一種新型濕式金屬填料過(guò)濾性能的實(shí)驗(yàn)研究

姜林林 柳建華 張良 丁楊 翁晶凱 吳昊

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

一種新型濕式金屬填料過(guò)濾性能的實(shí)驗(yàn)研究

姜林林 柳建華 張良 丁楊 翁晶凱 吳昊

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

介紹了濕式與金屬填料疊加的除塵器的結(jié)構(gòu)、綜合除塵機(jī)理及其它有效的功能，可有效克服傳統(tǒng)纖維過(guò)濾器的不足。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在不同氣流流速下和不同噴淋密度下除塵器的過(guò)濾性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)速1.2 m/s、噴淋密度1.0 m3/h時(shí)，濕式金屬填料過(guò)濾系統(tǒng)除塵效率可到75%，可應(yīng)用于集中式中央空調(diào)或通風(fēng)系統(tǒng)中。

濕式過(guò)濾；金屬填料；噴淋密度；過(guò)濾效率

濕式除塵器是將含塵氣體與液體(一般為水)密切接觸，將粉塵從氣體中分離出來(lái)的裝置。濕式除塵器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、凈化效率高、不揚(yáng)塵和二次污染少等特點(diǎn)，適合去除非纖維性和不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的各種粉塵。濕式過(guò)濾與金屬填料相結(jié)合，對(duì)可吸入顆粒物有很高的計(jì)數(shù)過(guò)濾效率，而且金屬過(guò)濾器的阻力也在100 Pa以內(nèi)[1]。金明[2]對(duì)金屬填料濕式除塵器的除菌效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，除菌效率在90%～95%之間，并驗(yàn)證了微生物粒子主要集中在5.0～10.0 μm之間的結(jié)論。馬德剛[3]在濕式金屬填料噴淋水中加表面活性劑后，對(duì)可吸入顆粒物過(guò)濾效率有很大的提高。王一飛等[4]，陳喜山等[5]分別對(duì)金屬填料濕式除塵器對(duì)工廠油霧和餐飲行業(yè)油煙過(guò)濾方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，研究表明金屬填料濕式除塵器對(duì)油霧、油煙等易凝結(jié)污染物具有很好的過(guò)濾效果，而且油霧、油煙并不會(huì)在金屬填料里滯留。本文主要研究金屬填料的過(guò)濾和除菌性能，探討其作為中央空調(diào)系統(tǒng)過(guò)濾器的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)原理

金屬填料過(guò)濾類似于纖維過(guò)濾及顆粒層過(guò)濾，而因其填料結(jié)構(gòu)的不同與這兩種過(guò)濾機(jī)理又有所不同。在金屬填料過(guò)濾中顆粒物能從氣流中分離出來(lái)，主要是依靠攔截效應(yīng)、慣性碰撞效應(yīng)、靜電效應(yīng)及擴(kuò)散作用等。事實(shí)上，在實(shí)際過(guò)濾過(guò)程中是各種機(jī)理共同作用的結(jié)果。攔截效應(yīng)和慣性碰撞效對(duì)較大粒徑顆粒物(2.0 μm以上)有較好的作用，粒徑越大攔截效應(yīng)越強(qiáng)；顆粒密度越大，慣性碰撞效應(yīng)越強(qiáng)。由于1.0 μm以下的粒徑顆粒物擴(kuò)散效應(yīng)較強(qiáng)，尤其是0.3 μm以下粒徑顆粒物，擴(kuò)散效應(yīng)起主要作用。靜電效應(yīng)對(duì)0.1～10.0 μm粒徑顆粒物都有較強(qiáng)的作用，靜電效應(yīng)大小受靜電作用力大小影響[6]。復(fù)合過(guò)濾中的共同作用效應(yīng)如圖1，各效應(yīng)效率與顆粒物粒徑變化關(guān)系如圖2。

當(dāng)過(guò)濾作用發(fā)生時(shí)，各效應(yīng)之間相互聯(lián)系相互影響，過(guò)濾效率不能簡(jiǎn)單認(rèn)為是各獨(dú)立過(guò)濾機(jī)理效率的疊加，如果簡(jiǎn)單使用疊加原理，可能造成很大誤差。近似地把各種效應(yīng)做綜合效應(yīng)，用串聯(lián)模式處理分析更符合實(shí)際情況，綜合過(guò)濾效率可表示為[7]:

式中:ηR為攔截效率；ηI為慣性碰撞效率；ηD為擴(kuò)散效率；ηE為靜電作用效率。

圖1 綜合過(guò)濾機(jī)理圖Fig.1 Integrated filtering mechanism

圖2 各捕集效應(yīng)與粒徑關(guān)系圖Fig.2 Relationship between capture effect and particle size

2 實(shí)驗(yàn)裝置

濕式金屬填料噴淋裝置主要包括:金屬填料、可視玻璃風(fēng)管段、噴淋布水器、噴淋水控制閥等。可視玻璃風(fēng)管段可拆卸，里面的金屬填料可更換塊數(shù)和填料類型，噴淋布水器要求能完全覆蓋金屬填料，保證金屬填料噴淋均勻，并且能夠控制噴淋密度。金屬填料發(fā)揮過(guò)濾作用，收集因碰撞攔截、重力作用、靜電力、擴(kuò)散效應(yīng)等在填料處過(guò)濾團(tuán)聚后的顆粒物；通過(guò)水的噴淋，清除灑落在金屬填料中的顆粒物，使過(guò)濾器得到自凈。濕式金屬填料噴淋裝置如圖3所示，測(cè)量?jī)x表見(jiàn)表1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 除塵效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中采用5塊500 mm×330 mm×100 mm，比表面積為500 m2/m3，波高6.3 mm，壓降為300 Pa/m的金屬絲網(wǎng)波紋填料。從圖4中可以看出，金屬填料過(guò)濾效率在風(fēng)速1.2 m/s時(shí)顆粒物分級(jí)計(jì)數(shù)過(guò)濾效率最高。在0.3 μm～5.0 μm粒徑測(cè)量范圍內(nèi)，粒徑為5.0 μm顆粒物分級(jí)過(guò)濾效率最高，達(dá)到60%，3.0 μm、2.0 μm和1.0 μm粒徑顆粒物分級(jí)過(guò)濾效率分別為50%、40%和25%，1.0 μm以下粒徑顆粒物過(guò)濾效率較低，0.3 μm和0.5 μm粒徑過(guò)濾效率分別為5%和7%。

圖3 金屬填料噴淋過(guò)濾結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of metal filter spray filter

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試儀器Tab.1 Main equipments of experimental system

3.2 除塵效率與噴淋量的關(guān)系

圖5～圖7分別為金屬填料過(guò)濾系統(tǒng)在不同風(fēng)速不同噴淋量條件下顆粒物分級(jí)過(guò)濾效率。從圖中可以看出，在一定風(fēng)速下，噴淋密度較大時(shí)過(guò)濾效率較高，但是過(guò)濾效率隨噴淋密度變化不明顯。在風(fēng)速為1.2 m/s時(shí)，噴淋過(guò)濾效率最高，5.0 μm粒徑顆粒物的分級(jí)過(guò)濾效率可達(dá)75%，但是0.3 μm和0.5 μm粒徑顆粒物過(guò)濾效率與不噴淋時(shí)效率相比效率降低，分別為2%和4%。

圖8是噴淋量為1.0 m3/h時(shí)不同風(fēng)速下顆粒物分級(jí)過(guò)濾效率。從圖中可以看出風(fēng)速為1.2 m/s時(shí)，各粒徑顆粒物過(guò)濾效率最高，過(guò)濾效率與0.8 m/s和0.6 m/s相比變化較大。1.0 μm以上粒徑顆粒物分級(jí)過(guò)濾效率受風(fēng)速影響變化大，1.0 μm以下顆粒過(guò)濾效率受風(fēng)速影響變化小。

圖4 不同風(fēng)速下過(guò)濾效率Fig.4 Filter efficiency in different gas flow velocity

圖5 風(fēng)速1.2 m/s不同噴淋密度時(shí)過(guò)濾效率Fig.5 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 1.2 m/s

圖6 風(fēng)速0.8 m/s不同噴淋密度時(shí)過(guò)濾效率Fig.6 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.8 m/s

圖7 風(fēng)速0.6 m/s不同噴淋密度時(shí)過(guò)濾效率Fig.7 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.6 m/s

對(duì)比分析金屬填料噴淋和不噴淋兩種情況可知，噴淋提高較大粒徑顆粒物過(guò)濾效率，對(duì)較小粒徑顆粒物過(guò)濾效率降低。過(guò)濾系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)條件下主要靠金屬填料的慣性攔截效應(yīng)、碰撞效應(yīng)對(duì)顆粒物過(guò)濾，由于金屬填料空隙較大，在填料捕集顆粒物過(guò)程中擴(kuò)散效應(yīng)作用很小，因此過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)1.0 μm以下顆粒物過(guò)濾效率較低。噴淋后的金屬填料被潤(rùn)濕，填料表面形成液膜等[8]，濕膜對(duì)顆粒物有較強(qiáng)的捕集作用力，這使得噴淋后過(guò)濾效率提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1.0 μm以上顆粒物過(guò)濾效率提高10% ～15%，對(duì)1.0 μm以下顆粒物過(guò)濾效率降低5%左右。這是因?yàn)樵诮饘偬盍蠂娏苓^(guò)程中，使得過(guò)濾空氣溫度降低，濕度增大，濕凝并作用和熱凝并作用對(duì)較小粒徑顆粒物產(chǎn)生作用，0.3 μm以下顆粒物團(tuán)聚為0.3 μm以上可測(cè)團(tuán)聚物。由于過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)1.0 μm以下顆粒物過(guò)濾捕集作用有限，在實(shí)驗(yàn)分析中表現(xiàn)為1.0 μm以下顆粒物過(guò)濾效率降低，實(shí)際情況是過(guò)濾空氣中大量0.3 μm以下粒徑顆粒物團(tuán)聚為0.3 μm以上粒徑團(tuán)聚體，使空氣中0.3 μm～1.0 μm顆粒物數(shù)量增加，而這些顆粒物只有有限的一部分被過(guò)濾掉。

圖8 噴淋密度為1.0 m3/h不同風(fēng)速時(shí)過(guò)濾效率Fig.8 Filter efficiency in different gas flow velocity when spray of water of 1.0 m3/h

4 濕式除塵器的其它功能

采用濕式金屬填料除塵器不僅可以有效去除空氣中的粉塵及氣態(tài)污染物，還可以實(shí)現(xiàn)空氣消毒凈化、蒸發(fā)冷卻和冬季加濕等功能。同時(shí)也要做好除塵器內(nèi)部的清理和對(duì)噴淋水系統(tǒng)的過(guò)濾管理。

1)中央空調(diào)系統(tǒng)中的空氣消毒病毒等微生物主要依附在空氣中的粉塵上進(jìn)行傳播。在中央空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行除塵并消毒，可以切斷病毒傳播途徑。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用本文研究的濕式填料除塵器可以替代傳統(tǒng)中央空調(diào)過(guò)濾器，達(dá)到中效過(guò)濾器水平，而阻力卻很小。因此在中央空調(diào)系統(tǒng)中采用濕式填料除塵器可以有效解決過(guò)濾除塵和消毒凈化等問(wèn)題。

2)采用了濕式過(guò)濾的方式，如同在空調(diào)或通風(fēng)系統(tǒng)中增加了蒸發(fā)冷卻裝置，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)試進(jìn)出口干濕球溫度，發(fā)現(xiàn)采用該設(shè)備可以使空氣溫度降低3 ～5℃[9－10]?？s短了制冷機(jī)組的開(kāi)啟時(shí)間，節(jié)省能量消耗。

3)冬季加濕采用濕式金屬填料除塵器可以對(duì)空氣進(jìn)行加濕處理，進(jìn)而提高工作或生活區(qū)域的舒適性。

5 結(jié)論

1)濕式金屬填料過(guò)濾器在風(fēng)速1.2 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)速增加使系統(tǒng)過(guò)濾效率提高，風(fēng)速降低使過(guò)濾效率下降；填料噴淋密度大時(shí)，對(duì)1.0 μm以上粒徑顆粒物過(guò)濾效率高，1.0 μm以下粒徑顆粒物過(guò)濾效率則較低。綜合分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)速為1.2 m/s，噴淋量為1.0 m3/h，過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾效率可以達(dá)到75%以上。

2)濕式金屬填料除塵器可以實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、清灰和消毒相結(jié)合，對(duì)改善空氣品質(zhì)、節(jié)約能耗和預(yù)防傳染病毒通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)傳播具有很好的作用，具備健康、舒適和節(jié)能的特點(diǎn)。

本文受上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(J50502)資助。(The project was supported by Key Subject of Shanghai Municipal Education Commission-funded projects(No.J50502).)

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作者簡(jiǎn)介

姜林林，男(1990－)，碩士在讀，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，18818262694，E-mail:jllllj18818262694＠163.com。研究方向:制冷與低溫工程?，F(xiàn)在進(jìn)行的研究項(xiàng)目有:上海市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(JWCXSL1102)——土壤源熱泵地埋管換熱器相關(guān)性研究。

About the author

Jiang Linlin(1990－ )，male，graduate student，University of Shanghai for Science＆Technology，School of Energy and Power Engineering，18818262694，E-mail:jllllj18818262694＠ 163. com.Research fields:Refrigeration and Cryogenic Engineering. The author takes on project supported by the Innovation Fund Project For Graduate Student of Shanghai(No.JWCXSL1102)——Correlation studies of buried tube heat exchanger.

Jiang Linlin Liu Jianhua Zhang Liang Ding Yang Weng Jingkai Wu Hao

(University of Shanghai for Science and Technology，School of Energy and Power Engineering，Shanghai，200093，China)

This article introduces the structure，dusting mechanism and other functions of wet-type dust remover with metal filler，which can effectively make up the deficiency of the traditional fiber filter.The experiments test its performance on the conditions of different gas flow velocity and sprinkling rate.The results show the wet-type metal filler filtration system has higher filter efficiency which is up to 75% at the following work condition，air flow velocity:1.2 m/s，sprinkling rate:1.0 m3/h.This kind of system can be widely used in centralized central air conditioning or ventilation system.

wet-type filter；metal filler；sprinkling rate；filter efficiency

TI831.4；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0105－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.105

The Filtration Performance Research on a New Type of Wet-type Metal Filler

2013年9月12日