文 摘 由于空气洁净技术的迅速发展,研究和开发新型过滤器成为一个重要课题。建立了新型纤维过滤器的结构设想,同时建立了过滤器的物理模型及过滤阻力和过滤效率的数学模型。运用数值计算方法,解出气流在过滤器通道内的三维流场及过滤阻力;运用气溶胶粒子的“极限轨迹法”和“概率密度法”求得过滤效率;通过对八种不同开孔率和厚度的新型过滤器样品进行过滤阻力和过滤效率的实验研究,并与数学模型的预测值进行对比,验证了所建模型的正确性文章还分析了过滤器结构参数和运行参数对过滤阻力和过滤效率的影响规律。
关键词 纤维过滤器;过滤压降;过滤效率
分类号 TB 494
过滤效率和过滤阻力是评价过滤器的两个主要特性指标。研究资料表明,对于同一滤料的过滤器,结构不同,其特性指标也不同。因此,寻找合理的过滤器结构,在不降低效率的前提下,降低阻力和增大容尘量是研究过滤器的一个重要出发点。传统纤维过滤器的内部纤维排列成垂直于气流方向,气流对纤维作绕流运动,过滤阻力也就是气流的绕流阻力。
我们构想的新型纤维过滤器的纤维是平行于气流放置,空气沿着纤维的轴向流动,过滤阻力就是气流在纤维之间通道内的沿程阻力。
研究新型纤维空气过滤器,希望达到这样两个目的: 1)在保持与传统过滤器效率相当的条件下,使新型过滤器阻力低于传统过滤器阻力; 2)不仅可通过改变纤维直径,也可通过改变纤维的开孔率(即通过改变纤维的疏密程度)来控制过滤效率。
1 新型纤维过滤器的理论研究
1.1 物理模型
根据新型纤维过滤器的结构设想,假设在断面上纤维呈正三角形分布[1],即叉排。如图1所示。
空气通过每个通道,都可认为是从围绕单根纤维的正六棱柱孔流入的。假设过滤器中的纤维直径都相同,那么只需要讨论气流在围绕一根纤维通道内的过滤阻力和效率。
根据正六棱柱孔的轴对称性,研究流进三角形棱柱孔(图2中的阴影面积)则具有代表性[2]。
定义开孔率为单位过滤器断面上的孔隙面积所占断面积的百分比,并用符号P表示。
3)扩散机理
气流在通道内流动量,因布朗运动使粒子撞击到纤维表面而被捕集,称为扩散机理。
2 新型纤维过滤器模型的实验验证
采用香烟滤嘴材料作为过滤器的滤料,纤维直径为20μm,用钠焰法测定过滤器的计重效率并换算为计数效率,同时测定过滤器的压力降,实验结果与模型计算结果均示于图4中。
3 结 论
本文建立了新型纤维过滤器的物理模型及过滤阻力和效率的数学模型,通过对过滤器样品的过滤阻力和效率的实验测定,模型预测结果与实验结果两者吻合得较好,证明该模型是成功的。
利用新型过滤器阻力和效率的数学模型,变换不同的结构参数和运行参数以及粒子直径,得到过滤阻力和效率在不同因素作用下的变化规律:
1)由于气流在纤维壁面处速度为零,在两纤维中间处速度最大,所以两纤维之间的距离决定了在纤维壁面处的速度梯度,该速度梯度的大小又决定了过滤阻力的大小,因此过滤器的开孔率P和纤维直径df对过滤阻力影响很大。
2)由于气流在通道内呈层流流动,在流经纤维端面的一段距离之后,就形成充分发展流,单位长度压力降保持不变,故过滤阻力随着面速和厚度呈线性增长。
3)对于较大粒径dp的粒子,其过滤机理主要是碰撞机理,所以只有当粒子处于通道内的某一区域之内,才可能由碰撞机理而被捕集,当粒子处于该区域之外时,仅能由钩住机理而被捕集。由于该区域的大小占整个流通断面的百分比与过滤器开孔率P有关,故碰撞效率也与开孔率P有关,并随着开孔率P的减小和面速VS的增大而增大。
4)对于较小粒径的粒子,过滤机理主要是扩散机理。当面速VS一定,扩散效率主要与相邻纤维之间的距离有关。因此当纤维直径df一定时减小开孔率,或开孔率一定时减小纤维直径df,则均可缩小相邻纤维之间距离而提高过滤效率。此外,减小面速和增大过滤器厚度,可以增加粒子在通道内停留时间而增大扩散效率,从而提高小粒子的过滤效率。新型纤维过滤器的构想是对传统纤维过滤器的一个突破,通过对它的特性研究表明,新型纤维空气过滤器具有广阔的开发前景。
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