بگ فیلتر چیست و چه کاربردی دارد ؟

فیلترهای هوا که بخشی از وسایل زندگی افراد را تشکیل میدهند در هود آشپزخانه، ماشین ها، جاروبرقی و ماسکها مورد استفاده قرار می گیرند. فیلتراسیون یکی از مکانیسم های رایج پالایش هوا و نمونه برداری از آلاینده های هوا می باشد. فیبرها و یا دیگر مواد به دام اندازه ذرات می توانند به شکل های متفاوت و با راندمان های مختلف برای جمع آوری ذرات ساخته شوند. در برخی از حالت های خاص مانند اتاق های عمل و با صنایع الکترونیک استفاده از فیلترهای با راندمان بالا در جمع آوری ذرات (فیلترهای هپا) ضروری می باشد.فیلتراسیون فرایندی بسیار پیچیده است که در برگیرنده تمام اصول مکانیکی ذرات، کنتیک گاز و دیگر خصوصیات آن مانند خاصیت الکتروستاتیک می باشد.

فیلترها

فیلترهای مورد استفاده در تصفیه هوا را به طور عمومی در سه گروه اصلی قرار می دهند که عبارتند از: فیلترهای گرانولی و فیبروزی (media)، فیلترهای هپا و فیلترهای پارچه ای. هر کدام از این فیلترها دارای مشخصات و کاربردهای متفاوتی هستند که در زیر به شرح مختصر آنها پرداخته شده است :

این فیلترها به این دلیل به این اسم خوانده می شوند که می توانند ذرات را با توجه به قطر آئرودینامیکی در درون اجزاء تشکیل دهنده فیلتر و در عمق آن جمع آوری کنند. این فیلترها دارای انواع مختلف فیبر و گرانول هستند. چون ذرات در عمق فیلتر جمع آوری می شوند اکثرا پاکسازی آنها مشکل است. فیلترهای مدیا دارای دو استفاده کلی می باشند :

 ۱- به عنوان پیش فیلتر برای گرفتن ذرات بزرگ قبل از جمع آوری کننده بعدی که این کار برای افزایش راندمان آن وسیله و در نهایت افزایش راندمان سیستم می باشد. مثلا استفاده از فیلترها برای جمع آوری گرد و غبارات بزرگی که از کوره ها ایجاد می شود.

 ۲- گرفتن گرد و غباراتی که توسط انواع دیگر وسائل جمع آوری کننده نمی توان آنها را جمع آوری نمود. به عنوان مثال از فیلترهای فیبروزی می توان برای جمع آوری گرد و غبارات چسبنده استفاده نمود.

فیلترهای فیبروزی از جنس بافته شده، felted و knitted ساخته میشوند. فیبرهای مورد استفاده در ساختمان فیلترها از جنس کتان، پلی پروپیلن، فایبرگلاس، نایلون، پلی استر، چوب، تفلون، پلی آمید P84، و سرامیک می باشند. انتخاب نوع فیلتر براساس هزینه مدیا، دمای عملیاتی، افت فشار و خصوصیات هواگذر مانند قابلیت اشتعال، خوردگی و رطوبت پذیری انجام می شود.

این فیلترها در ابتدا برای جلوگیری از حرکت ذرات رادیو اکتیو در هوا طراحی شدند و کارایی آنها نیز براساس همین غلظت می باشد، به طوریکه فقط باید در مقابل جریانات هوایی قرار گیرند که از لحاظ غلظت با غلظت این ذرات مشابه باشند (مثلا ۵۰ میکروگرم بر متر مکعب)

جدول ۱- ۱ : بالاترین دمای عملیاتی انواع مختلف فیبر

فیبر                                                     حداکثر دمای عملیاتی (C)

کتان                                                                 ۸۲

پلیپروپیلن                                                          ۸۸

فایبرگلاس                                                        ۲۶۰

نایلون                                                               ۹۳

پلی استر                                                         ۱۳۵

چوب                                                                ۹۳

تفلون                                                              ۲۳۲

 ۱۹۰                                                   P84 پلی آمید

سرامیک                                                         ۹۸۰

نکته مهم در مورد این فیلترها راندمان بسیار بالای آنها می باشد. افت فشار در این وسائل هنگامی که فیلتر تازه باشد عمومأ ۱-۵/۰ اینچ آب (۲۵۰-۱۲۵ پاسکال) است. افت فشار در این وسائل به آهستگی افزایش می یابد و به طور مستمر به حداکثر مقدار طراحی خود می رسند (معمولا ۲ اینچ آب (۵۰۰ پاسکال)). اگر فیلترها تعویض نگردد به ماکزیمم افت فشار در سیستم می رسیم که در این حالت هواگذر سیستم کاهش پیدا کرده و راندمان آن کاهش پیدا می کند.

از این فیلترها در مکانهایی استفاده می شود که راندمان جمع آوری بسیار بالایی مد نظر باشد. این فیلترها دارای ساختمانی کاغذی بوده که به صورت لایه لایه و تاخورده روی هم بوده تا یک سطح بسیار بالایی را در مقابل عبور هوا برای صاف نمودن آن ایجاد نمایند. این ساختار لایه لایه دار بودن باعث کاهش سرعت فیلتراسیون و به تبع آن افزایش راندمان جمع آوری و افت فشار پایین می شود. اما طرح آن به گونه ای است که و آن را تمیز نمود و باید بعد از گذشت زمان آن را تعویض نمود. دلیل این امر هم آن است که فضای بین چین خوردگی های موجود در کاغذها که برای افزایش راندمان جمع آوری ایجاد شده اند بسیار کم می باشد.از محدودیت ها و معایب این وسیله تصفیه کننده می توان عدم امکان تمییز نمودن آن، ظرفیت پایین در تصفیه هوا و استفاده در محیطهای کم گرد و غبار را نام برد.

از فیلترهای هپا در مکانهایی که نیاز به هوای بسیار تمیز دارند مانند اتاق های عمل بیمارستانها، اتاق های پاک موجود در صنایع الکترونیک و داروسازی و… استفاده می شود. در این مکانها فیلترها هوای داخل را از هوای بیرون نیز تمیزتر می کنند. چون این فیلترها دارای راندمان جمع آوری ذاتی بالایی می باشند، می توان از آنها بعنوان دومین جمع آوری کننده در سیستم تهویه استفاده نمود. این فیلترها وسائلی ایمن- ناایمن در سیستم های تهویه برای جمع آوری ذرات می باشند. به همین دلیل توصیه می شود در سیستم هایی که از فیلترهای هپا استفاده می شود دو فیلتر بصورت سری و پشت سرهم قرار گیرند. در این حالت اگر اولین فیلتر دچار نقص شد دومین جمع آوری کننده باعث حفاظت کارکنان می شود(ایمن). حال اگر تنها یک فیلتر وجود داشته باشد و این فیلتر دچار نقص شود بدون اینکه کارکنان متوجه شوند، آنها در معرض آلودگی قرار می گیرند(نایمن).

این نوع فیلتر ها دارای کاربرد بسیار فراوانی در محیط های صنعتی و در سیستم های تهویه موضعی می باشند.این وسیله از یک محفظه تشکیل شده است که فیلترها درون آن قرار دارند. مکانیسم عمل این دستگاه بدین صورت است که بعد از خروجی آن یک هواکش قرار داده میشود و هواکش با مکش هوا باعث می شود هوای آلوده وارد محفظه شود. مسیر جریان هوا در درون محفظه به گونه ای است که هوای ورودی برای خارج شدن باید از سطح فیلترها عبور نماید. با عبور هوا  از فیلترها گرد و غبار بر روی آن مانده و هوای تمیز از خروجی محفظه خارن می شود.

در مقایسه با دو گروه قبلی این فیلترها را اکثرا میتوان تمیز نمود. بطور کلی پاکسازی این فیلترها براساس چهار روش صورت می گیرد که عبارت از تکان دادن، جریان معکوس، هوای جت پالس و سونیک می باشند.هر کدام از این روش ها دارای کاربردهای متفاوتی می باشند که در زیر به بحث مختصری از آنها می پردازیم.تکان دادن قدیمی ترین و ساده ترین روش تمیز نمودن فیلترهای پارچه ای میباشد. مکانسیم عمل آن به این صورت است که قسمت بالای فیلترها به یک دستگاه نوسان دهنده به طور مستقیم و به صورت افقی یا عمودی متصل است. وقتی دستگاه نوسان کننده شروع به نوسان می کند گرد و غبار موجود بر روی فیلتر از آن زدوده میشود و به قسمت هاپر دستگاه سقوط کرده و از سیستم خارج می شوند.

عمل نوسان و تکان دادن توسط یک موتور صورت می گیرد که می تواند یا بصورت اتوماتیک (مانند سنسور افزایش فشار) و یا بصورت دستی و توسط دست اپراتور عمل کند. در صنایع و واحدهای کوچگ اغلباً از موتور برای نوسان استفاده نمیشود و این عمل توسط اپراتور و با یک اهرم که به فیلترها متصل است صورت می پذیرد. در برخی از فیلتر خانه هایی که دارای مکانیسم لرزش برای گرد و غبار زدایی از فیلتر هستند یک جریان هوای معکوس آرام از میان پارچه ها می گذرد که به جمع آوری گرد و غبارات از روی آن کمک می کند. تمیز نمودن فیلترها توسط جریان معکوس هوا نیازمند سیستمی از دمپرها برای قطع جریان اصلی هوا و باز نمودن جریان معکوس هوا می باشد. این امر منجر به پیچیدگی طراحی و عملکرد فیلتر خانه و افزایش هزینه ها نصب و اجرا می شود. در نتیجه از جریان معکوس هوا فقط در فیلترخانه های نسبتاً بزرگی استفاده میشود که سیستم لرزش به تنهایی قادر به گرد و غبار زدایی از روی فیلترها نیست.

فیلتراسیون در سیستم هایی که دمای هوای خروجی آنها بالا است نیازمند استفاده از پارچه های مخصوص می باشد. به عنوان مثال در این چنین محیطهایی می توان از فیلترهای فایبرگلاس استفاده نمود. البته این نکته را نیز نباید فراموش نمود که هر پارچه یا فیلتر دارای مقاومت حرارتی مخصوص به خود می باشد. مثلا از فیلتر فایبرگلاس در دماهای بسیار بالا نمی توان استفاده نمود. در این گونه موارد می توان از پارچه هایی از جنس سیمان سرامیک استفاده نمود. همچنین این نکته را نباید فراموش نمود که در انتخاب فیلتر و نوع سیستم تمیز کننده آن فاکتورهای مختلفی دخیل هستند. به عنوان مثال فیلترهای فایبرگلاس در مقابل لرزش مقاوم نیستند و لرزش باعث از بین رفتن آن می شود. بنابراین برای این فیلتر خانه باید از جریان هوای معکوس بدون لرزش استفاده نمود. این چنین سیستم هایی معمولا نیازمند کیسه هایی با سطحی مخصوص برای زیاد نمودن آزاد سازی گرد و غبارات می باشند.در روش آخر تمیز کردن فیلتر با استفاده از یک جریان هوا و با فشار زیاد صورت می گیرد که به نام روش جت پالس نیز معروف می باشد. در این سیستم هوا با فشار زیاد از قسمت بالای فیلتر وارد شده و باعث گرد و غبار زدایی فیلترها و در نتیجه جمع آوری آنها میشود.

هنگامی که جریان هوا از میان فیبرهای فیبروزی عبور می کند ذرات موجود در آن ممکن است توسط یک یا تعداد بیشتری از مکانیسم های فیلتراسیون جمع آوری کردند. مکانیسم های موثر در عمل جمع آوری آلاینده ها از فیلترها شامل: برخورد مماسی، برخورد مستقیم، انتشار، ته نشینی ثقلی و ربایش الکتروستاتیک می شوند.علاوه بر اثر این پنج مکانیسم در جداسازی ذرات در پالایش هوا آنها در جداسازی ذرات در ریه ها، نمونه برداری و نیز موثر هستند. خصوصیات فیزیکی فیلتر شامل قطر فیلتر،df، ضخامت فیلتر، Hf، فشردگی،  as(برابر نسبت حجم فیبر به حجم کل است. (شکل ۳-۷) فشردگی ۰۵/۰ یعنی فیبرها ۵% حجم کل فیلتر را تشکیل میدهند.) و نفوذ (برابر با-1as بوده که نشاندهنده حجم هوا در فیلتراست)می باشند.برخورد مستقیم توسط مکانیسم های مختلف فیلتراسیون مانند برخورد مماسی ایجاد میشود. در بسیاری از حالات بین مکانیسم های مختلف فیلتراسیون و فیبرها برای برخی از ذرات رقابت وجود دارد. بنابراین تجزیه و تحلیل درست عملکرد فیلتراسیون بدون آگاهی از راندمان جمع آوری یک فیبر کار بسیار مشکل و پیچیده ای است. شکل ۴-۱ مکانیسم های مختلف فیلتراسیون را در یک فیبر نشان میدهد.

برخورد مماسی

برخورد مماسی یک فرایند جداسازی ذرات است که در آن ذرات موجود در جریان هوا در هنگام مماس شدن با فیلتر به آن چسبیده و از جریان هوا خارج میشوند (شکل ۴-۱). این مکانیسم برای ذرات غیر کروی بسیار موثر بوده و بیشترین اثر خود را برروی ذرات با سطح مقطع بزرگ ایجاد می کند. راندمان جمع آوری ذرات برای یک فیبر توسط مکانیسم برخورد مماسی،η_fp، را می توان از رابطه پیشنهاد شده توسطLee و Ramamurthi بدست آورد:

η_fp=((1-a_s)d_p^2)/(ku(1+d_p/d_f )d_p^2 )                                                                                           (۱-۱)

که ku فاکتور هیدرودینامیکی kuwabaro بوده که نشاندهنده اثر تغییر شکل جریان سیال اطراف یک فیبر به علت نزدیکی به فیبرهای دیگر است. این فاکتور بدون واحد بوده و تنها در فشردگی با قطرهای d_f≥۲μ مورد استفاده قرار می گیرد. برای فیبرهای با قطر کوچکتر از ۲ میکرون اثر فاکتور slip اهمیت پیدا می کند. Kirsch و stechkina توصیه نمودند که مقدار ۲λ/d_fدر اثر فاکتور slip، کهλ میانگین فاصله آزاد ذرات و d_f قطر فیبر فیلتر است، افزایش پیدا می کند.

(۲-۱) (برای d_f بزرگتر و مساوی ۲ میکرون)

ku=-(Ina_s)/2-3/4+a_s-〖a_s〗^۲/۴                                                                              (۱-۲)

(۳-۱) (برای d_f کوچکتر از ۲ میکرون)

ku=2λ/d_f -(Ina_s)/2-3/4+a_s-〖a_s〗^۲/۴                                                                         (۱-۳)

راندمان جمع آوری با مکانیسم برخورد مماسی با افزایش نسبت d_p/d_f افزایش می یابد اما به ۱نمی رسد. اگر η_fpمحاسبه شده توسط رابطه ۱-۷ بزرگتر از ۱ باشد هنگامی که نسبتd_p/d_f≫۱ است بنابراین η_fp=1است زیرا راندمان جمع آوری نمی تواند به ۱۰۰٪ برسد.

برخورد مستقیم

برخورد مستقیم هنگامی اتفاق می افتد که یک ذره قادر به پیروی از جریان هوا توسط عبور از لایه های فیبر فیلتر نباشد. این پدیده خصوصا برای ذرات بزرگ و سنگین بیشتر صادق است (شکل ۴-۷). فاکتور مهم و موثر در راندمان جمع آوری ذرات توسط مکانیسم برخورد مستقیم عدد استوکس است که برابر نسبت فاصله ته نشینی ذره به قطر فیبر می باشد. راندمان جمع آوری ذرات در این مکانیسم (η_fI) براساس رابطهYeh و Liuبه شرح زیر قابل محاسبه است:

η_fI=(Stk)a/(2ku^2 )                                                                                                         (۱-۴)

که

stk=(τU_0)/d_f =(p_p d_p^2 C_c U_0)/(18μd_f )                                                                                       (۱-۵)

a=(29.6-28a_s^0.62 ) (d_p/d_f )^2-27.5(d_p/d_f )^2.8 ((ford_p)⁄d_f ≥۰.۴)                    (۱-۶)

a=2.0((ford_p)⁄d_f ≥۰.۴)                                                                                    (۱-۷)

راندمان جمع آوری ذرات توسط مکانیسم برخورد مستقیم در یک فیبر با افزایش عدد استوکس افزایش می یابد. برخلاف برخورد مماسی راندمان برخورد در این حالت با افزایش نسبت d_p⁄d_f  برای ذرات کوچک و فیبرهای ضخیم کاهش پیدا خواهد نمود. این اثر هنگامی که قطر ذرات به نزدیکی قطر فیبر می رسد از بین می رود.

راندمان فیلتراسیون توسط مکانیسم انتشار، یا حرکت برونین، ذرات یک فاکتور مهم در راندمان جمع آوری کل میباشد. در این مکانیسم حرکت زیگزاگی ذرات کوچک و افزایش بیشتر برخورد با فیبر فیلتر یا سطحی که ذرات از میان فیلتر در یک خط جریان بدون برخورد مماسی عبور پیدا می کند باعث جمع آوری ذرات میشود. راندمان جمع اوری ذرات توسط این مکانیسم، η_fD، به نسبت قطر ذره به فیبر، d_p⁄d_f ، و دو عدد ثابت و بدون واحدPeclet،Pe و فاکتور هیدرودینامیکی Kuwabara،Ka وابسته است.این پارامترها هنگامی که راندمان فیلتراسیون پایین است بیشتر اثر خود را نشان می دهند. براین اساس راندمان جداسازی ذرات توسط مکانیسم انتشار برابر است با:

η_fD=2Pe^(-2/3)+1.24(d_p/d_f )^(2/3) 〖(KuPe)〗^(-۱/۲)                                                                (۱-۸)

که

Pe=(d_f U_0)/D_P                                                                                                                 (۱-۹)

 کهd_f قطر فیلتر، U_0 سرعت هوا و D_P ضریب انتشار ذره است.

قسمت اول طرف راست رابطه ۸-۷ عامل اصلی انتشار می باشد. قسمت دوم نشاندهنده افزایش راندمان فیلتراسیون ایجاد شده توسط برخورد مماسی ناشی از حرکت برونین ذرات می‌باشد. این قسمت برای ذرات کوچک در مقایسه با قسمت اول نسبتا کوچک است اما می تواند برای ذرات بزرگتر دارای اهمیت باشد. نکته مهم دیگر این می باشد که انتشار مکانیسم اولیه جمع آوری ذرات می باشد. با افزایش قطر ذرات اثر مکانیسم انتشار در جمع آوری ذرات کاهش می یابد زیرا ذرات بزرگتر هستند و احتمالا بیشتر توسط مکانیسم برخورد مماسی از جریان هوا خارج می شوند.

راندمان جمع آوری ذرات در این مکانیسم، ، η_fG،رابطه مستقیم با سرعت ته نشینی و رابطه معکوس با سرعت جریان هوا دارد. این اثر را می توان توسط فاکتور راندمان فیلتراسیون در ته نشینی ثقلی، G_f، نشان داد. G_fبرابر با نسبت سرعت نهایی ته نشینی ذره به سرعت جریان هوا می باشد. بنابراین می توان نوشت :

G_f=V_TS/U_0 =(ρ_P d_P^2 C_c g)/(18μU_0 )                                                                                       (۱-۱۰)

همچنین η_fG به مسیر عبور هواگذر با توجه به سرعت ته نشینی ذره وابسته است. فرض کنید که زاویه بین مسیر هواگذر و خط افق برابر با α باشد (شکل ۶-۷). هنگامی که هواگذر بصورت افقی با فیبر در تماس است، α=۰ می باشد. هنگامی که مسیرهای روبه پایین است،  α=۹۰ و هنگامی که مسیر هواگذر روبه بالا است، α=-۹۰ خواهد شد. در این دو حالت راندمان جمع آوری توسط مکانیسم ته نشینی ثقلی برابر است با:

η_fG=G_f (1+d_p/d_f )sinα                                                                                (۱-۱۱)

 رابطه ۱۱-۷ نشان می‌دهد که هنگامی که مسیر هواگذر رو به پایین است sinα=۱ بوده و راندمان فیلتراسیون توسط مکانسیم مذکور مثبت است. هنگامی که مسیر هواگذر رو به بالا است به sinα منفی بوده ولی راندمان فیلتراسیون توسط ته نشینی ثقلی نمی تواند منفی باشد. در این حالت راندمان جمع آوری صفر است. هنگامی که مسیر هواگذر افقی است مقدار sinα=۰ بوده و در این حالت نیز راندمان جمع آوری ذرات صفر است. این مطلب برای اکثر اوقات صحیح می باشد مگر اینکه اندازه ذرات بزرگ بوده و سرعت جریان هوا نیز کم باشد. در حقیقت هنگامی که سرعت هوا بیش از ۰۱/۰ متر بر ثانیه باشد مکانیسم برخورد مهمتر از ته نشینی ثقلی است.

اگر ذرات و یا فیبرها باردار باشند این مکانیسم می تواند یک مکانیسم بسیار مهم در فیلتراسیون باشد. کمیت راندمان فیلتراسیون توسط این مکانیسم نیازمند آگاهی از نوع و مقدار بار ذرات و یا فیبرها می باشد که اغلب مشکل بدست می آیند. راندمان جمع آوری توسط یک فیبر براساس اندازه گیری های تجربی بر روی یک فیبر شیشه ای طبیعی و ذرات با بارq و برابر است با:

η_fE=1.5(((ε_f-1))/((ε_f+1) )  q^2/(12π^۲ μU_0 ε_0 d_p d_f^2 ))^(1/2)                                                         (۱-۱۲)

کهε_f و ε_0 ثابت‌های دی الکتریک فیبر و خلاء (ε_0=۸.۸۵×۱۰^(-۱۲) C^2/N.m^2 ) و q بار ذره برحسب کولن است.

ربایش الکتروستاتیک معمولا اثر ناچیزی در فیلتراسیون دارد. با این حال ذرات باردار با فیلترهای باردار می توانند راندمان جمع آوری را افزایش دهند. هنگامی که هم ذرات و هم فیبرها باردار می شوند بارها باید مخالف یکدیگر باشند وگرنه بارهای ذرات و فیلتر یکدیگر را دفع خواهند نمود و راندمان پالایش کاهش پیدا می کند. این نکته را نیز نباید فراموش نمود که فیلترهای باردار شده بار خود را در اثر گذشت زمان از دست خواهند داد و در نتیجه باید بطور دوره ای و مستمر باردار شوند.

راندمان جمع آوری کل یک فیبر، η_fΣ، را میتوان از راندمان کل مکانیسم های فیلتراسیون که در قبل شرح داده شد بدست آورد. در این حالت فرض می شود که هر مکانیسم مستقل از مکانیسم دیگر است. بنابراین می توان نوشت:

η_fΣ=۱-(۱-η_fp )(1-η_fI )(1-η_fD )(1-η_fS )(1-η_fE )                    (۱-۱۲)

قسمت دوم طرف راست رابطه بالا همیشه معادل و یا بزرگتر از صفر است بنابراین راندمان جمع آوری کل همیشه کوچکتر یا معادل واحد است. ۵ مکانیسم فیلتراسیون اثر افرایشی بر روی یکدیگر ندارند زیرا مکانیسم های متفاوت برای جمع آوری ذرات یکسان با هم رقابت می کنند. شکل ۷-۷ منحنی های راندمان جمع آوری ذرات توسط یک فیبر را بوسیله ۵ مکانیسم فیلتراسیون و راندمان کلی فیلتراسیون را نشان میدهد. به عنوان مثال همانگونه که این شکل نشان می‌دهد برای ذرات ۳ میکرونی و بزرگتر از آن فیلتراسیون انتشاری موثر نیست در حالیکه برای فیلترهای HEPA مکانیسم انتشار یک فاکتور مهم در طراحی فیلتر است.

راندمان یک فیبر فیلتر در اثر پارامترهای مختلف فیلتراسیون و راندمان کل، محاسبه شده از معادلات ۱-۷ تا ۱۳-۱۷:df=2μm ,U0=0.1 m/s  ,α=۰.۰۵ ,Hf=1mm

راندمان جمع آوری ذرات توسط فیلترها به فاکتورهای مختلفی وابسته است که عبارتند از:

۱- خصوصیات و ویژگی ذرات

– اندازه ذره ذراتی که قطر آنها در محدوده ۱/۰تا ۱ میکرون است ممکن است به سختی جمع آوری گردند. – خصوصیات طبیعی: کوچکی و شکل ذرات برای فرار از روی فیلتر

– غلظت یا بار ورودی ذرات

۲- خصوصیات و ویژگی منسوج

– عمق سطحی فیلتر

 – ضخامت بافته

– نیروی الکتروستاتیک

 ۳- ویژگی کیک گرد و غبار:

– وزن ذرات باقی مانده بر روی فیلتر

 – اندازه ذرات باقی مانده روی فیلتر

۴- ویژگی و خصوصیات هوا:

در شرایطی که بار گرد و غبار – منسوج یکسان باشند رطوبت نسبی ۶۰٪ راندمان بالاتری را نسبت به رطوبت ۲۰٪ ایجاد می کند.

۵- متغییرهای عملیاتی

-سرعت: افزایش سرعت در فیلتر معمولا راندمان را کاهش میدهد. این در حالی است که افزایش سرعت در سطح فیلتر باعث افزایش راندمان می‌شود (توسط مکانیسم هایی مانند برخورد و انتشار).

– فشار

– روش پاکسازی

راندمان جمع آوری فیلتر، η_f ، بصورت کسری از ذرات جمع آوری شده توسط فیلتر هنگامی که هوای همراه آلاینده از میان فیلتر عبور می کند تعریف می گردد. اگر غلظت ذرات در ورودی C_pin، و در خروجی C_out باشد راندمان جمع آوری برابر می شود با:

η_f=1-C_out/C_pin                                                                                                       (۱-۱۴)

اکنون می توان راندمان فیلتر را از راندمان فیلتراسیون ناشی از یک فیبر،η_fΣ ، بدست آورد. اگر فرض شود که تمام فیبرهای فیلتر دارای قطر یکسان d_f و فشردگی برابر با a_s هستند، طول کل فیبر (L) در واحد حجم برابر می شود با:

L=(4a_s)/(πd_f^2 )                                                                                                                  (۱-۱۵)

هنگامی که ذرات موجود در جریان هوا با غلظت ذره Cp از میان لایه فیلتر با dHf عبور می کنند تغییرات متوسط غلظت ذرات برابر (d(Cp خواهد شد. به عبارت دیگر برای تجزیه و تحلیل (d(Cp باید ابزار و وسایل فیزیکی راندمان جمع آوری ذرات توسط یک فیبر را مورد توجه قرار داد. ابزار و وسایل مکانیکی راندمان جمع اوری کل بصورت جزء جمع آوری ذرات توسط یک واحد طول فیبر منفرد هنگامی که هواگذر نسبت به محور فیبر عمود است تعریف می شود. سطح موثر فیبر برابر حاصلضرب واحد طول فیبر در قطر فیبر می باشد. با توجه به اینکه ضخامت فیبر برابر dHf فرض شد بنابراین سطح موثر کل فیلتر در این لایه برابرd_f×L×d(H_f)  خواهد شد که L طول کل فیبر در واحد حجم فیبر می باشد. تعداد کل ذرات گرفته شده توسط این لایه رابطه مستقیم با راندمان کل یک فیبر و غلظت ذرات دارد. این مقدار کل ذرات گرفته شده توسط لایه مذکور در طول یک دوره زمانی واحد بوده غلظت ذره در جریان هوای همراه آلاینده برابر است با:

d(C_p )=-C_p η_fΣ d_f LdH_f                                                                                  (۱-۱۶)

که در این رابطه علامت منفی نشان دهنده این می باشد که غلظت ذرات هنگامی که از فیلتر عبور می یابند کاهش می یابد. با جابجایی متغییرهای بالا و انتگرال گیری از رابطه ۱۶-۷ در محدوده صفر تا Hf برای ضخامت فیلتر و C_pin وC_out برای غلظت ذرات می توان نوشت:

∫_(C_pin)^(C_out)▒(dC_p)/C_p =∫_0^(H_f)▒〖-η_fΣ d_f Ld〗 H_f                                                                       (۱-۱۷)

با حل رابطه بالا و قرار دادن رابطه ۱۵-۷ در آن خواهیم داشت:

C_out/C_pin =exp⁡(-η_fΣ d_f LH_f )=exp⁡(-(۴α_s η_fΣ H_f)/(πd_f ))                                          (۱-۱۸)

بنابراین با توجه به رابطه ۱۴-۷ و ۱۸-۷ رابطه بین راندمان فیلتر و راندمان فیلتراسیون یک فیبر برابر می شود با:

〖η_f=1-exp〗⁡(-(۴α_s η_fΣ H_f)/(πd_f ))                                                                             (۱-۱۹)

در بسیاری از حالات از ترم نفوذ (Pn) استفاده می‌شود. نفوذ برابر مقدار ذرات عبور یافته از میان فیلتر بوده که از رابطه زیر قابل محاسبه است:

〖〖P_n=1-η〗_f=1-exp〗⁡(-(۴α_s η_fΣ H_f)/(πd_f ))                                                           (۱-۲۰)

طبق رابطه ۱۹-۱ راندمان فیلتر بصورت نمایی با راندمان فیلتراسیون یک فیبر، فشردگی و ضخامت فیلتر افزایش می یابد. همچنین با افزایش قطر فیبر فیلتر راندمان افزایش می یابد.

مثال ۱-۱

راندمان یک فیلتر که در خروجی یک کوره برای ذرات با قطر آئرودینامیکی ۵ میکرونی و در شرایط جوی اتاق استاندارد و اثر الکتروستاتیک ناچیز نصب شده است را محاسبه نمایید. جنس فیلتر فایبرگلاس و فشردگی آن ۳٪ و با ضخامت ۲ میلیمتر است. میانگین قطر فیبر ۲۰ میکرون می باشد. همچنین جریان هواگذر عمود بر سطح فیلتر و همانگونه که در شکل زیر نشان داده شده است به طرف بالا می باشد.

پاسخ

با توجه به مشخصات داده شده در سئوال U_0=1.5 m/s

α_s=0.03,H_f=0.002m ,d_p=5×۱۰^(-۶) m ,d_f=20×۱۰^(-۶) m

می باشند. بنابراین راندمان جمع آوری کل توسط یک فیبر برابر است با:

Ku=-(Inα_s)/2-3/4+α_s-〖α_s〗^۲/۴

Ku=-In0.03/2-0.75+0.03-〖۰.۰۳〗^۲/۴=۱.۰۳۳

η_fp=((1-α_s)d_p^2)/(Ku(1+d_p/d_f )d_p^2 )=((1-0.03)×〖(۵×۱۰^(-۶))〗^۲)/(۱.۰۳۳×(۱+۰.۲۵)×〖(۲۰×۱۰^(-۶))〗^۲ )=۰.۰۴۷

با توجه به روابط ۵-۱ و ۶-۱ می توان نوشت:

Stk=(ρ_p d_p^2 C_c U_0)/(18μd_f )=(1000×〖(۵×۱۰^(-۶))〗^۲×۱.۵)/(۱۸×۱.۸۱×۱۰^(-۵)×۲۰×۱۰^(-۶) )=۵.۷۵۵

a=(29.6-28α_s^0.62 ) (d_p/d_f )^2-27.5(d_p/d_f )^2.8

a=(29.6-28×〖۰.۰۳〗^۰.۶۲ ) (۰.۲۵)^۲-۲۷.۵×(۰.۲۵)^۲.۸=۱.۰۸۳

η_fI=(Stk)a/(2Ku^2 )=(5.755×۱.۰۸۳)/(۲×〖۱.۰۳۳〗^۲ )=۱

اگر مقدار بدست آمده از راندمان برخورد مستقیم بیشتر از ۱ باشد آن را ۱ فرض نموده و با توجه به روابط ۸-۷ و ۹-۷ داریم:

Pe=(d_f U_0)/D_p =(3πd_f U_0 μd_p)/(kTC_c )

Pe=(3π×۲۰×۱۰^(-۶)×۱.۵×۱.۸۱×۱۰^(-۵)×۵×۱۰^(-۶))/(۱.۳۸×۱۰^(-۲۳)×۲۹۳×۱)=۴.۳۶۶×۱۰^۸

η_fD=2Pe^(-2/3)+1.24(d_p/d_f )^(2/3) (KuPe)^(-1/2)

η_fD=2×(۴.۳۶۶×۱۰^۸ )^(-۲/۳)+۱.۲۴×(۰.۲۵)^(۲/۳)×(۳.۷۸۹×۴.۳۶۶×۱۰^۸ )^(-۱/۲)=۰.۰۰۰۰۷۱۶

همچنین با توجه به روابط ۱۰-۷ و ۱۱-۷ می توان نوشت (چون مسیر جریان رو به بالا است بنابراین α=۹۰°ه می باشد):

G_f=V_TS/U_0 =(ρ_p d_p^2 C_c g)/(18μU_0 )=0.000502

η_fG=G_f (1+d_p/d_f )sinα=۰.۰۰۰۵۰۲×(۱+۰.۲۵)×sin⁡(-۹۰°)=-۰.۰۰۰۶۲۷

در نتیجه راندمان جمع آوری کل برای یک فیبر برابر است با:

η_fΣ=۱-(۱-η_fp )(1-η_fI )(1-η_fD )(1-η_fS )(1-η_fE )

η_fΣ=۱-(۱-۰.۰۲۰۷)(۱-۱)(۱-۰.۰۰۰۰۷۱۶)(۱+۰.۰۰۰۶۲۷)=۱

 و با توجه به رابطه ۱۹-۷ راندمان جمع آوری ذرات توسط فیلتر برابر می شود با:

η_f=1-exp⁡(-(4a_s η_fΣ H_f)/(πd_f ))

η_f=1-exp⁡〖(-(۴×۰.۰۳×۱×۰.۰۰۲)/(π×۲۰×۱۰^(-۶) ))=〗 ۰.۹۷۸

بنابراین راندمان جمع آوری برای ذرات ۵ میکرونی برابر ۸/۹۷% می باشد.

در هنگام طراحی علاوه بر راندمان جمع آوری ذرات توسط فیلتر باید فاکتورها و معیارهای دیگری نیز مورد توجه قرار بگیرند. از جمله این فاکتورها می توان هزینه (شامل هزینه اولیه و هزینه نگهداری)، فضای مورد نیاز و افت فشار را نام برد. مورد توجه قرار دادن تمام این فاکتورها در هنگام طراحی باعث ایجاد محدوده وسیعی از انواع فیلترهای هوا و انواع دیگر پالایشگرهای هوا میشود. مقایسه درست و واقعی فیلترهای هوا تنها می تواند از روی اطلاعات بدست آمده از روش های آزمایشی استاندارد شده بدست آید. با این وجود سه ویژگی مهم که اغلب در هنگام طراحی برای فیلترهای هوا مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

– راندمان فیلتراسیون

– افت فشار ناشی از فیلتر

– ظرفیت نگهداری گرد و غبار

راندمان فیلتراسیون توانایی فیلتر برای جمع آوری ذرات از جریان هوا می باشد. میانگین راندمان فیلتراسیون ایجاد شده در طول عمر فیلتر برای اکثر فیلترها و عملکرد آنها معنی دار می‌باشد. به هر حال چون راندمان فیلترهای خشک با افزایش بار گرد و غبار افزایش می یابد راندمان اولیه (در هنگام تمیز بودن فیلتر) باید در طراحی با توجه به غلظت آلاینده تعیین شده و تا حد ممکن پایین لحاظ شود.

جریان هوایی که از سطح فیلتر عبور می کند با دو مقاومت مواجه می شود که یکی از آنها مقاومت خود فیلتر و دیگری مقاومت کیک گرد و غبار می باشد که در کل تحت عنوان افت فشار سطح فیلتر خوانده می شوند.مقاومت اولیه فیلتر اغلب توسط سازنده آن اعلام می شود. اما این مقاومت تنها برای لحظه اول و هنگامی که فیلتر تمیز است صادق می باشد. در هنگامی که فیلتر تمیز است حداقل مقاومت، که مقداری ثابتی نیز می باشد، بر روی سیستم وجود دارد که عبارت از مقاومت ناشی از پارچه تمیز است. این مقاومت ممکن است در طول کل عمر فیلتر ثابت باقی بماند. علاوه بر ارائه این مقاومت از سوی سازنده فیلتر می توان از نتایج اندازه گیری و روش های آزمایشی انجام شده از سوی سازمانهای مختلف نیز برای تعیین مقاومت فیلتر استفاده نمود. به عنوان مثال ASTM در روش آزمایشی خود برای تعیین مقاومت پارچه تمیز، آنها را در برابر ((5m^3)/min-m^2 33-3)10-(110ft^3)/min-〖ft〗^۲ با اختلاف فشار ۰.۵ in(1.27cm)H_2 O قرار می دهد.عموماً در سرعت های کم، جریان هوای عبوری از میان فیلتر چسبناک و لزج است و افت فشار فیلتر مستقیماً با سرعت جریان متناسب است:

∆P_1=K_1 v                                                                                                            (۱-۲۱)

که∆P_1 افت فشار فیلتر (inwg یا cmH_2 O)، K_1 مقاومت فیلتر(  inH_2 O/ft /min⁡cmH_2 O/m/min⁡)  و v سرعت جریان ه(ft /min⁡یاm/min⁡)وا   می باشند.در عمل کمیت K بصورت تجربی تعیین می گردد که بطور تئوریکی برآوردی از ضریب مقاومت مدیای پارچه می باشد. بنابراین طبق قانون دارسی می توان نوشت:

∆P_1=-(vK/μ)+ρg                                                                                             (۱-۲۲)

کهK ضریب Kozeny سرعت داخل پارچه، μ ویسکوزیته،ρ دانسیته و g شتاب ثقل زمین می باشد. در این رابطه مقدارK در محدوده ۱۰^(-۱۴)تا۱۰^(-۶) فوت مربع (۱۰^(-۵۴) 〖-۱۰〗^(-۸)متر مربع) قرار دارد. همچنین مقدار  K را می توان از رابطه زیر بدست آورد:

K=ε^۳/(cS^2 )                                                                                                                  (۱-۲۳)

که ε حجم خلل و فرج (بدون واحد)، c ثابت هوا گذر، K ضریب Kozeny و S مساحت ویژه در واحد حجم مدیای خلل و فرج فیلتر [(〖ft〗^(-۱) m^(-1))] می باشند. فرض کنید میانگین تغییر موقعیت دو فیبر cross – flow و یک فیبر موازی یکنواخت باشد و همچنین فرض کنید که مدیای پارچه بصورت سیلندری قرار دارد. در این حالت ثابت و برای جریان هایی که دارای جهتی هم راستا با سیلندر مذکور می باشد برابر می گردد با:

c=(2ε^۳)/{(۱-ε)[2In 1/(1-ε)-۳+۴(۱-ε)-〖(۱-ε)〗^۲ ]}                                    (۱-۲۴)

و هنگامی که جریان در جهت قائم بر سیلندر است؛

c=(2ε^۳)/{(۱-ε)[2In(1/(1-ε))-(۱-(۱-ε)^۲)/(۱+(۱-ε)^۲ )]}                                                     (۱-۲۵)

 بعد از اینکه سیستم شروع به کار و پالایش هوا نمود کیک گرد و غبار موجود بر روی فیلتر باعث افزایش افت فشار در سیستم می گردد. این افت فشار یا مقاومت با افزایش زمان (همچنانکه ضخامت ذرات روی فیلتر بیشتر می‌شود) افزایش می یابد. مقدار این افت فشار را می توان با استفاده از رابطه ۲۶-۷ بدست آورد:

∆P_2=K_2 v^2 Lt                                                                                                         (۱-۲۶)

که ∆P_2 تغییر افت فشار در فاصله زمانی t، (cmH_2 O)inH_2 O، v سرعت سیال (ft /min⁡یاm/min⁡)، L غلظت ذرات ورودی [lb/ft^3/(kg/m^3 )] ، t زمان (min) و K_2 ضریب مقاومت کیک فیلتر [(cm(water))/((kgdust/m^2)(m/min))]یا[(in(water))/((〖lb〗_m dust/ft^2)(ft/min))] می باشند.

با استفاده از روش Kozeny – carman می توان مقدار K_2 را به صورت زیر بدست آورد:

K_2=(3.2×۱۰^(-۳) )(k/g)((μ_f S^2)/ρ_p )((1-ε)/ε^۳ )

که K ضریب Konzey-carman، ε خلل و فرج در لایه کیک (بدون واحد)، ρ_p دانسیته ذرات (lb/〖ft〗^۳)، μ_fویسکوزیته سیال (〖lb〗_m/s ft)مساحت سطح ویژه در حجم ذرات موجود در لایه کیک (〖ft〗^(-۱)) می باشد. این رابطه نشان میدهد که ذراتی پالایش می شوند که قطر کوچکتری داشته که در نتیجه آن خلل و فرج موجود در لایه کیک گرد و غبار کاهش یافته و بنابراین K_2 افزایش می یابد. در نتیجه میتوان گفت و هرچه مقدار K_2بیشتر باشد افت فشار در سیستم بیشتر بوده و خلل وفرج کمتر می شود.

تعیین مقدار ضریب مقاومت گرد و غبار – فیلتر برای پیش بینی افت فشار عملیاتی سیستم ضروری و مهم می باشد. این اطلاعات باید با سرعت فیلتراسیون و فاصله زمانی پاکسازی فیلتر همراه باشد. در جدول ۲-۷ ضرایب مقاومت فیلتر-گرد و غبار آورده شده است.

در جدول ۳-۱ خصوصیات فنی و مهندسی برای ذرات جامد در محدوده اندازه ۰.۱ تا ۱۰۰ میکرون با دانسیته ۲ گرم بر سانتیمتر مکعب آورده شده است. برای مقادیر موجود در ستون سطح ویژه فرض شده است که ذرات کروی بوده و در شرایط استاندارد (SC )دمای ۷۰ درجه فارینهایت (۲۱٫۱ درجه سانتیگراد) و فشار ۱ اتمسفر قرار دارند.

روابط و جداول بالا نشان می‌دهند که پارامترهای مختلفی مانند افت فشار، سرعت جریان ورودی هوا به سیستم و زمان همراه با دو خصوصیت فیزیکی سیال و ذرات پالایش شده بر روی راندمان سیستم اثر گذار هستند. همچنین مقدارK_2 به توزیع اندازه ذرات وابسته است. عموما ذرات دارای توزیع احتمالی log- normal هستند. دو آلاینده با میانگین اندازه جرمی یکسان می توانند توزیع اندازه کاملا متفاوتی از یکدیگر داشته باشند که می تواند بر روی خلل و فرج کیک اثر بگذارد. اما در معادلات تئوریکی موجود شکل  ذرات لحاظ نشده است و برای انجام محاسبات از قطر آئرودینامیکی برای مشخص اختن اندازه ذرات استفاده می گردد. اگر مشخصات و اطلاعاتی در زمینه فاکتورهای در رابطه ۲۶-۷ وجود نداشته باشد کار بسیار مشکل شده و باید آنها را براساس تجربه برآورد نمود. اما اگر ضریب K مشخص باشد هر یک از پارامترهای رابطه ۲۶-۷ را می توان براساس متغییرهای موجود دیگر تعیین نمود.

جدول ۳-۷: مقایسه ضرایب مقاومت فیلتر-گرد و غبار محاسبه شده و مشاهده شده

اندازه ذره

(میکرون) S(ft^(-1)) ε (۱-ε)/ε ضریب مقاومت 〖(K〗_2)

inH_2 O(lb/ft^2)(ft /min)⁡

محاسبه شدهمشاهده شده

۰.۱ ۱.۸۳×۱۰^۷ ۰.۲۵ ۴۸ ۴۱۲۰۰ ۷۱۵

۱ ۱.۸۳×۱۰^۶ ۰.۴ ۹.۳۸ ۷۰۵ ۱۸۰

۱۰ ۱.۸۳×۱۰^۵ ۰.۵۵ ۲.۷ ۲.۳۲ ۱۲

۱۰۰ ۱.۸۳×۱۰^۴ ۰.۷ ۰.۸۷۸ ۷.۵۶×۱۰^(-۳) ۰.۲

افت فشار استاتیک ایجاد شده در فیلتر در یک جریان مشخص از هواگذر دارای مقدار ثابتی است. همچنین می توان از کلمه مقاومت به جای افت فشار استفاده نمود. ظرفیت نگهداری گرد و غبار بصورت مقدار گرد و غباری که فیلتر میتواند هنگامی که در یک جریان هواگذر ویژه با ماکزیمم افت فشار کار می کند در خود نگه دارد، تعریف می شود. ظرفیت نگهداری گرد و غبار می تواند با توجه به نوع فیلتر و عملکرد آن تغییر یابد. بعنوان مثال یک فیلتر با فشردگی پایین (مانند فیلترهای مورد استفاده در هودهای آشپزخانه ظرفیت گرفتن گرد و غبار بیشتری از یک فیلتر با فشردگی بالا مانند فیلترهای HEPA) دارد.

افت فشار ایجاد شده از یک فیلتر نشاندهنده نیروی دراگ کل تمام فیبرها می باشد. طبق یک رابطه تجربی افت فشار ایجاد شده در فیلتر را برای ۰.۰۰۶<α_s<0.3 میتوان از رابطه ۲۸-۷ بدست آورد:

∆P=(64μH_f U_0 α_s^15 (1+56α_s^3 ))/(d_f^2 )                                                                            (۱-۲۸)

که ∆Pافت فشار (پاسکال)، μ ویسکوزیته هوا، H_f ضخامت فیلتر، U_0 سرعت سطحی هوا، a_sفشردگی و d_f قطر فیبر فیلتر می باشند. با توجه به رابطه ۲۸-۷ افت فشار فیلتر رابطه مستقیم با ویسکوزیته هوا، ضخامت فیلتر، فشردگی و سرعت در سطح و رابطه معکوس با d_f^2دارد.

همانگونه که در قبل گفته شد در عمل افت فشار را می توان با دستگاههای مخصوص اندازه گیری نمود. همچنین پارامترهای 〖,H〗_f 〖,U〗_0 a_s را می توان به سادگی اندازه گیری نمود. بنابراین با استفاده از رابطه  ۲۸-۷ می توان قطر معادل فیبر فیلتر را تعیین نمود. با استفاده از شکل ۸-۷ می توان افت فشار را در فشردگیها و قطرهای مختلف فیبر در شرایط استاندارد تعیین نمود. چون افت فشار مستقیما متناسب با سرعت در سطح و ضخامت فیلتر است، افت فشار در دیگر سرعتهای سطحی و ضخامت های متفاوت فیلتر را می توان به سادگی با استفاده از شکل ۸-۷ بدست آورد. بعنوان مثال درa_s=0.05 , d_f=40 میکرون افت فشار در حدود ۱۵ پاسکال در سرعت سطحی ۱ متر بر ثانیه و ضخامت فیلتر ۱ میلیمتر است. در سرعت سطحی ۲ متر بر ثانیه و ضخامت فیلتر ۳ میلیمتر افت فشار در حدود ۹۰ پاسکال خواهد شد.

هنگامی که از وسایل فیلتراسیون با مکانیسم تعویض فیلترها بصورت اتوماتیک ( مانند فیلترهای رلی) استفاده می شود ارزشیابی باید شامل مقدار متوسط فیلتراسیون و یک مقدار ثابت افت فشار هنگامی که گرد و غبار با یک نرخ ثابت به فیلتر می رسند شود. هنگامی که از فیلترهای الکتروستاتیکی استفاده میشود در ارزشیابی باید اثر گرد و غبار مسدود کننده برروی راندمان پالایش مورد توجه قرار بگیرد.

یک معیار کمی مناسب برای مقایسه عملکرد فیلترهای مختلف کمیت فیلتر می باشد که دارای رابطه لگاریتمی با راندمان فیلتراسیون و رابطه معکوس با افت فشار می‌باشد. کمیت فیلتر را می توان با استفاده از رابطه زیر بدست آورد:

 q_f=(-In(1-η_f))/∆P=(4α_s η_fΣ H_f)/(πd_f ∆P)                                                                (۱-۲۹)

همانگونه که مشخص است q_f با افزایش راندمان و کاهش افت فشار افزایش می یابد. هر چه مقدار q_f بزرگتر شود عملکرد فیلتر در جمع آوری آلاینده ها بیشتر می‌شود. مقایسه q_f در بین فیلترها باید در سرعت جریان یکسان و ذرات با اندازه برابر صورت گیرد. استفاده از کیفیت فیلتر برای مقایسه آنها با یکدیگر بعلت ایجاد محدوده وسیعی از پارامترها و متغییرهای مختلف اصولا انجام نمی گیرد. از کیفیت فیلتر تنها برای مقایسه دو پارامتر می توان استفاده نمود (مثلا افت فشار و راندمان فیلتر). در حالیکه فاکتورهای دیگری مانند هزینه، تجهیزات نگهداری و ظرفیت نگهداری گرد و غبار ممکن است در برخی از کاربردها موثرتر از افت فشار و راندمان باشند.

کشش فیلتر

کشش فیلتر عبارت از مقاومت فیلتر در عرض لایه غبار- منسوج است. رابطه کشش فیلتر اساسأ افت فشار ایجاد شده در واحد سرعت را ارائه می‌دهد که تابعی از مقدار غبار جمع شده روی منسوج است:

S=∆P/V_f                                                                                                                    (۱-۳۰)

که S کشش فیلتر inH_2 O/(ft /min)⁡ یا،cmH_2 O/(cm/sec) ∆P افت فشار فیلتر و کیک گرد و غبار inH_2 O/(ft /min)⁡ و V_f سرعت فیلتراسیون(cm/sec  یا ft /min) .

پاکسازی هوا

فیلتر خانه های مورد استفاده در پالایش هوا براساس ۵ پارامتر انرژی مورد نیاز نوع بافت پارچه، نوع چرخه پاکسازی، خدمات و کاربرد تقسیم بندی می گردند. اولین گروه شامل فیلتر خانه های با انرژی بالا و انرژی پایین می شود که به این امر وابسته است که فیلتر افت فشار بالا یا پایین در سیستم ایجاد می کند. برای یک عملکرد مشخص و یکسان در فیلتر خانه ها معمولا سیستم های با انرژی بالا راندمان بالاتری دارند اما نهایتا این به اندازه، توزیع اندازه و نوع پارچه مورد استفاده برای پالایش وابسته است. معمولا انرژی و راندمان با یکدیگر رابطه مستقیم دارند یعنی هرچه انرژی مورد نیاز سیستمی بیشتر باشد (یا افت فشار در سیستم بیشتر باشد) راندمان پالایش بیشتر می شود.

برای پاکسازی فیلترهای موجود در سیستم های با انرژی بالا معمولا از سیستم جت پالس استفاده می شود در حالیکه برای پاکسازی فیلترهای مورد استفاده در سیستم های با انرژی پایین از مکانیسم هوای معکوس یا تکان دادن استفاده می گردد. در سیستم های با جریان جت پالس جریان هوا از میان جت های نازل در کسری از زمان با فشار بالا رها شده و باعث زدوده شده ذرات از روی فیلتر می‌شود. مکانیسم پاکسازی توسط این روش در شکل ۹-۷ نشان داده شده است.

مکانیسم عمل جت پالس نیز به دو صورت است. در حالت اول در یک مدت زمان معین و برنامه ریزی شده جت پالس عمل می کند و در حالت دوم یک سنسور حساس به فشار وجود دارد که در صورت افزایش فشار، سنسور عمل نموده و جریان جت پالس برقرار می‌شود.

در استفاده از فیلترهای نمدی بیشتر از سیستمهای جت پالس برای تمیز نمودن انها استفاده می‌شود. در پارچه های نمدی گرد و غبار جمع آوری شده در داخل خلل و فرج الیاف آن وارد شده و بنابراین گرد و غبار زدایی از آن توسط دو روش قبلی به خوبی صورت نمی گیرد. در نتیجه تمیز نمودن فیلترها با استفاده از جریان جت پالس دارای راندمان بیشتری از دو روش دیگر است.

۱-on line: در این حالت هواگذر به صورت عادی از سیستم در حین تمیز کردن فیلتر عبور می کند. ۲- off : lineدر این حالت در یک قسمت از فیلترخانه هواگذر عبور نمی کند و جت پالس صورت می گیرد. سپس در مرحله بعد آن قسمتی از سیستم که جت پالس نشده است غبار روبی شده و هواگذر از قسمت دیگر عبور خواهد کرد. در سیستم های جت پالس کاربرد روش اول بیشتر از روش دوم می باشد. کارایی سیستم on line در جمع آوری ذرات مانند سیستم off line نمی باشد. اما هواگذر خارج شده ناشی از عدم ته نشینی ذرات در درون پارچه بعد از پالس زیاد است. تمیز نمودن پارچه ها براساس سیستم off line باعث عدم انتقال ذرات برای سقوط در درون محفظه پایینی آن قبل از انجام دوباره فیلتراسیون می شود. اما این سیستم پیچیده بوده و دارای هزینه های زیادی در نصب، مانند استفاده از دمپرها، می باشد.

در سیستم های با انرژی پایین استفاده از روش هوای معکوس و تکان دادن تقریبا بصورت ۵۰-۵۰ انجام می گیرد، تکان دادن ساده ترین مکانیسم برای پاکسازی فیلترها در این گروه می باشد. جریان هوای معکوس عبارت است از انتقال هوا بر روی فیلترها در جهت مخالف جریان اصلی هوا، که در اثر این عمل ذرات از روی فیلتر زدوده می شوند. سومین گروه شامل وسایلی می شود که برای پاکسازی به انرژی نیازی ندارند.فیلترهای منسوج به دو دسته فیلترهای بافته شده و بافته نشده تقسیم میشوند. فیلترهای بافته نشده معمولا برای سیستم های پاکسازی با انرژی بالا مورد استفاده قرار می گیرند در حالیکه فیلترهای منسوج بافته شده برای سیستم های با انرژی پایین کاربرد دارد. در فیلترهای بافته نشده به دلیل خلل و فرج کم آنها برای ایجاد یک عملکرد مناسب و مطلوب در پالایش هوا فیلتر باید تمیز نگه داشته شود. به عبارت دیگر فیلترهای بافته شده بطور عمومی تنها در شرایطی که راندمان بالا در فیلتراسیون مورد نیاز باشد مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین علاوه بر این دو نوع فیلتر یکسری از فیلترها نیز وجود دارند که جنس آنها از مواد ترکیبی می باشد.

سیستم های فیلتر خانه را می توان در یک تقسیم بندی دیگر به دو گروه جمع آوری کنند های مداوم و جمع آوری کننده های متناوب تقسیم بندی نمود. در جمع آوری کننده مداوم در حین عبور جریان هوای همراه آلاینده از میان فیلتر مکانیسم پاکسازی عمل می کند و فیلترها تمیز می شوند. اما در جمع آوری کننده های متناوب در هنگام پاکسازی یک کوپه، جریان هوای آلوده دیگر وارد آن نمی شود تا اینکه مکانسیم عمل نموده و فیلترهای آن کوپه تمیز شوند و سپس عمل پاکسازی در کوپه های دیگر صورت می گیرد. در این سیستم طول سیکل زمانی پاکسازی برای عبور ۴- ۰.۲۵ ساعت هوا از میان فیلتر در حدود ۵ دقیقه می باشد.

چهارمین پارامتری که براساس آنها می توان فیلتر خانه ها را تقسیم بندی نمود نوع خدمات می باشد. براین اساس فیلترها را به دو دسته تقسیم بندی می نمایند. دسته اول فیلترهایی می باشد که برای کنترل ذرات مورد استفاده قرار می گیرند. دسته دوم شامل فیلترهایی می گردد که برای کنترل گازها و بخارات کاربرد دارند. در این نوع از فیلترها از یک ماده جاذب با توجه به نوع آلاینده ای که هدف کنترل آن است استفاده می گردد. به عنوان مثال ذرات آلومینیوم را می توان توسط کلرین جذب نمود و یا اینکه گاز آمونیاک را می توان برای واکنش با اکسیدهای سولفور و ایجاد یک ترکیب جامد به جریان هوای آلوده تزریق نمود. همچنین ترکیبات سدیم و یا کلسیم را می توان برای واکنش با جاذب اکسید سولفور اضافه نمود و یا اینکه کربن فعال می تواند آلایندهای گازی بسیار زیادی را جمع آوری نماید. برای تعیین تفاوت بین کار فرایندی و غیر فرایندی یک روش دیگر نیز وجود دارد. به عنوان مثال جمع آوری مواد از سیستم های پوششی- هوا در یک محل مشخص از شرایط کار فرایندی می باشد و جمع آوری گرد و غبار که تنها یک مقدار اندک از آن تنها می تواند فیلتر شود نمونه ای از شرایط غیر فرایندی است. با این وجود به دلیل ملاحظات مربوط به کنترل آلودگی هوا باید یکسری اقدامات کنترلی مناسبی را برای کاربردهای غیر فرایندی انجام داد که جمع آوری کننده های فرایندی قبلا آن را داشته اند.

بار گرد و غبار بصورت غلظت ذرات در جریان هوای ورودی تعریف می شود. با افزایش بار گرد و غبار میزان کیک گرد و غبار در یک برخی از حجم هوا افزایش خواهد یافت. در هنگام طراحی سیستم های تهویه باید بار ورودی به محفظه پالایشگر طوری باشد که فیلترها توانایی گرفتن ذرات را داشته باشند. به همین دلیل در شرایطی که بار گرد و غبار سیستم بالا باشد از یک پیش تصفیه کننده (مانند سیکلون) درقبل از فیلتر خانه استفاده می گردد تا بار گرد و غبار ورودی به آن را کاهش دهد. همچنین یک راه دیگر برای کاهش بار گرد و غبار ورودی به فیلتر خانه که زیاد مقرون به صرفه نیز نمی باشد رقیق سازی جریان هوا می باشد. در این مکانیسم جریان هوای آلوده ای که بار آلودگی آن بالا است با جریان هوایی که بار آلودگی ندارد داخل شده و سپس وارد فیلتر خانه می شود. البته این فرایند بیشتر برای کاهش دمای جریان هوا و یا رطوبت مورد استفاده قرار می گیرد.

از فیلترهای فابریکی می توان در سیستم های با فشار مثبت و یا منفی استفاده نمود. برخی از سیستم‌ها در فشار بیش از (N/m^3 10^6×۳۸.۱)psi200 می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. اما بطور کلی می توان گفت محدوده عملیاتی شایع اکثر اینگونه فیلترها in(0.508 m) H_2 O 20± می‌باشد.

ذراتی که از روی فیلتر جداسازی می شوند به محفظه مخروطی پایین فیلتر خانه که هاپر نامیده می‌شود سقوط می کنند.هاپرها جهت جمع آوری موقت ذرات قبل از دفع با استفاده مجدد به کار می روند. هر چه غبار زودتر ازهاپر تخلیه شود از فشردگی ذرات و ایجاد اشکال در تخلیه ممانعت به عمل می آید.هاپر باید طوری طراحی گردد که شیب مخروطی هاپر بین ۷۰-۵۵ درجه باشد. در انتهای هاپر یک سری وسایل تخلیه قرار دارد که طراحی، نشتی گیری و عملکرد مناسب آنها برای کارکرد درست فیلترخانه لازم و ضروری است.

این وسایل می توانند دستی یا خودکار باشند که ساده ترین وسیله تخلیه دستی دریچه شکافی است. از وسایل دستی دیگر Drawer و Hinged door می باشند. این وسایل دستی برای فیلتر خانه هایی که به طور دوره ای کار می کنند استفاده می‌شوند. وسایل تخلیه خودکار که به طور مداوم عمل می کنند برای فیلتر خانه هایی که عملکردشان مداوم است استفاده می گردند. رایجترین این وسایل شامل  Double-dump ، Rotary airlock valves (برای فیلترخانه هایی که سایز متوسط و بزرگ دارند.)، نقاله‌های  چرخان ، نقاله های کششی و نقاله های بادی (برای هر دو سیستم مکشی و فشار مثبت می توانند مورد استفاده قرار گیرند.) می شود. شکل ۱۱-۷ نمونه هایی از این گروه وسایل را نشان می‌دهد.

آزمایش و تست فیلترهای هوا فرایندی بسیار پیچیده بوده و تست مناسبی که منحصرا تمام خصوصیات فیلتر را بررسی و توصیف کند وجود ندارد. در واقع تست عملکرد یک فیلتر باید عملکرد فیلتر را تحت شرایط واقعی شبیه سازی کند و خصوصیات مهم برای مصرف کننده را ارزیابی کند مانند راندمان فیلتراسیون، افت فشار و ظرفیت نگهداری گرد و غبار. وجود انواع مختلف ذرات و محدوده های بسیار وسیع غلظت آنها باعث مشکل شدن ارزیابی فیلترها شده است. از پیچیدگی های دیگر، مشکل در اندازه گیری عملکرد تجهیزات ویژه را می توان نام برد. از جمله سازمانهایی که برای ارزیابی فیلترها تست ها و روش های استانداردی ارائه نموده اند می توان انستیتو فیلتر هوا، انستیتو ملی استانداردها و تکنولوژی را نام برد که هر دو از استاندارد اشری (ASHRAE52.2) برای ارائه روش خود استفاده نموده اند.

برای تعیین راندمان فیلتراسیون یک فیلتر ۴ تست به شرح زیر ارائه شده است:

Arrestance – 1

در این تست منبع آلودگی گرد و غبار سنتتیک استاندارد شده محتوی ذرات با اندازه و انواع مختلف بوده که در مسیر جریان هوا یک پالایشگر قرار داده شده و مقدار گرد و غبار جمع آوری شده تعیین می گردد. این روش مخصوص فیلترهای پایین و متوسط بوده که اغلب در سیستم های برگشتی هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تست برای فیلترهای با راندمان بالا مناسب نیست زیرا تست جرم گرد و غبار پایه به ذرات کوچک حساس نیست.

۲- راندمان spot گرد و غبار

در این تست براساس تغییر رنگ فیلتر از سفید در اثر پالایش هوای اتمسفری راندمان تعیین می شود. در استاندارد ۱-۵۲ اشری دو روش برای انجام این تست آورده شده است. در اولین روش که با نام روش intermittent- flow خوانده می شود نمونه ها در شرایط اتمسفر در جهت بالا و پایین فیلتر مورد آزمایش قرار می گیرند. در روش دوم که با نام روش جریان ثابت خوانده می شود نمونه های هوای اتمسفری وجود دارد. همچنین در این روش کششی معادل با میزان جریان از سطح معادل فیبر شیشه ای کاغذی فیلتر با جریان رو به بالا و پایین انجام می شود. اما این کار بدون هرگونه نمونه قطع کننده انجام می‌شود. این تست برای توانایی فیلتر در کاهش ذرات از سطوح داخلی ساختمانها انجام می شود. چون اثرات مذکور وابستگی زیادی به اندازه ذرات دارند این تست برای فیلترهای با راندمان بالا بسیار مناسب است.

۳- راندمان جزئی

برای تست فیلترهای با راندمان بالا که در اتاق های پاک و صنایع هسته ای بکار می روند (مانند فیلترهای HEPA) از روش حرارتی DOP ارائه شده توسط ایالت متحده آمریکا استفاده می‌شود. همچنین می‌توان از استاندارد ۲۸۲ – MIL – STD و سند ۱۳۶-۳۰۰-175A ارائه شده توسط Army آمریکا استفاده نمود. دی اکتیل فتالات یا بی (۲اتیل هگزیل) فتالات (DOP) یک مایع با نقطه جوش بالا می باشد. در این روش ابری از دود قطرات DOP کندانسه شده در اثر بخارات DOP ایجاد میشود. متوسط قطر محاسبه شده آئروسل های DOP در حدود ۱۸/۰میکرون و قطر متوسط جرمی حدود ۲۷/۰ میکرون و با غلظت ۸۰ میلی گرم در متر مکعب تحت شرایط کنترل می باشد. این روش به ذرات با قطر متوسط حساس بوده و معمولا نشاندهنده راندمان جمع آوری ذرات با قطر ۳/۰ میکرون می باشند.

۴- راندمان توسط اندازه گیری غلظت ذرات

استاندارد ۲-۵۲ اشری روشی برای تست وسایل پالایشگر هوا در راندمان جداسازی ذرات با اندازه مشخص تا اینکه به دو ویژگی عملیاتی فیلتر هوا که برای استفاده کننده اهمیت دارد، برسد را ارائه می‌دهد. این ویژگی ها عبارت از توانایی وسیله برای گرفتن ذرات از جریان هوا و مقاومت آن در برابر هواگذر می باشند. در این روش فیلتر هوا در یک هواگذر مشخص در ۷ سرعت در سطح انتخابی مورد آزمایش قرار می‌گیرد. سرعت های مورد آزمایش در محدوده ۶/۰تا ۸/۳ متر بر ثانیه می باشد. در این روش از آئروسل های پتاسیم کلراید بعنوان منبع آلودگی استفاده شده که آن را در محیط آزمایشگاه پراکنده می کنند. یک عدسی اندازه گیری کننده ذرات غلظت ذرات را در ۱۲ موقعیت اندازه می گیرد.

اندازه گیری دقیق ظرفیت نگهداری گرد و غبار توسط انواع مختلف گرد و غبار اتمسفری کار بسیار پیچیده می باشد. بنابراین برای این تست از تطبیق بار گرد و غبار با یک نمونه استاندارد بطور نرمال استفاده می‌شود. گرد و غبارهای مصنوعی مشابه گرد و غبار موجود در اتمسفر نمی باشند بنابراین اندازه گیری ظرفیت نگهداری گرد و غبار تستی سریع بوده و متفاوت از آزمایشات انجام شده بر روی گرد و غبارهای اتمسفری می باشد. در تست ظرفیت نگهداری گرد و غبار آزمایشات براساس روش استاندارد ۱-۵۲ اشری انجام می شود.

یکی از تکنیک های تعیین نشتی در فیلترها آزمایش DOP می باشد که در اشری ۲۰۰۰ روش های تست نشتی در فیلترها آورده شده است.

تست های محیطی

برخی از فیلترها ممکن است در معرض حریق، رطوبت بالا، دماهای بالا، شوک‌های مکانیکی، ارتعاش و دیگر استرس های محیطی قرار گیرند. عملکرد یک فیلتر در شرایط غیر عادی محیطی نیز باید مورد آزمایش قرار گیرد. چندین روش استاندارد برای اثر این پارامترهای محیطی در فیلترهای هوا وجود دارد که از آن جمله می توان روش استاندار ۲۸۲- MIL – STD که شامل آزمایشات مقاومت در برابر شوک و آب می باشد را نام بر همچنین در آمریکا دپارتمان انرژی آزمایشات مقاومت در برابر حرارت و رطوبت را انجام می دهد.

تجهیزات اتاق تمیز معیار اتاق تمیز

سازمان بین المللی استاندارد (ISO) ویژگی اتاق تمیز را در استاندارد  ISO146441-1آورده است. محدوده غلظت براساس قطر ذره و شماره کلاس آن تعریف می شود:

C_pn=10×CN×(۰.۱/d_p )^2.08                                                                                 (۱-۳۱)

که CN شماره کلاس (…و۳و۲و۱) و d_p قطر (میکرون) می باشد.

این خصوصیات تعریف شده حداکثر غلظت ذرات برای تعیین طبقه اتاق تمیز را نشان می‌دهند (جدول ۴-۷ و شکل ۱۲-۱۷). مقادیر موجود در جدول ماکزیمم غلظت‌های ذرات بزرگتر از یک اندازه مشخص نشان داده شده می باشند. برای تعیین یک طبقه تمام محدودیت ها برای تمام اندازه های ذرات باید مشخص باشد. بعنوان مثال در طبقه ۱ ذرات بزرگتر از ۱/۰ میکرون نباید بیش از ۱۰ ذره در متر مکعب هوا وجود داشته باشند و ذرات بزرگتر از ۲/۰ میکرون نباید بیش از ۲ ذره در متر مکعب هوا باشند. اگر غلظت کل ۹ ذره در متر مکعب برای ذرات بزرگتر از ۱/۰ میکرون باشد ولی ذرات بزرگتر از ۲/۰ میکرون دارای غلظت ۳ ذره در متر مکعب باشند محل مذکور را این در طبقه ۱ قرار داد و باید آن را در طبقات بالاتر قرار داد. تمیزترین اتاق طبقه ۱ است که تنها دارای ۲ ذره با قطر بیش از ۲/۰ میکرون می باشد. اگر یک ساختمان اداری دارای غلظت ۱۰۰۰۰۰۰۰ذره یا بیشتر در متر مکعب یا ۱۰ ذره یا بیشتر در میلی لیتر با ذرات با قطر بزرگتر از ۵/۰ میکرون باشد محل مذکور در طبقه ۹ قرار می گیرد.

استاندارد ۲۰۹ E امریکا (۱۹۹۲) تقسیم بندی دیگری را برای اتاق ها برحسب درجه پاکی انجام نموده است که قطر ذرات در آن حداقل ۵/۰ میکرون می باشند. بعنوان مثال براساس این طبقه بندی طبقه ۱۰ نشاندهنده اتاق های با غلظت ذرات ۱۰ ذره در فوت مکعب با قطر۵/۰ میکرون و بزرگتر، طبقه ۱۰۰۰ نشاندهنده اتاقهای با غلظت کمتر از ۱۰۰۰ ذره در فوت مکعب با قطر ۵/۰ میکرون و بزرگتر می باشد. این طبقه بندی برای درجه تمیز بودن اتاق ها می تواند براساس عدد طبقه و قطر ذره گسترش پیدا کند. به عبارت دیگر:

C_pn=CN×(۰.۵/d_p )^2.2                                                                                          (۱-۳۱)

که CN شماره کلاس در طبقه بندی ISO  (…و۳و۲و۱) و d_p قطر (میکرون) می باشد.

 این رابطه باعث تطبیق دو روش ارائه شده در بالا با یکدیگر می شود. بعنوان مثال طبقه ۱ استاندارد ۲۰۹ E معادل طبقه ۳ استاندارد ISO، طبقه ۱۰ استاندارد ۲۰۹ E معادل طبقه ۴ استاندارد ISO و… می باشد.

یک سیستم فیلتر خانه هنگامی بدرستی عمل می نماید که در هنگام طراحی متغییرهای کلیدی زیر مد نظر قرار گرفته باشند:

۱-جنس فیلتر: جدول ۵-۷ خصوصیات و ویژگی‌های چند نوع از فیلترها را نشان میدهد که در هنگام طراحی باید مورد توجه قرار بگیرند.

۲- روش پاکسازی: همانگونه که گفته شد در سیستم‌های فیلترخانه از چهار روش برای پاکسازی فیلترها استفاده میشود که با توجه به شرایط مختلف مانند نوع پارچه باید از یکی از این روش ها استفاده نمود.

۳- نسبت هواگذر به پارچه: این فاکتور یکی از مهمترین متغییرها در هنگام طراحی فیلتر خانه می باشد که در ادامه بطور کامل توضیح داده می‌شود.

۴- شکل فیلترخانه: با توجه به تعداد تیوب های بدست آمده از مرحله قبل ابعاد فیلتر خانه که اغلب مربعی شکل است تعیین می گردد (این قسمت نیز در ادامه شرح داده شده است).

۵- جنس بدنه و ساختمان

سرعت فیلتراسیون یا نسبت هواگذر به پارچه (A/C) بصورت نسبت هواگذر واقعی سیستم به سطح پارچه تعریف می گردد که واحد آن فوت بر دقیقه می باشد. این نسبت ۱۰ : ۱تا۱ : ۱۰ می تواند بکار گرفته شود. فیلتر خانه هایی که مکانیسم پاکسازی در آنها بصورت تکان دادن یا جریان معکوس است معمولا دارای نسبت هواگذر به پارچه ۱:۱۰-۱:۳می‌باشند که در سیستم‌های جت پالس این نسبت بزرگتر است. مکانیسم عمل جمع آوری ذرات با فیلترهای منسوج توسط هریک از مکانیسم های برخورد مستقیم، برخورد مماسی و انتشار در شکل ۱۳-۱ نشان داده شده است. مکانیسم برخورد مستقیم برای ذرات با قطر بزرگتر از ۱ میکرون هنگامی که جریان هوا از میان فیبر فیلتر عبور می کند مکانیسم موثر است. همچنین ذرات با جرم و اینرسی بالا به یکدیگر برخورد کرده و توسط فیلتر گرفته می شوند. برخورد مماسی هنگامی ایجاد میشود که حرکت ذرات در جریان هوا در نزدیکی و مجاورت فیبر فیلتر باشد. به عبارت دیگر مسیر حرکت ذرات مماس بر سطح فیلتر باشد که در این حالت ذرات توسط مکانیسم مماسی توسط فیلتر جداسازی می شوند. انتشار عبارت است از حرکت اتفاقی و رندم ذرات که توسط آن ذرات با فیبرهای فیلتر تماس پیدا کرده و به آنها می چسبند. اثر انتشار در پالایش هوا با کاهش اندازه ذره افزایش می یابد و تنها برای ذرات ساب میکرونی مؤثر است.