高效空氣過濾器濾速限值確定原則探究

深圳中廣核工程設計有限公司 王軍民 彭永森 劉 超 劉政杰

0 引言

當前高效空氣過濾器(以下簡稱過濾器)廣泛應用于核電廠核空氣凈化和廢氣處理系統(tǒng)，利用濾料從氣固兩相流(氣溶膠)中捕集放射性微粒，實現(xiàn)對放射性微粒的包容，防止核電廠反應堆運行過程中產(chǎn)生的放射性物質(zhì)向周圍環(huán)境排放和向人員居留區(qū)擴散。核電廠核空氣凈化和廢氣處理系統(tǒng)的性能水平主要取決于過濾器的性能，過濾器的性能對于保障核電廠人員和環(huán)境安全至關(guān)重要。

過濾器的透過率和阻力是研究和應用中廣受關(guān)注的2項關(guān)鍵性能。其中透過率主要反映了對放射性微粒的包容性能，為過濾器的安全屬性，而阻力反映了過濾器的能耗水平，為過濾器的經(jīng)濟屬性?？梢?，這2項性能同時包含了過濾器的經(jīng)濟性和安全性兩方面的要求，在尋找既安全又經(jīng)濟的核空氣凈化和廢氣處理解決方案過程中自然會成為研究和應用的關(guān)注點。

過濾器透過率和阻力性能的影響因素眾多，主要包括過濾器內(nèi)氣流側(cè)氣溶膠粒徑、濾速等因素和氣流接觸物側(cè)濾料、濾芯褶結(jié)構(gòu)等因素，過濾器性能取決于兩側(cè)因素的相互影響和相互作用。其中過濾器透過率和阻力性能與濾速和濾芯褶結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系作為當前過濾器整體研究的組成部分，前人圍繞其展開了一些理論、實驗和數(shù)值模擬研究，為常用標準確定濾速限值打下了必要的技術(shù)基礎。但從不同常用標準來看，不難發(fā)現(xiàn)它們所確定的濾速限值未能達成一致，這也意味著各自援引的技術(shù)基礎及其應用原則存在差異，給使用帶來了不少困擾。

本文聚焦于過濾器濾速限值確定原則的探討，先介紹不同常用標準所給出的過濾器濾速限值及其差異，然后回溯過濾器濾速限值形成的技術(shù)源頭和變遷，梳理導致這些差異產(chǎn)生的技術(shù)基礎和依據(jù)，并據(jù)此給出確定過濾器濾速限值的路線和原則，期望消除應用中存在的困擾。

1 濾速限值要求差異與分析

在確定核設施用過濾器或濾料單體的技術(shù)要求時，目前廣泛參考的國內(nèi)外常用標準主要有ASME AG-1-2019[1]、ES-0-173X-2系列標準(包括ES-0-1730-2-2018[2]、ES-0-1731-2-2020[3]、ES-0-1732-2-2020[4]、ES-0-1737-2-2020[5]等)、GB/T 17939—2015[6]等，這些標準均對過濾器或濾料單體的濾速及其相關(guān)性能提出了明確要求。這些標準的相關(guān)具體要求如下：

1) ASME AG-1-2019第FC-4110和FK-4100條均要求過濾器所擁有的總濾料面積應確保標稱風量下平均濾速不超過2.5 cm/s(5.0 ft/min)，第FC-5120和FK-5120條要求100%和20%標稱風量下過濾器的透過率均不超過0.03%。

2) ASME AG-1-2019第FN-4220條要求當濾速為5.33 cm/s(10.5 ft/min)時，用氣溶膠光度計法檢測的濾料單體的透過率不超過0.03%，或者用最易透過粒徑(MPPS)計數(shù)法檢測的濾料單體的透過率不超過0.10%。

3) ES-0-1731-2-2020、ES-0-1737-2-2020和ES-0-1732-2-2020第6.2條均要求過濾器每通過100 L/s風量所用濾料的最小面積符合表1的要求。

表1 ES-0-173X-2系列標準中過濾器允許最大平均濾速

4) ES-0-1731-2-2020、ES-0-1737-2-2020和ES-0-1732-2-2020第5章要求用鈉焰法檢測的過濾器的透過率不超過0.007 5%，用MPPS計數(shù)法檢測的過濾器的透過率不超過0.01%。

5) ES-0-1730-2-2018第4.2節(jié)要求當濾速為1.5 m/min(2.5 cm/s)時，用MPPS計數(shù)法檢測的濾料單體的透過率不超過0.02%(濾料單體的濾速雖低于過濾器的平均濾速，但其透過率相對較高，疑是原文有誤)。同時要求遵循ASME AG-1-2019的FN部分的規(guī)定。

6) GB/T 17939—2015第6.5節(jié)要求過濾器的平均濾速不大于2.5 cm/s，第6.6節(jié)要求100%和20%標稱風量下過濾器的透過率均不超過0.01%。附錄A要求在濾速為5.33 cm/s時，用鈉焰法檢測的濾料單體的透過率不超過0.01%。

比較而言，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015提出了與濾芯褶結(jié)構(gòu)無關(guān)的過濾器允許平均濾速，不同濾芯褶結(jié)構(gòu)的過濾器允許平均濾速相同，而且過濾器允許平均濾速小于濾料單體基準濾速，但過濾器和濾料單體的透過率要求仍相同。ES-0-173X-2系列標準則提出了與濾芯褶結(jié)構(gòu)有關(guān)的過濾器允許平均濾速，不同濾芯褶結(jié)構(gòu)的過濾器允許平均濾速不同，而且過濾器允許平均濾速均小于濾料單體基準濾速，但過濾器和濾料單體的透過率要求仍相同。

從上述差異不難發(fā)現(xiàn)，不同體系標準所遵循的過濾器濾速限值確定原則存在區(qū)別，雖然過濾器允許平均濾速不同，但過濾器性能都滿足要求。除小規(guī)格的深褶方形過濾器外，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015給出的允許平均濾速相對較小，比較而言要求偏于保守。

2 濾速限值要求溯源與變遷分析

在核電廠核空氣凈化和廢氣處理系統(tǒng)設計中，美國核空氣凈化手冊得到了廣泛應用，到目前為止共有4個版本，依次為ORNL/NSIC-13、ORNL/NSIC-65-1970[7]、ERDA 76-21-1976[8]和DOE HDBK-1169-2003[9]。為了呈現(xiàn)過濾器濾料的氣溶膠粒徑、濾速、透過率三者之間的關(guān)系，筆者查閱的3個版本的核空氣凈化手冊均給出了不同粒徑氣溶膠的濾速與透過率曲線族或不同濾速下的粒徑與透過率曲線族，分別為ORNL-NSIC-65-1970中的圖2.5、ERDA 76-21-1976中的圖2.8和DOE HDBK-1169-2003中的圖2.8(a)及2.8(b)，僅有ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976提出了濾速推薦限值，而DOE HDBK-1169-2003沒有提出濾速推薦限值。

美國核空氣凈化手冊早期版本ORNL-NSIC-65-1970中的圖2.5和ERDA 76-21-1976中的圖2.8內(nèi)容完全相同，均給出了0.56、0.40、0.30、0.10 μm 4種粒徑氣溶膠的濾速與透過率曲線族，均注明廠商給出的標稱風量下的平均濾速大約為2.5 cm/s(5.0 ft/min)，此濾速下0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率為0.03%，這2個圖來自Mine Safety Appliances(MSA)公司的公報。MSA公司后續(xù)發(fā)表了另外關(guān)于過濾器性能的MSA研究報告[10]，該研究報告中的圖12同樣給出了0.56、0.40、0.30、0.16 μm 4種粒徑氣溶膠的濾速與透過率曲線族，濾速推薦限值為2.5 cm/s(5.0 ft/min)，在該濾速下0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率為0.03%。在該研究報告中特別強調(diào)認同并采納了AACC CS-1T-1968提出的濾速推薦限值為2.5 cm/s(5.0 ft/min)的建議。

比較MSA研究報告中的圖12與源自MSA公報的ORNL-NSIC-65-1970中的圖2.5和ERDA 76-21-1976中的圖2.8，可見各自給出的4種粒徑的濾速與透過率曲線族是完全相同的，而只有主要由濾料特性決定的最大透過率曲線所標明的粒徑(0.10 μm或0.16 um)是不同的，疑是二者其一有誤，總體而言所表示的過濾器性能是一致的。不管因何種原因?qū)е庐a(chǎn)生上述不同，后續(xù)發(fā)布的MSA研究報告繼承了前期發(fā)布的MSA公報中的相同內(nèi)容。正如ORNL-NSIC-65-1970的圖2.5和ERDA 76-21-1976的圖2.8的注釋所說，MSA公報就是這2個圖的直接源頭，而AACC CS-1T-1968則是這2個圖的間接源頭。

如上所述，美國核空氣凈化手冊當前現(xiàn)行版DOE HDBK-1169-2003的圖2.8(a)及2.8(b)替換了ORNL-NSIC-65-1970的圖2.5和ERDA 76-21-1976的圖2.8。其中圖2.8(b)給出了0.30 μm基準粒徑氣溶膠和隨氣流流速變化的MPPS氣溶膠的濾速與最大透過率曲線族，而圖2.8(a)給出了2.50、5.33 cm/s(5.0、10.5 ft/min)2種濾速下粒徑與典型和最大透過率曲線族，并且補充給出了圖2.8(b)中所缺少的隨氣流流速變化的MPPS信息。在圖2.8(b)中，濾速為5.33 cm/s(10.5 ft/min)時0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率不超過0.03%，而MPPS氣溶膠的透過率達到0.10%，但沒有提出濾速推薦限值，此圖來自Hollingsworth & Vose(H&V)公司的工程數(shù)據(jù)文件。

除了DOE HDBK-1169-2003的圖2.8(a)和圖2.8(b)提到的工程數(shù)據(jù)文件，H&V公司還先后發(fā)表了關(guān)于過濾器濾料性能的多份報告，這些報告均給出了不同濾速下的粒徑與透過率曲線族或以粒徑和濾速為自變量的透過率匯總表，所表示的過濾器濾料性能與圖2.8(a)和圖2.8(b)所表示的過濾器濾料性能是一致的。相關(guān)報告的具體內(nèi)容如下：

1) 文獻[11]提供了1.00、1.75、2.54、5.34、7.50 cm/s 5種濾速下過濾器濾料的粒徑與透過率曲線族，在所有濾速下0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率均小于0.03%。

2) 文獻[12]提供了1.00、1.20、1.80、2.50、3.50、5.35 cm/s 6種濾速(在每種濾速下包含0.075、0.10、0.12、0.15、0.18、0.22、0.26、0.30、0.35 μm 9種粒徑氣溶膠的實測透過率)下過濾器濾料的粒徑與透過率曲線族，在所有濾速下0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率均小于0.01%。

3) 文獻[13]提供了包含0.30 μm基準粒徑和隨氣流流速變化的MPPS 2種粒徑(每種粒徑下分成2.50、5.33 cm/s(5.0、10.5 ft/min)2種濾速)的過濾器濾料的典型和最大透過率匯總表，在5.33 cm/s(10.5 ft/min)基準濾速時0.30 μm粒徑氣溶膠的最大透過率為0.03%。

4) 文獻[14]提供了1.5、2.5、3.5、4.5、5.3 cm/s 5種濾速(在每種濾速下包含0.075、0.090、0.12、0.15、0.18、0.22、0.26、0.30 μm 8種粒徑氣溶膠的實測透過率)下過濾器濾料的粒徑與透過率曲線族，在所有濾速下0.30 μm基準粒徑氣溶膠的透過率均小于0.01%。

綜上所述，無論是ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976及其支撐性研究報告，還是DOE HDBK-1169-2003及其支撐性研究報告，所給出的濾速與透過率曲線，分別代表了相同體系不同時期的過濾器濾料性能水平?？梢钥闯龊髞淼倪^濾器濾料性能水平明顯優(yōu)于早期的過濾器濾料性能水平，呈現(xiàn)后來居上的趨勢，也說明ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976所給出的濾速與透過率曲線已經(jīng)過時，依據(jù)其確定的過濾器濾速限值偏于保守。

同時，雖然DOE HDBK-1169-2003沒有像ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976那樣提出濾速推薦限值，也只能說明ORNL-NSIC-65-1970和ERDA 76-21-1976所提出的濾速推薦限值已不適用，但過濾器透過率和阻力性能均會受濾速影響，并非無關(guān)緊要。結(jié)合ES-0-173X-2系列標準和其他常用標準來看，要么是仍保留濾速限值但加以放寬，要么是用其他性能限值替換濾速限值，確保過濾器性能仍能滿足要求。

3 濾速限值要求調(diào)整建議與分析

如果在過濾器濾芯內(nèi)濾料進出氣流呈現(xiàn)不均勻分布，則基于均勻流分布假設所求得的平均濾速就不足以表征濾芯內(nèi)濾料進出氣流分布，也就無從了解局部最大濾速所在點。在選定濾料的前提下，濾芯內(nèi)的局部最大濾速所在點將會出現(xiàn)最大透過率。局部最大濾速所在點雖占比極小，但是關(guān)鍵少數(shù)會決定絕大多數(shù)，成為過濾器總體透過率的關(guān)鍵控制點。在選用透過率性能達標的濾料時，只要確保濾芯內(nèi)局部最大濾速不超過濾料單體標稱透過率的基準濾速5.33 cm/s(10.5 ft/min)，就能確保過濾器總體透過率達標。

前人的科研成果已經(jīng)證實了濾芯內(nèi)濾料進出氣流不均勻性分布假設的正確性。文獻[15]記載了對濾芯濾料進出氣流分布均勻性所展開的研究，其表5.1提供了典型密褶方形過濾器在不同褶結(jié)構(gòu)(由褶密度和深度組合產(chǎn)生)和平均濾速下的局部最大濾速和初始阻力。由該表可以發(fā)現(xiàn)：隨著褶間距與深度比值的逐漸增大，局部最大濾速與平均濾速的比值逐漸減小，也就是說氣流分布不均勻性隨著濾芯褶結(jié)構(gòu)的寬深比增大而減小；在相同褶結(jié)構(gòu)下，隨著平均濾速逐漸增大，局部最大濾速與平均濾速的比值逐漸減大，也就是說氣流分布不均勻性隨著平均濾速的逐漸增大而增大。概而言之，不同濾芯褶結(jié)構(gòu)和平均濾速均會對氣流分布均勻性產(chǎn)生影響。平均濾速為3.81 cm/s(7.5 ft/min)時，在每cm長度褶數(shù)為2.55、2.75、2.95、3.15、3.35(每英寸長度褶數(shù)為6.5、7.0、7.5、8.0、8.5)5種褶密度和12.70、19.05、25.40 mm(0.50、0.75、1.00 in)3種褶深度組合產(chǎn)生的褶結(jié)構(gòu)中，局部最大濾速分別為4.5、5.0、5.7 cm/s(8.86、9.84、11.22 ft/min)。如果將平均濾速調(diào)整為ES-0-1731-2-2020中密褶方形過濾器的最大平均濾速3.57 cm/s(7.03 ft/min)，則可推算出局部最大濾速約為5.23 cm/s(10.3 ft/min)，接近濾料單體標稱透過率的基準濾速5.33 cm/s(10.5 ft/min)。即便不能排除偶然因素，但也能說明ES-0-1731-2-2020并不排斥按照局部最大濾速不超過濾料單體標稱透過率的基準濾速原則確定最大平均濾速。

不同濾芯褶結(jié)構(gòu)和平均濾速不僅會對氣流分布均勻性產(chǎn)生不同影響，而且對阻力也會產(chǎn)生不同影響。過濾器的阻力分為濾芯褶結(jié)構(gòu)阻力和濾料阻力。對于典型的密褶方形過濾器，濾料之間通道內(nèi)的氣流一般處于湍流態(tài)，濾芯褶結(jié)構(gòu)阻力與濾速呈二次冪關(guān)系，而濾料孔隙內(nèi)的氣流一般處于層流態(tài)，濾料阻力與濾速呈線性關(guān)系。從阻力形成機理來看，濾芯褶結(jié)構(gòu)阻力和濾料阻力隨濾速變化的趨勢是相同的，但濾芯褶結(jié)構(gòu)阻力和濾料阻力隨濾芯褶結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的趨勢是相反的。通常選取褶間距和褶深度作為濾芯褶結(jié)構(gòu)參數(shù)，對于相同濾料和褶結(jié)構(gòu)的過濾器來講，隨著褶間距的減小或褶深度的增大，濾料阻力逐漸減小，而濾芯褶結(jié)構(gòu)阻力逐漸增大，會存在一個綜合阻力最小的最優(yōu)褶間距和褶深度，如果偏離此最優(yōu)褶間距和褶深度均會導致綜合阻力增大。

前人的科研成果已經(jīng)證實了上述理論分析結(jié)論的正確性。已有多份關(guān)于典型密褶方形過濾器的濾芯褶結(jié)構(gòu)參數(shù)和阻力關(guān)系的研究報告發(fā)表，這些報告均選取褶密度(褶間距)和褶深度作為濾芯褶結(jié)構(gòu)參數(shù)，給出了一定濾速、不同褶深度下的濾芯褶密度與阻力曲線族或一定濾速下以濾芯褶深度和褶間距為自變量的阻力匯總表。相關(guān)研究報告的具體內(nèi)容如下：

1) 文獻[16-17]均提供了過濾器在22.23、44.45、88.90、133.35 mm(0.875、1.750、3.500、5.250 in)4種褶深度下的濾芯褶密度與阻力曲線族，結(jié)果表明在4種褶深度下均存在彼此不同的綜合阻力最小點和最佳褶密度。

2) 文獻[18]提供了2種不同濾料的過濾器在50、69、90 mm 3種褶深度(每種褶深度包含2.5、2.7/2.8、3.1、3.4、3.7、4.0、4.3 mm 7種濾芯褶間距)下的阻力匯總表，結(jié)果表明不同濾料在3種褶深度下均存在彼此不同的綜合阻力最小點和最佳褶間距。

3) 文獻[19]提供了過濾器在20、30、40 mm 3種褶深度下的濾芯褶密度與阻力曲線族，結(jié)果表明在3種褶深度下均存在彼此不同的綜合阻力最小點和最佳褶密度。

從這些文獻給出的不同褶深度下的濾芯褶密度(或褶間距)與阻力曲線族或匯總表來看，每種褶深度均存在不同的綜合阻力最小點和最佳褶密度(或褶間距)，不僅相同濾材的不同褶深度下綜合阻力最小點和最佳褶密度(或褶間距)不同，而且不同濾材的相同褶深度下綜合阻力最小點和最佳褶密度(或褶間距)也不同。

綜上所述，濾芯褶結(jié)構(gòu)和平均濾速參數(shù)會明顯影響過濾器氣流分布均勻性和初阻力。筆者建議依據(jù)不同濾芯褶結(jié)構(gòu)的平均濾速與最大濾速及其透過率、平均流速與通流能力及其初阻力之間的關(guān)系，在綜合阻力最優(yōu)濾芯褶結(jié)構(gòu)基礎上，按照同時滿足過濾器局部最大濾速不超過濾料單體可接受透過率的允許濾速、過濾器最大通流能力不超過期望初阻力所允許通流能力的原則確定平均濾速限值。

4 結(jié)論

1) 從不同體系近期文獻所給出的過濾器平均濾速限值來看，ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015與ES-0-173X-2系列標準的要求存在明顯差異，但過濾器性能水平均滿足要求，比較而言ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015的要求過于保守。

2) 從相同體系不同時期所給出的過濾器平均濾速限值來看，ASME-AG-1-2019和GB/T 17939—2015與美國核空氣凈化手冊早期版本的要求相同，而與當前現(xiàn)行版本的要求存在明顯差距，但過濾器性能水平均滿足要求，比較而言ASME AG-1-2019和GB/T 17939—2015的要求過于保守。

3) 過濾器平均濾速不屬于其特征屬性，需要通過其與過濾器性能參數(shù)之間的關(guān)系確定其限值。鑒于濾芯褶結(jié)構(gòu)和平均濾速參數(shù)會明顯影響過濾器氣流分布的均勻性和初阻力，建議在綜合阻力最優(yōu)濾芯褶結(jié)構(gòu)基礎上，按照同時滿足過濾器局部最大濾速不超過濾料單體可接受透過率的允許濾速、過濾器最大通流能力不超過期望初阻力所允許通流能力的原則確定平均濾速限值。