4.4 Оптимизация защитных и эксплуатационных свойств противоаэрозольных фильтров. Критерий фильтрации

4.4.1 Коэффициент проницаемости и аэродинамическое сопротивление противоаэрозольных фильтров, их зависимость от различных факторов

Основными характеристиками фильтрующих материалов являются величина коэффициента проницаемости К_Ф и аэродинамическое сопротивление R. Величина коэффициента проницаемости определяет защитные свойства фильтрующих систем по аэрозолям, а аэродинамическое сопротивление – их эксплуатационные свойства.

Общая картина процесса прохождения аэрозольных частиц, движущихся в потоке воздуха, через различные фильтрующие материалы представлена на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Процесс прохождения частиц через фильтрующий материал.

При фильтрации аэрозолей некоторая небольшая доля частиц практически мгновенно с потоком воздуха проникает через фильтрующий материал.

Это явление называется проницаемостью и характеризуется коэффициентом проницаемости, показывающим долю частиц, прошедших через фильтрующий материал.

Величина коэффициента проницаемости определяется как отношение концентрации С_П аэрозольных частиц, прошедших через фильтрующий материал, к их исходной концентрации С₀ и обычно выражается в процентах

(4.8)

Коэффициент проницаемости является основной характеристикой фильтрующих свойств материалов и позволяет количественно оценивать их способность защищать от аэрозолей. Иногда вместо величины коэффициента проницаемости фильтрующие материалы оценивают по эффективности фильтрации Э, показывающей долю задерживаемых материалом частиц.

(4.9)

Эффективность фильтрации для материалов Э не следует путать с эффективностью осаждения аэрозольных частиц на волокне фильтра (h), которая определяется отношением ширины потока, из которого на волокно осаждаются все частицы, к поперечному сечению этого волокна. Величина коэффициента проницаемости является основной характеристикой фильтрующих свойств материалов, позволяющая количественно оценивать их способность защищать от аэрозолей. Для современных отечественных фильтрующих и фильтрующе-сорбирующих материалов при стандартных условиях их испытания величина К_Ф обычно составляет 110^-3 - 110^-5 %.

Аэродинамическое сопротивление фильтрующего материала (R) представляет собой разность давлений воздушного потока перед фильтрующим материалом и после него. Оно измеряется в мм водяного столба (мм вод. ст.) или н/м² (Паскаль) и характеризует сопротивление, оказываемое фильтрующим материалом движению воздушного потока. Пористую структуру фильтрующего материала можно рассматривать как систему капилляров, образованных волокнами, а аэродинамическое сопротивление фильтрующего материала – как усилие, затрачиваемое на предопределение сил внутреннего трения при движении воздушного потока в промежутках между волокнами. В общем виде аэродинамическое сопротивление фильтрующего материала может быть выражено формулой

(4.10)

где B – константа, зависящая от структуры фильтрующего материала;

U – линейная скорость воздушного потока;

L – толщина фильтрующего материала.

Величина аэродинамического сопротивления фильтрующего материала, как и величина коэффициента проницаемости зависит от толщины, структурных характеристик материала и условий фильтрации, в первую очередь от температуры воздуха и скорости аэрозольного потока.

Как уже говорилось ранее, современные фильтрующие материалы, применяемые в противогазовой технике, представляют собой многокомпонентные волокнистые пористые (воздухопроницаемые) мягкие картоны, толщиной около 1 мкм. При этом они могут быть многослойными.

В состав двухкомпонентного фильтрующего материала входят относительно толстые (10…20 мкм) волокна целлюлозы или стекловолокна. По массе они составляют 90 - 95 %, оставшуюся долю (10 - 5 %) составляет волокна асбеста, ультратонкое стекловолокно или полимерные волокна, толщина которых не превышает 1 мкм. По этой причине количество последних волокон существенно больше первых. Значительно больше и боковая поверхность этих волокон. Поэтому именно они выполняют роль фильтрующего компонента. На их поверхности задерживается основное количество частиц аэрозоля. При этом относительно толстые волокна, с одной стороны, являются механическим каркасом, т.е. придают материалу требуемую механическую прочность. С другой стороны, эти волокна позволяют создавать фильтрующие материалы с необходимым аэродинамическим сопротивлением.

Известно, что уменьшение коэффициента проницаемости можно получить, увеличивая толщину L фильтрующего материала и его плотность D, а также применяя в качестве фильтрующей компоненты более тонкие волокна d_В. Однако, все это приводит одновременно к повышению аэродинамического сопротивления R. Качественно характер изменения коэффициента проницаемости К_Ф и аэродинамического сопротивления R фильтрующего материала при изменении перечисленных показателей приведен на рисунке 4.5.

С увеличением толщины и плотности фильтрующего материала, а также с уменьшением диаметра его волокон во всех случаях величина К_Ф снижается по экспоненте.

Зависимость К_Ф от диаметра аэрозольных частиц и скорости воздушного потока определяется преобладающим процессом приближения частиц к волокну. При диффузионном осаждении аэрозольных частиц с увеличением их диаметра и скорости воздушного потока величина К_Ф возрастает, так как в этом случае уменьшается диффузионный пробег частиц и сокращается время их пребывания среди волокон фильтрующего материала.

а – толщины L ФМ; б – плотности DФМ; в – диаметра волокон d_В ФМ

Рисунок 4.5 – Зависимость величины коэффициента проницаемости К_Ф и

аэродинамического сопротивления R от характеристик фильтрующего материала

При осаждении аэрозольных частиц в результате касания и инерции увеличение диаметра частиц приводит к возрастанию эффективности осаждения и к уменьшению коэффициента проницаемости К_Ф.

С увеличением скорости воздушного потока К_Ф уменьшается вследствие возрастания эффективности инерционного осаждения частиц. На процесс осаждения касанием скорость воздушного потока практически не влияет.

Влияние температуры на К_Ф: с увеличением температуры К_Ф тонкодисперсных аэрозолей снижается, грубых – остается прежней.

Влажность воздуха не оказывает на К_Ф и R прямого влияния, но при заполнении промежутков между волокнами влагой увеличивается R, а после высыхания К_Ф увеличивается.

К одновременному снижению, как коэффициента проницаемости, так и аэродинамического сопротивления может привести снижение скорости аэрозольного потока. С этой целью при изготовлении из фильтрующего материала противоаэрозольного фильтра стремятся к существенному увеличению его поверхности. Такой приём называется развёрткой поверхности. В современных коробках противогазов рабочая площадь противоаэрозольного фильтра больше площади сечения коробки в 6…9 раз. Схемы устройства (складывания) некоторых противоаэрозольных фильтров показаны на рисунке 4.6.

1 – с концентрическими вертикальными складками;

2 – с прямыми вертикальными складками

Рисунок 4.6 – Схемы складывания противоаэрозольных фильтров

Несколько иную структуру представляют собой так называемые фильтры Петрянова. Они широко применяется в респираторах. Эти фильтрующие материалы представляют собой марлевую подложку (разреженную ткань) и с односторонним размещением тонких или ультратонких полимерных волокон.

Один из подобных материалов имеет маркировку ФПП-15 (фильтрующий перхлорполивинилхлоридный петряновский, цифра 15 представляет собой увеличенный в 10 раз выраженный в микрометрах диаметр полимерных волокон, т.е. d_В = 1,5 мкм). Используется в респираторах Р-2, РОУ, ШБ-1, «Лепесток-200», У-2К и др. После изготовления материала на полимерных волокнах некоторое время сохраняется электростатический заряд. С течением времени этот заряд под влиянием внешних природно-климатических условий, в первую очередь, от влажности воздуха, исчезает.

Противоаэрозольные фильтры коробок противогазов и полимерные фильтры Петрянова в респираторах предназначены для очистки заражённого воздуха от частиц тонкодисперсных аэрозолей. Но в реальных полидисперсных аэрозолях содержится определённая доля частиц с размерами более 1 мкм. Поэтому в фильтрующих противогазах малого габарита на коробки надеваются трикотажные чехлы, которые, задерживая относительно крупные частицы, обеспечивают первую ступень очистки заражённого воздуха, перед его поступлением к противоаэрозольному фильтру, размещённому в коробках противогаза. В респираторе Р-2 роль фильтра первой ступени очистки выполняет наружный слой пенополиуретана.

Очистка воздуха от частиц полидисперсного аэрозоля как в фильтрующих средствах индивидуальной защиты органов дыхания, так и в средствах очистки воздуха для стационарных и подвижных объектов коллективной защиты производится, как правило, в две ступени, основные характеристики которых представлены в таблицах 4.8 и 4.9.

Таблица 4.8 – Ступени очистки воздуха от аэрозолей в средствах защиты органов дыхания

Ступень очистки	Размеры частиц	Респиратор Р-2	Фильтрующий противогаз		Бескоробочный фильтрующий противогаз
			Большого габарита	Малого габарита
1-ая	dЧ  1 мкм	Поролон	Материал сумки	Материал чехла	Жалюзи и сетка
2-ая	dЧ  1 мкм	ФПП-15	ПАФ коробки	ПАФ коробки	Фильтрующе-сорбирующий материал

Таблица 4.9 – Ступени очистки воздуха от аэрозолей в фильтровентиляционных установках

Ступень очистки	Размеры частиц	ФВА для ВПФС	ФВУА-100	ФВУ БТ
1-ая	dЧ  1 мкм	ВЗУ	ПФА-75	Нагнетатель- сепаратор
2-ая	dЧ  1 мкм	ПАФ в фильтре-поглотителе	ПАФ в ФПТ-200М	ПАФ в ФПТ-200М и ФПТ-100М

Важным показателем эксплуатационных свойств ФМ и противоаэрозольных фильтров является пылеёмкость.

Пылеёмкость фильтрующих материалов и противоаэрозольных фильтров оценивается отношением массы пыли в фильтрующем материале (ПАФ), задержанной до момента увеличения начального аэродинамического сопротивления на заданное значение (чаще всего в два раза от исходной величины), к поверхности фильтрующего материала (ПАФ) или к объёму очищенного воздуха: m/S_ПАФ г/см² или m/V_ПАФ г/м³.

Определение этой характеристики проводится весовым методом в лабораторных условиях с использованием стандартной пыли марки М-5 (истертые в пыль мраморные песчинки). Время работоспособности противоаэрозольного фильтра оценивается при увеличении начального аэродинамического сопротивления до допустимого значения R_ДОП показано на рисунке 4.7.

Основными путями повышения ресурса работы противопылевых фильтров в запылённой (задымлённой) атмосфере являются: применение фильтров предварительной очистки (предфильтров) со сменными противопылевыми кассетами; применение гетерослойных фильтрующих материалов.

Рисунок 4.7 – Изменение начального аэродинамического сопротивления

противоаэрозольных фильтров во время работы в запылённой атмосфере