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無(wú)塵室中褶型筒式過(guò)濾器運(yùn)用

筒式過(guò)濾器簡(jiǎn)稱濾筒，由?3?層結(jié)構(gòu)材料組成，內(nèi)層和外層均為金屬網(wǎng)（或硬質(zhì)塑料網(wǎng)），中間層為褶型濾紙[1]。濟(jì)南車間凈化工程公司發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的方形過(guò)濾器，筒式過(guò)濾器的氣流進(jìn)出口風(fēng)方向在一個(gè)相互垂直的維度上，在一些特定的環(huán)境下，更容易布置和安裝。

1  理論分析

筒式過(guò)濾器阻力  P 由過(guò)濾器結(jié)構(gòu)阻力和過(guò)濾纖維濾料阻力組成。在低流速、小雷諾數(shù)的情況下，清潔纖維濾料的壓差服從達(dá)西定律[4]：

其中：ì為空氣動(dòng)力粘性參數(shù)，N/(m2?s)；V 為濾料的過(guò)濾速度，m/s；Lf為單位面積所有濾料的總長(zhǎng)度，m；F 無(wú)量綱纖維阻力；K1纖維阻力系數(shù)。容塵阻塞階段的濾料可以看成是由兩種纖維組成，第一種纖維為原始清潔狀態(tài)濾紙的纖維，另外一種為粉塵形成的新纖維層[1 ]，因此阻力可由下式計(jì)算：

式中：?  Pf為清潔纖維阻力，可以由（1）式計(jì)算；?Pp為粉塵形成的新纖維層阻力，可以通過(guò)斯托克公式計(jì)算：

式中：FD為斯托克阻力，N；A 為過(guò)濾面積，m2；V 過(guò)濾風(fēng)速，m / s ；D 為顆粒物直徑，m ；ì為空氣動(dòng)力粘性參數(shù)，N/(m2. s )；N 為總顆粒物數(shù)量；C 為 Cunningham 滑動(dòng)修正系數(shù)；M 為顆粒物總質(zhì)量，kg；ρ為顆粒物密度，kg/m3；K2粉塵層阻力系數(shù)。筒式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)阻力包括濾筒入口阻力?Pcr、褶通道內(nèi)部摩擦阻力?Pcn、濾筒筒芯內(nèi)部沿程力?Pcy、筒出口阻力?Pcc以及內(nèi)外層金屬護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)阻力?Pch。因此濾筒總阻力可以由下式計(jì)算：

筒式過(guò)濾器結(jié)構(gòu)阻力包括濾筒入口阻力?Pcr、褶通道內(nèi)部摩擦阻力  ?Pcn、濾筒筒芯內(nèi)部沿程力?Pcy、濾筒出口阻力?Pcc以及內(nèi)外層金屬護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)阻力?Pch。因此濾筒總阻力可以由下式計(jì)算：

式中：ζ1為濾筒進(jìn)口局部阻力系數(shù)，相當(dāng)于管徑突然縮小，取 0.5；ζ1為濾筒出口局部阻力系數(shù)，相當(dāng)于管徑突然擴(kuò)大，取 1 . 0；ρ為空氣密度，kg/m3；為濾筒沿程阻力系數(shù)；H 為濾筒高度，m；d 為濾筒內(nèi)直徑，m；V1為濾筒迎風(fēng)面風(fēng)速，m /s ；V2

為濾筒出口風(fēng)速，m/s；V3為濾筒內(nèi)風(fēng)速，在濾筒高度方向呈線性關(guān)系，m/s；V0為濾料濾速，m/s；K1為纖維濾料阻力系數(shù)，與纖維特性有關(guān)；K2為粉塵層阻力系數(shù)，與顆粒物直徑，填充率等有關(guān)；M 為容塵量，g/m2；

筒式過(guò)濾器的入口處結(jié)構(gòu)阻力、出口處結(jié)構(gòu)阻力、濾筒筒芯內(nèi)沿程阻力可以通過(guò)濾筒風(fēng)量、內(nèi)外直徑等相關(guān)外形結(jié)構(gòu)參數(shù)直接計(jì)算，而有研究表明一般濾筒的內(nèi)外層金屬護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)阻力可以取 7Pa~11 Pa[1]。筒式過(guò)濾器的褶密度對(duì)筒式過(guò)濾器的過(guò)濾風(fēng)速和褶通道內(nèi)部摩擦阻力有顯著影響，且過(guò)濾風(fēng)速又對(duì)濾紙本身阻力影響很大，因此筆者通過(guò)對(duì)濾紙與濾筒的阻力性能對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究褶密度對(duì)濾筒的阻力性能的影響。

2 阻力性能試驗(yàn)

濾筒阻力性能試驗(yàn)由兩部分內(nèi)容組成，一部分為筒式過(guò)濾器清潔狀態(tài)下初阻力和容塵過(guò)程中阻力性能試驗(yàn)；另一部分為濾筒的濾紙?jiān)谇鍧崰顟B(tài)下的初阻力性能以及濾紙?jiān)诓煌輭m量狀態(tài)下的阻力性能試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

濾筒性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)是按照歐洲過(guò)濾器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（EN779）搭建而成，如圖 1 所示。該試驗(yàn)臺(tái)主要由以下結(jié)構(gòu)部件組成：變頻風(fēng)機(jī)、噴嘴流量計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)件）、人工粉塵發(fā)生裝置、混合室靜壓箱、壓力傳感器、溫濕度傳感器以及風(fēng)管管道。通過(guò)改變

變頻風(fēng)機(jī)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)量；而噴嘴流量計(jì)用于精確測(cè)量試驗(yàn)風(fēng)量；人工粉塵發(fā)生裝置用于發(fā)送人工粉塵（本實(shí)驗(yàn)采用ASHRAE粉塵）；混合室靜壓箱不僅可以讓氣流更加均勻穩(wěn)定，同時(shí)還可以使得人工粉塵均勻分布到氣流當(dāng)中；壓力傳感器用于測(cè)量筒式過(guò)濾器前后壓差，精度為 1.0 級(jí)；溫濕度傳感器用于測(cè)量試驗(yàn)空氣的溫濕度，精度為±0.3%讀數(shù)。所有的測(cè)量?jī)x器均經(jīng)過(guò)計(jì)量計(jì)標(biāo)定且在標(biāo)定的使用期限內(nèi)。

濾紙性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)為國(guó)內(nèi)某公司研制的濾紙綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，圖2為測(cè)試系統(tǒng)原理圖。該試驗(yàn)臺(tái)主要由以下部件組成：風(fēng)機(jī)、平衡閥、流量控制閥、浮子流量計(jì)、壓力傳感器、人工粉塵發(fā)生裝置。風(fēng)機(jī)給試驗(yàn)系統(tǒng)提供風(fēng)量；平衡閥與流量控制閥用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)風(fēng)量；浮子流量計(jì)用于測(cè)量流量，精度±1 % 流量；壓力傳感器用于測(cè)量濾料前后壓差，精度 1.0級(jí)；人工粉塵發(fā)生裝置用于發(fā)送ASHRAE人工粉塵。試驗(yàn)濾料放置在直徑為 110 mm 夾具中，采用壓縮空氣壓緊。所有的測(cè)量?jī)x器均經(jīng)過(guò)計(jì)量計(jì)標(biāo)定且在標(biāo)定的使用期限內(nèi)。

2.2 試驗(yàn)材料與產(chǎn)品

本試驗(yàn)由 3 家公司提供的 3 種不同型號(hào)的濾紙，以及用以上不同濾紙做成的同一規(guī)格（外徑323mm、內(nèi)徑 213 mm、高度 660 mm）圓柱形濾筒，具體參數(shù)見表 1。

2.3 試驗(yàn)方法

濾筒阻力性能試驗(yàn)首先在3個(gè)濾筒在清潔狀態(tài)下，分別對(duì)其阻力性能進(jìn)行測(cè)試（試驗(yàn)風(fēng)量分別為 700 m3/h、900 m3/h、1050 m3/h、1200 m3/h、1400 m3/h、1600 m3/h、1750 m3/h），然后進(jìn)行濾筒在容塵階段的阻力性能試驗(yàn)，通過(guò)變頻風(fēng)機(jī)和噴嘴流量計(jì)將試驗(yàn)風(fēng)量調(diào)到額定風(fēng)量 1400 m3/h，向?yàn)V筒均勻發(fā)送ASHRAE人工粉塵。發(fā)塵過(guò)程中，濾筒阻力會(huì)不斷上升，需要通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率使整個(gè)粉塵發(fā)送過(guò)程中試驗(yàn)風(fēng)量保持不變。測(cè)量濾筒在不同容塵階段的阻力，當(dāng)濾筒達(dá)到終阻力 450 Pa后，試驗(yàn)結(jié)束，繪制濾筒容塵過(guò)程中阻力變化性能曲線。

濾紙性能試驗(yàn)和濾筒性能試驗(yàn)方法類似，通過(guò)調(diào)節(jié)濾料綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的流量調(diào)節(jié)閥使其流量分別達(dá)到 5 L/min、10 L/min、20 L/min、30L/min、40 L/min、50 L/min，然后測(cè)量在不同流量狀態(tài)下清潔濾紙的初阻力，并描繪出相關(guān)的風(fēng)量阻力性能曲線。容塵試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)人工粉塵發(fā)生裝置向?yàn)V紙均勻發(fā)送ASHRAE人工粉塵，然后測(cè)量濾紙?jiān)诓煌輭m、不同風(fēng)量下的阻力，并描繪相關(guān)性能曲線。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3 種型號(hào)的濾筒在清潔狀態(tài)下的風(fēng)量阻力性能試驗(yàn)曲線見圖 3。由圖可以看出，3 種型號(hào)的濾筒的阻力都隨著試驗(yàn)風(fēng)量的增加而近似線性增加，效率級(jí)別為 F8的3#濾筒在同等風(fēng)量下，阻力增長(zhǎng)幅度最大，效率級(jí)別為 F7的2# 濾筒次之，效率級(jí)別為 F6 的 1# 濾筒最小；3 個(gè)濾筒在額定風(fēng)量 1400m3/h 下的初阻力分別為 62 Pa、68 Pa、75 Pa（已經(jīng)扣除濾筒出口安裝板的阻力，即已扣除ΔPcc）。清潔濾料風(fēng)量阻力性能試驗(yàn)結(jié)果見圖 4，由圖可以看出，3 種不同型號(hào)濾料的阻力與風(fēng)量（濾速）都呈線性關(guān)系，其中C濾料阻力增長(zhǎng)最快，B濾料次之，A 濾料增長(zhǎng)最慢。3 種濾料在對(duì)應(yīng)濾筒額定風(fēng)量 1400 m3/h 的濾速 1.77

cm/s 下初阻力分別為 15Pa、17 Pa、21 Pa。為了對(duì)濾筒與濾料阻力性能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，將濾筒的風(fēng)量和濾料的風(fēng)量都轉(zhuǎn)換為濾速，如圖 3、圖 4 的次要橫坐標(biāo)所示。

由圖 4 可知，濾紙?jiān)囼?yàn)風(fēng)量從 10 L/min（44.25px/s）增大到 50 L/min（8.85 cm/s），3 種濾料的阻力都增加了 5 倍左右，這也證實(shí)了（1）式，即濾料阻力與濾速成正比關(guān)系，因此降低濾速能有效降低濾紙阻力，從而能降低過(guò)濾器阻力[1]。筒式過(guò)濾器是通過(guò)增加濾紙褶密度來(lái)增加過(guò)濾面積從而降低濾速來(lái)達(dá)到減小濾筒阻力的目的。本試驗(yàn)所選用的 3 個(gè)不同型號(hào)的濾筒，濾紙褶密度都高達(dá) 3.3褶 /cm，濾筒的過(guò)濾面積達(dá)22 m2，從而使試驗(yàn)濾筒在額

定風(fēng)量1400 m3/h狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的濾速只有1.77c m / s ，很大程度地降低了濾紙的阻力。另一方面，由濾料阻力性能試驗(yàn)結(jié)果可知，3種型號(hào)的濾紙?jiān)陬~定濾速 1.77 m/s的狀態(tài)下阻力分別只有15 Pa、17 Pa、20 Pa，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濾筒的實(shí)際阻力。即使扣除濾筒外形入口處結(jié)構(gòu)阻力和沿程阻力 5 Pa，內(nèi)外層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)阻力 10 Pa，3 個(gè)型號(hào)濾筒褶通道內(nèi)部阻力ΔPcn在同樣額定濾速 1.77 cm/s狀態(tài)下，3 個(gè)型號(hào)的濾筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻力分別高達(dá) 32Pa、35 Pa、40 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濾紙本身阻力。造成褶通道內(nèi)部摩擦阻力高的原因是濾筒濾紙的褶密度太大，褶間距太小，造成氣流擾動(dòng)而產(chǎn)生較大的摩擦阻力，間接地增大了筒式過(guò)濾器的阻力；另外筒式過(guò)濾器的濾紙褶間距太小還容易導(dǎo)致氣流在褶通道內(nèi)部產(chǎn)生局部紊流，使得氣流分布不均勻，從而不能均勻地穿過(guò)濾紙，甚至可能使部分過(guò)濾濾紙并沒有氣流穿過(guò)，從而降低了有效過(guò)濾面積，相應(yīng)增大了濾紙過(guò)濾風(fēng)速，導(dǎo)致濾紙阻力增加，增大了筒式過(guò)濾器的阻力。

3 種型號(hào)（1 # 、2 # 、3 # ）的濾筒在額定風(fēng)量，不同容塵量的狀態(tài)下阻力性能試驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示。與之對(duì)應(yīng)的不同型號(hào)濾料（A、B、C）額定風(fēng)量下容塵阻力試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。為了對(duì)濾筒與濾料不同容塵階段的阻力性能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，筆者將濾筒和濾紙的容塵量都轉(zhuǎn)為單位面積容塵量，如圖 5、圖 6 的次要橫坐標(biāo)所示。

從圖 5、圖 6 可以看出，濾筒和濾紙隨著容塵量增加，濾筒和濾紙阻力一開始都有一個(gè)緩緩上升階段，之后阻力隨容塵量近似成線性增加，某種程度上也證實(shí)了 D. Thomas 過(guò)濾理論[4]，濾紙的阻力和容塵量近似成線性關(guān)系。3 種不同型號(hào)的濾筒阻力隨容塵量增加而增加，其中3#濾筒增長(zhǎng)最快，2#濾筒次之、1# 濾筒增長(zhǎng)最慢，與 3# 筒式過(guò)濾器對(duì)應(yīng)的 C 號(hào)濾料阻力增長(zhǎng)最快，與 1# 筒式過(guò)濾器對(duì)應(yīng)的 A 濾料增長(zhǎng)最慢。在試驗(yàn)風(fēng)量 1400 m3/h 測(cè)試條件下,當(dāng)濾筒終阻力達(dá)到450 Pa 時(shí)，1#、2#、3#筒式過(guò)濾器的容塵量分別為12.8 g/m2、11.0 g/m2、9.7 g/m2。在同樣的試驗(yàn)條件下，即保持濾紙過(guò)濾風(fēng)速為44.25px/s，當(dāng)A濾料容塵量從清潔狀態(tài)達(dá)到容塵量82.4 g/m2，濾紙的阻力從 15 Pa 增加到初阻力的 3 倍 45 Pa； B 濾紙從清潔狀態(tài)達(dá)到容塵量為80.5 g/m2，濾紙的阻力從 17 Pa 增加到初阻力的3倍 51 Pa；C 濾紙從清潔狀態(tài)到容塵量達(dá)到 75.9g/m2，阻力從20 Pa 增加到初阻力的2.5 倍 50 Pa。3 種型號(hào)的濾紙?jiān)谌輭m量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濾筒的狀況下，對(duì)應(yīng)的阻力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濾筒的終阻力450 Pa。

圖7為不同濾紙?jiān)诓煌娜輭m量與不同濾速條件（1.77 cm/s、5.31 cm/s、8.85 cm/s）下的阻力性能試驗(yàn)結(jié)果，從圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾紙的過(guò)濾風(fēng)速?gòu)?.77 cm/s 提高到 8.85 cm/s，濾紙的容塵量達(dá)到 80g/m2后，3 種濾料的終阻力分別達(dá)到250 Pa、270Pa、300 Pa左右，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于筒式過(guò)濾器的 450Pa。這說(shuō)明濾筒容塵后的有效過(guò)濾面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始設(shè)計(jì)的過(guò)濾面積，從而使得濾筒阻力急劇上升。對(duì)受試后的濾料和濾筒進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)單張濾紙表面粉塵分布很均勻，這是濾紙迎風(fēng)面風(fēng)速很均勻造成的結(jié)果；而濾筒的 V字褶形狀濾紙，表面人工粉塵分布明顯不均勻，ASHRAE人工粉塵主要集中在V字形濾紙底端和開口處，中間部分濾紙人工粉塵分布則相對(duì)較小，這與期望的粉塵均勻分布相差甚遠(yuǎn)。這就說(shuō)明由于濾紙褶密度增加，減小了濾紙褶間距，使得氣流分布非常不均勻，氣流主要從 V 字形濾紙底端流過(guò)，未能充分利用濾紙，大大減小了過(guò)濾面積，使得過(guò)濾風(fēng)速增加，濾紙阻力增大，同時(shí)褶通道內(nèi)部氣流紊亂，分布很不均勻，導(dǎo)致摩擦阻力增大。

在過(guò)濾風(fēng)速為 1.77 cm/s 的試驗(yàn)條件下，清潔狀態(tài)的筒式過(guò)濾器的阻力（扣除筒結(jié)構(gòu)阻力和金屬網(wǎng)的阻力）為濾紙初阻力的2倍左右。而隨著濾筒容塵量越來(lái)越多，在同樣濾速下，濾筒的阻力與濾紙阻力差值越來(lái)越大，這說(shuō)明隨著筒式過(guò)濾器容塵量增加，褶通道內(nèi)部氣流更加紊亂，摩擦阻力急劇上升，同時(shí)還因部分區(qū)域容塵過(guò)大而導(dǎo)致堵塞，從而使濾筒阻力快速上升。

3 結(jié)論

增加筒式過(guò)濾器濾紙褶密度，雖然增加了過(guò)濾面積，但是濾紙褶密度太大，必然導(dǎo)致濾紙褶間距減小，造成了濾紙褶通道內(nèi)部氣流的紊亂，增加了氣流與濾紙的摩擦阻力；同時(shí)氣流分布不均勻，不能充分利用濾紙，使濾紙的有效過(guò)濾面積相應(yīng)減小，反而使得過(guò)濾風(fēng)速增大，濾筒阻力相應(yīng)增加，從而使得同樣的過(guò)濾風(fēng)速下，筒式過(guò)濾器的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單張濾紙的阻力。另一方面，濾紙褶間距太小，粉塵會(huì)很快堵塞相應(yīng)的局部過(guò)濾區(qū)域，氣流更加紊亂，不僅使得褶通道內(nèi)部摩擦阻力急劇上升，同時(shí)還大大減小了有效的過(guò)濾面積，使得過(guò)濾器濾紙阻力上升，也使得濾紙容塵量急劇減小。