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無塵室中褶型筒式過濾器運(yùn)用

筒式過濾器簡稱濾筒，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)相對于傳統(tǒng)的方形過濾器，筒式過濾器的氣流進(jìn)出口風(fēng)方向在一個相互垂直的維度上，在一些特定的環(huán)境下，更容易布置和安裝。

1  理論分析

筒式過濾器阻力  P 由過濾器結(jié)構(gòu)阻力和過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為空氣動力粘性參數(shù)，N/(m2?s)；V 為濾料的過濾速度，m/s；Lf為單位面積所有濾料的總長度，m；F 無量綱纖維阻力；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算：

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

式中：FD為斯托克阻力，N；A 為過濾面積，m2；V 過濾風(fēng)速，m / s ；D 為顆粒物直徑，m ；ì為空氣動力粘性參數(shù)，N/(m2. s )；N 為總顆粒物數(shù)量；C 為 Cunningham 滑動修正系數(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算：

筒式過濾器結(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]。筒式過濾器的褶密度對筒式過濾器的過濾風(fēng)速和褶通道內(nèi)部摩擦阻力有顯著影響，且過濾風(fēng)速又對濾紙本身阻力影響很大，因此筆者通過對濾紙與濾筒的阻力性能對比試驗(yàn)來研究褶密度對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，一部分為筒式過濾器清潔狀態(tài)下初阻力和容塵過程中阻力性能試驗(yàn)；另一部分為濾筒的濾紙在清潔狀態(tài)下的初阻力性能以及濾紙在不同容塵量狀態(tài)下的阻力性能試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)臺簡介

濾筒性能測試試驗(yàn)臺是按照歐洲過濾器測試標(biāo)準(zhǔn)（EN779）搭建而成，如圖 1 所示。該試驗(yàn)臺主要由以下結(jié)構(gòu)部件組成：變頻風(fēng)機(jī)、噴嘴流量計（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。通過改變

變頻風(fēng)機(jī)的頻率來調(diào)節(jié)送風(fēng)量；而噴嘴流量計用于精確測量試驗(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；壓力傳感器用于測量筒式過濾器前后壓差，精度為 1.0 級；溫濕度傳感器用于測量試驗(yàn)空氣的溫濕度，精度為±0.3%讀數(shù)。所有的測量儀器均經(jīng)過計量計標(biāo)定且在標(biāo)定的使用期限內(nèi)。

濾紙性能測試試驗(yàn)臺為國內(nèi)某公司研制的濾紙綜合性能試驗(yàn)臺，圖2為測試系統(tǒng)原理圖。該試驗(yàn)臺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、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；浮子流量計用于測量流量，精度±1 % 流量；壓力傳感器用于測量濾料前后壓差，精度 1.0級；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。所有的測量儀器均經(jīng)過計量計標(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個濾筒在清潔狀態(tài)下，分別對其阻力性能進(jìn)行測試（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)，通過變頻風(fēng)機(jī)和噴嘴流量計將試驗(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)塵過程中，濾筒阻力會不斷上升，需要通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率使整個粉塵發(fā)送過程中試驗(yàn)風(fēng)量保持不變。測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，通過調(diào)節(jié)濾料綜合性能試驗(yàn)臺的流量調(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)過程中，通過人工粉塵發(fā)生裝置向?yàn)V紙均勻發(fā)送ASHRAE人工粉塵，然后測量濾紙在不同容塵、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，效率級別為 F8的3#濾筒在同等風(fēng)量下，阻力增長幅度最大，效率級別為 F7的2# 濾筒次之，效率級別為 F6 的 1# 濾筒最??；3 個濾筒在額定風(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濾料阻力增長最快，B濾料次之，A 濾料增長最慢。3 種濾料在對應(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。為了對濾筒與濾料阻力性能進(jìn)行詳細(xì)對比，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，濾紙試驗(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，從而能降低過濾器阻力[1]。筒式過濾器是通過增加濾紙褶密度來增加過濾面積從而降低濾速來達(dá)到減小濾筒阻力的目的。本試驗(yàn)所選用的 3 個不同型號的濾筒，濾紙褶密度都高達(dá) 3.3褶 /cm，濾筒的過濾面積達(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種型號的濾紙在額定濾速 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 個型號濾筒褶通道內(nèi)部阻力ΔPcn在同樣額定濾速 1.77 cm/s狀態(tài)下，3 個型號的濾筒的內(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，造成氣流擾動而產(chǎn)生較大的摩擦阻力，間接地增大了筒式過濾器的阻力；另外筒式過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濾紙，甚至可能使部分過濾濾紙并沒有氣流穿過，從而降低了有效過濾面積，相應(yīng)增大了濾紙過濾風(fēng)速，導(dǎo)致濾紙阻力增加，增大了筒式過濾器的阻力。

3 種型號（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。與之對應(yīng)的不同型號濾料（A、B、C）額定風(fēng)量下容塵阻力試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。為了對濾筒與濾料不同容塵階段的阻力性能進(jìn)行詳細(xì)對比，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 種不同型號的濾筒阻力隨容塵量增加而增加，其中3#濾筒增長最快，2#濾筒次之、1# 濾筒增長最慢，與 3# 筒式過濾器對應(yīng)的 C 號濾料阻力增長最快，與 1# 筒式過濾器對應(yīng)的 A 濾料增長最慢。在試驗(yàn)風(fēng)量 1400 m3/h 測試條件下,當(dāng)濾筒終阻力達(dá)到450 Pa 時，1#、2#、3#筒式過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 種型號的濾紙在容塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濾筒的狀況下，對應(yīng)的阻力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于濾筒的終阻力450 Pa。

圖7為不同濾紙在不同的容塵量與不同濾速條件（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)濾紙的過濾風(fēng)速從1.77 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)低于筒式過濾器的 450Pa。這說明濾筒容塵后的有效過濾面積已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始設(shè)計的過濾面積，從而使得濾筒阻力急劇上升。對受試后的濾料和濾筒進(jìn)行對比，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較小，這與期望的粉塵均勻分布相差甚遠(yuǎn)。這就說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，未能充分利用濾紙，大大減小了過濾面積，使得過濾風(fēng)速增加，濾紙阻力增大，同時褶通道內(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越多，在同樣濾速下，濾筒的阻力與濾紙阻力差值越來越大，這說明隨著筒式過濾器容塵量增加，褶通道內(nèi)部氣流更加紊亂，摩擦阻力急劇上升，同時還因部分區(qū)域容塵過大而導(dǎo)致堵塞，從而使濾筒阻力快速上升。

3 結(jié)論

增加筒式過濾器濾紙褶密度，雖然增加了過濾面積，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；同時氣流分布不均勻，不能充分利用濾紙，使濾紙的有效過濾面積相應(yīng)減小，反而使得過濾風(fēng)速增大，濾筒阻力相應(yīng)增加，從而使得同樣的過濾風(fēng)速下，筒式過濾器的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單張濾紙的阻力。另一方面，濾紙褶間距太小，粉塵會很快堵塞相應(yīng)的局部過濾區(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，同時還大大減小了有效的過濾面積，使得過濾器濾紙阻力上升，也使得濾紙容塵量急劇減小。