濾材組合對(duì)空氣過(guò)濾器過(guò)濾性能的影響

張萬(wàn)，韓鳳娟

1.航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計(jì)測(cè)科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019；2.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000

0 引言

空氣過(guò)濾器可以有效地濾除空氣中的灰塵、纖維、氣味等雜質(zhì)，能為發(fā)動(dòng)機(jī)、潔凈廠房(艙、室)等凈化空氣，滿(mǎn)足了人們生活和生產(chǎn)的需求，已得到廣泛應(yīng)用。空氣過(guò)濾器是由空氣濾材制作而成的，濾材的攔截、吸附作用可以?xún)艋諝庵械墓腆w雜質(zhì)，部分空氣過(guò)濾器添加了活性炭等材料用于過(guò)濾有毒有害氣體?？諝膺^(guò)濾器的濾材形式多樣，有的使用單層濾材，有的使用濾材組合的形式。本文對(duì)單層濾材和雙層濾材組合的過(guò)濾性能進(jìn)行了對(duì)比分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

過(guò)濾器的過(guò)濾性能一般包括流阻(壓差)、過(guò)濾效率和容塵量(或儲(chǔ)塵能力)3個(gè)項(xiàng)目，對(duì)于高效空氣過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，沒(méi)有容塵量試驗(yàn)或壽命試驗(yàn)等相關(guān)要求，而且對(duì)于濾材的容塵量試驗(yàn)也不常見(jiàn)。因此，此次試驗(yàn)對(duì)比中不再進(jìn)行容塵量試驗(yàn)，只進(jìn)行流阻試驗(yàn)和過(guò)濾效率試驗(yàn)的對(duì)比與分析[1]。

空氣濾材的過(guò)濾效率試驗(yàn)方法主要有鈉焰法、油霧法和粒子計(jì)數(shù)法3種，本文選擇最常用的粒子計(jì)數(shù)法進(jìn)行試驗(yàn)。采用粒子計(jì)數(shù)法試驗(yàn)時(shí)，空氣濾材的測(cè)試粒徑一般不大于1.0 μm，當(dāng)測(cè)試粒徑大于0.3 μm時(shí)一般選擇使用多分散氣溶膠和光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(OPC)完成試驗(yàn)，而測(cè)試較小粒徑如0.1、0.3 μm時(shí)一般使用微分遷移率分析儀(DMA)和凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器(CPC)測(cè)量單分散氣溶膠等進(jìn)行試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)時(shí)使用的試驗(yàn)設(shè)備為濾材過(guò)濾性能試驗(yàn)臺(tái)，利用DMA和CPC組合的方法使用單分散氣溶膠進(jìn)行試驗(yàn)，在下游粒子采樣管路中增加了稀釋器，中低效濾材的過(guò)濾效率試驗(yàn)時(shí)使用該稀釋器，高效濾材試驗(yàn)時(shí)其下游不使用稀釋器。上下游CPC的取樣流量和取樣時(shí)間一致，而且試驗(yàn)臺(tái)的驗(yàn)證均滿(mǎn)足EN 1822—3規(guī)定的要求[3]。濾材過(guò)濾性能試驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示。

圖1 濾材過(guò)濾性能試驗(yàn)臺(tái)原理

試驗(yàn)分析樣品為單層和雙層空氣濾材，選用過(guò)濾效率為中低效、中效、高效等多種不同類(lèi)型的濾材，超高效濾材過(guò)濾效率和流阻都很高，雙層疊加試驗(yàn)意義不大，不再對(duì)超高濾材進(jìn)行分析。選用多種不同的濾材進(jìn)行試驗(yàn)，這些濾材有玻纖濾材和紙質(zhì)濾材兩種材質(zhì)。每種待試驗(yàn)的濾材表面干凈、平整、無(wú)起泡、折痕等現(xiàn)象。為了減小濾材結(jié)構(gòu)不均勻帶來(lái)的影響，每種濾材選取不少于3個(gè)樣品分別進(jìn)行單層濾材過(guò)濾性能試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果中選取數(shù)值比較接近的兩個(gè)樣品進(jìn)行雙層組合試驗(yàn)。雙層組合是將兩片濾材完全貼合壓緊，而且兩層濾材的氣流通過(guò)方向一致，有同種濾材雙層組合和不同濾材雙層組合兩種方式。試驗(yàn)時(shí)，濾材的安裝方向和廠商提供的氣流方向一致，不同種濾材疊加試驗(yàn)時(shí)，過(guò)濾效率相對(duì)較低的濾材在進(jìn)氣氣流的上游。氣溶膠采用癸二酸二異辛酯(DEHS)，試驗(yàn)的濾速、試驗(yàn)面積、粒徑等參數(shù)是依據(jù)行業(yè)常用參數(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定而制定的，所有濾材的試驗(yàn)參數(shù)均一致，具體見(jiàn)表1。

表1 濾材試驗(yàn)參數(shù)

空氣過(guò)濾器試驗(yàn)時(shí)，是用穿透率P和過(guò)濾效率E來(lái)表征其過(guò)濾性能，這兩個(gè)性能參數(shù)都是純小數(shù)，對(duì)這兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比時(shí)，差異表現(xiàn)不是很明顯。過(guò)濾比β也是表征過(guò)濾器過(guò)濾性能的參數(shù)，過(guò)濾比的值一般都是大于1的數(shù)值，相對(duì)過(guò)濾效率來(lái)說(shuō)，過(guò)濾比可以放大不同過(guò)濾器的過(guò)濾性能的差異。過(guò)濾比β和穿透率P互為倒數(shù)關(guān)系，過(guò)濾比β和穿透率P、過(guò)濾效率E的關(guān)系式為[4]：

(1)

式中：Ni,u為粒徑檔i的上游粒子濃度，個(gè)/mL；

Ni,d為粒徑檔i的下游粒子濃度，個(gè)/mL。

試驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)比單層濾材和雙層濾材的流阻試驗(yàn)和過(guò)濾效率試驗(yàn)結(jié)果，分析其差異，從而得出單層和雙層濾材的過(guò)濾性能試驗(yàn)的分析結(jié)論。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

2.1 過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)選取了9種不同濾材，按照濾材過(guò)濾效率從低到高的順序進(jìn)行編號(hào)，部分濾材做了3個(gè)樣品。單層濾材進(jìn)行過(guò)濾效率試驗(yàn)時(shí)，取樣體積為1 000 mL，使用每毫升的顆粒數(shù)進(jìn)行分析，過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 單層濾材過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將以上同種濾材的兩個(gè)樣品組合在一起，試驗(yàn)氣流方向和濾材的氣流方向一致，進(jìn)行過(guò)濾性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 雙層同種濾材組合過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將不同種濾材的兩個(gè)樣品組合在一起，讓氣流方向依次通過(guò)過(guò)濾效率低的、過(guò)濾效率高的濾材，試驗(yàn)氣流方向和濾材的氣流方向一致進(jìn)行試驗(yàn)，過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 雙層不同種濾材組合過(guò)濾性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表4

2.2 單層濾材和雙層濾材組合的流阻性能對(duì)比與分析

將表2至表4的流阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制表格，用Δp表示雙層濾材的流阻，Δp1表示第一層濾材的流阻，Δp2表示第二層濾材的流阻，利用Δp分別與Δp1、Δp2和Δp1+Δp2進(jìn)行對(duì)比。雙層同種濾材組合、雙層不同種濾材組合和單層濾材流阻的對(duì)比結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。

表5 雙層同種濾材組合和單層濾材流阻的對(duì)比結(jié)果 單位:Pa

表6 雙層不同種濾材組合和單層濾材流阻的對(duì)比結(jié)果 單位:Pa

分別對(duì)9種雙層同種和不同種濾材組合與單層濾材的流阻進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 雙層同種濾材組合和單層濾材流阻的對(duì)比

圖3 雙層不同種濾材組合和單層濾材流阻的對(duì)比

由以上圖表可以看出，無(wú)論是雙層同種濾材組合還是雙層不同種濾材組合，雙層濾材組合的流阻與兩個(gè)單層濾材的流阻之和的差值很小，兩者數(shù)值幾乎相等。雙層同種濾材組合的流阻Δp均不小于第一層和第二層兩個(gè)單層濾材的流阻Δp1、Δp2之和，但雙層不同濾材組合的流阻Δp有1組數(shù)據(jù)出現(xiàn)Δp<Δp1+Δp2的情況，其他流阻對(duì)比都是雙層不同濾材組合的流阻Δp不小于兩個(gè)單層濾材的流阻Δp1與Δp2之和。

2.3 單層濾材和雙層濾材組合過(guò)濾比的對(duì)比與分析

過(guò)濾比是另一種表示過(guò)濾性能的參數(shù)，對(duì)于空氣過(guò)濾器來(lái)說(shuō)，它是過(guò)濾器上游管路中氣溶膠的濃度和過(guò)濾器下游管路中的氣溶膠濃度的比值，計(jì)算時(shí)上下游取樣體積和粒徑一致，而且要同時(shí)取樣。雙層濾材組合試驗(yàn)時(shí)，是將第一層濾材和第二層濾材當(dāng)成一個(gè)整體，得到的過(guò)濾比也是(雙層)濾材上游和下游的氣溶膠濃度之比。雙層濾材組合試驗(yàn)是由第一層濾材和第二層濾材在外力作用下疊加在一起的，之間會(huì)存在一定的縫隙，這個(gè)縫隙將一個(gè)大的整體分割成上層和下層兩個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，單層濾材試驗(yàn)與雙層濾材組合試驗(yàn)的過(guò)濾比如圖4所示。

圖4 單層濾材試驗(yàn)與雙層濾材組合試驗(yàn)的過(guò)濾比

(2)

(3)

雙層濾材組合后的過(guò)濾比β和上下兩層濾材的單層過(guò)濾比β1、β2的乘積是否也相等，下面作了比較。按照雙層濾材的過(guò)濾比由小到大的順序排列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將參與組合的單層濾材的過(guò)濾比設(shè)定為β1和β2，雙層濾材組合和單層濾材過(guò)濾比的對(duì)比見(jiàn)表7。

表7 雙層濾材組合和單層濾材過(guò)濾比的對(duì)比結(jié)果

由表7可以看出，參與組合的上、下兩層濾材，上層不變，下層濾材過(guò)濾比增大時(shí)，組合濾材過(guò)濾比會(huì)增大；下層不變，而上層濾材過(guò)濾比增大時(shí)，組合濾材的過(guò)濾比也會(huì)增大。兩個(gè)單層濾材的過(guò)濾比都很小時(shí)，其組合過(guò)濾比也很小;兩個(gè)單層濾材的過(guò)濾比都變大時(shí)，其組合過(guò)濾比也隨之變大。將表7中組合過(guò)濾比以及兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積繪制成具有對(duì)數(shù)刻度縱坐標(biāo)的柱狀圖，如圖5所示。

圖5 雙層組合過(guò)濾比與兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積對(duì)比

由圖5可以看出，隨著雙層濾材組合過(guò)濾比的增大，兩個(gè)單層濾材過(guò)濾比的乘積也會(huì)增大，不過(guò)因?yàn)V材的不同，兩個(gè)單層濾材過(guò)濾比乘積的增大快慢速度也不同。除了有兩組濾材的組合過(guò)濾比的值大于兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積，其余37組濾材組合的過(guò)濾比均小于兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積，占比94.9%，即雙層濾材組合后，其過(guò)濾比均小于兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積的概率非常大。將雙層濾材組合的過(guò)濾比與兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積的比值繪制成曲線圖，如圖6所示。

圖6 雙層組合過(guò)濾比與兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積的比值

表7為雙層組合過(guò)濾比與兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積的比值，其變化范圍為0.30～1.10，比值在0.9～1.1的僅有6組數(shù)，占比為15.4%;比值在0.8～1.2的共有13組，占比為33%，這表明兩層濾材組合的實(shí)際應(yīng)用中，雙層濾材組合過(guò)濾比與兩個(gè)單層過(guò)濾比乘積不一定相等。由圖7還可以看出，隨著組合過(guò)濾比的增大，比值曲線波動(dòng)范圍在向下移動(dòng)，總體走勢(shì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這表明，如果以?xún)蓚€(gè)單層過(guò)濾比乘積作為參考，濾材組合過(guò)濾比越大，其組合效能將越低。

2.4 雙層濾材組合過(guò)濾比和流阻的變化關(guān)系

按照雙層濾材組合過(guò)濾比從小到大的順序，繪制雙層濾材組合過(guò)濾比和流阻的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 雙層組合過(guò)濾比與流阻的關(guān)系

由圖7可以看出，雙層濾材組合后，隨著過(guò)濾比的增加，流阻曲線并沒(méi)有持續(xù)的增加，而是出現(xiàn)降低后再增加，總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。由此可知，過(guò)濾比增加時(shí)，不同的濾材組合的流阻會(huì)有不同的增加，即使過(guò)濾比相同時(shí)，其流阻不一定相同。從濾材的使用角度來(lái)講，圖7中流阻曲線變化的降低點(diǎn)處是相對(duì)的最佳濾材組合，因?yàn)槭褂脮r(shí)要從濾材的過(guò)濾比(過(guò)濾效率)和流阻等綜合過(guò)濾性能考慮。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)多種空氣濾材的單層濾材試驗(yàn)和雙層濾材組合試驗(yàn)，對(duì)比分析了單層濾材和雙層濾材組合后的流阻試驗(yàn)、過(guò)濾效率試驗(yàn)或過(guò)濾比試驗(yàn)等的聯(lián)系與區(qū)別，在相同的試驗(yàn)條件下，可以得出以下結(jié)論：

(1)雙層濾材組合后的流阻與參與組合的兩個(gè)單層濾材流阻之和非常接近，組合后的流阻不小于兩個(gè)單層濾材流阻之和；

(2)雙層濾材組合后，其過(guò)濾比不一定等于兩個(gè)單層濾材過(guò)濾比的乘積，而是會(huì)出現(xiàn)小于兩個(gè)單層濾材過(guò)濾比的乘積的情況；

(3)雙層濾材組合使用時(shí)，相對(duì)于兩個(gè)單層濾材過(guò)濾比乘積而言，隨著組合過(guò)濾比的增大，其組合效能將降低；

(4)雙層濾材組合使用，可以提高其過(guò)濾比/過(guò)濾效率，但是流阻也會(huì)增大。建議多做幾種濾材組合，從而選擇過(guò)濾比/過(guò)濾效率合適、流阻相對(duì)較低的濾材組合，以滿(mǎn)足過(guò)濾使用需求。