關于靜電過濾器性能的研究

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簡介： 本文通過采用我國一般通風用過濾器的測試方法——大氣塵計數(shù)法和日本標準JIS9908中的DOP法，對不同形式的靜電過濾器的性能進行了分析。對民用進氣靜電過濾器的性能進行了實驗分析，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別可以達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果。通過技術經濟評價，認為靜電過濾器在民用空調中是有一定的經濟優(yōu)勢的。
關鍵字：靜電過濾器 大氣塵計數(shù)法 建筑能耗

過濾器是獲得良好的室內空氣品質的有效的設備。現(xiàn)在的過濾器種類多樣，過濾能力也分為許多級別。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，同時它也存在一些缺陷。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，但是這樣會增加阻力。阻力的增加導致系統(tǒng)能耗增加。我國是發(fā)展中國家，能源的利用率本來就很低，加之我國是能耗大國，能耗越大，污染越嚴重，而污染越嚴重，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。這要就會形成一個惡性循環(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重要的特點。靜電過濾的工作原理是使含塵氣流中的粉塵微粒荷電，在電場力的作用下驅使帶電塵粒沉降在收塵極板的表面上。我們通過對靜電過濾器的測試，為靜電過濾器的可用性提供了依據(jù)。

1. 靜電過濾器標準分析

靜電過濾器一般都用于工業(yè)除塵，在民用空調上基本不使用。為了將靜電過濾器應用于民用建筑的空調通風系統(tǒng)，我們對某公司研制的新型空調用靜電過濾器的性能進行了實驗研究,由于我國關于電除塵器的國家標準[40]（GB/T 13931-2002）中規(guī)定使用煙氣測量靜電過濾器的性能，這對于工業(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試中是不合適的。對于其它國家的靜電過濾器的測試標準所使用的方法和我國電除塵器的測試方法是不相同的。我參照了日本工業(yè)標準（JIS B 9908）和美國ASHRAE標準（ASHRAE52.2），發(fā)現(xiàn)這兩個國家的電除塵器測試標準與一般通風用過濾器（通常指纖維過濾器）測試標準是同一個標準，僅是測試的方法有所區(qū)別。

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

美國ASHRAE標準52.2規(guī)定采用人工塵——ASHRAE塵測試靜電過濾器的效率（初始值、加權值）、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)。美國標準ASHRAE52.2對靜電過濾器的測試是比較全面的。其中對容塵量的測試是其它標準中未規(guī)定的。而且采用阻力作為靜電過濾器清洗更換（容塵量達到規(guī)定）的標志。采用阻力作為標志對于纖維過濾器是適合的，但是對于靜電過濾器就不十分適合了，因為靜電過濾器的阻力隨容塵量的變化很小，采用阻力監(jiān)測誤差較大。現(xiàn)在有些人提出了采用其它的參數(shù)進行監(jiān)控，比如：電壓降、單位時間放電次數(shù)、固定容塵量等。這些好的想法都在進一步的研究中。美國標準ASHRAE52.2中仍然使用ASHRAE塵測試靜電過濾器。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試。今后還要加強靜電過濾器用人工塵的研究。

我國沒有專門的靜電過濾器的標準，只有電除塵器的標準。在我國電除塵器標準中規(guī)定測試電除塵器進出口的煙氣含塵濃度和電除塵器本體漏風率及本體壓力降，經過計算得到除塵效率（計重效率）。這種方法對于使用靜電除塵器過濾鍋爐等的煙氣是適用的，但是對于民用空調系統(tǒng)中使用的靜電過濾器就不合適了。因為一般民用空調系統(tǒng)中使用的靜電過濾器的效率都達到中效的水平，要求對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數(shù)效率。而且民用靜電過濾器與人的健康息息相關，臭氧濃度必須加以控制。

通過以上這三種方法的比較，我認為我們單獨采用任何一種方法測試靜電過濾器都是不合適的。同時也發(fā)現(xiàn)國外的方法與纖維過濾器測試方法一致。所以我認為在測試中應該結合我國一般通風用過濾器的測試標準——大氣塵計徑計數(shù)法測定靜電過濾器的效率、阻力，有條件時采用人工塵測定其容塵量等參數(shù)。這樣測試的好處是能將測試結果直接與一般通風用過濾器級別分類對比，得到評價方法相同的靜電過濾器的級別。這樣的級別分類用戶容易接受，也便于和一般通風用過濾器（纖維過濾器）進行對比。

2. 實驗數(shù)據(jù)分析

我們實驗中采用了選擇了兩種電暈集的靜電過濾器。通過上面講的實驗方法對不同電壓，風量下過濾器的效率進行了測試，見圖1，2。

圖1 相同風量下除塵效率和粒徑的關系（8KV） 圖2 相同風量下除塵效率和粒徑的關系（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分布的差異，造成電場荷電的能力不同，從而影響集塵極的集塵性能。總而言之，通過實驗可以看出，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，但是線狀電極強度不如其它形式的電極。強度不夠，易斷是其缺點。今后要加強線狀電極材料的研究，提高其強度，甚至可進行新型電極的研究，以便得到強度好、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，隨風量的減小而減小，而且效率可以達到中效甚至更高的效率。

靜電過濾器最大的特點就是捕集力直接作用在粒子上，由于捕集原理和結構的不同使得靜電過濾器在不同風量和容塵量下的阻力遠遠小于纖維過濾器。

發(fā)塵時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量還是隨容塵量的變化纖維過濾器的阻力遠遠高于靜電過濾器。隨著風速的增大，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理和結構的不同造成的。纖維過濾器的阻力一是濾料阻力，二是結構阻力。濾料阻力是由氣流流過纖維層是時纖維的迎面阻力造成的。阻力的大小和纖維層內流動的氣流是紊流還是層流關系極大。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驗公式，都毫無疑問地反映出，當纖維層厚度和填充率越大，纖維越細，濾速越高的情況下，纖維過濾器的除塵阻力越大。而對于靜電過濾器氣流不受纖維層的阻擋，而纖維層的阻力對過濾器全阻力貢獻很大，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。靜電過濾器與纖維過濾器相比，可使空調箱風機的壓頭降低很多，可減少日常運行費用。

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表面上的，而是形成一個鏈狀聚合體，這些聚合體本身的作用就像很細的纖維一樣，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，所以對氣流影響很小。

我們在實驗中主要采用大氣塵法，為了和日本標準進行比較，我們用DOP法進行了測試。測試結果如下圖5：

由實驗分析得到，采用不同的氣溶膠對靜電過濾器性能的測試結果有比較大的差別。這主要和氣溶膠的電特性、物理化學特性有很大的關系。大氣塵和DOP的介電常數(shù)不同，由電場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。同時由于DOP是液體，當其被捕集之后液滴是從收塵表面上躺下來的，基本不會造成二次揚塵。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塵的影響。而對于干料（譬如：大氣塵、電場中的灰塵等），沖向收塵極的塵粒撞擊到積灰的表面上時會引起二次揚塵。粉塵越大慣性越大，大粒子粉塵的慣性足以使已經沉積的粉塵重新脫離積灰表面。所以采用不同的測試氣溶膠對靜電過濾器的評價影響很大。從本實驗看，DOP所測得的效率要高出大氣塵所測得的效率約10%以上。這就要求至少各國內部在測試靜電過濾器的性能時要有一個統(tǒng)一的標準。