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净化工程
空气过滤器结构与阻力关系分析
过滤器的效率按GB 6165-85规定,进行了钠焰法测试.测试效率时的风量与测试阻力时的风量相同,结果表明,过滤器的效率均不低于99. 99%
1、引言(Introduction)
  高效空气过滤器(High-Efficiency ParticulateAirFilter, HEPA Filter)能够在极高收集效率(≥99.97% )下去除低浓度的亚微米粒子,美国原子能委员会于20世纪40年代就将其用于实验型反应堆中去除放射性尘埃(Anglenetal., 2003),现在已成为世界各国核工业中普遍采用的防止放射性气溶胶污染大气的一种重要的环保设备.降低高效空气过滤器的阻力,可以明显降低通风系统的建造和运行成本.研究阻力与其他结构参数之间的关系、降低过滤器阻力是过滤理论及实验研究的核心任务之一(付海明等, 2003).
  过滤理论及实验研究始于20世纪初. 1922年,Freundlich提出在0. 1~0. 2μm半径范围内的气溶胶颗粒物存在最大渗透率(Spurny, 1997).此后,国内外许多学者对空气过滤理论进行了大量的研究,给出了过滤器阻力的计算公式,但计算结果与实测数据存在较大的偏差(林忠平, 1998;许钟麟,1998).Thomas(2001)等对非稳态条件下的过滤器阻力进行了实验和模拟研究.到目前为止,现有的理论无法直接用于指导过滤器的生产实践.本文通过实验改进高效空气过滤器的结构形式,找出阻力最低时高效空气过滤器的结构参数,探讨高效过滤器的结构与阻力之间的关系,对于开发高性能的空气过滤器、探讨过滤理论具有重要的意义.

 2、理论分析(Theoretical analysis)
  高效空气过滤器的阻力分为过滤材料阻力和结构阻力两部分.
  2. 1 过滤材料阻力
  目前,人们习惯用达西定律来研究过滤材料的阻力.过滤理论认为,在低流速、小雷诺数的情况下,多孔介质两端的压差服从达西(Darcy)定律:
  2. 2、过滤器结构阻力
  在过滤器结构阻力方面,相关的理论研究较少.结构阻力分为两部分,一部分是空气流进、流出过滤器时,由于通风面积发生突变(进风时突缩、出风时突扩)而产生的能量损失;一部分是空气在过滤器内流动时受到过滤材料、分隔物阻挡、摩擦而产生的能量损失.通过研究空气在过滤器气流通道内的流动情况,可以计算结构阻力.
  2. 3 通过实验来确定合理的高效空气过滤器的结构参数
  在过滤器的过滤材料、外形尺寸、通风量一定时,增加过滤器的滤料面积可以降低空气穿过过滤材料的速度.根据公式(1),会降低滤料阻力.同时,增加滤料面积时所采取的措施(如减小滤纸褶的间距、增大滤纸褶的深度),常常会导致结构阻力的升高.综合作用的结果就是存在最佳的结构参数,使过滤器的总阻力最低.现有的理论无法得出准确的结构参数,使高效空气过滤器的阻力降至最低,因此,通过实验研究.优化阻力最低时高效空气过滤器的结构参数,可以指导过滤器的生产和开发.本文从过滤材料的褶间距、褶深度、褶形状三个方面来研究过滤器的结构与阻力的关系.
 3、材料与方法(Materials andmethods)
  实验过滤器选用平板密褶型高效空气过滤器和有隔板的高效空气过滤器,过滤材料选用进口的和国产的高效空气过滤玻纤滤纸(本文中分别用滤纸A和滤纸B表示).
 4、结果(Results)
  4. 1 过滤材料的阻力特性
  目前,高效空气过滤材料有玻纤滤纸、驻极体聚丙烯、PTFE等(范存养等, 2001),其中玻纤滤纸性能稳定、价格合理,是主流的高效空气过滤材料,而其他过滤材料或价格昂贵或性能不稳定,尚未得到广泛应用.图1为本实验中选用的两种过滤材料的阻力性能测试结果.可以看出,进口滤纸A的阻力明显低于国产滤纸B.
  4. 2 褶间距对阻力的影响
  在高效空气过滤器外形尺寸一定的情况下,减小滤料的褶间距,可以增加过滤器的滤料面积,减小滤速,降低气流穿透滤料的阻力.但随着褶间距的减小,气流通道也将变小,会增大气流在气道内流动的能量损失(阻力).所以,存在一合适的褶间距,使过滤器的总阻力降至最低.为此,本文对不同滤料、不同褶间距的3种尺寸的平板密褶型高效空气过滤器,在1000 m³.h-1风量下的阻力进行了测试,结果见表1.
  从表1中的数据可以看出,在本实验范围内,两种滤料、3种常见规格平板密褶型高效空气过滤器存在不同的最佳褶间距.而且两种滤料有着相同的规律,随着褶深的增大,最佳褶间距也相应增大.阻力最低的结构参数见表2.
  表2中的数据与文献报道的结构参数不同(徐小浩, 2005).这也说明,同样结构形式的过滤器,采用不同的过滤材料对应有不同的最佳结构参数.有隔板的高效空气过滤器是另一类常见的过滤器.表3是用滤料B制作的两种尺寸的过滤器阻力实测结果.从表3的数据来看,深度为150 mm的有隔板HEPA过滤器,在褶间距为4. 8 mm(分隔板波纹高2. 4 mm)时阻力最低;深度为292 mm的有隔板HEPA过滤器,最佳褶间距为5. 4 mm(分隔板波纹高2. 7 mm).
  可以看到,不管是密褶型还是有隔板的高效空气过滤器,当滤料褶深度确定时,存在最佳的滤料褶间距.随着滤料褶深度的增加,其最佳褶间距也相应增大.不同的滤料有不同的最佳的结构形式.
  4. 3、褶深度对阻力的影响
  在对过滤器的深度尺寸没有严格要求的情况下,增加滤料褶的深度也可以有效增加滤料面积,降低气流穿透滤料的阻力.滤料褶深度的增加,同样会导致气流通道内摩擦阻力的增大,因此,也存在一个最合理的使过滤器阻力最低的滤料褶深度.
  图2是一组平板密褶型高效空气过滤器的阻力曲线.高效空气过滤器的端面尺寸是610 mm×610mm,褶间距为3. 3 mm,采用进口滤料A,深度分别是50 mm、60 mm、69 mm、80 mm和90 mm,在850m³.h-1、1000 m³.h-1风量下测定了过滤器的阻力.从图2中可以清楚地看出,对于固定的褶间距,存在最佳的使过滤器的阻力最低的滤料褶深度.
  组用国产滤料B制作的有隔板的高效空气过滤器的阻力曲线.在常用的有隔板HEPA过滤器的深度范围内(120~320mm),增加过滤器深度可有效降低过滤器阻力.过滤器深度较小(120 mm)时,这种影响更大;当过滤器深度较大(292 mm)时,增加深度导致的阻力降低不明显.
  可见,对于固定的滤料褶间距,对应有最佳的使过滤器阻力最低的滤料褶深度.为了降低过滤器阻力,可以增加滤料褶深度,但同时必须考虑调整滤料的褶间距.
  4. 4、褶形状对阻力的影响
  通常,波纹分隔板一边抵住滤料褶的底部,一边露出滤料褶5mm,其宽度比滤料褶的深度大5~8mm,形成矩形剖面的气流通道.减小波纹分隔板的宽度,通过特定的制造工艺,可以使滤料褶的底部形成大小不一的V字形状.两种气流通道如图4所示.
  本实验采用的有隔板的高效空气过滤器外形尺寸为: 610mm×610mm×292mm,分隔板波纹高度3. 8mm,测得其在1700m³.h-1风量下的阻力如图5所示.
  显然,当滤料褶数和褶深度相同时,采用V字形剖面气流通道的过滤器,与采用矩形剖面气流通道的过滤器相比,滤料面积要略小(矩形气流通道,即d=0时,过滤器的滤料面积为23. 9 m²;d=30mm时V字形剖面气流通道的过滤器,滤料面积为23.6 m². ).但根据阻力的实测情况来看,过滤器的阻力反而更低.即V字形剖面的气流通道可以用更小的滤料面积获得更低的过滤器阻力.当d=15 mm时,滤料面积为23. 608 m²;当d=40mm时,滤料面积为23. 602 m²,可以认为,两者的过滤面积基本相同,所以过滤器的滤料阻力也基本相同,这时过滤器的阻力差(12Pa)基本上就是结构阻力的差值,可见,V字形剖面的气流通道是一种阻力更低的气流通道形式.斜波纹板有隔板的高效空气过滤器,不仅是增加了过滤面积,实际上也是采用了一种更优的气流通道形式.
 5、讨论(Discussion)
  5. 1 阻力的理论计算值与实际测量值的比较公式(3)是许钟麟(1998)给出的高效过滤器阻力计算公式.
  根据公式(3),作者对实验中的36台有隔板的HEPA过滤器的阻力进行了计算,计算结果和实测结果如表4所示.计算值和实测值的偏差主要是滤料的不均匀性、工艺的不稳定性以及某些参数选取的不确定性引起的.
  5. 2、对过滤器的效率的影响
  过滤器的效率按GB 6165-85规定,进行了钠焰法测试.测试效率时的风量与测试阻力时的风量相同,结果表明,过滤器的效率均不低于99. 99%.但不同结构参数的HEPA过滤器,其过滤效率不存在明显的规律.结构最优、阻力最低的过滤器,效率不一定最高.这说明,合理的结构优化能在保证效率的前提下明显降低HEPA过滤器的阻力.
 6、结论(Conclusions)
  1)存在最佳的结构参数使HEPA过滤器的阻力最低,但理论计算值与实际情况尚有差距.
  2)不同的过滤材料对应有不同的过滤器最佳结构参数.进口滤料的褶深为33、52 mm和73 mm时,对应阻力最低的褶间距分别为2. 7、3. 4 mm和4. 0 mm;国产滤料的褶深为33、52、73、105 mm和245 mm时,对应阻力最低的褶间距分别为2. 5、3.1、3. 7、4. 8 mm和5. 4 mm.
  3) V字形气流通道是一种阻力更低的气流通道形式.合理的结构优化能在保证效率的前提下,明显降低高效空气过滤器的阻力. 
 
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