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无尘室中褶型筒式过滤器运用(yòng)

筒式过滤器简称滤筒，由 3 层结构材料组成，内层和外层均為(wèi)金属网（或硬质塑料网），中间层為(wèi)褶型滤纸[1]。济南車(chē)间净化工程公司发现相对于传统的方形过滤器，筒式过滤器的气流进出口风方向在一个相互垂直的维度上，在一些特定的环境下，更容易布置和安装。

1  理(lǐ)论分(fēn)析

筒式过滤器阻力  P 由过滤器结构阻力和过滤纤维滤料阻力组成。在低流速、小(xiǎo)雷诺数的情况下，清洁纤维滤料的压差服从达西定律[4]：

其中：ì為(wèi)空气动力粘性参数，N/(m2?s)；V 為(wèi)滤料的过滤速度，m/s；Lf為(wèi)单位面积所有(yǒu)滤料的总長(cháng)度，m；F 无量纲纤维阻力；K1纤维阻力系数。容尘阻塞阶段的滤料可(kě)以看成是由两种纤维组成，第一种纤维為(wèi)原始清洁状态滤纸的纤维，另外一种為(wèi)粉尘形成的新(xīn)纤维层[1 ]，因此阻力可(kě)由下式计算：

式中：Ä  Pf為(wèi)清洁纤维阻力，可(kě)以由（1）式计算；ÄPp為(wèi)粉尘形成的新(xīn)纤维层阻力，可(kě)以通过斯托克公式计算：

式中：FD為(wèi)斯托克阻力，N；A 為(wèi)过滤面积，m2；V 过滤风速，m / s ；D 為(wèi)颗粒物(wù)直径，m ；ì為(wèi)空气动力粘性参数，N/(m2. s )；N 為(wèi)总颗粒物(wù)数量；C 為(wèi) Cunningham 滑动修正系数；M 為(wèi)颗粒物(wù)总质量，kg；ρ為(wèi)颗粒物(wù)密度，kg/m3；K2粉尘层阻力系数。筒式过滤器结构阻力包括滤筒入口阻力ÄPcr、褶通道内部摩擦阻力ÄPcn、滤筒筒芯内部沿程力ÄPcy、筒出口阻力ÄPcc以及内外层金属护网的结构阻力ÄPch。因此滤筒总阻力可(kě)以由下式计算：

筒式过滤器结构阻力包括滤筒入口阻力ÄPcr、褶通道内部摩擦阻力  ÄPcn、滤筒筒芯内部沿程力ÄPcy、滤筒出口阻力ÄPcc以及内外层金属护网的结构阻力ÄPch。因此滤筒总阻力可(kě)以由下式计算：

式中：ζ1為(wèi)滤筒进口局部阻力系数，相当于管径突然缩小(xiǎo)，取 0.5；ζ1為(wèi)滤筒出口局部阻力系数，相当于管径突然扩大，取 1 . 0；ρ為(wèi)空气密度，kg/m3；為(wèi)滤筒沿程阻力系数；H 為(wèi)滤筒高度，m；d 為(wèi)滤筒内直径，m；V1為(wèi)滤筒迎风面风速，m /s ；V2

為(wèi)滤筒出口风速，m/s；V3為(wèi)滤筒内风速，在滤筒高度方向呈線(xiàn)性关系，m/s；V0為(wèi)滤料滤速，m/s；K1為(wèi)纤维滤料阻力系数，与纤维特性有(yǒu)关；K2為(wèi)粉尘层阻力系数，与颗粒物(wù)直径，填充率等有(yǒu)关；M 為(wèi)容尘量，g/m2；

筒式过滤器的入口处结构阻力、出口处结构阻力、滤筒筒芯内沿程阻力可(kě)以通过滤筒风量、内外直径等相关外形结构参数直接计算，而有(yǒu)研究表明一般滤筒的内外层金属护网的结构阻力可(kě)以取 7Pa~11 Pa[1]。筒式过滤器的褶密度对筒式过滤器的过滤风速和褶通道内部摩擦阻力有(yǒu)显著影响，且过滤风速又(yòu)对滤纸本身阻力影响很(hěn)大，因此筆(bǐ)者通过对滤纸与滤筒的阻力性能(néng)对比试验来研究褶密度对滤筒的阻力性能(néng)的影响。

2 阻力性能(néng)试验

滤筒阻力性能(néng)试验由两部分(fēn)内容组成，一部分(fēn)為(wèi)筒式过滤器清洁状态下初阻力和容尘过程中阻力性能(néng)试验；另一部分(fēn)為(wèi)滤筒的滤纸在清洁状态下的初阻力性能(néng)以及滤纸在不同容尘量状态下的阻力性能(néng)试验。

2.1 试验台简介

滤筒性能(néng)测试试验台是按照欧洲过滤器测试标准（EN779）搭建而成，如图 1 所示。该试验台主要由以下结构部件组成：变频风机、喷嘴流量计（标准件）、人工粉尘发生装置、混合室静压箱、压力传感器、温湿度传感器以及风管管道。通过改变

变频风机的频率来调节送风量；而喷嘴流量计用(yòng)于精确测量试验风量；人工粉尘发生装置用(yòng)于发送人工粉尘（本实验采用(yòng)ASHRAE粉尘）；混合室静压箱不仅可(kě)以让气流更加均匀稳定，同时还可(kě)以使得人工粉尘均匀分(fēn)布到气流当中；压力传感器用(yòng)于测量筒式过滤器前后压差，精度為(wèi) 1.0 级；温湿度传感器用(yòng)于测量试验空气的温湿度，精度為(wèi)±0.3%读数。所有(yǒu)的测量仪器均经过计量计标定且在标定的使用(yòng)期限内。

滤纸性能(néng)测试试验台為(wèi)國(guó)内某公司研制的滤纸综合性能(néng)试验台，图2為(wèi)测试系统原理(lǐ)图。该试验台主要由以下部件组成：风机、平衡阀、流量控制阀、浮子流量计、压力传感器、人工粉尘发生装置。风机给试验系统提供风量；平衡阀与流量控制阀用(yòng)于调节试验风量；浮子流量计用(yòng)于测量流量，精度±1 % 流量；压力传感器用(yòng)于测量滤料前后压差，精度 1.0级；人工粉尘发生装置用(yòng)于发送ASHRAE人工粉尘。试验滤料放置在直径為(wèi) 110 mm 夹具中，采用(yòng)压缩空气压紧。所有(yǒu)的测量仪器均经过计量计标定且在标定的使用(yòng)期限内。

2.2 试验材料与产品

本试验由 3 家公司提供的 3 种不同型号的滤纸，以及用(yòng)以上不同滤纸做成的同一规格（外径323mm、内径 213 mm、高度 660 mm）圆柱形滤筒，具體(tǐ)参数见表 1。

2.3 试验方法

滤筒阻力性能(néng)试验首先在3个滤筒在清洁状态下，分(fēn)别对其阻力性能(néng)进行测试（试验风量分(fēn)别為(wèi) 700 m3/h、900 m3/h、1050 m3/h、1200 m3/h、1400 m3/h、1600 m3/h、1750 m3/h），然后进行滤筒在容尘阶段的阻力性能(néng)试验，通过变频风机和喷嘴流量计将试验风量调到额定风量 1400 m3/h，向滤筒均匀发送ASHRAE人工粉尘。发尘过程中，滤筒阻力会不断上升，需要通过调节风机频率使整个粉尘发送过程中试验风量保持不变。测量滤筒在不同容尘阶段的阻力，当滤筒达到终阻力 450 Pa后，试验结束，绘制滤筒容尘过程中阻力变化性能(néng)曲線(xiàn)。

滤纸性能(néng)试验和滤筒性能(néng)试验方法类似，通过调节滤料综合性能(néng)试验台的流量调节阀使其流量分(fēn)别达到 5 L/min、10 L/min、20 L/min、30L/min、40 L/min、50 L/min，然后测量在不同流量状态下清洁滤纸的初阻力，并描绘出相关的风量阻力性能(néng)曲線(xiàn)。容尘试验过程中，通过人工粉尘发生装置向滤纸均匀发送ASHRAE人工粉尘，然后测量滤纸在不同容尘、不同风量下的阻力，并描绘相关性能(néng)曲線(xiàn)。

2.4 试验结果及分(fēn)析

3 种型号的滤筒在清洁状态下的风量阻力性能(néng)试验曲線(xiàn)见图 3。由图可(kě)以看出，3 种型号的滤筒的阻力都随着试验风量的增加而近似線(xiàn)性增加，效率级别為(wèi) F8的3#滤筒在同等风量下，阻力增長(cháng)幅度最大，效率级别為(wèi) F7的2# 滤筒次之，效率级别為(wèi) F6 的 1# 滤筒最小(xiǎo)；3 个滤筒在额定风量 1400m3/h 下的初阻力分(fēn)别為(wèi) 62 Pa、68 Pa、75 Pa（已经扣除滤筒出口安装板的阻力，即已扣除ΔPcc）。清洁滤料风量阻力性能(néng)试验结果见图 4，由图可(kě)以看出，3 种不同型号滤料的阻力与风量（滤速）都呈線(xiàn)性关系，其中C滤料阻力增長(cháng)最快，B滤料次之，A 滤料增長(cháng)最慢。3 种滤料在对应滤筒额定风量 1400 m3/h 的滤速 1.77

cm/s 下初阻力分(fēn)别為(wèi) 15Pa、17 Pa、21 Pa。為(wèi)了对滤筒与滤料阻力性能(néng)进行详细对比，将滤筒的风量和滤料的风量都转换為(wèi)滤速，如图 3、图 4 的次要横坐(zuò)标所示。

由图 4 可(kě)知，滤纸试验风量从 10 L/min（44.25px/s）增大到 50 L/min（8.85 cm/s），3 种滤料的阻力都增加了 5 倍左右，这也证实了（1）式，即滤料阻力与滤速成正比关系，因此降低滤速能(néng)有(yǒu)效降低滤纸阻力，从而能(néng)降低过滤器阻力[1]。筒式过滤器是通过增加滤纸褶密度来增加过滤面积从而降低滤速来达到减小(xiǎo)滤筒阻力的目的。本试验所选用(yòng)的 3 个不同型号的滤筒，滤纸褶密度都高达 3.3褶 /cm，滤筒的过滤面积达22 m2，从而使试验滤筒在额

定风量1400 m3/h状态下对应的滤速只有(yǒu)1.77c m / s ，很(hěn)大程度地降低了滤纸的阻力。另一方面，由滤料阻力性能(néng)试验结果可(kě)知，3种型号的滤纸在额定滤速 1.77 m/s的状态下阻力分(fēn)别只有(yǒu)15 Pa、17 Pa、20 Pa，这遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滤筒的实际阻力。即使扣除滤筒外形入口处结构阻力和沿程阻力 5 Pa，内外层金属网结构阻力 10 Pa，3 个型号滤筒褶通道内部阻力ΔPcn在同样额定滤速 1.77 cm/s状态下，3 个型号的滤筒的内部结构阻力分(fēn)别高达 32Pa、35 Pa、40 Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滤纸本身阻力。造成褶通道内部摩擦阻力高的原因是滤筒滤纸的褶密度太大，褶间距太小(xiǎo)，造成气流扰动而产生较大的摩擦阻力，间接地增大了筒式过滤器的阻力；另外筒式过滤器的滤纸褶间距太小(xiǎo)还容易导致气流在褶通道内部产生局部紊流，使得气流分(fēn)布不均匀，从而不能(néng)均匀地穿过滤纸，甚至可(kě)能(néng)使部分(fēn)过滤滤纸并没有(yǒu)气流穿过，从而降低了有(yǒu)效过滤面积，相应增大了滤纸过滤风速，导致滤纸阻力增加，增大了筒式过滤器的阻力。

3 种型号（1 # 、2 # 、3 # ）的滤筒在额定风量，不同容尘量的状态下阻力性能(néng)试验结果如图 5所示。与之对应的不同型号滤料（A、B、C）额定风量下容尘阻力试验结果如图6所示。為(wèi)了对滤筒与滤料不同容尘阶段的阻力性能(néng)进行详细对比，筆(bǐ)者将滤筒和滤纸的容尘量都转為(wèi)单位面积容尘量，如图 5、图 6 的次要横坐(zuò)标所示。

从图 5、图 6 可(kě)以看出，滤筒和滤纸随着容尘量增加，滤筒和滤纸阻力一开始都有(yǒu)一个缓缓上升阶段，之后阻力随容尘量近似成線(xiàn)性增加，某种程度上也证实了 D. Thomas 过滤理(lǐ)论[4]，滤纸的阻力和容尘量近似成線(xiàn)性关系。3 种不同型号的滤筒阻力随容尘量增加而增加，其中3#滤筒增長(cháng)最快，2#滤筒次之、1# 滤筒增長(cháng)最慢，与 3# 筒式过滤器对应的 C 号滤料阻力增長(cháng)最快，与 1# 筒式过滤器对应的 A 滤料增長(cháng)最慢。在试验风量 1400 m3/h 测试条件下,当滤筒终阻力达到450 Pa 时，1#、2#、3#筒式过滤器的容尘量分(fēn)别為(wèi)12.8 g/m2、11.0 g/m2、9.7 g/m2。在同样的试验条件下，即保持滤纸过滤风速為(wèi)44.25px/s，当A滤料容尘量从清洁状态达到容尘量82.4 g/m2，滤纸的阻力从 15 Pa 增加到初阻力的 3 倍 45 Pa； B 滤纸从清洁状态达到容尘量為(wèi)80.5 g/m2，滤纸的阻力从 17 Pa 增加到初阻力的3倍 51 Pa；C 滤纸从清洁状态到容尘量达到 75.9g/m2，阻力从20 Pa 增加到初阻力的2.5 倍 50 Pa。3 种型号的滤纸在容尘量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滤筒的状况下，对应的阻力却遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滤筒的终阻力450 Pa。

图7為(wèi)不同滤纸在不同的容尘量与不同滤速条件（1.77 cm/s、5.31 cm/s、8.85 cm/s）下的阻力性能(néng)试验结果，从图可(kě)以发现，当滤纸的过滤风速从1.77 cm/s 提高到 8.85 cm/s，滤纸的容尘量达到 80g/m2后，3 种滤料的终阻力分(fēn)别达到250 Pa、270Pa、300 Pa左右，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于筒式过滤器的 450Pa。这说明滤筒容尘后的有(yǒu)效过滤面积已经遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始设计的过滤面积，从而使得滤筒阻力急剧上升。对受试后的滤料和滤筒进行对比，发现单张滤纸表面粉尘分(fēn)布很(hěn)均匀，这是滤纸迎风面风速很(hěn)均匀造成的结果；而滤筒的 V字褶形状滤纸，表面人工粉尘分(fēn)布明显不均匀，ASHRAE人工粉尘主要集中在V字形滤纸底端和开口处，中间部分(fēn)滤纸人工粉尘分(fēn)布则相对较小(xiǎo)，这与期望的粉尘均匀分(fēn)布相差甚遠(yuǎn)。这就说明由于滤纸褶密度增加，减小(xiǎo)了滤纸褶间距，使得气流分(fēn)布非常不均匀，气流主要从 V 字形滤纸底端流过，未能(néng)充分(fēn)利用(yòng)滤纸，大大减小(xiǎo)了过滤面积，使得过滤风速增加，滤纸阻力增大，同时褶通道内部气流紊乱，分(fēn)布很(hěn)不均匀，导致摩擦阻力增大。

在过滤风速為(wèi) 1.77 cm/s 的试验条件下，清洁状态的筒式过滤器的阻力（扣除筒结构阻力和金属网的阻力）為(wèi)滤纸初阻力的2倍左右。而随着滤筒容尘量越来越多(duō)，在同样滤速下，滤筒的阻力与滤纸阻力差值越来越大，这说明随着筒式过滤器容尘量增加，褶通道内部气流更加紊乱，摩擦阻力急剧上升，同时还因部分(fēn)區(qū)域容尘过大而导致堵塞，从而使滤筒阻力快速上升。

3 结论

增加筒式过滤器滤纸褶密度，虽然增加了过滤面积，但是滤纸褶密度太大，必然导致滤纸褶间距减小(xiǎo)，造成了滤纸褶通道内部气流的紊乱，增加了气流与滤纸的摩擦阻力；同时气流分(fēn)布不均匀，不能(néng)充分(fēn)利用(yòng)滤纸，使滤纸的有(yǒu)效过滤面积相应减小(xiǎo)，反而使得过滤风速增大，滤筒阻力相应增加，从而使得同样的过滤风速下，筒式过滤器的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于单张滤纸的阻力。另一方面，滤纸褶间距太小(xiǎo)，粉尘会很(hěn)快堵塞相应的局部过滤區(qū)域，气流更加紊乱，不仅使得褶通道内部摩擦阻力急剧上升，同时还大大减小(xiǎo)了有(yǒu)效的过滤面积，使得过滤器滤纸阻力上升，也使得滤纸容尘量急剧减小(xiǎo)。