X. Évfolyam 1. szám - 2015. márcus SURGAI József - SOLYMOSI Máté jcsurga@gmal.com - solym21@gmal.com LEVEGŐSZŰRŐK HATÉKONYSÁGÁNAK MÉRÉSE I. RÉSZ AZ AEROSZOL SZŰRÉS ALAPJAI, A POR- ÉS RÉSZESKESZŰRŐK MINŐSÍTÉSÉNEK RENDSZERE Absztrakt Jelen írásunk egy háromrészes ckksorozat első munkája, amely átteknt a levegőben lebegő részecskék szűrővel való vsszatartásának alapjat, bemutatja a por- és részecskeszűrők osztályozásának, mnősítésének rendszerét és részletesen taglalja azokat az eljárásokat és teszteket, amelyek szabványba rendezve lehetőséget adnak a por- és részecskeszűrők hatékonyságának meghatározására. The actual paper s the frst part of seres of three papers overvewng bascs of the flter arrestance of the floatng partcles and descrbng system classfyng partculate ar flters. Also the paper provdes detaled nformaton about standard procedures and tests related to determne effcency of partculate ar flters. Kulcsszavak: aeroszol, HEPA, por- és részecskeszűrő ~ aerosol, HEPA, partculate ar flter 62
BEVEZETÉS Életünk jelentős részét épületek belső tereben töltjük, csak ksebb részét töltjük frss levegőn, annak s jelentős részét lakott településen, szerencsésebb esetben vdék ksvárosban, kevésbé szerencsés esetben nagyváros környezetben. Otthonunkban, munkahelyünkön tartózkodunk a legtöbbet. Az par vagy szolgáltató célú berendezések, gépek még normál üzem körülmények mellett s bocsátanak k különböző légszennyező anyagokat, ematt a belső terekben a levegő szennyezettsége magasabb koncentrácójú lehet. A levegőben lévő anyagok közül a szálló por jelent vzsgálódásunk tárgyát, am a lebegő szlárd és folyékony részecskék elegye. A szálló porrészecskék toxkus anyagokat, baktérumokat, vírusokat stb. kötnek meg. A munkahelyek és egyéb nagy forgalmú objektumok (gyárak, középületek, bevásárlóközpontok, hotelek, kórházak, aluljárók, földalatt és metróvonalak, stb ) tszta levegővel való ellátása érdekében nagy teljesítményű szűrő-szellőztető rendszereket működtetnek. Hasonló módon, de természetesen ksebb léptékben, tömegközlekedés eszközökön, sőt, személygépkocskban s komoly szűrőberendezésekkel bztosítják az utasok, valamnt a hajtóművek számára a tszta levegőt. A levegőszűrés fontosságát szem előtt tartva, elhatároztuk, hogy egy három részes ckksorozatban bemutatjuk a levegőszűrés és a szűrés hatékonysága mérésének különböző technkát. élunk alapvetően gyakorlat jellegű. Szeretnénk a szakembereknek segítséget nyújtan egyrészt a tanntézet oktatásban, másrészt a különböző szűrők, szűrőrendszerek mérése során azzal, hogy rövden összefoglaljuk a különböző szűrés technkák elméletét, majd részletesen foglalkozunk a mérésekre vonatkozó aktuáls szabványokkal, lletve ktérünk a mérések gyakorlat kvtelezésének kérdésere. Az anyag nagyobb részben rodalm összefoglaláson alapul, azonban, főleg a ckksorozat másodk, lletve harmadk részében, megosszuk azokat a gyakorlat tapasztalatokat s, amelyeket sokéves, par környezetben végzett mérés munkánk során szereztünk, lletve amelyekre szakma fórumokon tettünk szert. A levegő por-, lletve aeroszol szűrésének tovább jelentősége van olyan specáls alkalmazásoknál, mnt a tűzoltó és katona szervezeteknél az egyén, lletve a kollektív védőeszközök (járművek, óvóhelyek, stb.) légzésvédő eszköze, amelyek rendeltetése a környezetben, légnemű formában jelen lévő radoaktív, bológa és vegy szennyező anyagok ellen védelem. Az lyen kombnált szűrőeszközök, berendezések szerves részét képez egy nagy hatásfokú por- és aeroszol szűrő. kksorozatunk első részében az lyen, a pornak, lletve az aeroszol részecskék levegőből való kszűrésére szolgáló szűrők hatásfokának mérésével foglalkozunk és áttekntjük az erre vonatkozó, a nemzetköz ajánlásokkal harmonzáló európa szabályozást. Meg fogjuk érten azt az elv különbséget, am a por- és részecskeszűrők, lletve a nagy hatásfokú, un. HEPA szűrők mnősítésének fzka tartalma között van. A másodk részben részletesen foglalkozunk mndenfajta aeroszol-koncentrácó mérésének központ eljárásával, a részecskeszámlálással, az összrészecske koncentrácó, lletve a részecskék méret szernt spektrumának mérésével, az áramlás sebesség és térfogatáram-mérés módszerevel, a mérőrendszer felépítésével, valamnt az adatok kértékelésének módszerével. Ugyantt megvzsgáljuk, hogy mként tudunk végrehajtan par környezetben n-stu hatásfokvzsgálat célzatú mérést, amkor nem áll rendelkezésünkre, az első részben tárgyalt szabványok követelményrendszerét teljes mértékben kelégítő deáls laboratórum vzsgálóberendezés, vszont a mérés során mégscsak fgyelembe kell venn az aktuáls szabvány ajánlásat és követelményet. kksorozatunk befejező részében áttekntjük a levegőszűrés másk nagy területét, az aktív szenes szűrést, lletve annak két, széleskörűen alkalmazott fajtáját, az adszorpcós és a retencós szűrést. 63
1. AZ AEROSZOL SZŰRÉS MEHANIZMUSAIRÓL ÁLTALÁBAN [1, 3, 7] A gázokban jelenlévő lebegő szlárd anyagok (aeroszolok) elválasztására különböző légszűrők használatosak. A légszűrőkön történő szlárd szemcse leválasztás alapvetően négy mechanzmus szernt mehet végbe: 1. Külepedés 2. Tehetetlenség erő hatására történő ütközés 3. A szűrőelem-keresztezés hatására történő vsszatartás 4. Dffúzós hatás 1.1 Külepedés A külepedés csak a nagy részecskék (2 m átmérő és nagyobb) esetén jelentős, elsősorban alacsony áramlás sebességek esetén. A részecske a ráható gravtácós erő hatására klép az áramlás rányából, azt keresztezve ütközk a szűrő részecskéjével. Ezt a mechanzmust az alábbakban megmagyarázzuk. A részecske egy külső erő (gravtácó, elektromos erő, centrfugáls erő stb.) és a közegellenállás erő egyensúlya esetén a külső erő nagyságával arányos sebességgel halad (ülepedk). Lamnárs áramlás esetén (Re < 2320) kapjuk az alább összefüggést [7]: 3Vd F (1.1) 2 1 A d 1 A 2 e A3d (1.2) A unnngham-faktorral fgyelembe vettük a részecske gömbalaktól eltérő geometráját, majd a sebesség, az erő és a részecske tömegének arányából kfejezzük a relaxácós dőt, am alatt egy részecske sebessége felvesz egy adott külső erőnek megfelelő sebességet: Ahol V F d dc λ 3 d V V m 6 F 3Vd 2 d 18 Részecske ülepedés sebessége Külső erő Részecske jellemző mérete Akadály jellemző mérete Közeg vszkoztása unnngham-faktor A részecske közegben megtett szabad úthossza A1 Tapasztalat konstans, értéke: 1,257 A2 Tapasztalat konstans, értéke: 0,4 A3 Tapasztalat konstans, értéke: 0,55 m sm T k D Részecske tömege Részecske sűrűsége Megállás távolság Relaxácós dő Relaxácós dő A közeg vszkoztása Abszolút hőmérséklet Boltzmann-állandó Dffúzós tényező (1.3) 64
Megjegyzés: a továbbakban, a fent felsorolásban található jelzéseket alkalmazunk. 1. ábra. Külepedéses szűrés mechanzmus [1] A relaxácós dő és az ülepedés sebesség szorzata egy un. megállás távolságot ad, amnek a fzka jelentése az, hogy az adott részecske mennyre tudja követn az áramlás tér áramvonalat egy akadály körül. Ennek a távolságnak és a fzka akadálynak az aránya a Stokes-szám, amely az ülepedés mértékét jellemz: s St d m c V d c (1.4) Az ülepedés mechanzmus sajátossága, hogy a kölcsönhatás akkor lesz jelentős, ha a megállás távolság és a fzka akadály mérete egymással összemérhető, pontosabban az St 0,5 esetén. Ez, fgyelembe véve az 1.1 1.3 összefüggéseket, csak mntegy 2-3 m részecskeméret felett jöhet szóba. 1.2 Tehetetlenség erő hatására történő ütközés Ha megfelelő mpulzussal rendelkező részecske áramlás ránya a szűrő részecske hatására hrtelen változk, akkor az kléphet az áramlás rányából és a szűrő részecskével ütközve, megfogódk. A tehetetlenség erő hatására a szűrő részecskéjére történő ütközés mechanzmusát a 2. ábra szemléltet. 2. ábra.. Ütközéses szűrés mechanzmus [1] 65
1.3 A szűrőelem-keresztezés hatására történő vsszatartás A keresztezés hatására történő vsszatartás az egyetlen olyan mechanzmus, amkor az áramló részecske eredet áramlás proflját nem hagyja el, csak a szűrő részecskéhez olyan közel kerül, hogy annak vonzó hatására megfogódk. A mechanzmust az tt látható 3. ábra szemléltet. 3. ábra. Keresztezéses szűrés mechanzmus [1] A szűrőn történő vsszatartás a szűrő poroztásának (c), valamnt a részecskeméret (d) és a szűrő pórusméret (R), az d/r arányának függvénye. A vsszatartás hatékonyság függvény, ER a következőképpen fejezhető k: (1.5) ER értéke d/r növekményével nő. 1.4 Dffúzós hatás ER f (c,d / R) 4. ábra. Dffúzós szűrés mechanzmus [1] A ksmértékű részecskék Brown mozgása dffúzót hoz létre a koncentrácó gradens rányában. A dffúzós tényezőt az Ensten egyenlet defnálja: D k T 6 d (1.6) D értéke erőteljesen nő /d növekedésével, vagys a részecskeméret csökkenésével a dffúzós hatásra bekövetkező részecske-elválasztás hatékonysága növekszk. A mechanzmus a 4. ábrán látható. 2. ÁTERESZTÉS, PENETRÁIÓ, SZŰRÉSI HATÁSFOK, MPPS TARTOMÁNY Amkor egy adott szűrő hatékonyságát meg akarjuk adn, valójában arra vagyunk kíváncsak, hogy a szűrőelem kmenet oldalán mért részecskekoncentrácó mlyen mértékben csökken a bemenet oldalon mérthez képest, vagys, adott átmenő térfogatáram mellett, mlyen lesz a kmenet és a bemenet oldalon mért részecskék számának aránya. Ezt az arányt, százalékban 66
kfejezve, áteresztésnek, degen szóval penetrácónak nevezzük. A gyakorlatban használják még a permeabltás megnevezést s, am szntén korrekt, valójában az a lényeg, hogy mndenk az alább összefüggések szernt paramétereket értse ez alatt: Ahol be k Nbe Nk P V E k,be P k be 100 E 100 P(%) N k V kt (%) N be V t be (2.1) (2.2) - a szűrőegység előtt mért aeroszol koncentrácó - a szűrőegység után mért aeroszol koncentrácó - a szűrőegység előtt mért részecskeszám - a szűrőegység után mért részecskeszám - az szűrőelemen keresztül menő részecske áteresztés (penetrácó) - a szűrőelemen átmenő levegő térfogatárama, egymást követő mérések során - mérés dő - a szűrőelem hatásfoka A fent összefüggésekből látjuk, hogy a szűrő hatékonyságát az áteresztésből képezzük és valójában ez az a lényeges paraméter, amvel az adott szűrőt jellemezzük. Ha a szűrő két oldalán a mérést lézeres optka részecskeszámlálóval mérjük, lehetőségünk nyílk a részecskék méret szernt megkülönböztetésére s. Ekkor részecskeméret spektrumot kapunk, és a szűrő hatásfokát meg tudjuk határozn különböző mérettartományokra s. Meg sem lepődünk azon, hogy természetesen különböző mérettartományokban más és más, hatásfokot kapunk. Innen nagyon helyesen azt a következtetést vonjuk le, hogy a fentekben tárgyalt szűrés mechanzmusok leválasztás hatékonysága (melyek összesítve szolgáltatják a szűrés hatásfokot) a részecskék méretével jelentősen változk. Így az aeroszolokban bekövetkező részecske-elválasztás mechanzmusat áttekntve összefoglalóan kmondható, hogy az első három mechanzmussal végbemenő leválasztás hatékonyságának a részecskeméret növekedése kedvez, a dffúzós mechanzmus vszont a ksebb részecskeméreteknél hatékonyabb. Az elmondottakat szemléltetk az alább ábrák [7]: relatív részecskeszűrés-hatékonyság (%) 100 99,99 hatékonyság (%) 99,98 99,97 99,96 dffúzó keresztezés, ütközés ülepedés Összesen 99,95 99,94 99,93 0,01 0,1 1 részecskeméret m 10 5. ábra. A HEPA szűrőkben a szűrés hatásfok függése a részecske átmérőtől 67
hatékonyság (%) 100 Közepes és fnom porszűrők relatív részecskeszűréshatékonysága (%) 90 80 70 60 50 40 30 M5 M6 F7 F8 F9 20 10 részecskeméret (m) 0 0,01 0,1 1 10 6. ábra. Közepes és fnom porszűrőkben a szűrés hatásfok függése a részecske átmérőtől Természetesen, egyes szűrők adott részecskeméretre adódó hatékonysága változó lehet, de összességében a fent ábrák jól mutatják, hogy a különböző kölcsönhatások összegzéséből adódó összhatásfok mnmuma a 0,1 0,3 m-es tartományba esk. Éppen ezért ezt a részecskeméret tartományt nevez a szakrodalom az MPPS (the Most Penetratng Partcle Sze) tartománynak, amt a legnagyobb áteresztésű mérettartománynak fordíthatnánk, de a munkánk során megmaradunk a nemzetközleg elfogadott megnevezésnél. A későbbekben látn fogjuk, hogy az MPPS mérettartományban való áteresztés és hatékonyság mérése a HEPA szűrők hatékonyságvzsgálatának s az alapját képez. 3. AZ AEROSZOL SZŰRŐK MINŐSÍTÉSÉNEK RENDSZERE [4, 5, 7] Az aeroszol szűrők mnősítésének szabványosítása vsszanyúlk egészen az 1930-as évekg, ugyans ekkor kezdték az Egyesült Államokban a szűrők tesztjét ASHVE és AFI kódú módszerekkel. A következő jelentős állomás 1968, amkor az amerka ASHRAE (Amercan Socety of Heatng, Refrgeratng and Ar-ondtonng Engneers) kbocsátotta a légszűrők tesztelésének módszertanára vonatkozó szabványát. Jelenleg az ASHRAE által publkált szabványok lefedk az alább területeket: Mérés és teszt módszertan Szabványos fejlesztés Szabványos alkalmazás Az EU szabályozása a szűrőket G, M, F, E, H, és U osztályokba, sorolja, az osztályokat pedg arab számmal jelölt szntekre osztja. Az első három osztályba tartoznak az általánosan használt durva (G1-4), közepes (M5-6) és fnom (F7-9) részecske- és porszűrők, ezek tesztjét az Egyesült Államokban az ASHRAE-ANSI 52.1-1992 és ASHRAE 52.2-2007 szabványok szernt végzk, míg e szűrők tesztelése érdekében Európában az ASHRAE nyomdokan létrehozták az azzal mág harmonzáló EN 779: 2012 (Partculate ar flters for general ventlaton) szabványt. E két szabvány alapvetően a szűrők hatékonyságát a levegő részecskének tömegvsszatartó képességével vzsgálja. A légszűrők másk sajátos csoportjának, a nagy hatékonyságú részecskeszűrők (EPA E10-12, HEPA H13-14 és ULPA U15-17) mnősítésének nemzetköz EU szabványa az EN 1822: 2010. Az adott szabvány eltérése az előző kettőtől, hogy tt a mérések alapvetően részecskeszámláláson alapulnak. A hatásfokot a legnagyobb áthatolóképességű részecskeméret MPPS ntervallumába eső penetrácóból számítja. A szabvány a tömegvsszatartó képességet egyáltalán nem említ, ennek az oka a HEPA szűrők funkconáls sajátossága. Az általános por és részecskeszűrők esetében a feladat a szűrőn átáramló levegőből kszűrn az aeroszolok 68
meghatározott tömegarányát adott ellenállás ntervallum és teljesítményszükséglet mellett. Ezzel ellentétben a nagy hatékonyságú részecskeszűrők feladata a levegő megtsztítása a lehetséges vírus, bakteráls, radoaktív és egyéb káros aeroszoloktól, am sokkal tsztább tereket eredményez, mnt am az általános por és részecskeszűrők által bztosítható és a költséghatékonyságra rányuló törekvés tt természetesen sokadrangú szempont. A szabványosított teszt eljárások célja az alábbakban foglalható össze: Összehasonlítan a termékek jellemző tulajdonságat Meghatározott körülményeket teremtő mérőrendszer megteremtése A gyakorlatban megvalósuló körülményeket szmuláln és vzsgáln a szűrők vselkedését. Az utolsó pontban meghatározott cél sajnos nem tud maradéktalanul teljesüln, mvel a szabványok eljárásrendje nem vehet fgyelembe a szűrők felhasználásának környezet paraméteret. Ezek jelentősen eltérhetnek a tesztek szabványos környezetének paraméteretől, pl. a porszűrők esetében az alkalmazott ASHRAE tesztpor eltér az adott par, vagy egyéb környezetben keletkező por tulajdonságatól, valamnt a hatásfok tesztnél alkalmazott aeroszol s más, mnt am az adott környezetben keletkezk, a levegő relatív páratartalma s széles tartományban változhat, stb Mndez azt befolyásolja a szűrők reáls környezetben való vselkedését, am a jellemző paraméterek változását okozza óhatatlanul. Ettől függetlenül, egy adott feladatra kválasztott szűrőnél az elsődleges nformácó természetesen a szabványos tesztek eredménye kell, hogy legyen. Az alábbakban fgyelmünket a két említett EU szabványra korlátozzuk, az amerka ASHRAE szabványcsalád esetében megelégszünk azzal, hogy alapvetően az EN 779 módszertana megfelel annak, hszen, mnt feljebb említettük, az amerka szabvány az európa elődjének teknthető. 4. A DURVA, KÖZEPES ÉS FINOM POR- ÉS RÉSZESKESZŰRŐK MÉRÉSÉNEK ÉS MINŐSÍTÉSÉNEK RENDSZERE (EN 779:2012) [6] A szabvány az adott szűrőtípus csoport vzsgálatára komplex tesztet ír elő, amnek az eleme a vzsgálandó szűrő típusától (G, M, F) függnek. Ennek értelmében a különböző szűrőtípusok mérése többé-kevésbé eltérő célokat követnek, amelyeket rövden így tudunk összefoglaln: 1. Durva szűrők (G) esetén: átlagos vsszatartás meghatározása szabványos összetételű porra 2. Közepes szűrők (M) esetén: optka (lézeres) részecskeszámlálóval történő átlagos hatásfok mérése 3. Fnom szűrők (F) esetén: optka (lézeres) részecskeszámlálóval történő mnmáls és átlagos hatásfok mérése A komplex vzsgálat során az alább teszteket kell végrehajtan: 1. Ellenállás teszt (resstance test) tszta szűrőn a névleges 2. Térfogatáram 25, 50, 75, 100 és 125 %-os értékénél 3. Öt lépésből álló pormegkötő képesség teszt (arrestance test), amelynek első fázsában (beadagolás fázs) szabványos teszt por (ASHRAE test dust) kerül beadagolásra egy porgenerátorból a tesztszűrőre. A beadagolást mndaddg folytatják, amíg a szűrőre kapcsolt dfferencáls nyomásmérő el nem ér a maxmáls ellenállás (G-szűrők esetében 250 Pa, M és F szűrők esetén 450 Pa) 20, 40, 60, 80 és 100 %-át, majd az adott lépés során mért por vsszatartás értékeket meghatározzák (gravmetrkus módszer). A teszt végén kszámolják az átlagos vsszatartás értékét és a szűrő pormegkötő képességét. 69
4. Szűrés hatásfok teszt (effcency test) mnden egyes részecskeméret ntervallumra, először tszta szűrőn, majd mnden egyes beadagolás fázs végén mért hatásfok érték meghatározása, majd az átlagos hatásfok értékének kszámítása. 4.1 A pormegkötő képesség teszt végrehajtásának módszere A teszt során alkalmazott szabványos por (ASHRAE teszt por) összetétele [2]: SAE szabvány J726 teszt por (fne Arzona road dust) 72 % Szénpor 23 % Őrölt pamut szál 5 % A pormegkötő képesség teszt egy úgynevezett betáplálás fázssal kezdődk, melynek során a porgenerátor által létrehozott szennyező anyag egyenletes eloszlásban (lásd 6. ábra) áramlk a tesztelendő szűrőre addg, amíg a szűrő el nem ér a szűrőtípusra vonatkozó maxmáls ellenállás ktüntetett értékét (ezt az adatot a tesztelendő szűrőre kapcsolt dfferencáls nyomásmérő szolgáltatja). Ekkor a porgenerátorból fogyott anyag tömegéből és a tesztszűrő tömegnövekedéséből meghatározható az adott ellenállás ntervallumra vonatkozó vsszatartás: ahol A Δm M A m M 100% 70 (4.1), - a vsszatartás pllanatny értéke - a tesztszűrőn, az adott betáplálás fázs során mért tömegnövekedés - por fogyása az adott betáplálás fázs során Mután mnd az öt lépés végrehajtásra került, megkapjuk az átlagos vsszatartás értékét, majd a szűrő pormegkötő képességét: ahol Aa d 5 M A 1 1 Aa 100% 5 5 M d 1 Aa 100 5 1 M 5 1 m 100% M - az átlagos vsszatartás értéke - a tesztszűrő pormegkötő képessége (4.2) (4.3) A pormegkötő képesség teszt során a tesztszűrő után egy segédszűrőt llesztenek a rendszerbe. Ennek a feladata a tesztszűrő által átengedett por mn. 98%-ának vsszatartása. Ezen kívül, a segédszűrőn és a tesztszűrőn vsszatartott por mennységének, lletve a porgenerátorból fogyott por mennységének összehasonlításából következtetn lehet az esetleges szvárgásokra, tömítetlenségekre. A teszt végrehajtása után javasolt végrehajtan egy ellenállás tesztet a telített szűrőn, am a későbbekben segítséget nyújt a szűrőrendszer tervezőjének a teljesítményszükséglet számításánál. 4.2 A hatásfok teszt végrehajtásának módszere A tesztszűrő hatásfok tesztjét, a vsszatartás teszthez hasonlóan, több lépcsőben végzk. Az első mérést az ellenállás teszttel egy dőben, még tszta szűrőn hajtják végre, majd a több lépcsőt az egyes por betáplálás fázsokat követően, a HEPA szűrők mnősítéséhez s használt DEHS (detl-hexl-szebacát) aeroszollal végzk. A hatásfok tesztet az egyes lépcsőkben a teszt aeroszol kmenet és bemenet koncentrácóhányadosából számítják, a 0,4 m mérettartományra vszonyítva: K P 100% (4.4) Be E 100 (4.5) P
A szűrő mnősítésénél használt átlagos hatásfokot az egyes lépcsők hatásfok értékeből kapjuk egyszerű átlagolással: E a 6 1 6 E (4.6) ahol Be K P E Ea - a szűrőegység előtt mért aeroszol koncentrácó - a szűrőegység után mért aeroszol koncentrácó - az adott lépcsőre számított penetrácó - az adott lépcsőre számított hatásfok - az átlagos hatásfok A teszthez használt aeroszol részecske-méret eloszlásának bztosítan kell a kb. 0,4 m átlagméretet, am a 7. ábrán látható eloszlásnál teljesül. 7,0E+06 6,0E+06 5,0E+06 4,0E+06 3,0E+06 2,0E+06 1,0E+06 Koncentrácó, részecske/cm 3 Részecskeméret-eloszlás 0,0E+00 0,0 0,4 0,8 Részecskeméret, m 7. ábra. Ideálsnak teknthető részecskeméret-eloszlás a hatásfok teszthez használt aeroszolban 4.3 Mnmáls szűrés hatásfok teszt Sajnos az aeroszol és pormegkötő szűrők pacán sok olyan versenytárs s jelen van, ahol a termékek szűrőképessége majdnem teljes egészében az elektrosztatkus pormegkötő hatáson alapul. Az lyen szűrők esetében a szűrő vselkedését nagymértékben befolyásolja a levegő nedvességtartalma, lletve fnom olaj-aeroszolok jelenléte, vagys mnden, am esetlegesen a töltések semlegesítését elődézhet. Az aktuáls szabvány, az EN 779:2012 éppen ezért bevezette a mnmáls szűrés hatásfok fogalmát az lyen szűrők mnősítésére, amely a következő módon történk. A szűrőanyagot előbb zopropanolba mártják, hogy a töltések semlegesítődjenek, majd elvégzk rajta a fent, 3.1 és 3.2 pontokban meghatározott vsszatartás és hatásfok tesztet. 71
4.4 Mérőrendszer 8. ábra. Az EN 779 szabvány szernt teszt végrehajtására szolgáló laboratórum tesztberendezés sémája A mérőrendszer lehet szívó, vagy nyomóágú. A nyomóágú berendezés rések esetén a laboratórum levegőjébe nyomhatja a teszt port és a teszt aeroszolt, míg szívórendszer esetén a laboratórum levegőjéből kerülhetnek be részecskék és befolyásolhatják esetlegesen a hatásfok tesztet. A berendezés mndkét végén HEPA szűrő bztosítja a környezet részecskének, lletve a berendezésben keletkezett por és ködrészecskék vsszatartását. A tesztelendő szűrő szabványos keresztmetszete (lásd EN 15805) 592x592 mm, ezt egy 610x610 mm-es foglalatba helyezk. A berendezés légforgalmának 0,24 és 1,5 m 3 /s közé kell esne, a szabványos szűrőelem vzsgálatához 3400 m 3 /h, vagys 1 m 3 /s térfogatáramot írnak elő, de ez az adott térfogatáramntervallumban más értéket s felvehet, azonban törekedn kell arra, hogy a vzsgálat alatt a térfogatáram állandó legyen. A berendezés sémája tartalmazza mndazon elemeket, amelyek a komplex teszt során szükségesek. Természetesen a különböző fázsokban egyes elemek nem működnek, lletve el vannak távolítva. A por betáplálása során az aeroszol generátor és a hozzá tartozó mntavevők nncsenek a berendezéshez llesztve. A por betáplálását a hatásfok teszt követ, előtte a rendszerből kveszk a porgenerátort, valamnt a segédszűrőt és csatlakoztatják az aeroszol generátort és az aeroszol mntavevőket. Ha a komplex tesztet durva porszűrőn (G1-4) végzk, az aeroszol generátor és az aeroszol mntavevők hányoznak a berendezésből, mvel a durva szűrő tesztje csak a vsszatartás és pormegkötő kapactás mérésére rányul. 4.5 A teszt végrehajtásának menete Az alább sematkus folyamatábrán a komplex teszt lépése láthatók. A durva szűrők tesztje során a folyamatból hányzk a szűrés hatásfok mérése, tt csak az átlagos vsszatartást, lletve a szűrő pormegkötő képességét mérjük. 9. ábra. Az EN 779 szabvány szernt teszt végrehajtásának főbb lépése 72
A közepes és fnom szűrők esetében a teljes tesztet végre kell hajtan, ezen kívül a fnom szűrőkre, ha azok részecske- és pormegkötő képessége a szűrőanyag elektrosztatkus megkötő hatásán alapszk, el kell végezn még a mnmáls szűrés hatásfok tesztet s. Az utóbb sémája megfelel a fent ábrán láthatóval, csak mntegy a nulladk lépésben kegészül a szűrőanyag zopropanolba történő belemerítésével. 4.6 Kértékelés A komplex teszt végrehajtása után, a szűrő besorolásának megfelelően össze kell vetn a mérés adatokból számított jellemző paramétert a jellemző krtérummal, ezzel eldöntöttük, hogy az adott szűrő megfelel-e a gyártó által megadott besorolásnak. Ezen krtérumok az alább táblázatban láthatók: Durva szűrők EU besorolás Közepes vsszatartás (%) Közepes szűrés hatásfok (%) G1 Aa < 65 G2 65 < Aa < 80 G3 80 < Aa < 90 G4 Aa Mnmáls szűrés hatásfok (IPA-al kezelve) (%) Közepes szűrők M5 40 < Ea < 60 M6 a < 80 Fnom szűrők F7 a < 80 Emn F8 a < 90 Emn F9 Ea Emn 1. táblázat. A por- és részecskeszűrők mnősítésének krtéruma [6] A több mérés adat, lletve számított paraméter szntén részét képez a mérés jegyzőkönyvnek, vagy tanúsítványnak, mvel a krtérum csak a szűrő megfelelőségét bzonyítja, azonban csak a több paraméter smeretében lehet egy szűrőt a több analóggal összehasonlítan, pl. eldönten a beszerzendő szűrő típusát a mnőség/ár vszony smeretében. Az adott szűrő jellemzésére az alább paraméterek szükségesek: 1. Durva szűrő esetében: a) Légellenállás teszt (resstance test) eredménye a tszta szűrőn a névleges térfogatáram 25, 50, 75, 100 és 125 %-os értékénél (p) b) Közepes vsszatartás (Aa) krtkus paraméter c) Pormegkötő képesség (d) 2. Közepes szűrő esetében: a) Légellenállás teszt (resstance test) eredménye a tszta szűrőn a névleges légforgalom 25, 50, 75, 100 és 125 %-os értékénél (p) b) Közepes vsszatartás (Aa) c) Pormegkötő képesség (d) d) Közepes szűrés hatásfok (Ea) krtkus paraméter 3. Fnom szűrő esetében: a) Légellenállás teszt (resstance test) eredménye a tszta szűrőn a névleges légforgalom 25, 50, 75, 100 és 125 %-os értékénél (p) b) Közepes vsszatartás (Aa) c) Pormegkötő képesség (d) d) Közepes szűrés hatásfok (Ea) krtkus paraméter e) Mnmáls szűrés hatásfok (Emn) krtkus paraméter 73
5. A NAGY HATÉKONYSÁGÚ RÉSZESKESZŰRŐK (HEPA SZŰRŐK) MÉRÉSÉNEK ÉS MINŐSÍTÉSÉNEK RENDSZERE (MSZ EN 1822:2009) [4] Mnt a fentekben (3. pont) már említettük, az E, H, és U osztályú szűrők mnősítésének rendszerét az EN 1822 szabvány alapján végzk, amely az alább részekre tagozódk: 1. rész: Osztályozás, műszak paraméterek vzsgálata, megjelölés 2. rész: Aeroszol-előállítás, mérőberendezés, részecskék statsztka számlálása 3. rész: Sík szűrőlapok vzsgálata 4. rész: A szűrőelemek átjárhatóságának meghatározása (pásztázó eljárás) 5. rész: A szűrőelemek hatékonyságának meghatározása Ez a szabvány az MPPS mérettartományba tartozó részecskék szűrésének hatásfokán alapul, amt részecskeszámlálással határozunk meg. A méréshez folyékony aeroszolt használnak, az előzőekben említett DEHS-t, de lehetséges DOP (d-oktl-ftalát, d-2-etl-hexl-ftalát), vagy ks vszkoztású paraffn olaj alkalmazása. A teszt aeroszol méret szernt eloszlása lehet mono-, vagy poldszperz. Monodszperz aeroszol (pl. meleg DOP aeroszol generálás) esetén egyszerű részecskeszámláló (pl. kondenzácós részecskeszámláló) alkalmazása s megfelelő. Poldszperz aeroszol alkalmazása esetén szükség van az aeroszol méreteloszlás spektrum felvételére, am lézeres optka részecskeszámláló alkalmazását követel meg, azonban így gyakorlatlag a mért spektrumból meg lehet határozn az MPPS tartományt és a hozzá tartozó hatásfokot. A vzsgálat elvégzéséhez használt berendezés sémája az alább, 10. sz. ábrán látható, nyomóágú elrendezésben. Természetesen a berendezést fel lehet építen szívóágú elrendezésben s, azonban ebben az esetben a levegő relatív páratartalmát és hőmérsékletét a kmenet mntavevő után kell mérn. A levegő hőmérsékletét a teszt során 23 ± 5 tartományban, míg relatív páratartalmát 75 % alatt kell tartan. 10. ábra. Az EN 1822 szabvány szernt teszt végrehajtására szolgáló laboratórum tesztberendezés sémája A berendezés térfogatárama az előző szabványnál a 3.4. alpontban tárgyalt tartományba kell, hogy essen. Ezt a séma kmenet részén ábrázolt, Ventur csöves, mérőperemes, vagy más elven (ultrahang, turbna) működő eszközzel végezzük. A mérőperemes, vagy Ventur-csöves mérés esetében a szabvány légforgalom általában néhányszor 105 Re számú turbulens áramlást jelent, ahol a mérés relatív hbája jóval ±1 % alatt tartható. 74
Az aktuáls szabvány szernt vzsgálatot 5 db szűrőn kell elvégezn, melynek során az alább méréseket, lletve teszteket kell végrehajtan: 1. A szűrő ellenállásának mérése terhelés előtt állapotban (erre nem térünk k, hszen ez közvetlen méréssel, a sémán látható dfferencáls nyomásmérő segítségével meghatározható), az ellenállás értékének a mntákon mért ellenállásoknak átlagértékét fogadjuk el. 2. Az MPPS méret megállapítása 3. Lokáls áteresztés vzsgálat (pásztázó eljárás), ezt a tesztet csak a H és U típusú szűrők esetében kell elvégezn, az E szűrők esetében nem! 4. Szűrés hatásfok meghatározása 5.1 Az MPPS méret megállapítása Az MPPS méret meghatározásához a spektrum felvételét az 1 m alatt mérettartományra 6 csatornás felbontással kell elvégezn úgy, hogy mnden egyes mntán felvesszük a részecskeméret-spektrumot, majd azokból csatornánként kszámoljuk az áteresztést (penetrácót P), azokat a mnták között átlagoljuk, végül a képzett átlagokból kválasszuk a maxmum értéket. Az ehhez tartozó mérettartomány lesz az MPPS tartomány. Ahol: P,k,be N V t k k V,k,be h be k N t be *100(%) P chmpps max (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) N - az adott csatornában (mérettartományban) regsztrált részecskeszám V, - a k- és bemenet levegő térfogatárama k V be tk, tbe - mérés deje a k- és bemeneten kh - hígító használata esetén a hígítás szám (10, 50, 100), hígító nélkül 1,k,,be - az adott csatornára számított k- és bemenet koncentrácó P - az adott csatornára számított áteresztés (penetrácó) 11. ábra. Az MPPS tartomány meghatározása grafkus módszerrel 75
5.2 Lokáls áteresztés vzsgálat (pásztázó eljárás) Mután meghatároztuk az MPPS tartományt, elvégezzük a lokáls áteresztés vzsgálatot, amelynek célja, hogy a szűrő felületének közvetlen közelében megmérjük az adott pozícókhoz tartozó hely, vagy lokáls áteresztés értéket. Ennek érdekében a szűrő kmenet felületét felosszuk egyenlő területű elem felületekre, majd azokhoz hozzárendelünk adott koordnátájú mérés pontot. A felosztás elvét különböző keresztmetszetekre az alább ábrán láthatjuk: 12. ábra. Különböző keresztmetszetű felületek felosztásának elve a lokáls áteresztés meghatározása érdekében Az ábrából megérthetjük, hogy kör keresztmetszet esetén az egyes mérés pontok azonos területű körckkeket, lletve körszeleteket fednek le. Vegyük észre, hogy az egyes keresztmetszetek felosztása és a mérés pontok kjelölése teljes mértékben megegyezk az zoknetkus mérés során alkalmazott mérés pontok kjelölésének metódusával. A mérés során, az aeroszol mntavevő fejet pozícóról pozícóra kell mozgatn, és mnden egyes mérés pontban meg kell határozn az MPPS mérettartományra az áteresztés értékét (4.1) (4.3) összefüggések segítségével. Az aeroszol mntavevő fejének távolsága a szűrőelem felületétől nem lehet nagyobb, mnt a mérés pontok között legksebb távolság. Ezt a tesztet el kell végezn mnd az öt mntára, majd a végén k kell választan az összes adat közül a maxmum értéket, és ez lesz az adott szűrőtípusra jellemző lokáls áteresztés (Ploc), majd ebből számítjuk a lokáls hatásfokot (Eloc = 100 - Ploc). Természetesen, a teszt során nagyon fontos a berendezés staconárus állapotban működjön, tehát, a légforgalom, az aeroszol generálás ntenztása és a levegő termodnamka jellemző állandó értéket kell, hogy felvegyenek. 5.3 Szűrés hatásfok meghatározása A vzsgálatoknak ez a része valójában nem más, mnt a 4.1 pontban elvégzett mérések adatanak feldolgozása és értékelése. A 4.1 pontban meghatároztuk az MPPS mérettartományt és rendelkezünk erre a tartományra jellemző, mntánként egy, azaz öt áteresztés értékkel. Ez lesz a knduló adatsorunk. A továbbakban kszámoljuk az átlagos áteresztés értékét, majd ehhez hozzáadjuk a sorozatból képzett kétszeres standard devácó értékét, így meg s határozzuk a maxmáls áteresztést 95 %-os konfdenca sznttel. 76
Természetesen, az ehhez tartozó mnmáls hatásfokot s megadjuk az alábbak szernt: Ahol P P sd P max E mn n 1 n P n 1 (P P ) n 1 2 (5.5) (5.6) P 2sd (5.7) 100 P max - átlagos áteresztés (%) (5.8) P - az egyes mnták MPPS csatornára számított áteresztése (penetrácója) n - mntaszám (5) sd - standard devácó Pmax - az MPPS csatornára számított maxmáls áteresztés Emn - az MPPS csatornára számított mnmáls szűrés hatásfok 5.4 A mnősítés krtéruma Mután elvégeztük a nagyszámú mérést és feldolgoztuk az adatokat, a meghatározott krtkus paramétereket (Emn, Pmax, Eloc, Ploc) összehasonlítjuk a szabvány által, az adott típusú szűrőre vonatkoztatott értékekkel, amely szernt, értelemszerűen a kapott hatásfokok a táblázat értékeknél nagyobbak, míg az áteresztés értéke a táblázat értékeknél ksebbek kell, hogy legyenek. EU besorolás szűrés hatásfok - Emn (%) Áteresztés - Pmax (%) lokáls hatásfok - Eloc (%) lokáls áteresztés - Ploc (%) E10 85 15 - - E11 95 5 - - E12 99,5 0,5 - - H13 99,95 0,05 99,75 0,25 H14 99,995 0,005 99,975 0,025 U15 99,9995 0,0005 99,9975 0,0025 U16 99,99995 0,00005 99,99975 0,00025 U17 99,999995 0,000005 99,9999 0,0001 2. sz. táblázat: A nagy hatékonyságú részecskeszűrők mnősítésének krtéruma [4] A TESZTEKKEL KAPSOLATOS EGYÉB KÖVETKEZTETÉSEK, ÖSSZEGZÉS A fentekben tárgyalt tesztek végrehajtása során mnden fázsban mérjük a szűrők ellenállását. Ha ez korrekt módon dokumentálásra és közlésre kerül, egy új szűrőrendszer tervezése során lehetőség nyílk, a tervezett légforgalom és a tsztítandó terek szennyezettség paraméterenek smeretében, a szűrő élettartamára megbecsüln a teljesítményszükségletet és költségkalkulácót s végezn. Az EN 779 szabvány alapján végzett vsszatartás teszt sajnos nem reprezentatív a legtöbb par, vagy kommunáls rendszerre. Ennek az oka, hogy a tesztben használt ASHRAE teszt por sokkal nagyobb arányban tartalmaz durva szemcséket (főleg a szénporból), mnt a normál atmoszferkus por és aeroszol. Ez vszont azt s jelent, hogy, főleg a G és M osztályú szűrők 77
esetében, a vsszatartás teszt alapján meghatározott pormegkötő képesség jobb lesz, mnt a normál üzem körülmények között működő szűrők esetében. A mnősítő vzsgálatok során végrehajtott hatásfok tesztek jó konzervatív nformácót nyújtanak, mvel a szűrők összhatásfoka lényegesen nagyobb általában, mnt az MPPS mérettartományban kapott mnmáls hatásfok értékek. Mndazonáltal, a szűrők üzemdeje alatt a környezet paraméterek lényegesen eltérnek a szabványok által előírt laboratórum körülményektől, am az üzemelő szűrő hatásfokát s befolyásolhatja. Meg kell említenünk a víznek a szűrőkre gyakorolt hatását, főleg, ha a szűrőanyag nem vízlepergető, valamnt a levegő által tartalmazott oldódó szennyezőanyagok, mnt pl. só, a kpufogógázok SOx és NOx tartalma befolyásolhatja a szűrés hatásfokot. Egyes esetekben a gyártó kegészítő teszteket s végez a specáls környezetben üzemelő szűrők részére. Végezetül, még egy nagyon fontos (talán a legfontosabb!) dolgot kell megemlítenünk. A szűrőkön végrehajtott tesztek specáls, laboratórum körülmények között folynak, am lehetővé tesz, hogy a mérés eredmények kzárólag a szűrőt jellemezzék. Mután a szűrőt beépítettük egy par, kommunáls, vagy laboratórum bztonság, vagy normál üzemű rendszerbe, onnantól kezdve nem a szűrő paramétere érdekelnek mnket, meg nem s azt mérjük, hanem a rendszer egészét, vagy részet, am tartalmazza a rendszer hbát, tervezett, vagy véletlenszerű tömörtelenséget, alászívást, vagys olyan jelenségeket, am általában csökkent a hatékonyságot. Ez azt eredményez, hogy egy szűrőrendszer szűrés hatásfoka soha nem lesz olyan, mntha a benne levő szűrőt kszerelnénk és lemérnénk egy laboratórum mnősítő berendezésben. Általában véve elfogadhatjuk ökölszabálynak, hogy ha egy szűrőrendszerhez meghatározunk egy krtérumot, akkor a beleépítendő szűrőt egy osztállyal magasabba kell soroln, vagys tegyük fel, ha a szűrőrendszerünknek teljesíten kell a H13-as kategórának megfelelő feltételt (E 99,95 %), akkor H14-es szűrőt vegyünk hozzá. Lehetséges, hogy a rendszerünk egy jó mnőségű H13-as szűrővel s teljesít az elvárásokat, egyszer, kétszer, háromszor, de valamkor úgys alácsúszk a megengedett hatásfok értéknek, am nem azt jelent, hogy a rendszer rossz, csak rosszul méreteztünk. Felhasznált rodalom [1] ABV szűrőegység fejlesztése kollektív szűrőkhöz: Kutatás-fejlesztés jelentés, ALK- 00044/2001, Szerződés száma: OMFB-00601/2002. [2] Melssa Wlcox, Rchard Baldwn, Augusto Garca-Hernandez, Klaus Brun: Gudelne For Gas Turbne Inlet Ar Fltraton Systems, Gas Machnery Research ouncl, Southwest Research Insttute, Aprl 2010, Release 1.0 [3] Á. Vncze, G. Egemann, J. Solymos: Fltraton of radoaerosols n Nuclear Power Plant Paks, Hungary. AARMS, Vol. 5, No. 3. (2006) 335-344 [4] MSZ EN 1822 1-5: Nagy hatékonyságú légszűrők (HEPA és ULPA) [5] ASME AG-1 1997, ANSI/ASME N510 [6] European Ar Flter Test Standard EN 779:2012 [7] P.A. Baron and K. Wlleke: Aerosol measurement, Wley, 2001 78