空氣過濾器粒子計數法試驗結果的影響因素分析

張萬

(航空工業(新鄉)計測科技有限公司，河南新鄉 453019)

0 引言

對空氣過濾器進行過濾性能試驗時，主要使用納焰法、油霧法、粒子計數法等來檢測其過濾效率。而粒子計數法由于能夠檢測不同顆粒尺寸的過濾效率而非質量效率，所以正逐漸被國內外暖通行業、汽車發動機行業所接受。在用粒子計數法測量空氣過濾器的計徑效率時，測量結果是否準確，哪些因素會對其產生影響，本文作者對此進行了分析[1]。

1 粒子計數法的原理和計算公式

粒子計數法是在潔凈的上游試驗氣流中發生氣溶膠，使用粒子計數器分別測量被試過濾器上下游粒子的計數濃度，然后計算得出過濾效率的試驗方法。主要試驗設備為風機、氣溶膠發生裝置、粒子計數器、流量計、壓力計、試驗管路和采樣管等。粒子計數法過濾效率試驗原理如圖1所示。

圖1 粒子計數法過濾效率試驗原理

粒子計數法過濾效率試驗的計算公式[2]如下所示：

式中：E是過濾效率；P是穿透率；R是上下游計數的相關比系數；Nut、Ndt分別是上、下游同體積的粒子計數濃度。從公式中可以看出，上、下游的粒子計數濃度Nut、Ndt和相關比系數R直接影響決定著過濾效率E。由于氣溶膠是發散在管路的流動氣流中的，所以氣溶膠均勻性，流動的氣流(試驗風量)，粒子計數器，上、下游粒子計數一致性及管路的氣密性等都會影響上下游的粒子計數濃度。因此，需要對這些影響因素逐一展開分析，以減小對測量結果準確性的影響。

2 粒子計數法的影響因素分析

2.1 試驗設備、儀器的質量保證

粒子計數法過濾效率是通過空氣濾清器試驗臺和儀器等間接測量計算而得到的，試驗臺的儀表和測量儀器的量值的準確性和一致性直接影響著測量結果。所以，在試驗臺上安裝使用的壓力計(壓差計)、流量計、氣溶膠發生器、粒子計數器、稀釋器、靜電中和器及微分遷移率分級器(DMA)、稀釋器等都需要進行校準，并且使用時還要在校準有效期限內。只有量值準確的儀器，才能獲得準確可靠的測量結果。

2.2 氣溶膠

氣溶膠是粒子計數法過濾效率試驗的重要媒介，氣溶膠的特性和粒子的濃度、粒徑分布等密切相關。氣溶膠按照相態分為液體氣溶膠和固體氣溶膠，液體氣溶膠主要有DEHS，固體氣溶膠主要有NaCl、KCl及ISO12103-A2等。液體氣溶膠通過氣溶膠發生器形成霧化液滴直接進入試驗風道。KCl、NaCl氣溶膠在使用時配制成鹽溶液，氣溶膠發生器將鹽溶液霧化，形成濃度和粒徑分布均質的薄霧氣溶膠，利用干燥空氣、加熱、干燥劑等方法來干燥細小的液滴，使其形成鹽粒子。A2氣溶膠是發生器直接將A2細灰分散，形成濃度和粒徑分布穩定的塵粒氣溶膠。

氣溶膠的種類不同，發散的氣溶膠粒徑分布也有很大的區別。幾種常用氣溶膠的粒徑中值呈現以下關系：dDEHS

氣溶膠均勻性應滿足在規定的任一采樣點，每個粒徑的濃度值與平均濃度的偏差不超過±10%。氣溶膠發生器的粒子流量應根據試驗風量和過濾效率進行相應的調整，在不超過計數器的重疊誤差極限的前提下，氣溶膠的濃度應該足夠大，部分標準給出了最低計數要求，一般最低濃度要求不小于500 個/L或者最少計數不少于500個。濃度過低會影響數據顆粒數的統計規律，數據偶然性的影響很大，嚴重影響測量結果。

2.3 試驗風量

試驗風量是空氣過濾器過濾性能時的關鍵輸入參數，一般都是以額定試驗風量進行試驗。然而如果試驗風量不是額定風量，風量會對粒子法過濾效率產生什么影響呢？根據有關文獻論述：對于纖維類過濾材料，當過濾濾材的風量增加時，過濾效率會下降；在氣溶膠加入量不變的情況下，改變試驗風量，會改變單位時間內通過被試過濾器氣溶膠的濃度，而且被試過濾器的壓差也會變化。由此可以判斷，試驗風量對過濾器過濾性能產生較大影響，盡量按照額定試驗風量進行試驗，以免出現使測量結果“降低”或“增大”的影響[5]。

2.4 粒子計數器和上下游粒子計數一致性

粒子計數器是粒子計數法過濾的關鍵測量儀器，粒子計數器有凝結核粒子計數器(CPC)和光學粒子計數器(OPC)，對于HEPA和ULPA的過濾器，一般使用CPC測量單分散氣溶膠，其他過濾器使用一般使用OPC和多分散氣溶膠進行試驗。試驗時可以使用兩臺粒子計數器分別測量上、下游氣溶膠的粒子濃度，也可以使用一臺粒子計數器在上、下游取樣處進行切換測量。無論是使用兩臺計數器還是使用一臺計數器，在上下游測量時，計徑尺寸、取樣流速和取樣時間應該一致，測量相同取樣體積的粒子濃度才有意義，在氣溶膠趨于穩定后數據才可以作為試驗數據。在超出計數器的濃度范圍時，可使用稀釋器進行稀釋后取樣測量。為了降低計數器間的計數差異，當使用兩臺計數器時，建議使用同型號的。計數器在測試前應自凈化或使用配套的空氣濾進行凈化，去除偽計數的影響。

粒子計數法測量過濾效率是在上游、下游分別取樣測量的，上下游測量的粒子濃度不會完全一樣，所以為了驗證上下游粒子計數的一致性，一般先測量相關比。相關比是一個修正系數，是為了修正上下游粒子計數不一致的測量結果，降低上下游不一致對穿透率的影響。相關比R公式如下所示：

式中：Nuc、Ndc分別是上、下游同體積的粒子計數濃度。對于相關比的取值，不同行業使用的空氣過濾器要求也不同。HEPA和ULPA的試驗進行到計算時，雖然沒有代入相關比，但是卻要求在未安裝過濾器時，上、下游采樣位置所測濃度的差別不應超過5%。乘駕室用空氣過濾器的要求稍有放寬，設定范圍為0.7～1.6。而汽車發動機和壓縮機進氣空氣濾及一般通風過濾器試驗對于相關比的要求如表1、表2所示，在表1中也列舉了不代入計算相關比時的穿透率(P1、P2、P3)和代入計算相關比的穿透率(P)的關系比較。由此可見，上下游計數粒子一致性對過濾效率的影響很大，需要代入計算相關比。

表1 某汽車用空氣過濾器試驗標準規定的相關比[6]

表2 ISO16890-2規定的相關比[3]

2.5 被試過濾器的安裝與氣密性

不管是正壓試驗系統還是負壓試驗系統，如果被試過濾器在安裝時密封不好，都會改變下游管路氣體中粒子的濃度和粒徑分布，直接影響過濾效率。被試過濾器在正壓系統出現泄漏時，由于泄漏處的壓力差，系統管路中的一部分氣流會從安裝的縫隙處流向大氣中，而改變了系統中氣溶膠的濃度和分布。而負壓系統泄漏時，大氣壓力高于系統內部壓力，大氣會從縫隙處進入試驗系統中，而改變了系統中氣溶膠的濃度和分布。所以，安裝被試過濾器時，必須做好過濾器與管路之間的密封工作。

3 結論

經過以上分析，空氣過濾器粒子計數法過濾效率試驗結果會受到很多因素的影響，為了確保試驗結果的準確性，降低外在因素的影響，試驗前必須對試驗設備進行計量確認、試驗驗證等工作，然后根據空氣過濾器的額定流量、過濾器等級(分級)等提供的試驗參數選擇合適的氣溶膠、確定合適的氣溶膠濃度，進行相關比測量，同時在安裝被試過濾器時要確保密封性要求。