Хепа: принципы работы и неочевидные факты / Хабр

принципы работы и неочевидные факты / Хабр

Приветствуем вас в блоге компании Тион Умный микроклимат. Тема статьи — HEPA-фильтры.

Это высокоэффективные фильтры, главная цель которых – удалять из воздуха мелкодисперсные частицы, в том числе PM2.5 и PM10 (с диаметром менее 2,5 и 10 мкм соответственно). HEPA – это не бренд и не марка, а класс фильтров, который определяется международным и национальным стандартами ЕН 1822-1:2009 и ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010.

Давайте посмотрим на HEPA-фильтр «с расстояния вытянутой руки», расскажем про принцип его работы и основные эффекты, благодаря которым происходит осаждение частиц на фильтре.

Основа любого HEPA-фильтра – хаотично расположенные волокна разной толщины, примерно 0,5-5 мкм. Расстояние между волокнами – порядка 5-50 мкм. Диаметр мелкодисперсных частиц – в пределах нескольких микрон или даже нескольких долей микрона. Возникает вопрос: как фильтр с такими большими порами задерживает такие мелкие частицы?

Обычно мы представляем фильтр в виде рыболовной сети или сачка: если фильтруемый объект больше ячейки, он застревает. Этот механизм называется эффектом сита (straining). Он работает для частиц, диаметр которых превышает размер пор в фильтре. На упрощенной модели эффект сита выглядит так:

Волокна фильтра представляются в виде цилиндров, расположенных поперек воздушного потока. Сам поток считается безвихревым. Модель частицы – шар с радиусом R. Если 2R больше расстояния между волокнами, частица застревает в фильтре. Чем крупнее частица, тем вероятнее она застревает в волокнах. Поэтому для крупных частиц эффект сита работает лучше:

На графике нет привязки к конкретным размерам, так как фильтры с разной толщиной волокон и разной плотностью упаковки будут задерживать разные фракции частиц. Форма кривой будет примерно той же, но она может «плавать» по горизонтальной шкале. Например, для фильтра грубой очистки класса G кривая будет располагаться правее, чем для фильтра тонкой очистки класса F. В фильтрах HEPA эффект сита тоже наблюдается. И если бы HEPA работал только по этому механизму, то кривая его эффективности выглядела бы примерно так же. Однако на деле она выглядит совсем по-другому:

По графику видно, что HEPA-фильтр задерживает частицы любого размера. И если эффективная фильтрация крупных частиц (около 5 мкм и больше) происходит по механизму сита, то фильтрация мелкодисперсных фракций (порядка 1-0,01 мкм) имеет другую природу.

Как HEPA-фильтр «ловит» мелкодисперсную пыль?

Основное отличие HEPA от фильтров грубой и тонкой очистки в том, что для фильтрации частице не обязательно застревать в волокнах. Если пылинка просто коснулась фильтровального материала, этого уже достаточно для и эффективного осаждения. Это связано с двумя процессами: адгезией и аутогезией.

Адгезия – это взаимодействие пыли с осаждающей поверхностью, в нашем случае с волокнами HEPA. Благодаря адгезии на чистых волокнах появляется первый слой пыли.

Аутогезия, или слипаемость – это взаимодействие пылевых частиц между собой. Благодаря аутогенному взаимодействию частицы продолжают наслаиваться друг на друга, образуя на волокнах многослойные конгломераты. Выглядят они так:

Природа адгезии и аутогезии – в молекулярном взаимодействии частиц друг с другом и с волокнами (силы Ван-дер-Ваальса). Эти силы появляются на расстоянии от одного до нескольких сот диаметров частиц. Для мельчайших частиц притяжение к волокну и пылевому слою настолько большое, что частицы оседают в HEPA-фильтре фактически навсегда. Цифры это подтверждают: для частиц меньше 10 мкм прочность пылевого слоя на разрыв – больше 600 Па.

Итак, из-за сил притяжения частица практически намертво прилипает к волокну HEPA-фильтра, стоит только коснуться его поверхности. Это объясняет удерживание частиц на фильтре, но по-прежнему нет ответа на вопрос:

Как мельчайшие частицы касаются волокна HEPA-фильтра?

Как мы выяснили, эффект сита тут ни при чем – мельчайшие частицы свободно пролетают через поры. В фильтрах НЕРА действуют другие механизмы.

Любая частица удерживается в воздушном потоке, и, если в фильтре не возникают силы, отклоняющие частицу от линии тока воздуха в сторону волокна, то осаждения не будет. В результате частица проскочит через фильтр вместе с потоком. Поэтому вопрос «Как частицы касаются волокна?» можно перефразировать: «Как частицы выходят из воздушного потока?» И ответ на него будет разным, в зависимости от размера и массы частицы.

Самые мелкие частицы (с диаметром меньше 0,1 мкм) обладают небольшой массой и постоянно находятся в хаотичном броуновском движении. Их траектория постоянно колеблется относительно линии тока воздуха. В ходе колебаний частица выходит из потока, касается волокна и осаждается. Это эффект диффузии:

Более крупные частицы (с диаметром больше 0,3 мкм) весят больше, поэтому их колебания относительно линии тока меньше либо отсутствуют вообще. Такие частицы осаждаются по другому механизму. На модели видно, что линии воздушного потока искривляются вблизи волокна, огибая препятствие. Крупные и тяжелые частицы за счет инерции выходят из воздушного потока, сталкиваются с волокном и осаждаются. Это эффект инерции:

Диффузионный и инерционный эффекты дополняют друг друга: один отвечает за фильтрацию самых мелких частиц, другой – более крупных:

Сложнее всего посадить на волокно частицы с «промежуточным» размером. Их инерция еще недостаточно большая, а диффузия уже работает слабо, так как колебания их траектории относительно линии тока уже не такие сильные. Поэтому такие частицы с большей вероятностью остаются в потоке и огибают волокна вместе с воздухом. Их называют частицами с максимальной проникающей способностью, Most Penetrating Particle Size (MPPS). И для их осаждения наибольшее значение имеет последний механизм – эффект зацепления:

Эффект зацепления работает, когда частица приблизилась к поверхности волокна на расстояние своего радиуса. Такого касания достаточно для ее осаждения. Этот механизм работает не только для MPPS. Он универсальный и действует для частиц любого размера. Пылинки могут оставаться в воздушном потоке, совершать диффузионные колебания относительно линии тока или вылетать из потока благодаря инерции – в любом случае, если частица коснулась волокна, она осаждается.

Эффективность этого механизма зависит от размера частицы. Чем больше частица, тем вероятнее она коснется волокна. В этом эффект зацепления похож на эффект сита, потому и график почти одинаковый (естественно, с привязкой в другому диапазону частиц):

В действительности в HEPA-фильтре на частицу одновременно действуют все механизмы, поэтому общая эффективность HEPA-фильтра равняется сумме вкладов каждого эффекта:

η_общая = η_сита + η_{зацепления} + η_{инерции} + η_{диффузии}

Если постоянно нагружать HEPA аэрозолем с крупными частицами, то срок работы фильтра значительно сокращается. Это происходит из-за эффекта сита: крупные частицы быстро забивают фильтр и снижают его проницаемость. Чтобы избежать эффекта сита, перед HEPA-фильтром устанавливают один или несколько префильтров более низкого класса: G и/или F. Они защищают HEPA от преждевременного засорения. Если префильтры стоят, то HEPA работает строго «по специальности» — фильтрация мелкодисперсных частиц. Таким образом, остаются три эффекта:

η_общая = η_{зацепления} + η_{инерции} + η_{диффузии}

Если сложить все три графика эффективности для каждого механизма, то получим ту самую кривую общей эффективности HEPA-фильтра, которую мы показывали в начале статьи:

Как видим в диапазоне MPPS (примерно от 0,1 до 0,3 мкм) общая эффективность HEPA-фильтра «падает в яму». И именно по MPPS измеряют общую эффективность. HEPA-фильтра класса h20 (по новой номенклатуре E10) работает с эффективностью более 85%, а фильтра класса h21 (E11) – более 95%. Это значит, что в HEPA-фильтре E11 осаждаются 95 из 100 частиц MPPS. При этом остальные частицы осаждаются с вероятностью почти 100%, но итоговую эффективность принято указывать по MPPS, 95%.

От чего зависит эффективность HEPA-фильтра?

Эффективность HEPA зависит не только от размеров фильтруемых частиц, но и от параметров самого фильтра:

• Диаметр волокон в HEPA-фильтре
• Плотность упаковки волокон
• Материал волокон

Чем тоньше волокна и чем плотнее они упакованы, тем больше площадь их соприкосновения с частицами. И чем лучше волокна «цепляют», тем эффективнее осаждение. Если материал, из которого сделан фильтр, обладает высокой удельной проводимостью, то волокна могут заряжаться в воздушном потоке. В этом случае между волокнами и частицами возникают силы электростатического притяжения (силы Кулона). Они дополнительно увеличивают эффективность HEPA-фильтра. Подробнее этот эффект мы здесь рассматривать не будем, про электростатическое осаждение расскажем в другой статье.

При осаждении частиц уменьшается расстояние между волокнами:

В результате площадь волокон увеличивается, и с этим связан парадоксальный факт: со временем эффективность HEPA не уменьшается, а растет. С другой стороны, при загрязнении уменьшается проницаемость фильтра, увеличивается его сопротивление, растет перепад давления на фильтре и, как следствие, уменьшается производительность прибора, в котором тот установлен. Если фильтр забился полностью и производительность прибора упала почти до нуля, единственный выход – заменить фильтр. Частота замены зависит от емкости фильтра. Этот показатель определяет, как много пыли сможет осадить HEPA, прежде чем перепад давления на нем станет критическим.

Теперь, когда мы имеем представление о HEPA-фильтре, соберем по пунктам принцип его работы:

1. В фильтр попадает воздушный поток с пылинками разного размера, от 10 мкм и меньше
2. Крупные частицы выходят из воздушного потока благодаря эффекту инерции, мелкие частицы – благодаря эффекту диффузии
3. На фильтре оседают все частицы, которые вышли из потока и коснулись волокна
4. На волокне частицы прочно удерживаются благодаря силам притяжения (Ван-дер-Ваальса)

Также соберем в одном месте все неочевидные факты о HEPA-фильтре:

• HEPA-фильтр может задерживать частицы всех размеров
• Пыль задерживается в HEPA-фильтре практически навсегда. Пылесосить HEPA бесполезно – только менять.
• Со временем эффективность HEPA-фильтра только растет.

На этом пока все: мы рассказали про принципы осаждения и удержания мелкодисперсной пыли в HEPA-фильтрах. Если у вас есть вопросы, будем рады ответить на них в комментариях.

Читайте также:
Охота на душный воздух: сколько СО2 в Москве?
Микроклимат против гриппа: как убить вирус с помощью вентиляции и увлажнителя

_{Фото НЕРА фильтров взяты отсюда и отсюда.}

Воздушные HEPA фильтры высокой эффективности, класса h24

Воздушные HEPA фильтры высокой эффективности, класса h24 типа ФяС, с эффективностью ≥ 99,995 % по ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010

Воздушные фильтры группы HEPA типа ФяС, класса h24 относятся к фильтрам высокой эффективности.

Их используют для подготовки и финишной очистки воздуха в пищевой промышленности, в сферах микробиологии и микроэлектроники, где существует потребность в создании так называемых чистых комнат или помещений.

Также применяются в вытяжных системах вентиляции для очистки воздуха от опасных микроорганизмов и радиоактивных аэрозолей в фармацевтической отрасли, медицинских учреждениях и лабораториях.

После прохождения специальных испытаний, каждому фильтру присваивается класс в соответствии с ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010, на основании интегральной эффективности или проскоке в точке MPPS (размер наиболее проникающих частиц).

 Характеристики высокоэффективных воздушных фильтров группы HEPA, типа ФяС, класса очистки h24 вы можете увидеть в таблицах.

Таблица 1. Характеристики в соответствии с ГОСТ Р ЕН 1822-1-2010

Таблица 2. Основные характеристики

Класс фильтра ГОСТ Р 1822 (EN1822)	Номинальная удельная воздушная нагрузка м3/ч, на м2 площади входного сечения (скорость через фильтр, м/с)		Эффективность (по EN 1822), %, не менее	Аэродинамическое сопротивление, Па
				Начальное					Рекомендуемое конечное
	78 (150)	300 (292)		Для фильтров с нитевыми сепараторами (эффективный)	Для фильтров с алюминиевыми сепараторами
					Глубина 150		Глубина 300 (292)
					Базовый	Эффективный	Базовый	Эффективный
h24	1630 (0. 45)	5375 (1.49)	99,995	140	150	120	300	230	600

Таблица 3. Начальное сопротивление в соответствии с номинальной производительностью

Что такое фильтр HEPA? Как это работает?

СТАТЬИ В БЛОГЕ

Подумайте о длинном списке важных терминов, модных словечек и аббревиатур в вашей жизни, которые вы еще не совсем усвоили: застрахованные FDIC, Big Data, Organic, и это лишь некоторые из них. Если вы когда-либо покупали очиститель воздуха или пылесос, вы, вероятно, можете добавить «HEPA» в этот список.

Что означает название фильтра «HEPA» и почему это важно? Мы будем рады объяснить:

Что означает HEPA? Откуда это?
HEPA (высокоэффективный взвешенный воздух) — это обозначение, используемое для описания фильтров, способных улавливать 99,97% частиц размером 0,3 микрона. Хотя стандарт HEPA и процесс сертификации не были установлены до 1983 года, разработка фильтров HEPA восходит к Второй мировой войне, когда американские ученые в Манхэттенском проекте создали первый фильтр HEPA для улавливания радиоактивных частиц, выпущенных при создании атомной бомбы.

Почему 0,3 мкм?
Этот микронный размер (0,3) ученые называют MPPS или наиболее проникающим размером частиц. Ученые обнаружили, что частицы такого размера ускользают от воздушных фильтров лучше, чем частицы большего или меньшего размера. Мы немного разберемся, почему.

Как работают НЕРА-фильтры? Из чего они сделаны?
Большинство современных фильтров HEPA состоят из переплетенных стеклянных волокон, которые скручены и повернуты в бесчисленных направлениях, образуя волокнистый лабиринт. Когда частицы пересекают эту паутину, они выводятся из обращения следующими способами:

  Прямое воздействие: Крупные загрязнители, такие как определенные виды пыли, плесени и пыльцы, перемещаются по прямому пути, сталкиваются с волокном и прилипают к нему.

Просеивание: Воздушный поток переносит частицу между двумя волокнами, но частица крупнее зазора, поэтому она попадает в ловушку.
Перехват: Воздушный поток достаточно проворен, чтобы перенаправляться вокруг волокон, но благодаря инерции частицы продолжают свой путь и прилипают к сторонам волокон.
Диффузия: Маленькие сверхмелкие частицы движутся более хаотично, чем более крупные, поэтому они с большей вероятностью ударяются о волокна и прилипают к ним.

Что происходит, когда частицы проникают через фильтр HEPA? Они попадают прямо в мои легкие?
Не волнуйтесь. Существуют и другие технологии, которые работают вместе с фильтрами HEPA для защиты от многих сверхмалых загрязняющих веществ, таких как дым, пары и другие химические вещества. Фильтры с активированным углем, такие как, например, фильтры Airmega Max2, используют маленькие поры для улавливания некоторых химических веществ, запахов и дыма, которые фильтр HEPA может не уловить.

Я постоянно слышу термин «Настоящий HEPA». Существуют ли различные формы HEPA?
Маркетологи используют довольно много терминов для описания воздушных фильтров. Хотя технически True HEPA является маркетинговым термином, многие используют его для различия между американскими и европейскими стандартами HEPA. В Европе фильтр должен улавливать только 85 процентов частиц размером 0,3 микрона — по сравнению со стандартом США — 99,97 процента, чтобы получить сертификат HEPA. Таким образом, американский стандарт часто называют «True HEPA». «Тип HEPA», «Ultra HEPA» и другие варианты HEPA не признаются органами по аккредитации в США или Европе.

Что, если фильтр рекламирует себя как способный улавливать 99,9 % мелких или крупных частиц — это хорошо, верно?
Не обязательно. Фильтр, который заявляет, что может задерживать 99,9% крупных частиц, может плохо улавливать сверхмелкие частицы. Точно так же фильтр, который рекламирует свою способность улавливать мельчайшие частицы, не говорит вам, насколько хорошо он улавливает частицы размером 0,3 микрона, которые, как мы знаем, являются наиболее проблемными.

Где используются НЕРА-фильтры?
Как и в Манхэттенском проекте, фильтры HEPA изначально предназначались для использования в лабораториях и на заводах. Сегодня они также проникли в потребительские товары, включая автомобили, пылесосы и, как вы уже догадались, очистители воздуха.

Узнайте больше о том, как Airmega меняет то, как мы дышим, и будьте в курсе последних новостей, подписавшись на нашу рассылку.

Новостная рассылка

Чтобы быть в курсе специальных акций и запусков новых продуктов, подпишитесь на нашу рассылку. Мы никогда не будем спамить вас или передавать вашу информацию третьим лицам.

Регистрируясь, вы соглашаетесь с нашими

Условия использования и продажи и наша Политика конфиденциальности.

Используйте стрелки влево/вправо для перемещения по слайд-шоу или проведите пальцем влево/вправо при использовании мобильного устройства

Что такое фильтр HEPA и как он работает?

Фильтрация HEPAОбразование

13 августа

Автор Кевин Альберс

Что такое фильтр HEPA?

Высокоэффективный воздушный фильтр для твердых частиц (HEPA) может удалять 99,97% — 99,99% взвешенных в воздухе частиц, размер которых равен, меньше или больше 0,3 микрона (EPA). Эффективность оценивается на основе наихудшего возможного уровня, поэтому думайте об этом как о 99,97% или ЛУЧШЕ.

Фильтры HEPA тестируются с использованием частиц воздуха размером 0,3 микрона, так как фильтру HEPA труднее всего их уловить. Фильтры HEPA на самом деле более эффективны при улавливании частиц меньшего размера, таких как частицы размером с вирусы (которые в среднем составляют 0,1 микрона), из-за того, как ведут себя эти частицы меньшего размера (см. исследование НАСА). Это основано на оценках MERV (минимальные отчетные значения эффективности), установленных Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE).

Как работает фильтр HEPA?

Фильтр HEPA отличается от обычного воздушного фильтра, который вы обычно ставите дома. Фильтры HEPA представляют собой гофрированные механические воздушные фильтры, которые имеют значительную толщину для улавливания твердых частиц. Складки создают коврик из волокон, которые расположены случайным образом. Случайное плотное расположение волокон в фильтре HEPA помогает улавливать частицы разного размера. Когда частицы воздуха проходят через воздушный фильтр, они улавливаются тремя механизмами: диффузией, перехватом и столкновением.

Диффузия происходит в НЕРА-фильтре, когда молекулы газа размером менее 0,1 микрона сталкиваются друг с другом и задерживаются при прохождении через фильтр. Задержка сделает более вероятными следующие два механизма для этих более мелких частиц. Перехват – это когда движущиеся по воздуху частицы прилипают к волокну. Удар, третий механизм, заключается в том, что более крупные частицы воздуха внедряются непосредственно в сами волокна.

В попытке продлить срок службы НЕРА-фильтра в комплект можно включить предварительный фильтр, который помогает удалять более крупные частицы, оставляя более мелкие частицы для улавливания НЕРА-фильтром. Мы в ISO-Aire знаем об этом, и все наши коммерческие очистители воздуха, которые мы предлагаем, поставляются с предварительными фильтрами MERV-8 для продления срока службы фильтра HEPA.

Что предлагают очистители воздуха ISO-Aire HEPA?

Смотреть: Что такое HEPA-фильтр и насколько он эффективен?

Все модели ISO-Aire оснащены фильтром HEPA, а также двумя дополнительными технологиями очистки воздуха, включая биполярную ионизацию без озона и бактерицидное УФ-излучение.

Смотреть: Как фильтр HEPA работает с моей существующей системой HVAC?

 Заинтересованы в инвестициях в фильтрацию HEPA? В ISO-Aire мы предлагаем портативные очистители воздуха HEPA, не требующие особого ухода, которые обеспечивают уровень защиты медицинского уровня. Наши очистители воздуха оснащены не только 9Фильтр HEPA с эффективностью 9,99% и сроком службы 5-6 лет. Их также можно заказать с безозоновой биполярной ионизацией, сертифицированной по UL 2998, и/или со стерилизацией УФ-излучением. Хотите узнать, какой очиститель воздуха лучше всего подходит для вашего помещения? Свяжитесь с нашей командой экспертов сегодня, и мы поможем вам выбрать наиболее подходящую комбинацию модели и технологии.