量滤料上下游气溶胶的计数浓度,计算得到计数过滤效率。

2) 同样使用多分散气溶胶发生器发生固态或者液态气溶胶,先经过微分迁移率分析仪(differential mobility analysis, DMA)分离出某一粒径下的单分散气溶胶,然后再与干净空气混合后被HEPA滤料过滤,分别在滤料的上下游采样,使用凝结核粒子计数器(condensation particle counter, CPC)测量气溶胶的计数浓度,最后通过计算得到计数过滤效率。

这2类计数法检测技术分别具有测量速度快和可测效率范围宽的优点,但是却无法兼顾二者。主要原因是多分散气溶胶发生器产生的气溶胶中,对检测有用的气溶胶浓度不高。而使用蒸发冷凝技术可以直接产生准单分散的液态气溶胶,与干净空气混合后,用于HEPA滤料效率的测量。它具有以下优点^[3]: 按照检测要求的粒径,产生高数量浓度的气溶胶,增宽可测效率范围; 使用CPC测量高数量浓度的气溶胶,使其同样具有较高的测试速度; 液态气溶胶的荷电量很小,不必使用放射性中和装置,保证了检测人员的安全和健康。

本文通过数值模拟分析模拟不同工况下蒸发冷凝技术产生气溶胶的粒径大小,并且与实验数据进行对比。

1 蒸发冷凝技术

蒸发冷凝技术的原理是蒸发得到的有机物溶剂蒸汽在冷凝时,由于温度降低达到一定的过饱和度,从而可以冷凝形成一定浓度的气溶胶。

典型的单分散气溶胶发生装置如图1所示^[4]。过滤后的高压空气通入喷雾器(内含collison型喷嘴), 高压气体将喷雾器内一定浓度的NaCl溶液雾化形成NaCl液滴后通入扩散干燥器,得到一定粒径的NaCl晶核作为凝结核; 同时,饱和器内的气溶胶材料液体(本实验中为癸二酸二辛酯)加热后产生蒸汽,这部分蒸汽与凝结核一起通入再热器混合均匀后进入冷凝管,此时蒸汽由于温度降低,过饱和度增大,从而在凝结核上冷凝生长,并最终得到所需要的单分散气溶胶。

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	图1 蒸发冷凝法气溶胶发生装置系统图

如图1所示,在此发生装置中,可以控制的物理参数有总流量( Q_t)、过滤流量( Q_f)、饱和器流量( Q_s)、饱和器温度( t_s)、凝结核流量( Q_t-Q_s)、再热器温度( t_r)和NaCl溶液质量浓度。

2 数值模拟与实验

2.1 数学模型

本文基于 Euler-Lagrange模型^[5,6], 用离散法建立成核粒径和数量浓度,用移动网格法描述气溶胶生长的过程,具体为:

假设轴向网格划分为 n,则生成空间为 n×n的2个二维数组 D_i_, _j和 N_i_, _j。对于第 i个网格, D数组记录第 j个网格中成核的气溶胶到达 i网格时生长后的直径, N数组记录对应的数量浓度。

2.2 数值模拟

选择二维层流管道,连续方程为:

$\begin{matrix} \frac{\partial U}{\partial x} + \frac{v}{r} + \frac{\partial v}{\partial r} = 0 . \end{matrix}$

其中: u为混合气体的轴向速度; v为混合气体的径向速度。

轴向动量方程为:

$\begin{matrix} ρ (u \frac{\partial u}{\partial x} + v \frac{\partial u}{\partial r}) = - \frac{\partial p}{\partial x} + μ [\frac{\partial^{2} u}{\partial x^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r \frac{\partial u}{\partial r})] . \end{matrix}$

径向动量方程为:

$\begin{matrix} ρ (u \frac{\partial v}{\partial x} + v \frac{\partial v}{\partial r}) = - \frac{\partial p}{\partial r} + μ [\frac{\partial^{2} v}{\partial x^{2}} + \frac{\partial}{\partial r} (\frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} rv)] . \end{matrix}$

其中: ρ为混合气体的密度; p为气溶胶周围的蒸汽压力; μ为动力粘度。

能量方程^[7]为:

$\begin{matrix} u \frac{\partial T}{\partial x} + v \frac{\partial T}{\partial r} = \frac{k}{ρC} [\frac{\partial^{2} T}{\partial x^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r \frac{\partial T}{\partial r})] + \frac{LΔ m_{v}}{ρC} . \end{matrix}$

其中: T为混合气体的温度; k为 Boltzmann常数, 1.380 650 5×10^-23 J/K; C为比定压热容; L为蒸汽的潜热; Δm_v为蒸汽的变化率。

传质方程^[8]为:

$\begin{matrix} u \frac{\partial c}{\partial x} + v \frac{\partial c}{\partial r} = D [\frac{\partial^{2} c}{\partial x^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial}{\partial r} (r \frac{\partial c}{\partial r})] - \frac{Δ m_{v}}{ρ} . \end{matrix}$

其中: c为蒸汽的浓度; D为蒸汽在空气中的扩散系数。

入口边界条件^[7]: x=0, u=u₀, T=T₀, c=c₀.

壁面边界条件: r=R₀, u=0, T=T_w, c= min $\begin{matrix} \{c_{0}, c_{sat}\} \end{matrix}$ .

对称边界条件: r=0, $\begin{matrix} \frac{\partial u}{\partial r} \end{matrix}$ =0, $\begin{matrix} \frac{\partial T}{\partial r} \end{matrix}$ =0, $\begin{matrix} \frac{\partial c}{\partial r} \end{matrix}$ =0.

其中: T₀为冷凝管入口温度; c₀为蒸汽的入口浓度; R₀为冷凝管半径; T_w为冷凝管壁面温度; c _sat为蒸汽的饱和浓度。

气溶胶的生长计算公式^[8]为:

1) 自由分子区

$\begin{matrix} \frac{d d_{p}}{dt} = \frac{2 M_{f}}{ρ_{f} \sqrt[]{2 π M_{f} RT}} (p - p_{sat}) . \end{matrix}$

2) 过渡区

$\begin{matrix} \frac{d d_{p}}{dt} = \frac{4 D M_{f}}{d_{p} ρ_{f} RT} (p - p_{sat}) f (Kn) . \end{matrix}$

3) 连续区

$\begin{matrix} \frac{d d_{p}}{dt} = \frac{4 D M_{f}}{d_{p} ρ_{f} RT} (p - p_{sat}) . \end{matrix}$

其中:

$\begin{matrix} \begin{matrix} f (Kn) = \frac{1 + Kn}{1 + 1.71 Kn + 1.333 K n^{2}} . \\ Kn = 2 λ / d_{p} . \end{matrix} \end{matrix}$

其中: d_p为气溶胶直径; M_f为气溶胶的摩尔质量; ρ_f为气溶胶的密度; R为普适气体常数, 8.31 J/( mol· K); p _sat为蒸汽的饱和蒸汽压; Kn为气溶胶的 Knudsen数; λ为平均自由程。

冷凝管直径为2 cm, 长度为50 cm, 管壁温度300 .15 K, 饱和器温度373 .15 K, 网格划分为50×2 000。

2.3 DEHS工质物理性质

DEHS全称为 Di-Ethyl-Hexyl-Sebacate,中文名为癸二酸二辛酯,分子式为 C₂₆ H₅₀ O₄, 工质的物理性质参数如表1所示。欧盟标准 EN1822中规定使用液体颗粒气溶胶用于滤料测试,要求液滴的大小在整个试验过程的几秒内不会由于蒸发而明显变化,允许使用的物质包括 DEHS、邻苯二甲酸二辛酯( DOP)、石蜡油(低粘度)等^[1]。 DOP是早期最为广泛使用的气溶胶发生物质,但由于 DOP含有苯环,可能致癌,故现在一般用其它性质相近的气溶胶如 DEHS等来替代。本实验即采用 DEHS作为气溶胶材料。

表1 DEHS物理性质参数表

其中: T为液体温度。

对于DEHS饱和蒸汽压,具体的实验数值如表2所示。

表2 DEHS饱和蒸汽压实验数值表^[9]

2.4 实验装置

本实验装置采用如图1所示的亚微米级DEHS发生系统,粒度分布测量采用扫描电迁移率粒度分析仪(Model 3936L22 SMPS, TSI Incorporated, USA)系统。扫描电迁移率粒度分析仪(scanning mobility particle sizers, SMPS)系统的原理是首先使用2 mCi的⁸⁵Kr放射源将待测气溶胶的带电状态调整为Boltzmann分布,然后通过DMA筛选出所需要粒径的气溶胶,最后通过CPC测量该粒径气溶胶的浓度。通过改变DMA的电压,可以得到不同粒径的气溶胶,因此通过整套SMPS测量可以获得气溶胶在7~900 nm范围内的粒度分布。

研究表明,气溶胶的计数中值直径(count median diameter, CMD)随饱和器流量 Q_s和饱和器温度 t_s的增大而增大,选择某一 t_s, 通过调节饱和器流量 Q_s即可覆盖所需的粒径范围^[10]。因此本实验中固定 t_s, 仅通过调节 Q_s来产生所需要的饱和蒸汽。本实验参数设置如下: 总流量 Q_t为0.11 m³/h, 过滤流量 Q_f为0.02 m³/h, 饱和器温度 t_s为120 ℃,再热器温度 t_r为300 $\begin{matrix} ℃^{[1112]} \end{matrix}$ 。

3 分析与讨论

设置饱和器流量 Q_s分别为0.02 m³/h、 0.06 m³/h和0.09 m³/h, 对应的蒸汽压力分别为 0.090 9 Pa、 0.273 Pa和0.409 Pa。实验获得的结果如图2所示,冷凝管出口气溶胶的CMD分别约为150 nm、 200 nm和250 nm。

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	图2 不同饱和器流量时的实验结果

数值模拟使用的气溶胶数量浓度为10⁷ 个/cm³, 模拟结果如图3所示。从图3可以看出,不同Q_s参数下,冷凝管出口的CMD分别为135 nm、 200 nm和240 nm, 与实验数据具有良好的一致性。

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	图3 不同饱和器流量时的数值模拟结果

4 结论

由数值模拟和实验研究结果可以看出,两者具有良好的一致性。使用蒸发冷凝技术,可以通过调节饱和器流量 Q_s等参数获得单分散性能好,且粒径满足滤料效率测试要求的油性DEHS气溶胶。因为CPC的浓度测量范围为10^-2~10⁷ 个/cm³, 所以蒸发冷凝技术与CPC联合使用,较之目前的欧美方法,效率测试范围更宽,速度更快。蒸发冷凝技术产生的气溶胶数量浓度介于10⁶~10⁷ 个/cm³, CMD介于100~300 nm, 几何标准偏差<1.5且随CMD的增大而进一步减小,因此不仅可以用于HEPA滤料的效率检测,也可以应用于超高效(ultra low penetration air, ULPA)滤料的计数效率检测。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 欧盟和美国分别在标准EN1822和IEST RP021中规定了高效(high efficiency particulate air, HEPA)滤料的测试方法^[1-2] ...

... 欧盟标准EN1822中规定使用液体颗粒气溶胶用于滤料测试,要求液滴的大小在整个试验过程的几秒内不会由于蒸发而明显变化,允许使用的物质包括DEHS、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、石蜡油(低粘度)等^[1] ...

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... 典型的单分散气溶胶发生装置如图1所示^[4] ...

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... 1 数学模型本文基于Euler-Lagrange模型^[5-6], 用离散法建立成核粒径和数量浓度,用移动网格法描述气溶胶生长的过程,具体为: ...

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... 入口边界条件^[7]: x=0, u=u₀, T=T₀, c=c₀ ...

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... 传质方程^[8]为: ...

... 气溶胶的生长计算公式^[8]为: ...

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... 研究表明,气溶胶的计数中值直径(count median diameter, CMD)随饱和器流量Q_s和饱和器温度t_s的增大而增大,选择某一t_s, 通过调节饱和器流量Q_s即可覆盖所需的粒径范围^[10] ...

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