078航空高效过滤器性能检测和机舱净化效果分析

图 5 Donaldson-1 过滤器各容尘阶段效率
Donaldson-2过滤器效率随容尘量变化
100.0000%
95.0000%
效率（ %）
90.0000%
89.0g,280Pa 70.5g,233Pa 51.9g,197Pa
85.0000%
33.5g,167Pa 15.1g,130Pa 0g,107Pa
Abstract All air that is recirculated through the aircraft environmental control system shall pass through a high efficiency particulate air (HEPA) filter to protect passengers’ health. The performance of two commercial airliner cabin air filters were investigated under throughout the estimated filter usage period. The Most Penetrating Particle Size (MPPS) were observed at ~100 and ~125 nm, the efficiency of the second generation airline cabin filter is higher than the first generation. The dust loading on the filters led to the increase of filtration efficiency and pressure drop, while in the case of using ASHRAE dust as the test dust, the rate of increment is higher than that when use A2 dust as the test dust. When installed in the ventilation system, the cleaning efficiency of the filtration system is different from the efficiency of the filter itself, the experiment data indicate that the efficiency of the filtration system is just about 40%-50% of the ideal situation, and is much lower than the efficiency of the filter itself. Key words: airliner cabin air filters, efficiency, pressure drop, dust loading, CADR
3
AC dust generator
SMS DMA CPC
DEHS generator
Air distributor
Nozzle Airflow meter
HEPA filter
Test filter Manometer
Fan
图 3 过滤器性能实验台原理图 航空过滤器性能检测参照欧洲标准 EN1822-5 进行。 过滤器效率测试包括细颗粒粒子、 亚微米粒子、 超细颗粒物， 细颗粒粒子及亚微米粒子采用 DEHS 作为测试气溶胶,超细颗粒物 使用 Nacl 颗粒作为测试气溶胶，发生后注入测试系统。细颗粒粒子及亚微米粒子的测量使 用激光粒子计数器，测量粒径范围 0.2μm -3μm；使用微分电迁移率粒径谱仪测量超细颗 粒物浓度，测量粒径范围 10nm-200nm。同时参照 EN779 进行容尘实验，测试尘采用 A2 尘以 及 ASHRAE 尘，利用固体尘器发生后在管道入口注入测试系统。实验全过程利用压差传感器 监测过滤器阻力。 航空高效过滤器及通风系统整体对机舱内空气的净化效果在 973 项目的 7 排舱内进行 （如图 4） 。类似洁净室，当舱内有瞬时污染源散发污染物后，在送风气流的净化作用下， 污染物浓度会呈指数衰减。要计算 CADR 值，需要测量开启空调系统衰减过程及不开空调系 统的自然衰减过程， 测量仪器选用激光粒子计数器， 测点设置在第 4 排中间座位呼吸区高度。 当测量开启空调系统的净化过程时，首先测量舱内 0.5 μm -3 μm 粒子背景浓度，然后开 启发尘器发尘，同时启动混合风扇对舱内气溶胶混合均匀，当舱内 0.5 μm -3 μm 粒子浓 度达到背景浓度的 1000 倍时，停止发尘，保持通风系统开启，以此时为 0 时刻，之后每分 钟测量一次舱内浓度值，持续测量 20 分钟；测量不开空调系统的净化过程，步骤同上，只 是全过程保持空调系统关闭。 测量过程颗粒物浓度以指数规律衰减：
气流进口
引擎 吸气 系统
发动机
去往 空调包
图 1 航空高效过滤器在飞机环控系统中的安装位置 目前，鲜有针对超细颗粒物的过滤器性能研究的文献，Qi 等人发表了一些汽车过滤器 [4] 对超细颗粒物过滤效果的文献 ，但是机舱过滤器对超细颗粒物的研究还未见发表。另外， 对普通高效过滤器， 由于之前有预过滤器处理脏的空气， 因此很少有对高效过滤器进行全寿 命周期性能试验。因此，研究航空 HEPA 全寿命周期对颗粒物，特别是超细颗粒物的过滤器 效果，对保护乘客健康有十分重要的意义。 航空过滤器性能实验在实验室理想条件下进行，但过滤器安装在通风系统后，其过滤 [5] 器效果是与实验室得到的结果不同的 。 这与空气净化器对房间的净化效果与其中安装的过 滤器本身的过滤器效率并不相同是类似的。空气净化器对房间整体的净化效果用一个参数 [6] CADR（Clean Air Delivery Rate）来评价 。CADR 表示空气净化器送出的干净空气对房间 内污染物的去除能力， 其评价的是整个系统的净化效果， 而与其所使用的过滤器无线性关系。 类似的，对安装在回风管中的航空高效过滤器，也可与整个通风系统合为一个整体来考虑， 可以用 CADR 这一指标来评价其对舱内空气的净化效果。
航空高效过滤器性能检测和机舱净化效果 分析
中国建筑上海设计研究院有限公司 任生雄★ 天津大学刘俊杰 张欣
摘要 飞机回风系统都安装高效过滤器以保护乘客健康，对两种航空过滤器进行了全寿命周 期的性能测试，其 MPPS 分别在 100 nm 和 125 nm。且二代航空过滤器 Pall 的初始效率要高 于一代 Donaldson 过滤器。随着容尘量的增加，过滤器效率、阻力都上升，但使用 ASHRAE 尘容尘时，增加速度要快于使用 A2 尘的情况。过滤器安装在通风系统后，净化效果不同于 过滤器本身效率， 进行通风过滤系统整体的净化效果测试， 发现其净化效果仅为理想情况的 40%-50%，相对过滤器本身效果也很低。 关键词 航空过滤器 效率 阻力 容尘 使用时间 CADR
[7]
C ti C ie kti
其中：
（1）
4
Cti ，t i时刻颗粒物浓度（# / cc）； k，衰减常数（min 1）； t i，时间。
CADR 值按下式计算：
CADR V (k e k n )
其中：
（2）
V，测试房间体积（ft.）； k e，空调系统开启的衰减系数（min 1）； k n，自然衰减系数（min 1）。
1 检测方法
航空过滤器实验使用 MD-82 飞机使用的两种过滤器：Donaldson 有隔板过滤器（Model KK2972941，图 2a） ；Pall V 型无隔板过滤器（Model CD00973F2，图 2b） 。过滤器安装在图 3 所示位置，两种过滤器特性参数见表 1。
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2
a
b 图 2 测试用过滤器 a, Donaldson 有隔板过滤器; b, Pall V 型无隔板过滤器 表 1 实验过滤器性能参数 Make, Model Filter A Filter B KK2972941 CD00973F2 额定流量, m3 /h 1699 1970 标称效率,% 90%-95% 99.99% 过滤面积, m2 4.6 8.9 重量, kg 3.6 6.3
图 4 环境舱系统图
2 测量结果分析 2.1 过滤器性能实验
航空高效过滤器过滤效率在什么级别，能否满足机舱内空气品质的要求。 航空高效过滤器过滤效率在什么级别，能否满足机舱内空气品质的要求。图 5-图 7 是 其性能测试结果。 。 过滤效率曲线都呈 过滤效率曲线都呈“U”型， Donaldson 过滤器 MPPS 出现在 100 nm 左右， Pall 过滤器 MPPS 出现在 125 nm 左右。Pall 过滤器效率高于 Donaldson 过滤器， 过滤器，Pall 过滤 器是取代 Donaldson 过滤器在 MD-82 上使用的第二代航空过滤器， 其效率的提高体现了人们 对舱内空气品质的要求日益提高。 两 个 完 全 相 同 的 Donaldsoon 过 滤 器 的 容 尘 实 验 分 别 使 用 两 种 不 同 的 测 试 尘 ： Donaldsoon-1 使用 A2 尘；Donaldson Donaldson-2 使用 ASHRAE 尘。可以看出，Donaldson Donaldson-2 的效率提 高 速度 要远 快于 Donaldson-1。 Donaldson 从图 8 可见 Donaldson-2 的阻 力增 加速 度也 远快 于 Donaldson-1。这一现象的原因是两种测试尘的差异所致， 。这一现象的原因是两种测试尘的差异所致，ASHRAE 尘由 A2 尘、炭黑、棉绒 的混合物组成，当尘附着在过滤器上时，棉绒可充当纤维的作用，增大效率及阻力。同时会 当尘附着在过滤器上时，棉绒可充当纤维的作用，增大效率及阻力。同时会 造成测试尘更快附着、堵塞过滤器 造成测试尘更快附着、堵塞过滤器，造成阻力增大。另外，炭黑对颗粒物的吸附作用也可增 另外，炭黑对颗粒物的吸附作用也可增 大效率。
Investigation on the performance of airliner cabin air filter and its cleaning efficiency for the airline cabin
China Shanghai Architectural Design & Research Institute Co., Ltd Ren Shengxiong Tianjin University Liu Junjie, Zhang Xin
5
Donaldson-1过滤器效率随容尘量变化
100.0000% 98.0000% 96.0000% 94.0000% 效率（ % ） 92.0000% 90.0000% 88.0000% 86.0000% 84.0000% 82.0000% 80.0000% 10 100 粒径（ nm ） 1000 0g, 100 Pa 105g,115Pa 217g, 144Pa 313g,184Pa 411g, 262Pa
80.0000%
75.0000% 10 100 粒径（ nm ） 1000
图 6 Donaldson-2 过滤器各容尘阶段效率
0 引言
1
大量流行病学研究表明，人体暴露在悬浮颗粒物（PM）中会影响健康，比如引起呼吸 [1] 3 系统疾病和心血管疾病 。 前人研究发现在机舱内存在高浓度的悬浮颗粒物 （50-200 µg/ m ） [2] ，所以乘客在机舱内停留会面临很大的疾病风险。另外，致病气溶胶(d<300 nm)受到越来 越多的关注。出于节约能源考虑，机舱新风量在原来基础上减少一半。为保障乘客健康，在 [3] 飞机回风系统安装高效过滤器（HEPA） (如图 1)。根据不同的运行维护要求，飞机过滤器 的更换周期在 3600-6000 小时，期间不进行性能测试。