對高效濾料過濾機理進行深入研究，借鑒國外的相關(guān)標準和研究成果，研制出能檢測高效和超高效過濾材料過濾性能的最易透過粒徑計數(shù)效率試驗臺，既能為過濾材料生產(chǎn)廠提供一套操作簡便、檢測周期短、檢測精度高、性能穩(wěn)定可靠的高效過濾材料測試系統(tǒng)，又能達到節(jié)省檢測系統(tǒng)初投資的目的，替代昂貴的進口設(shè)備。在研制試驗臺的過程中，通過研究國外產(chǎn)品和技術(shù)的特點，對試驗臺所用的關(guān)鍵儀器進行研制，并提出理論指導設(shè)計方法。首先對高效濾料過濾機理進行理論研究，分析最易透過粒徑以及最低過濾效率和高效濾料各個特性之間的關(guān)系，例如濾速、被過濾顆粒粒徑大小、過濾纖維直徑等。同時，通過理論分析確定采用的最易透過粒徑效率測量系統(tǒng)的特點，為合理選擇相關(guān)測試儀器打下礎(chǔ) 本課題將在國防科工委以及重慶市科委的聯(lián)合資助下，和國內(nèi)高效濾料生產(chǎn)企業(yè)合作，研制出能檢測高效和超高效濾料過濾性能的粒徑計數(shù)法測試試驗臺。重點研究試驗臺的合理搭建和相的測試過程控制程序。分析所用測試儀器的性能，優(yōu)化測試結(jié)果和過程，并應用誤差理論，對測試中可能出現(xiàn)的誤差進行分析，研究導致誤差的原因，提高測試的準確性。通過大量實際測試數(shù)據(jù)的分析，研究試驗臺的穩(wěn)定性、適用性和實驗數(shù)據(jù)的可重復性，并和其他國外先進試驗臺進行對比分析。最后，利用理論和實驗測試相結(jié)合的方法推導計算高效濾料最易透過粒徑和最大透過率的半經(jīng)驗公式，指導高效濾料的生產(chǎn)和使用。同時，對濾料上漏點對效率的影響進行分析。針對目前的國內(nèi)現(xiàn)狀，提出我國標準修改的建議。    八十年代以來，隨著科技的進步，人們發(fā)現(xiàn)即使采用高效過濾介質(zhì)，還是不能達到人們對潔凈度的要求。人們研究新的測試方法，促進過濾材料開發(fā)。因此，測試方法的研究是非常重要的。最易透過粒徑法是目前測試高效濾料最嚴格的方法，用這種方法替代其他各種傳統(tǒng)方法是大勢所趨。這種方法檢測高效濾料時產(chǎn)生的對濾料本身的污染比傳統(tǒng)的方法小100倍[74]某種濾料的過濾效率有時被認為是一個常量，而忽視了不同濾料試樣之間性能的微小差別。文獻[15]中提到了美國某著名的濾料生產(chǎn)廠家對其生產(chǎn)的同種超高效濾料進行了透過率統(tǒng)計測試，即使是同一濾料，其性能也會不同。所以新試驗臺的研制成功為濾料生產(chǎn)廠和過濾器制造廠提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。本課題的意義還在于，希望為制定與國際標準接軌的國家和行業(yè)標準提供理論支持和實驗數(shù)據(jù)積累，提高國產(chǎn)高效過濾材料對國外產(chǎn)品的競爭力，為我國過濾器行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。高效空氣纖維過濾設(shè)備被廣泛地應用到室內(nèi)顆粒污染物去除和高級別的潔凈室中，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，需要開發(fā)研制具有高性能的空氣過濾材料。高效濾料性能試驗手段的發(fā)展是制造更好過濾材料和設(shè)備的保證。根據(jù)新的過濾理論和研究成果，國際上用最易透過粒徑效率來標示高效濾料的效率，我國現(xiàn)行的測試標準已不能適應高效濾料行業(yè)的發(fā)展，需要引進最易透過粒徑法測試高效濾料，同時需要積累實驗數(shù)據(jù)和理論研究經(jīng)驗。    高效空氣過濾器中最常見的是超細玻璃纖維過濾材料，纖維濾材料中雜亂交織的細纖維使空氣中的粉塵微粒很容易撞到纖維表面上，微粒和纖維表間存在的范得瓦爾斯粘性力使粒子粘在纖維上面，形成過濾效果。本文研究的某種國產(chǎn)A型高效玻纖濾料的電子掃描顯微鏡照片如圖2-1所示。    過濾材料捕集被過濾粉塵粒子的機理主要有五種:慣性碰撞、布朗擴散、攔截效應、重力效應和靜電效應【‘9]。通過纖濾器過濾機理的理論計算分析，可以研究過濾效率如何隨著過濾器的特性和被過濾顆粒粒徑變化。過濾效率是過濾器最重要的性能指標，過濾效率又有總效率(Total efficiency)和分級率(Fractional efficiency)之分。前者是針對整個粒徑范圍而言的，后者是對某個粒徑而言的。    對于纖維過濾器的系統(tǒng)研究是第二次世界大戰(zhàn)中由Langmui:開始的[[25,84]。過濾理論由早期的經(jīng)典過濾理論發(fā)展到現(xiàn)代過濾理論，以及微孔過濾理論【‘“]。為了計算濾器的效率，Langmui:創(chuàng)造了一種獨立纖維分析法，這種方法原理是:使用與氣流方向垂直的獨立纖維周圍的速度場計算微粒由于各種沉積機理的作用在纖維上的沉積率，相鄰纖維的影響一一一般稱為干擾效應一一用經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗修正項來表而計算的最后階段，則是從確定纖維上的沉積率轉(zhuǎn)化為過濾器的效率[[85]。一直以來，過濾是理論和實驗研究非常活躍一個研究領(lǐng)域。對于玻璃纖維濾料及過濾器來說，對過濾有作用的主要機理是慣性碰撞、布朗擴散、攔截效應，這三種機理的區(qū)別就在于對不同大小的粉塵粒子作用不同[[26]。但是，也有研究人員認為，理想攔截不能算成過濾機理，理想攔截只是慣性和擴散作用在極端條件下的數(shù)學結(jié)果[[7, 37]一般講，粒徑較大的粒子被捕集主要是由于慣性碰撞;中等大小的粒子則因過濾材料攔截效應而被過濾掉;粒徑非常小的粒子布朗擴散比較強烈，通常因擴散到過濾材料中發(fā)生碰撞或粘附而被收集。為了把濾料過濾效率在一定程度上能夠用公式定量表示出來，需要引進合適的數(shù)學模型。理論計算應用三種數(shù)學模型:一種方法是把過濾器看作是一系列平行的毛細管，毛細管尺寸可從實濾料的空氣阻力計算求得;另一種方法是把氣流阻力看作是由流場中存在一個某一單位長度的圓柱障礙物引起，這是單根纖維的表示法;第三種方法是把濾料看作一個微孔系統(tǒng)，然后把微孔看圓形來進行計算，其大小與實際過濾器內(nèi)的連續(xù)過濾層中的微孔相當，還要考慮到微孔從一層到另一層的路徑彎曲[[26]。第一種模型適用于濾膜過濾材料，后面兩種模型處理纖維效率同真實情況比較接近，因此比較準確。在微孔理論方面，1967年P(guān)ickaa:和Clarenburg試圖提出一個纖維過濾器微孔結(jié)構(gòu)的數(shù)學理論[}s6-ss}。由于高效纖維過濾器填充率很低，一般都采用單一纖維研究方法。纖維形狀可以各種各樣，為了夠統(tǒng)一的進行分析，一般采用圓柱體，對于由非圓形柱體組成的系統(tǒng)特性的研究并不多[[85]確定好了纖維的形狀，下面就要確定纖維具體的分布。在許多過濾器中，的纖維軸均處于與氣流方向相垂直的平面，并在這些平面內(nèi)呈任意的角度。纖維基本都是這樣分布的，許多不同的纖維層進行累積，而纖維的軸線幾乎完全平行于表面。    單一纖維理論又分為孤立纖維理論和包殼纖維理論四」。1952年，Davies把三種過濾機理用公式表示出來，創(chuàng)立了孤立纖維理論[f2}1。孤立纖維理論是先忽略纖維之間的影響，認為纖維層內(nèi)的纖維力學行為類似于無界流場中一根纖維的力學行為，最后考慮纖維之間的影響對效率進行修正。包殼纖維過濾理論最初的概念是Kuwahara}3o]和Happel}}o]195年提出的，其基本思想是纖維層是由許多包殼纖維組成的彼此無間隙的集合體，每根纖維是由一根纖維和與其同心并包含該纖維的一定厚度的圓筒形流體外層組成的，纖維效率是單位時間內(nèi)被捕集的粉塵與上游的包殼纖維投影面積內(nèi)的粉塵之比【ia}在孤立纖維法中，理論計算選用的纖維形狀均為圓柱形，所以采用的這種方法稱為孤立圓柱法。在低填充率的纖維過濾器效率計算中，孤立圓柱法依然是理論基礎(chǔ)，它假設(shè):C1)過濾器是由許多同種材料單獨的圓柱形纖維構(gòu)成的均一體系;C2)纖維垂直于氣流分布，彼此相距足夠遠;3)微粒是球形的;(4)纖維表面是干凈的，只考慮過濾除塵過的第一階段;5)接觸并沉積于纖維的微粒不再飛散。孤立纖維效率是單位時間內(nèi)被纖維捕集的塵粒與上游某處纖維投影面全部粉塵的比值。某種過濾效應作用下，孤立圓柱可以捕集到的有效微粒軌跡在無限遠處距離纖維軸線的寬度Y和纖維半徑價之比:刃二y}}"r(2-1) 刃定義為這種效應下的捕集效率。Albrecht(1931)}4g}最先給出上定義式，由于它很直觀，理論計算就借用了這個關(guān)系式 所以以后的單纖維計算都是圍繞著上面的模型展開的。在一般重力效應和靜電效應可以忽略的情況下，纖維的主要過濾機理有攔截效應、慣性效應和擴散效應。下面分別是計算三種效率的理論方法:在蔡杰[f}l的計算方法中，在計算慣性效應時直接采用的是軌跡推移計算法，通過每點的計算推移最終計算出粒子慣性運動的軌跡，從而求出慣性機理下的效率。采用直接編程能夠進行計算，是比較直接可靠的途徑，這種方法從最基本的原理去分析，并非采用實驗經(jīng)驗公式的方法。同時，其考慮理想攔截并非過濾機理。他在利用Lee和Liu }lo}}的微分方程時，重新引入粒徑參數(shù)，改變了原有的認為粒徑為零的理想計算狀況。因此，理想攔截就不應該再被當作是單獨的過濾機理，而是慣性機理和擴散機理的邊界情況。對于纖維直徑的計算，他是采用電子顯微鏡觀測的方法得到的，采用直徑的均方根值，而不是纖維直徑的算術(shù)平均值，他認為這樣更能反映材料的物理特性。下面通過實際國產(chǎn)高效濾料的計算來分析不同效率計算方法的區(qū)別，選出描述國產(chǎn)高效纖維濾料過濾效率的最好方法。同時，分析不同濾料參數(shù)對過濾效率的影響。通過計算分析，找到測量高效過濾材料效率的最優(yōu)化方法。使得最易透過粒徑的值有些偏右，但仍然小于通常認為的0.3}m，所以結(jié)果也是可以讓人接受的。經(jīng)典的理論計算沒有引入粒徑的影響，把攔截作為單獨的過濾機理進行計算，忽略了其與其他幾種機理共同作用下的影響，計算出來的結(jié)果要比實測值高一些。而Davies理論出現(xiàn)時間比較早，所以使用范圍比較窄，其擴散項采用的是舊的理論推理得到的，沒有考慮到周圍纖維的影響及纖維周圍流場和速度場的分布，故在小粒徑區(qū)，尤其是<0.2}m的范圍內(nèi)，效率相差一個數(shù)量級以上，而其慣性項計算部分是通過實驗得到的經(jīng)驗公式，結(jié)合已有的實測結(jié)果得到的，故比較準確，在大粒徑區(qū)域與實際值符合得很好。Lee和Liu理論計算公式使用的前提條件是忽略粒子受到的重力和慣性力的影響，主要受到擴散和攔截兩種效果的影響，而‘賡吐效應的影響對于高效過濾器過濾的0.3}m以下的顆粒來說可以忽略。Lee的早期未經(jīng)過修正的公式，雖然對于最易透過粒徑點的確定沒有太大影響，但是在顆粒和大顆粒兩個極端情況下，效率值明顯偏高，這是由于把單纖維過濾理想化造成的，沒有考慮到流場中的滑移效果以及周圍纖維的影響，而經(jīng)過修正的公式考慮到了以上兩個影響因素，故理論計算值與實測值最為接近。蔡杰的公式是建立在Lee和Liu原有公式的基礎(chǔ)上做出的改動，未進行充分的修正，故也有一定的偏差。最易透過粒徑是計數(shù)效率測試時最關(guān)心的值，下面通過一種理論方法計算最易透過粒徑值與實測值進行比較，看是否存在較大的差異 通常所說的最易透過粒徑通常滿足0.075 < }, / Dp < 1.3范圍內(nèi)，通過理論計算公式(2-40來計算最易透過粒徑值，在上述濾料參數(shù)不變的情況下，計算結(jié)果為0.18278}m，而實測值位于0.18-0.19林 m之間，兩者相差小于5%0實驗對比分析證明，對于國產(chǎn)高效濾料的效率計算，Lee和Liu采用的經(jīng)過修正的理論計算公式(2-40有較好的適用性，在以后的理論計算中，均選用的是該公式。