計徑效率試驗粒徑的分析與對比

張萬

(航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計測科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019)

0 引言

計徑效率是空氣凈化裝置清除特定粒徑(或粒徑范圍)粒子的能力，是空氣過濾器的關(guān)鍵參數(shù)之一。在實際使用過程中，人們只是關(guān)注了粒徑對應(yīng)的效率值，其實計徑效率試驗中粒子計數(shù)器所采用的粒徑有不同的含義。粒徑有光學(xué)等效粒徑、幾何等效粒徑、空氣動力學(xué)粒徑、幾何平均粒徑、對數(shù)平均粒徑等等，本文作者針對這些粒徑的關(guān)聯(lián)和區(qū)別以及應(yīng)用進行了分析和研究。

1 粒徑的對比與分析

1.1 幾種粒徑的定義

粒徑是顆粒物的直徑，然而顆粒物大多是非球形的、不規(guī)則的物質(zhì)，這樣的顆粒物不方便測量和統(tǒng)計，如果將不規(guī)則的顆粒物轉(zhuǎn)換為球形顆粒物，這個問題將迎刃而解，由此可以看出，粒徑只是為了滿足測量不同顆粒物的尺寸大小而假定的參數(shù)。光學(xué)等效粒徑、幾何等效粒徑就是光學(xué)粒子計數(shù)器在校準和使用中不同形式的粒徑。光學(xué)等效粒徑是與被測試粒子具有相同光散射的、校準光學(xué)儀器所用粒子的直徑，如使用單分散的聚苯乙烯球(PSL)校準光學(xué)粒子計數(shù)器時，光學(xué)等效粒徑是粒子計數(shù)器經(jīng)光學(xué)信號、電子信號轉(zhuǎn)換而顯示的PSL的粒徑。幾何等效粒徑是與被測粒子同樣體積的球體的直徑，是粒子計數(shù)器以校準的等效圓粒徑為基礎(chǔ)，將不規(guī)則的顆粒物轉(zhuǎn)換為球體后計算顯示的粒徑。光學(xué)等效粒徑是校準過程中的粒徑，而幾何等效粒徑是指應(yīng)用時粒徑，許多標準文件在應(yīng)用中均假定幾何等效粒徑就是光學(xué)等效粒徑。

除此之外，在應(yīng)用時，又引入了空氣動力學(xué)粒徑和幾何平均粒徑、對數(shù)平均粒徑等不同的粒徑?？諝鈩恿W(xué)粒徑是指被測粒子的直徑與其在靜置空氣中具有最終沉降速度、且密度為1 g/m3的球體的直徑相同。粒子在管路中、空氣過濾器中的運動、沉降等情形，都是基于粒子在空氣動力學(xué)特性?？諝鈩恿W(xué)粒徑也是等效直徑，能夠間接描述非球性氣載粒子的顆粒尺寸和數(shù)量。幾何平均粒徑和對數(shù)平均粒徑表述的是同一種事物，只是名稱不同而已(下文用幾何平均粒徑來表述)，代表的是粒徑檔上下限的幾何平均值。

1.2 幾何等效粒徑和幾何平均粒徑在應(yīng)用中的區(qū)別

1.2.1 概念的區(qū)別

一般通風(fēng)用過濾器多用幾何等效粒徑進行計徑試驗，如ISO16890系列標準、ISO/TS 21220：2009標準等。在使用中，幾何等效粒徑和粒子計數(shù)器的設(shè)定顯示的粒徑值一致，幾何平均粒徑和幾何等效粒徑相互關(guān)聯(lián)，幾何平均粒徑為

(1)

式中：di為粒徑檔i的粒徑下限，μm；di+1為粒徑檔i的粒徑上限，μm。

從公式(1)中可以看出，幾何平均粒徑就是兩個不同的幾何等效粒徑的幾何平均值。在實際使用過程中，幾何平均粒徑的試驗數(shù)據(jù)是差分值，一般是大于某粒徑檔上限和下限粒徑值所測量的累積計數(shù)顆粒濃度的差值，而幾何等效粒徑的測量數(shù)據(jù)是累積計數(shù)數(shù)值。表1和圖1體現(xiàn)了兩種粒徑及其試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系與區(qū)別，圖1中柱狀圖是幾何平均粒徑的試驗數(shù)據(jù)，曲線圖是幾何等效粒徑的累積計數(shù)取樣數(shù)據(jù)。

表1 某空氣過濾器試驗的部分上游試驗數(shù)據(jù)

圖1 某空氣過濾器試驗上游單次測量數(shù)據(jù)

1.2.2 大小相同的兩種粒徑測量的數(shù)據(jù)分析

根據(jù)過濾器試驗標準的要求，幾何平均粒徑檔邊界近似對數(shù)等距，按照公式(2)計算幾何平均粒徑，并選擇數(shù)值與之相同或相近的幾何等效粒徑。下面利用某空氣過濾器A的試驗數(shù)據(jù)以不同粒徑形式的測量結(jié)果進行對比分析。該試驗利用單臺粒子計數(shù)器取樣測試，為了方便分析，上下游計數(shù)一致性處于理想狀態(tài)下，即相關(guān)比均為1的情況下，數(shù)據(jù)及結(jié)果如表2、表3、圖2所示。

表3 某空氣過濾器A采用幾何等效粒徑測試結(jié)果

圖2 相同試驗數(shù)據(jù)不同粒徑下的穿透率

表2 某空氣過濾器A采用幾何平均粒徑測試結(jié)果

經(jīng)過以上分析，幾何平均粒徑和幾何等效粒徑存在相互關(guān)系和區(qū)別：(1)粒徑表示方法不同，幾何等效粒徑是一個粒徑，幾何平均粒徑是兩個幾何等效粒徑范圍的幾何平均值；(2)計徑效率不同，采用幾何等效粒徑的計徑效率是通過大于該粒徑的累積顆粒數(shù)量計算得到的，需要在粒徑值前加上“>”來表示，而使用幾何平均粒徑的計徑效率是幾何等效粒徑范圍的上限和下限的差分顆粒數(shù)量計算而得到的；(3)采用兩種粒徑的穿透率和粒徑的變化趨勢非常接近，當(dāng)幾何等效粒徑和幾何平均粒徑的數(shù)值相等或相近時，幾何等效粒徑的穿透率和幾何平均粒徑的穿透率差異非常小，最大差異僅為0.103%。

1.3 幾何等效粒徑和空氣動力學(xué)粒徑

空氣動力學(xué)粒徑和幾何等效粒徑多被汽車、壓縮機及乘駕室用空氣過濾器使用，如ISO/TS 11155-1:2000和ISO/TS 19713系列標準?？諝鈩恿W(xué)粒徑和幾何平均粒徑無關(guān)聯(lián)，而與幾何等效粒徑存在很大的聯(lián)系?？諝鈩恿W(xué)粒徑Dae為

(2)

(3)

式中：Dg為粒子的幾何等效粒徑，μm；ρ為試驗粉塵粒子的密度，g/cm3；ρo為單位密度，1 g/cm3；Cc為滑失修正系數(shù)；x為試驗粉塵粒子的動態(tài)形狀系數(shù)。

對于密度為0.5～3 g/m3的氣溶膠材料且其空氣動力學(xué)粒徑大于0.5 μm的試驗氣溶膠粒子，公式(2)可以簡化為公式(3)，此時相對尺寸誤差小于5%，部分常用氣溶膠材料的密度與形狀因子見表4。對于空氣動力學(xué)小于0.5 μm的試驗氣溶膠粒子，應(yīng)使用該粒子的幾何等效粒徑代替空氣動力學(xué)粒徑。

表4 密度、形狀系數(shù)及對應(yīng)空氣動力學(xué)粒徑公式

將表4的參數(shù)代入公式(3)可分別得出對應(yīng)氣溶膠的計算公式。

使用ISO 12103-A2進行效率試驗時：Dae=1.299 2×Dg(Dae>0.5 μm)；

使用KCl進行效率試驗時：Dae=1.281 3×Dg(Dae>0.5 μm)。

某空氣過濾器B效率試驗的氣溶膠為KCl，需要測試空氣動力學(xué)粒徑和幾何等效粒徑的計徑效率，部分試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 使用KCl試驗時的幾何等效粒徑和空氣動力學(xué)粒徑試驗結(jié)果

可以看出，空氣動力學(xué)粒徑和幾何等效粒徑存在倍數(shù)關(guān)系，雖然使用的粒徑種類不同，但是兩種粒徑的效率計算方法是相同的，都是利用相同粒徑值的上下游累積計數(shù)濃度計算得來的，而且空氣動力學(xué)粒徑及對應(yīng)關(guān)聯(lián)的幾何等效粒徑之間的效率是相同的。

2 結(jié)論

經(jīng)過以上分析與對比，光學(xué)粒子計數(shù)器的光學(xué)等效粒徑、幾何等效粒徑、幾何平均粒徑、空氣動力學(xué)粒徑等粒徑所代表的含義是不同的。光學(xué)等效粒徑和幾何等效粒徑是粒子計數(shù)器的基礎(chǔ)粒徑，光學(xué)等效粒徑是校準后粒子計數(shù)器的粒徑，而幾何等效粒徑是粒子計數(shù)器測量的顆粒物的粒徑，兩者被認定為相同。幾何平均粒徑和空氣動力學(xué)粒徑都是因使用需求而衍生的粒徑，其基礎(chǔ)粒徑是幾何等效粒徑。幾何平均粒徑和空氣動力學(xué)粒徑都是依據(jù)光學(xué)等效粒徑或幾何等效粒徑計算得到的粒徑。在試驗應(yīng)用中，幾何等效粒徑的計徑效率和空氣動力學(xué)粒徑的計徑效率均為累積計數(shù)效率，表示的是攔截大于某個粒徑的顆粒物的總體效率；幾何平均粒徑的計徑效率是差分計數(shù)效率，表征的是某個小粒徑范圍內(nèi)濾除顆粒的效率。在粒徑數(shù)值相同時，幾何等效粒徑的計徑效率和幾何平均粒徑的計徑效率非常接近。而空氣動力學(xué)粒徑的計徑效率和相關(guān)聯(lián)的幾何等效粒徑的計徑效率是相同的。希望通過文中的分析，能夠有助于了解計徑效率所使用粒徑的關(guān)系和區(qū)別。