فيلتراسيون گازها – فيلترهای الكترواستاتيک

فيلتر الكترواستاتيک

فیلتر الکترواستاتیکی (آلومینیومی) دستگاهی است كه با ايجاد يك ميدان الكتريكی، ذرات موجود در گاز را از آن جدا می سازد. با استفاده از تکنولوژی نانو قابلیت جذب الکتریکی ذرات آلرژی زا و دوده هوا را دارا می باشد.

این فیلتر با خاصیت بار الکتریکی، جاذب ذرات باردار معلق در هوا توسط صفحات الکترو استاتیک است و همچنین قابل شستشو نیز می باشد که موجب افزایش طول عمر فیلتر هپا نیز می گردد. با این سیستم ها به محض شروع عمل فیلترینگ هیچ خروجی به صورت دود یا غبار نداریم.

رسوب­ دهنده­ های الکترواستاتیک از شیوه­ های مطرح در زمینه­ تصفیه هوای آلوده می­ باشند و به­ عنوان بخش اولیّه­ سیستم تهویه در نیروگاه ­ها، صنایع مختلف و بیمارستان­ ها جهت کنترل ذرات جامد یا قطرات مایع با افت فشار پایین به­ کار می­ روند.

فيلتر الكترواستاتيک با اعمال بار الکتریکی روی ذرات جامد و به تعلیق در آوردن آنها بین تعدادی صفحات عمودی معلق باردار(الکترودها)، هوای غبار آلود را تمیز می نماید. هر یک از ذرات به طرف صفحه با بار مخالف حرکت کرده، به آن نزدیک شده و روی آن می چسبد.

اساسا این یک فرایند تصفیه محسوب نمی گردد (هر چند این کار در مقیاس بزرگ تولید مجدد یکی از مکانیزم های تصفیه می باشد) و در قسمت های آتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. می توان از برخی فیلترها برای به دام انداختن ذرات بزرگ قبل از فيلتر الكترواستاتيک استفاده نمود یا اینکه پس از فیلتر، ذراتی که از فيلتر الكترواستاتيک عبور نموده اند را به دام انداخت.

لوورها (کرکره ها)

عملکرد لوورها بر اساس جداسازی وزنی می باشد، اما طراحی آئرودینامیکی آنها از درجه اهمیت زیادی برخوردار است. یک مثال موفق در شکل 2 به نمایش در آمده که شامل یک کیسه V شکل است که بصورت کاملا جوشی ساخته شده است.

قسمت پایین دست کیسه به صورت صلب بوده و یک یا دو طرف V از نوارهای کرکره ای ساخته شده اند. هوای کثیف وارد انتهای باز کیسه شده و غبار از آن جدا گشته و هوا با زاویه 180 درجه چرخش می نماید و از طرف نوار باز V عبور می کند.

غبار به راه خود ادامه داده و در قسمت راس V یک شیار تعبیه شده که می توان غبار را از طریق آن خارج نمود یا غبار را به طرف نقطه جمع آوری انتقال داد. برای به حرکت در آوردن غبار، کمی هوا به عنوان هوای ثانویه از قسمت شیار عبور داده می شود.

چنین سیستم لووری در محدوده سرعت های وسیعی از روی پره های لوور بدون از دست دادن راندمان به کار ادامه خواهد داد ونسبت قابل قبولی از هوای ثانویه به اولیه را فراهم می نماید. معمولا هوای ثانویه 10 درصد هوای اولیه است، اما این نسبت را می توان با توجه به محدودیت ها و اصلاحات لازم در راندمان تصفیه هوا تغییر داد. سرعت قابل قبول از روی پره های لوورها برای هر کاربرد توسط افت فشار مجاز از روی آن تعیین می شود.

بنابراین یک لوور غبار گیر با سطح معین می تواند دارای محدوده نامعینی از دبی های هوا که بستگی به افت فشار مجاز لوور دارد، باشد. این سیستم با افت فشار هوای اولیه 75% تا24 سانتی متر مورد استفاده قرار گرفته است.

سیستم های هواساز

سیستم های هواسازی که در آنها فیلتر هوا نقش تعیین کننده ای ایفا می کند را می توان بصورت زیر طبقه بندی نمود:

• ساختمان های تک واحدی ویلایی تا مجتمع های آپارتمانی بزرگ، متل ها و ساختمان های اداری دارای سیستم گرمایش، تعویض هوا و تهویه مطبوع (HVAC)؛
• تصفیه هوای صنعتی شامل تهویه هوای کارخانجات یا سیستم های ورودی یا خروجی هوای ماشین آلات؛
• اتاق های تمیز و نیازهای خاص آنها در ارتباط با هوای ورودی یا تهویه؛
• تعویض هوای وسائل نقلیه در حال حرکت که می تواند شامل خودروی شخصی، قطار یا هواپیمای مسافربری و یا کشتی شود.

برای تامین هوای سالم و کنترل های ایمنی، هر یک از هواسازهای فوق نیاز به راه حل خاص خود دارند.در نظر گرفتن کامل گزینه های مختلف و سطح تصفیه موجود برای براورده ساختن عملکرد مورد نیاز از اهمیت خاصی برخوردار است. مطالعات مهندسی بیش از اندازه می تواند هزینه ای معادل بها ندادن به مطالعات مهندسی داشته باشد.

تاسیسات ساختمان

در سیستم های تاسیسات ساختمان یکی از مهم ترین ملاحظات برای سیستم های تصفیه هوا دستیابی به موازنه بهینه هزینه های اولیه و جاری می باشد که دومی در زمان های افزایش هزینه ها مانند هزینه تعمیر و نگهداری، هزینه های کارگری و تعویض فیلترهای یکبار مصرف از اهمیت خاصی برخوردار خواهد بود.

معمولا استفاده از واحدهای یکپارچه در دستگاه های هواساز نسبت به حالت نصب جداگانه اجزاء در محل پروژه اولویت خواهند داشت. بطور کلی این روش اقتصادی تر بنظر می رسد و تجزیه و تحلیل آن از نظر هزینه های مصالحی آتی مورد نیاز عملی تر است. بدیهی است اعداد و ارقام مربوط به دستگاه هواساز مرکزی شامل بادزن، مبدل های حرارتی، رطوبت زن ها و سیستم تصفیه هوا باید از سوی سازنده دستگاه در اختیار کارفرما قرار داده شود.

یکی از مزیت های دیگر سیستم های یکپارچه آن است که از نظر ابعادی فیلترهای تخت، کیسه ای، رول فیلتر و سایر ترکیبات دیگر از فیلترهای ساخته شده توسط یک سازنده با یکدیگر سازگاری کامل دارند. گرچه فقط باید تصمیم گیری لازم در مورد نوع فیلترهای مورد نیاز و دارای بیشترین کارایی بعمل آید.

تعیین نوع پیش فیلترها

بررسی لازم در مورد نوع پیش فیلترها (فیلترهای اولیه و درشت)، و کلاس های تصفیه EUROVENT بینEU1 تا EU4 ضرورت دارد و اینکه آیا استفاده از این فیلترها کفایت می کند و یا اینکه باید از فیلترهای ریز EU5 تا EU7 نیز استفاده نمودکه البته افزایش هزینه را در پی خواهد داشت.

معمولا پیش فیلترها ذرات غبار تا بزرگی 5 میکرون را جذب می کنند. چنانچه این موضوع در مورد ساختمان های اداری دارای سیستم گرمایش مرکزی تعمیم دهیم، خواهیم دید که مقدار ذرات موجود در هوا پس از یک پیش فیلتر بسیار قابل توجه بوده که لزوم کاهش فواصل تمیز کاری داخلی یا تغییر دکوراسیون به 2 تا 3 سال در نقاط شهری را به دنبال خواهد داشت.

استفاده از مرحله دوم تصفیه هوا به کمک فیلترهای ریز(fine filters) برای جداسازی ذرات تا اندازه 1 میکرون باعث افزایش این فواصل خواهد شد و هزینه های تعمیر و نگهداری ساختمان را در ازای تحمیل هزینه اولیه و جاری فیلترهای اضافه شده کاهش خواهد داد.

صرفه جویی حاصله در کاربردهایی مانند فروشگاه های زنجیره ای بزرگ و امثال آن به دلیل کاهش هزینه های تغییر دکوراسیون و کثیف شدن کالاها اهمیت بسیار بیشتری برخوردار است. متاسفانه راهکاری در مورد تعیین صرفه جویی های ناشی از اضافه شدن این فیلترها وجود نداشته، ضمن آنکه امکان استفاده از فیلترهای ریز به جای یک فیلتر اولیه نیز وجود ندارد. در ضمن عدم استفاده از پیش فیلترها و استفاده صرف از فیلترهای با راندمان بالاتر (کلاس EU8 تا EU9) عملکرد و عمر کاری فیلترهای ریز را کاهش خواهد داد.

فیلتر کیسه ای لوله ای و کیسه ای (پاکتی) همانطوری که از نامشان پیداست، پارچه آنها به شکل کیسه استوانه ای یا بیضی شکل بوده که از یک طرف بسته و از طرف دیگر باز است. عملکرد آنها بدین صورت است که غبار در سطح داخل یا خارج جمع شده یا از خارج وارد می شود.

فیلتر کیسه ای لوله ای و کیسه ای

در فیلترهای مورد استفاده برای تصفیه گازها از تعداد زیادی کیسه که در یک محفظه قرار می گیرند، استفاده می شود. این کار باعث می شود حجم زیادی از غبارات جامد توسط فیلترها جذب شود که در قسمت های بعدی به تشریح آن خواهیم پرداخت.

فیلترهای کیسه ای را می توان به صورت تکی یا گروه های 4 تا 8 تایی مورد استفاده قرارداد و محفظه آنها به صورتی ساخته می شود که قادر به نگهداری فیلترها و وزن ناشی از آنها باشد. همچنین از طریق این محفظه می توان به فیلترها دسترسی داشت و آنها را تعویض نمود.

این محفظه نگهدارنده درست به اندازه فیلترها ساخته می شود به گونه ای که فیلترها در فضای پیش بینی شده نصب و توسط بست نگهداری شوند. فیلترهای کیسه ای بسیار بیشتری را به ازای همان تعداد از فیلترهای تخت(panel filters) ایجاد می نمایند.

فیلترهای کیسه ای باید کمی مقاوم تر از پارچه های مورد استفاده در فیلترهای تخت ساخته شوند، اما بسته به نوع کاربرد می توانند از مواد مختلفی مانند ورق های آغشته، الیاف مصنوعی و طبیعی و پارچه الیاف شیشه ای ساخته شوند.

کاربردهای صنعتی

در کاربردهای صنعتی و جاهایی که تصفیه ذرات ریز هوا مد نظر است ، کیسه ها اغلب از الیاف مصنوعی و یا پشم شیشه ساخته شده و از دو طرف توسط توری سیمی محافظت می گردند. همچنین فیلترهای چند لایه با استفاده از پارچه های متفاوت ساخته می شوند که بطور مثال می توان از لایه داخلی برای نگهداری غبار میانی برای ذرات ریز و لایه خارجی برای جلوگیری از پراکنده شدن الیاف فیلتر استفاده نمود. با وجود اینکه پارچه های پشم شیشه از کارایی زیادی برخوردارند، اما الیاف مصنوعی بخاطر برخی مزایا به پارچه های پشم شیشه ترجیح داده می شوند.

بسته به نوع پارچه مورداستفاده می توان راندمانهای بسیار بالایی تا 8/99 درصد (با آزمایشات اندازه گیری غبار بر طبق استاندارد DIN24 185) را توسط فیلترهای کیسه ای بدست آورد. همچنین عملکرد بستگی به صلب و متورم ماندن کیسه ها حتی در حالتی که دبی هوا صفر است، دارد. بسیاری از کیسه ها طوری ساخته می شوند که توسط خود فیلتر نگهداری می شوند، خصوصا اگر بصورت عمودی نصب شوند.

سایر فیلترها نیاز به قلاب، حلقه یا توری سیمی نگهدارنده خواهند داشت. فیلترهای کیسه ای را معمولا نمی توان مجددا مورد استفاده قرارداد؛ باید یک کیسه و یا تمامی کیسه ها را تعویض نمود. بنابراین هزینه مصالح در انتخاب نوع کیسه فیلتر تاثیرگذار خواهد بود.

هر چند سایر هزینه های اضافی قابل بازگشت می باشند، چون در بسیاری از کاربردها می توان از فیلتر کیسه ای به عنوان تصفیه مرحله اول و دوم استفاده نمود و نیازی به استفاده از فیلترهای درشت اولیه نخواهد بود.

ظرفیت اسمی فیلتر کیسه ای

یک فیلتر کیسه ای قادر است در دبی هوای 25 درصد تا 150 درصد ظرفیت اسمی خود عملکرد مناسبی را ارائه دهد که بویژه برای استفاده در سیستم های حجم متغیر هوا مناسب خواهد بود. فیلترهای کیسه ای قابل استفاده برای بساری از کاربردها در انواع مختلفی ساخته می شوند که قادرند افت فشار کمی را تا حدود 8000 ساعت کاری ارائه نمایند.

فیلترهای کیسه ای خصوصا برای تصفیه ذرات ریز هوای ورودی یا گردشی در سیستم های هواساز شامل هواسازهای مورد استفاده برای هوای تازه یا هوای فرایند مناسب می باشند. کاربردهای خاص شامل هواسازهای تهویه هوای کارخانجات، انبارها، فروشگاه های زنجیره ای، ادارات اتاق های کامپیوتر مدارس، ساختمان های عمومی، سالن های کنفرانس یا نمایشگاه، آزمایشگاه ها، تصفیه هوای خنک کن ورودی توربین های گازی، کمپرسورها و موتورها می باشند.

این نوع فیلترها برای تصفیه مقدماتی هوای ورودی کابین های پاشش رنگ و قبل از فیلترهای ریز یا خیلی ریز یا فیلترهای هپا، اولپا و یا کربن فعال مورد استفاده قرار می گیرند. فیلترهای تخت سطح بسیار کمی را برای تصفیه هوا فراهم می کنند که در صورت چین دار نمودن پارچه فیلتر این سطح افزایش قابل توجهی پیدا خواهد کرد.

چنین تجربه ای را می توان به فیلترهای کیسه ای تعمیم داد و پارچه آنها را بصورت چین دار در آورد. هر چند عمق چین ها نمی تواند مانند فیلترهای تخت بسیار زیاد باشد، اما می توان آنها را بصورت V شکل ساخت (شکل1) که این چین های کوچک هم سطح قابل ملاحظه ای را بوجود خواهند آورد. به همین دلیل در تصفیه هوای ورودی نیروگاه ها وکارخانجات صنعتی از فیلترهای چین دار V شکل استفاده زیادی بعمل می آید.

پیش فیلترها

در مورد پیش فیلترها، انتخاب نوع معمولا بین فیلترهای تخت، كیسه ای و رول فیلترهای خودكار (شكل1) خواهد بود. دو فیلتر اول نیاز به هزینه نصب كمتری خواهند داشت، اما هزینه نگهداری آنها بیشتر است. راندمان ها نسبتا پایین بوده اما در رول فیلترهای خودكار راندمان كمی بهتر از فیلترهای تخت یا كیسه ای است.

استفاده از پارچه های الیاف مصنوعی با راندمان های كمی بالاتر در هر یك از انواع فیلترهای مذكور و فیلترهای توری سیمی لزج خودكار رو به افزایش گذاشته است. بعنوان یك راهنمای كلی فیلترهای تخت و كیسه ای بیشتر در مورد سیستم های هواساز ساختمان های با دبی تا 4000 متر مكعب در ساعت و رول فیلترها با پارچه یكبار مصرف و فیلترهای توری سیمی لزج خودكار در سیستم های بزرگتر بكار می روند.

فیلترهای ریز (راندمان بالا)

در صورتی كه كارایی اقتصادی یا هزینه سرمایه گذاری اولیه عامل مهمی نباشد، می توان از تركیب فیلترهای تخت و كیسه ای بعنوان مرحله دوم تصفیه هوا سرد جست یا اینكه از فیلترهای الكترواستاتیك برای جذب ذرات بسیار ریزتر استفاده نمود.

چنانچه فیلتر مذكور از نوع خشك باشد، جمع آوری غبار فیلترهای الكترواستاتیك باید توسط فیلترهای كیسه ای یا رول فیلتر انجام شود. فیلترهای الكترواستاتیك خشك معمولا از چنین تركیبی استفاده می نمایند.

فیلترهای الكترواستاتیك وكیسه ای قابل كاربرد برای سیستم های حجم متغیر هوا می باشند كه در آنها حجم هوا می تواند بین20 تا110 در صد مقدار طراحی باشد. سایر انواع فیلترها از كارایی كمتری برخوردارند. استفاده از سیستم های حجم متغیرهوا به دلیل صرفه جویی در مصرف انرژی رو به افزایش گذاشته است.

جدای از تاثیر حجم متغیر هوا بر كارایی برخی از فیلترها، سایر مشخصات سیستم خصوصا سرعت جریان هوا روی انتخاب نوع فیلتر تاثیرگذار می باشند. بطور كلی هرچه راندمان فیلتر بالاتر باشد، مقدار مجاز دبی طراحی كمتر خواهد بود؛

بنابراین در بسیاری از موقع لازم است برای سازگاری با پارامترهای عملیاتی كارایی كمتری را برای فیلتر در نظر گرفت. بعنوان مثال می توان به منتفی دانستن امكان استفاده از سیستم یكپارچه فیلترهای خطی دو مرحله ای اشاره كرد.

الزامات سیستم تاسیسات

از نظر كلی در یك سیستم كامل تاسیسات لازم است ذرات هوا را جمع آوری نموده و هوا را سرد یا گرم كردو سپس هوای بهسازی شده در سراسر ساختمان به گردش در آورد. مقدار ونوع آلاینده های موجود در هوا تا حد زیادی بستگی به محل ساختمان دارند. در مناطق روستایی غلظت غبار احتمالا بین 05% تا 5%میلی گرم در مترمكعب است كه عمدتا ناشی از سایش ذرات خاك، سبزیجات، گرده ها ومواد كربنی می باشد.

در مناطق شهری غلظت غبار احتمالا1% تا 1 میلی گرم در مترمكعب است كه بخش اعظم آن مربوط به مواد كربنی، خاكستر، سیلیكون و سایر محصولات دانه دار است. در مناطق صنعتی انتظار می رود غلظت غبار بین 2 تا 5 میلی گرم در مترمكعب باشد كه بخش عمده آن را مواد كربنی مانند روغنهای قطران و موم، غبارات شیمیایی و معدنی، اسیدها و گازهای حاوی سولفور تشكیل می دهند.

پارچه های رزینی

پارچه های تایید نشده از جنس الیاف مصنوعی رزینی كه عملیات حرارتی روی آنها انجام شده در حال جایگزینی با پارچه های پشم و شیشه بوده وخصوصا برای تصفیه هوای ورودی و گردشی در سیستم های هواساز و همچنین تاسیسات هوای ورودی فرایند مناسب می باشند این نوع پارچه دارای افت فشار كمی بوده و راندمان نگهداری غبار آن بسیار زیاد است. این جنس از پارچه معمولا بصورت ورق های بریده شده یا حلقه ای تا طول حدود 40 متر در دسترس می باشد.

كاربرد معمول این فیلتر ها شامل آزمایشگاه ها، بیمارستان ها، ادارات، فروشگاه های زنجیره ای، مدارس، كارخانجات، انبارها، سالن های كنفرانس و نمایشگاه، كارخانجات پاشش رنگ، اتاق های تمیز و مراكز كامپیوتر می باشد.

علاوه بر آن محدوده وسیعی از فیلترهای با چگالی بالا خصوصا برای كاربردهای تصفیه نهایی هوا تولید شده اند. فیلترهای یكبار مصرف بصور ت وسیعی برای كاهش دود و بو در دستگاه های هواساز بكار می روند.

فیلترهای كربن فعال

فیلترهای كربن فعال برای جذب انواع دودو بو مانند هودهای خوراك پزی، دودسیگار، گازهای خورنده، مواد فاسدشدنی، پسماندهای صنعتی و مانند آن بصورت قابل ملاحظه ای مورد استفاده قرار می گیرند. ذغال فعال خصوصا برای خنثی سازی بوی مواد آلی بسیار موثر است.

در صورت وجود دود و بوی مواد وابسته به آمونیاك، فیلترهای الیاف مصنوعی مانند فیلترهای پلی استر تایید نشده كه به كربن فعال یا زئولیت آغشته شده اند را می توان مورد استفاده قرار داد. این فیلترها عملكرد موثری در جذب بو در مهدكودك ها و محل های نگهداری كودكان، بیمارستان ها، محل های مراقبت از بیماران، نگهداری حیوانات، سرویس های بهداشتی عمومی و نظایر آن ارائه نموده اند.

عمركاری فیلتر بصورت قابل توجهی با استفاده از این نوع فیلترها تغییر می كند، اما از نظر كلی اگر فیلتر بصورت مداوم تمیز شده و روی آن آب پاشیده شده و یا با جاروبرقی تمیز شود عمر آن عملا تا 6 ماه نیز افزایش خواهد یافت. سرعت هوا، دما و رطوبت همگی براثر بخشی فیلترهای زداینده بو تاثیر می گذارند.

فیلترهای تمیز كننده مستقل هوا

كاربرد تمیزكننده های هوا ی یا دستگاه های تصفیه و به سازی هوا در ادارات ومنازل مسكونی رو به افزایش است. چنانچه دستگاه های مستقل در یك گوشه از اتاق نصب شوند، می توان از آنها برای زدایش غبارات، گرده گل، دود تنباكو و سایر بوها استفاده نمود.

این فیلترها بطور كلی متشكل از فیلتراسیون دو یا سه مرحله ای می باشند كه دارای فیلترهای باردار الكتریكی (الكترواستاتیك ) از الیاف مصنوعی یكبار مصرف تابیده شده می باشند. در این فیلترها محدوده دبی هوا بین150 تا2200 مترمكعب در ساعت است. همچنین این نوع واحدها را (با انتخاب سرعت متغیر هوا ) می توان روی میز، سقف یا دیوار قرار داد.

تصفیه هوای صنعتی

در كارخانجات كثیف بودن هوا باعث كاهش راندمان كارگران، كم شدن عمر كاری ماشین آلات، افزایش میزان آلاینده ها و هزینه های تعمیر و نگهداری خواهد شد. لزوم بهسازی هوا با افزایش غلظت آلاینده های سنگین و یا ساینده در محیط های صنعتی جدی تر می شود.

كنترل كامل با استفاده از سیستم های تصفیه متعارف امكان پذیر نخواهد بود(یا اینكه كاربردشان اقتصادی نمی باشد). در این حالت استفاده از سیستم های جمع آوری غبار در فضای خاص ضرورت پیدا خواهد كرد.

اندازه غبارات صنعتی بین1میلی متر (1000میكرومتر) تا 1 میكرون بوده و حتی در مورد غبار كوره های گنبدی، غبار ریخته گری، غبار كوره های قوس الكتریكی ورنگ دانه ها در پاشش رنگ به 1% میكرومتر نیز می رسد.

فناوری های جدید در كاربردهای پرداخت سطوح نیاز به تصفیه هوای با كیفیت بالاتری را در سیستم های هوای رفت كارخانجات پاشش رنگ واتاق های رنگ (با جریان هوای رو به پایین) ایجاب می نماید. مهم ترین معیار در این فناوری جلوگیری از عبور ذرات به اندازه 15 میكرومتر و بزرگتر از فیلتر حركت آنها در اثر ارتعاشات به پایین دست فیلتر می باشد. ذراتی كه از نظر ظاهری باعث خرابی كیفیت رنگ می شوند در محدوده اندازه 15 تا 40 میكرومتر قرار دارند.

سیستم های عادی بهسازی هوا در قسمت ورودی هوای فرایند از یك فیلتر اولیه برای محافظت دستگاه های تهویه مطبوع خصوصا مبدل های حرارتی، رطوبت زن و بادبزن های گردشی استفاده می نمایند.

در نهایت برای تصفیه بهتر هوا پس از این فیلترها یك ردیف فیلتر ثانویه قبل از كانال خروجی از سیستم مورد استفاده قرار می گیرد. هزینه بالای استفاده از فیلترهای مافوق ریز باعث شده تا این نوع فیلترها فقط بصورت موضعی و در محل های مصرف مانند اتاق های تمیز مورد استفاده قرار گیرند.