Hepa фильтр для автомобиля

Что такое HEPA-фильтр: принципы работы и неочевидные факты

Для тех, кто не любит длиннопосты, сразу пишу главное и неочевидное о HEPA-фильтре:

HEPA-фильтр может задерживать частицы всех размеров

Пыль задерживается в HEPA-фильтре практически навсегда. Пылесосить/мыть HEPA практически бесполезно – только менять.

Со временем эффективность HEPA-фильтра только растет. Хотя и растет воздушное сопротивление.

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:

ηобщая = ηсита + ηзацепления + ηинерции + ηдиффузии

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:

ηобщая = ηзацепления + ηинерции + ηдиффузии

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 H10 (по новой номенклатуре E10) работает с эффективностью более 85%, а фильтра класса H11 (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

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.

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:

В фильтр попадает воздушный поток с пылинками разного размера, от 10 мкм и меньше

Крупные частицы выходят из воздушного потока благодаря эффекту инерции, мелкие частицы – благодаря эффекту диффузии

На фильтре оседают все частицы, которые вышли из потока и коснулись волокна

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/мыть HEPA практически бесполезно – только менять.

Со временем эффективность HEPA-фильтра только растет. Хотя и растет воздушное сопротивление.

Источник

Что такое HEPA-фильтр: принципы работы и неочевидные факты

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:

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:

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 H10 (по новой номенклатуре E10) работает с эффективностью более 85%, а фильтра класса H11 (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:

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:

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.

_{Фото НЕРА фильтров взяты отсюда и отсюда.}

Источник

Раскрываем карты: почему НЕРА-фильтру в воздухоочистителе не нужна эффективность 99,95%

Производители любят писать про высокую эффективность своих воздухоочистителей — 99,95% и выше. Пользователей впечатляют эти цифры, и большой ценник на такие приборы кажется оправданным. Так ли это? Физика говорит, что для очистителя-рециркулятора вполне достаточно эффективности 95%. Стоит такой очиститель меньше, при этом его реальная эффективность такая же. А все эти девятки после запятой — не более чем маркетинговый ход.

Сразу обозначим важный момент. НЕРА-фильтры стоят в пылесосах, приточных вентиляциях, даже кондиционерах. Но эта статья об очистителях воздуха. Они работают в режиме рециркуляции: гоняют один и тот же комнатный воздух. Ниже речь именно об очистителях-рециркуляторах.

Почему именно НЕРА-фильтр?

Частицы условно делятся на крупные (больше 10 мкм), мелкие (от 1 до 10 мкм) и мельчайшие (меньше 1 мкм). Опаснее всех мелкие и мельчайшие частицы размером до 2,5 мкм, так называемые PM2.5. Это доказано и научными, и статистическими исследованиями. Они легли в основу рекомендаций Всемирной организации здравоохранения, согласно которым частицы РМ2.5 входят в список наиболее опасных загрязнителей воздуха.

Грубый фильтр задерживает только крупные частицы, с эффективностью 65-90%. Но для PM2.5 его эффективность будет практически нулевая. Задержать эти частицы может только НЕРА-фильтр. Мы уже писали почему.

В том, что НЕРА-фильтр — обязательный элемент современного воздухоочистителя, сомнений нет. Вопрос в том, какая у него должна быть эффективность.

Три эффективности

Есть у производителей воздухоочистителей маркетинговая уловка: перемешивать понятия эффективности фильтра, однопроходной эффективности прибора и эффективности очистки воздуха. На самом деле это разные вещи, и важно понимать различия между ними.

Эффективность фильтра

Вынем НЕРА-фильтр из очистителя и поместим его в специальный аэрозольный стенд. Так выглядит наш стенд АС-1:

В стенд подается аэрозоль, имитирующий воздушные загрязнители. НЕРА-фильтр фиксируется в стенде герметично. Поэтому у воздушного потока с частицами только один путь — через фильтр. Счетчиком частиц измеряем концентрацию на входе в фильтр и на выходе из него. Соотносим величины и получаем коэффициент эффективности НЕРА-фильтра:

Однопроходная эффективность очистителя

Проведем тот же эксперимент, только теперь поместим в аэрозольный стенд не фильтр, а весь воздухоочиститель. Так же соотносим концентрации частиц на входе в прибор и на выходе из него. Получаем однопроходную эффективность очистителя:

Если бы фильтр крепился в приборе абсолютно герметично и в самом приборе не было щелей, то однопроходная эффективность очистителя и эффективность фильтра были бы равны. Но обычно такого не бывает.

В очистителях воздушные фильтры сменные. Для них есть специальные слоты, фильтры вставляется и вынимаются вручную. Если не обеспечить грамотное уплотнение в местах крепления, воздух пойдет через щели в обход фильтра. Сам корпус, часто составной из пластиковых деталей, тоже может содержать щели. Естественно, всё это влияет на однопроходную эффективность очистителя. Чем выше целевая эффективность, тем сложнее обеспечить нужную герметичность.

В бытовых решениях очень сложно обеспечить такую прецизионную герметичность. По крайней мере, нам еще не попадался домашний очиститель воздуха с реальной однопроходной эффективностью Н13 или Н14. Хотя фильтры такого класса производители регулярно анонсируют в своих приборах.

Производители в характеристиках очистителя «выпячивают» большую эффективность НЕРА-фильтра. В то время как однопроходная эффективность всего прибора почти всегда ниже. Мы тестировали приборы с НЕРА фильтром Н14, у которых на самом деле была однопроходная эффективность 50%.

Эффективность очистки воздуха

Между экспериментами на аэрозольном стенде и работой прибора в реальных условиях огромная разница. Самое главное для нас — чистота воздуха не на выходе из очистителя, а в комнате в целом. Выходящий из прибора чистый воздух тут же перемешивается с грязным воздухом комнаты, не вытесняя, а «разбавляя» его.

В настоящей комнате, кроме очистителя, есть и другие факторы, влияющие на концентрацию частиц в воздухе. Она уменьшается из-за естественного осаждения частиц и увеличивается из-за источников (люди, домашние животные, открытое окно, книги, ковры, мебель и т.д.). К тому же, в комнате воздух проходит через очиститель не один раз, а несколько. И с каждым прогоном на фильтре оседает все больше частиц, а воздух становится все чище. И чем больше воздуха за один раз прогоняется через фильтр, тем выше эффективность очистки. Поэтому на реальную эффективность очистки воздуха влияет не только класс фильтра, но и производительность прибора.

Производительность очистителя — объем воздуха, который прибор прокачивает через себя за единицу времени. Обозначается буквой Q. У нас измеряется в м3/ч, на западе в фут3/мин.
1 фут3/мин ≈ 1,7 м3/час

Представим, что у воздухоочистителя однопроходная эффективность 100%. Но вентилятор к нем настолько слабый, что производительность прибора близка к нулю. Такой очиститель не гоняет воздух через фильтр, а значит, и не чистит его. В обратной ситуации итог тот же: супермощный вентилятор + нулевая однопроходная эффективность = нулевая эффективность очистки.

Выходит, эффективность очистки воздуха зависит одновременно и от однопроходной эффективности прибора, и от производительности вентилятора. Чтобы оценить реальную эффективность очистки воздуха, надо искать разумное сочетание этих двух параметров. Это сочетание называется CADR (Clean Air Delivery Rate).

Что такое CADR

В начале 1980-х американская ассоциация AHAM (Association of Home Appliance Manufacturers) ввела CADR — показатель для измерения реальной эффективности комнатных очистителей воздуха. Эффективность очистки воздуха определяет именно CADR, а не девятки после запятой и не маркетинговые уловки от производителей типа «нано-био-ультра-фильтров».

«Clean air delivery rate» переводится как «скорость подачи чистого воздуха». Смысл показателя простой. Если очиститель подает 100 м3/ч, а его однопроходная эффективность равна 50%, то скорость подачи чистого воздуха составляет 50 м3/ч. Чем больше CADR, тем быстрее прибор чистит комнатный воздух и быстрее обновляет его. Соответственно, быстрее снижает концентрацию частиц в воздухе.

В математическом выражении CADR — это произведение однопроходной эффективности очистителя и его производительности:

Три важных факта о CADR

Факт №1: CADR сильнее зависит от производительности очистителя, чем от количества девяток после запятой в эффективности фильтра

Допустим, у нас есть очиститель с производительностью 100 м3/ч. Вставим в него НЕРА-фильтр Н11 (Е = 0,95). Получаем CADR = 95. Увеличим производительность в 2 раза. Теперь и CADR вдвое больше = 190.

Теперь заменим фильтр на Н13 (Е = 0,9995). Для производительности 100 м3/ч CADR = 99,95. Эффективность фильтра выросла на 2 порядка, а CADR практически не поменялся.

Факт №2: CADR не может быть больше производительности

Эффективность прибора не может быть больше 100%. В классификации фильтров самый эффективный — ULPA-фильтр U18 с эффективностью 99,9999995%. Поэтому в лучшем случае CADR = 0,999999995 * Q.

Факт №3: CADR зависит от типа загрязнителя

CADR зависит от однопроходной эффективности очистителя. А она зависит от эффективности фильтров. А эффективность фильтра зависит от типа загрязнителя. В прошлой статье про НЕРА мы говорили, что этот фильтр по-разному задерживает мелкие и крупные частицы. Для частиц РМ2.5 будет одна эффективность, для частиц РМ10 — другая, а для летучих органических соединений — и вовсе нулевая (НЕРА задерживает только частицы, но не молекулы газов).

А вот угольный фильтр чистит газы, но плохо задерживает частицы. Поэтому очиститель с определенным комплектом фильтров будет иметь разный CADR по разным типам загрязнителей. Ассоциация AHAM проводит независимые исследования домашних очистителей и по их итогам выдает вот такие стикеры с CADR по разным загрязнителям:

Для простоты и наглядности мы остановимся на одном типе загрязнителей — РМ2,5. Дальше по тексту будем говорить о CADR по этим частицам.

Как CADR влияет на реальную эффективность очистки

Представьте изолированную комнату с идеальными условиями. Воздухообмен равномерный, то есть в любой части комнаты концентрация частиц PM2.5 одинаковая. Они не оседают на стены и пол, и источников частиц нет. В комнате установлен очиститель-рециркулятор. Притока нет, прибор очищает только тот воздух, который уже есть в комнате. Это единственный фактор, который изменяет концентрацию частиц в нашей идеальной комнате. В физике такая комната называется «реактором идеального перемешивания».

Если прибор выключен, концентрация частиц в комнатном воздухе будет постоянной. Если очиститель включен, концентрация падает. И чем дольше прибор работает, тем меньше частиц останется в воздухе. Концентрация частиц со временем убывает экспоненциально:

Экспонента описывается формулой:

Показатель экспоненты — отношение CADR к объему помещения V. Значит, именно он определяет характерное время очистки помещения:

Чтобы понять связь между CADR и реальной эффективностью прибора, зададим параметры:

Обратите внимание на нетривиальный факт. Допустим, в нашей комнате объемом 100 м3 стоит очиститель с производительностью 100 м3/ч. То есть он обеспечивает однократный воздухообмен. Получается, за 1 час воздух в комнате полностью обновится? Нет. Мы только что показали, что даже с эффективностью очистителя 100% (CADR = Q) при однократном воздухообмене эффективность очистки комнаты будет 63,2%. То есть концентрация снизится примерно в 3 раза, но никак не в десять и не в сто раз!

От 95% и выше — это уже хорошая эффективность очистки. Ее мы получили при трехкратном воздухообмене (CADR = 300 м3/ч, V = 100 м3). Так что вот простой совет: чтобы определить минимальный CADR для своей комнаты, умножьте её объем на три.

Как измерить CADR очистителя

Можно измерить CADR напрямую. Однопроходную эффективность прибора измеряем на аэрозольном стенде и умножаем ее на производительность прибора. Это самый точный способ измерения CADR. Но аэрозольные стенды в России можно пересчитать по пальцам, поэтому посчитать CADR напрямую будет сложно.

Ассоциация AHAM предложила упрощенную методику. В ней CADR измеряется не напрямую, а через измерение непосредственно эффективности очистки воздуха. При этом можно не надо знать ни однопроходную эффективность прибора, ни производительность.

Измерим CADR очистителя по РМ2.5 по упрощенной методике.

В изолированную комнату ставим очиститель, но пока не включаем. Инжектируем в комнатный воздух какое-то количество аэрозоля из РМ2.5. Замеряем концентрацию частиц в разные моменты времени: через минуту, 10 минут, полчаса, 45 минут, час, два и так далее

Проветриваем комнату и снова напускаем то же количество РМ2.5. Включаем очиститель. Измеряем концентрацию частиц в воздухе с теми же временными интервалами.

Получаем две серии замеров: без очистителя и с очистителем. Полученные данные аппроксимируются экспонентой.
Первая экспонента показывает естественное осаждение частиц на стены и пол. Вторая — естественное осаждение и осаждение частиц в очистителе.

Вычитаем одно из другого и получаем итоговую экспоненту осаждения частиц в очистителе. Находим показатель экспоненты: (- CADR / V). Объем помещения мы знаем, посчитать CADR легко.

Такой способ измерения менее точный, чем на аэрозольном стенде. Зато он намного проще. Погрешность можно снизить, если провести большую серию измерений.

Какой CADR у очистителя Tion Clever

В США и Китае производителей обязывают указывать CADR очистителей воздуха. В России этого пока еще нет. Мы измерили CADR своего очистителя по собственной инициативе.

Эффективность Tion Clever мы проверили на аэрозольном стенде АС-1. Для мелкодисперсного аэрозоля с частицами PM2.5 однопроходная эффективность прибора больше 95%. Производительность прибора 150 м3/ч. Получаем CADR = 142,5.

Tion Clever разрабатывался для обеззараживания воздуха в медицинских палатах и кабинетах. Его CADR соответствует медицинским требованиям по обеспечению стерильности воздуха в лечебно-профилактических учреждениях. Один Tion Clever обеспечит трехкратный воздухообмен в помещениях объемом около 50 м3, то есть площадью около 20 м2. Для помещений большей площади устанавливается несколько приборов.

На фото два Tion Clever в операционном блоке одной из московских больниц: один на стене, другой на мобильной подставке.

Предлагаем вам элементарную задачку.

Один Tion Clever стоит в комнате площадью 20 м2 и высотой потолка около 2,5 м. Для простоты допустим, что в помещении нет источников частиц. За какое время Tion Clever снизит концентрацию частиц PM2.5 в 100 раз? То есть очистит воздух в комнате на 99%.

Считаем объем комнаты:
V = 20 м2 * 2,5 м = 50 м3

Начальная концентрация частиц PM2.5 в воздухе равна N₀. Через время t она должна снизится в 100 раз:
N_t = 0,01 * N₀

Концентрация в воздухе меняется по закону:
N_t = N₀ * exp (- CADR * t / V)

Ответ: примерно через полтора часа Tion Clever очистит воздух в комнате на 99%.

Заключение: советы по выбору очистителя воздуха

Самое главное — выбирайте очиститель с НЕРА-фильтром. Дальше выбор зависит от того, указан ли CADR на самом приборе.

Если на приборе указан CADR

Посчитайте объем комнаты, в которую планируете поставить очиститель воздуха. Умножьте его на 3. CADR очистителя должен быть не меньше полученного значения.

Если на приборе не указан CADR

И еще раз: не гонитесь за девятками после запятой в эффективности.

Изначально НЕРА-фильтры разрабатывались не для рециркуляторов, а для однопроходной очистки воздуха в вентиляции. Они используются в чистых помещениях в медицине, фармацевтической и электронной промышленности. В этих областях риски представляют даже единичные пылинки или микробы в воздухе. Подача воздуха там устроена так, что стерильный воздух не смешивается с грязным, а вытесняет его. Поэтому однопроходная эффективность должна быть максимально большой, чтобы с улицы не попала ни одна частичка. Вот где нужны девятки после запятой. А каждая «честная» девятка напрямую влияет на стоимость фильтра и всего прибора в целом.

Очистители воздуха (рециркуляторы) — совсем другое дело. Они забирают воздух не с улицы, а из помещения, очищают и разбавляют грязный воздух чистым. Для них важна не эффективность фильтра или прибора сама по себе, важен именно CADR. И по факту, НЕРА-фильтры с эффективностью 95% и 99,95% (при одинаковой производительности очистителя) показывают почти одинаковое время очистки помещения. А раз так, зачем платить больше?

Спасибо за внимание!

Если тема вызовет интерес, расскажем про технологию активной НЕРА-фильтрации в очистителе Tion Clever.

Источник

Что такое HEPA-фильтр: принципы работы и неочевидные факты

Для тех, кто не любит длиннопосты, сразу пишу главное и неочевидное о HEPA-фильтре:

HEPA-фильтр может задерживать частицы всех размеров

Пыль задерживается в HEPA-фильтре практически навсегда. Пылесосить/мыть HEPA практически бесполезно – только менять.

Со временем эффективность HEPA-фильтра только растет. Хотя и растет воздушное сопротивление.

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:

ηобщая = ηсита + ηзацепления + ηинерции + ηдиффузии

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:

ηобщая = ηзацепления + ηинерции + ηдиффузии

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 H10 (по новой номенклатуре E10) работает с эффективностью более 85%, а фильтра класса H11 (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

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.

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:

В фильтр попадает воздушный поток с пылинками разного размера, от 10 мкм и меньше

Крупные частицы выходят из воздушного потока благодаря эффекту инерции, мелкие частицы – благодаря эффекту диффузии

На фильтре оседают все частицы, которые вышли из потока и коснулись волокна

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/мыть HEPA практически бесполезно – только менять.

Со временем эффективность HEPA-фильтра только растет. Хотя и растет воздушное сопротивление.

Источник

Что такое HEPA-фильтр: принципы работы и неочевидные факты

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:

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:

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 H10 (по новой номенклатуре E10) работает с эффективностью более 85%, а фильтра класса H11 (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:

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:

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.

_{Фото НЕРА фильтров взяты отсюда и отсюда.}

Источник

HEPA-фильтр: что это, как работает и чем отличается от других

Если в устройстве есть HEPA-фильтр, производители отмечают это как преимущество. Но что в нем особенного? Объясняем простым языком.

Фильтрация воздуха используется не только в очистителях. Например, чтобы пылесос не выбрасывал обратно пыль, в нем тоже есть система фильтрации. Одним из самых эффективных фильтров в бытовой технике считается HEPA (ХЕПА).

Что означает HEPA?

Это аббревиатура от High Efficiency Particulate Air, что можно перевести как высокоэффективное удержание частиц. Технология эта не новая, появилась она в 40-х годах прошлого века в США и использовалась для улавливания радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности.

Что из себя представляет такой фильтр?

Как работает HEPA-фильтр?

Мы привыкли, что фильтры, грубо говоря, представляют собой сетку, которая способна задерживать частицы размером крупнее ячейки. Но с HEPA-фильтрами все не совсем так: в них очистка происходит за счет сразу трех физических эффектов.

Как часто нужно менять HEPA-фильтры?

Но, конечно, до определенного предела. Через некоторое время пропускная способность фильтра заметно снижается, и это снижает эффективность работы уже самих устройств. Например, у пылесоса может упасть мощность всасывания.

HEPA-фильтры в силу своих конструктивных особенностей одноразовые. То есть пропылесосить их нельзя: вы удалите только самые крупные загрязнения. Промыть под водой тоже нельзя — вы нарушите структуру. Остается только менять — в зависимости от интенсивности использования устройства, делать это нужно как минимум раз в 1-2 года.

Какие устройства оснащены HEPA-фильтром?

Таких довольно много: в первую очередь, это очистители воздуха, кондиционеры и пылесосы. Мы собрали лишь некоторые примеры.

Пылесос Samsung VC20M25

Недорогой, мощный проводной пылесос с несколькими степенями фильтрации. На ручке установлен прозрачный циклонный фильтр, который задерживает крупный мусор, мелкий оседает в мешке (на 2,5 литра), а пыль задерживается HEPA-фильтром. В комплекте идет насадка со щеткой, для хранения которой предусмотрен отсек под крышкой устройства. В пылесосе предусмотрена защита, которая не позволит его запустить без установленного мешка для сбора пыли.

Пылесос KARCHER VC 3

Тихий, компактный проводной пылесос без мешка для сбора пыли. Вместо него установлен циклонный фильтр, заполненность которого легко контролировать благодаря прозрачному контейнеру. В комплект входит несколько насадок для разных поверхностей. Предварительный фильтр можно легко достать и помыть, тем самым сэкономив средства на покупке мешков. Но вот установленный HEPA-фильтр менять нужно обязательно.

Очиститель воздуха АТМОС ВЕНТ-1307

Очиститель воздуха Xiaomi Mi Air Purifier 2C

Небольшой очиститель с футуристичным дизайном, который впишется в современный интерьер. Имеет три степени очистки: стандартную сетку для крупного мусора (таких как волосы), угольный и HEPA-фильтр. Преимуществом можно назвать возможность управления со смартфона через фирменное приложение, в котором можно настроить температуру и влажность воздуха, а также установить режим работы (обычный или ночной). Приложение также уведомит вас о том, что подошло время менять фильтры.

Еще больше очистителей воздуха разных классов вы найдете в этой подборке.

Важно не только дышать чистым воздухом, но и пить чистую воду. Про выбор фильтров для дома у нас тоже есть полезная статья.

Источник