高效空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)與阻力有什么關(guān)系?
1、高效空氣過(guò)濾器( HEPA )能夠在極高收集效率(≥99.97% )下去除低濃度的亞微米粒子,美國(guó)原子能委員會(huì)于20世紀(jì)40年代就將其用于實(shí)驗(yàn)型反應(yīng)堆中去除放射性塵埃(2003),現(xiàn)在已成為世界各國(guó)核工業(yè)中普遍采用的防止放射性氣溶膠污染大氣的一種重要的環(huán)保設(shè)備.降低高效空氣過(guò)濾器的阻力,可以明顯降低通風(fēng)系統(tǒng)的建造和運(yùn)行成本.研究阻力與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系、降低過(guò)濾器阻力是過(guò)濾理論及實(shí)驗(yàn)研究的核心任務(wù)之一。

過(guò)濾理論及實(shí)驗(yàn)研究始于20世紀(jì)初.1922年提出在0.1~0.2μm半徑范圍內(nèi)的氣溶膠顆粒物存在最大滲透率( 1997).此后,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)空氣過(guò)濾理論進(jìn)行了大量的研究,給出了過(guò)濾器阻力的計(jì)算公式,但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的偏差(1998;許鐘麟,1998).(2001)等對(duì)非穩(wěn)態(tài)條件下的過(guò)濾器阻力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究.到目前為止,現(xiàn)有的理論無(wú)法直接用于指導(dǎo)過(guò)濾器的生產(chǎn)實(shí)踐.本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)高效空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)形式,找出阻力最低時(shí)高效空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù),探討高效過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)與阻力之間的關(guān)系,對(duì)于開發(fā)高性能的空氣過(guò)濾器、探討過(guò)濾理論具有重要的意義。高效空氣過(guò)濾器的阻力分為過(guò)濾材料阻力和結(jié)構(gòu)阻力兩部分。

2、1過(guò)濾材料阻力
目前,人們習(xí)慣用達(dá)西定律來(lái)研究過(guò)濾材料的阻力.過(guò)濾理論認(rèn)為,在低流速、小雷諾數(shù)的情況下,多孔介質(zhì)兩端的壓差服從達(dá)西(Darcy)定律:

2.2過(guò)濾器結(jié)構(gòu)阻力
在過(guò)濾器結(jié)構(gòu)阻力方面,相關(guān)的理論研究較少.結(jié)構(gòu)阻力分為兩部分,一部分是空氣流進(jìn)、流出過(guò)濾器時(shí),由于通風(fēng)面積發(fā)生突變(進(jìn)風(fēng)時(shí)突縮、出風(fēng)時(shí)突擴(kuò))而產(chǎn)生的能量損失;一部分是空氣在過(guò)濾器內(nèi)流動(dòng)時(shí)受到過(guò)濾材料、分隔物阻擋、摩擦而產(chǎn)生的能量損失.通過(guò)研究空氣在過(guò)濾器氣流通道內(nèi)的流動(dòng)情況,可以計(jì)算結(jié)構(gòu)阻力。

2.3通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定合理的高效空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù)
在過(guò)濾器的過(guò)濾材料、外形尺寸、通風(fēng)量一定時(shí),增加過(guò)濾器的濾料面積可以降低空氣穿過(guò)過(guò)濾材料的速度.根據(jù)公式(1),會(huì)降低濾料阻力.同時(shí),增加濾料面積時(shí)所采取的措施(如減小濾紙褶的間距、增大濾紙褶的深度),常常會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻力的升高.綜合作用的結(jié)果就是存在更好的結(jié)構(gòu)參數(shù),使過(guò)濾器的總阻力最低.現(xiàn)有的理論無(wú)法得出準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)參數(shù),使高效空氣過(guò)濾器的阻力降至最低,因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究.優(yōu)化阻力最低時(shí)高效空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以指導(dǎo)過(guò)濾器的生產(chǎn)和開發(fā).本文從過(guò)濾材料的褶間距、褶深度、褶形狀三個(gè)方面來(lái)研究過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)與阻力的關(guān)系.

3、材料與方法
實(shí)驗(yàn)過(guò)濾器選用平板密褶型高效空氣過(guò)濾器和有隔板的高效空氣過(guò)濾器,過(guò)濾材料選用進(jìn)口的和國(guó)產(chǎn)的高效空氣過(guò)濾玻纖濾紙(本文中分別用濾紙A和濾紙B表示).

4、結(jié)果
4.1過(guò)濾材料的阻力特性
目前,高效空氣過(guò)濾材料有玻纖濾紙、駐極體聚丙烯、PTFE等(范存養(yǎng)等, 2001),其中玻纖濾紙性能穩(wěn)定、價(jià)格合理,是主流的高效空氣過(guò)濾材料,而其他過(guò)濾材料或價(jià)格昂貴或性能不穩(wěn)定,尚未得到廣泛應(yīng)用.圖1為本實(shí)驗(yàn)中選用的兩種過(guò)濾材料的阻力性能測(cè)試結(jié)果.可以看出,進(jìn)口濾紙A的阻力明顯低于國(guó)產(chǎn)濾紙B.

4.2褶間距對(duì)阻力的影響
在高效空氣過(guò)濾器外形尺寸一定的情況下,減小濾料的褶間距,可以增加過(guò)濾器的濾料面積,減小濾速,降低氣流穿透濾料的阻力.但隨著褶間距的減小,氣流通道也將變小,會(huì)增大氣流在氣道內(nèi)流動(dòng)的能量損失(阻力).所以,存在一合適的褶間距,使過(guò)濾器的總阻力降至最低.為此,本文對(duì)不同濾料、不同褶間距的3種尺寸的平板密褶型高效空氣過(guò)濾器,在1000 m3.h-1風(fēng)量下的阻力進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。
從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),兩種濾料、3種常見(jiàn)規(guī)格平板密褶型高效空氣過(guò)濾器存在不同的最佳褶間距.而且兩種濾料有著相同的規(guī)律,隨著褶深的增大,更好褶間距也相應(yīng)增大.阻力最低的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2中的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同(徐小浩, 2005).這也說(shuō)明,同樣結(jié)構(gòu)形式的過(guò)濾器,采用不同的過(guò)濾材料對(duì)應(yīng)有不同的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù).有隔板的高效空氣過(guò)濾器是另一類常見(jiàn)的過(guò)濾器.表3是用濾料B制作的兩種尺寸的過(guò)濾器阻力實(shí)測(cè)結(jié)果.從表3的數(shù)據(jù)來(lái)看,深度為150 mm的有隔板HEPA過(guò)濾器,在褶間距為4.8mm(分隔板波紋高2.4mm)時(shí)阻力最低;深度為292mm的有隔板HEPA過(guò)濾器,最佳褶間距為5.4mm(分隔板波紋高2.7mm)。

可以看到,不管是密褶型還是有隔板的高效空氣過(guò)濾器,當(dāng)濾料褶深度確定時(shí),存在最佳的濾料褶間距.隨著濾料褶深度的增加,其最佳褶間距也相應(yīng)增大.不同的濾料有不同的最佳的結(jié)構(gòu)形式。

4.3褶深度對(duì)阻力的影響
在對(duì)過(guò)濾器的深度尺寸沒(méi)有嚴(yán)格要求的情況下,增加濾料褶的深度也可以有效增加濾料面積,降低氣流穿透濾料的阻力.濾料褶深度的增加,同樣會(huì)導(dǎo)致氣流通道內(nèi)摩擦阻力的增大,因此,也存在一個(gè)最合理的使過(guò)濾器阻力最低的濾料褶深度。

圖2是一組平板密褶型高效空氣過(guò)濾器的阻力曲線.高效空氣過(guò)濾器的端面尺寸是610 mm×610mm,褶間距為3.3mm,采用進(jìn)口濾料A,深度分別是50mm、60＝mm、69＝mm、80mm和90mm,在850m3.h-1、1000 m3.h-1風(fēng)量下測(cè)定了過(guò)濾器的阻力.從圖2中可以清楚地看出,對(duì)于固定的褶間距,存在最佳的使過(guò)濾器的阻力最低的濾料褶深度.

組用國(guó)產(chǎn)濾料B制作的有隔板的高效空氣過(guò)濾器的阻力曲線.在常用的有隔板HEPA過(guò)濾器的深度范圍內(nèi)(120~320mm),增加過(guò)濾器深度可有效降低過(guò)濾器阻力.過(guò)濾器深度較小(120mm)時(shí),這種影響更大;當(dāng)過(guò)濾器深度較大(292mm)時(shí),增加深度導(dǎo)致的阻力降低不明顯。
可見(jiàn),對(duì)于固定的濾料褶間距,對(duì)應(yīng)有最佳的使過(guò)濾器阻力最低的濾料褶深度.為了降低過(guò)濾器阻力,可以增加濾料褶深度,但同時(shí)必須考慮調(diào)整濾料的褶間距。

4.4褶形狀對(duì)阻力的影響
通常,波紋分隔板一邊抵住濾料褶的底部,一邊露出濾料褶5mm,其寬度比濾料褶的深度大5~8mm,形成矩形剖面的氣流通道.減小波紋分隔板的寬度,通過(guò)特定的制造工藝,可以使濾料褶的底部形成大小不一的V字形狀.兩種氣流通道如圖4所示.

本實(shí)驗(yàn)采用的有隔板的高效空氣過(guò)濾器外形尺寸為: 610mm×610mm×292mm,分隔板波紋高度3.8mm,測(cè)得其在1700m3.h-1風(fēng)量下的阻力如圖5所示。

顯然,當(dāng)濾料褶數(shù)和褶深度相同時(shí),采用V字形剖面氣流通道的過(guò)濾器,與采用矩形剖面氣流通道的過(guò)濾器相比,濾料面積要略小(矩形氣流通道,即d=0時(shí),過(guò)濾器的濾料面積為23. 9 m2;d=30mm時(shí)V字形剖面氣流通道的過(guò)濾器,濾料面積為23.6 m2. ).但根據(jù)阻力的實(shí)測(cè)情況來(lái)看,過(guò)濾器的阻力反而更低.即V字形剖面的氣流通道可以用更小的濾料面積獲得更低的過(guò)濾器阻力.當(dāng)d=15 mm時(shí),濾料面積為23.608 m2;當(dāng)d=40mm時(shí),濾料面積為23.602 m2,可以認(rèn)為,兩者的過(guò)濾面積基本相同,所以過(guò)濾器的濾料阻力也基本相同,這時(shí)過(guò)濾器的阻力差(12Pa)基本上就是結(jié)構(gòu)阻力的差值,可見(jiàn),V字形剖面的氣流通道是一種阻力更低的氣流通道形式.斜波紋板有隔板的高效空氣過(guò)濾器,不僅是增加了過(guò)濾面積,實(shí)際上也是采用了一種更優(yōu)的氣流通道形式。

5討論
5.1阻力的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值的比較公式(3)是許鐘麟(1998)給出的高效過(guò)濾器阻力計(jì)算公式。
根據(jù)公式(3),作者對(duì)實(shí)驗(yàn)中的36臺(tái)有隔板的HEPA過(guò)濾器的阻力進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如表4所示.計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的偏差主要是濾料的不均勻性、工藝的不穩(wěn)定性以及某些參數(shù)選取的不確定性引起的。

5.2對(duì)過(guò)濾器的效率的影響
過(guò)濾器的效率按GB 6165-85規(guī)定,進(jìn)行了鈉焰法測(cè)試.測(cè)試效率時(shí)的風(fēng)量與測(cè)試阻力時(shí)的風(fēng)量相同,結(jié)果表明,過(guò)濾器的效率均不低于99. 99%.但不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的HEPA過(guò)濾器,其過(guò)濾效率不存在明顯的規(guī)律.結(jié)構(gòu)最優(yōu)、阻力最低的過(guò)濾器,效率不一定最高.這說(shuō)明,合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能在保證效率的前提下明顯降低HEPA過(guò)濾器的阻力。

6、結(jié)論
1)存在最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)使HEPA過(guò)濾器的阻力最低,但理論計(jì)算值與實(shí)際情況尚有差距。

2)不同的過(guò)濾材料對(duì)應(yīng)有不同的過(guò)濾器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù).進(jìn)口濾料的褶深為33、52mm和73mm時(shí),對(duì)應(yīng)阻力最低的褶間距分別為2. 7、3.4mm和4.0mm;國(guó)產(chǎn)濾料的褶深為33、52、73、105mm和245mm時(shí),對(duì)應(yīng)阻力最低的褶間距分別為2. 5、3.1、3.7、4.8mm和5.4mm。
3) V字形氣流通道是一種阻力更低的氣流通道形式.合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能在保證效率的前提下,明顯降低高效空氣過(guò)濾器的阻力。

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