一種新型濕式金屬填料過濾性能的實驗研究

姜林林 柳建華 張良 丁楊 翁晶凱 吳昊

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

一種新型濕式金屬填料過濾性能的實驗研究

姜林林 柳建華 張良 丁楊 翁晶凱 吳昊

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

介紹了濕式與金屬填料疊加的除塵器的結構、綜合除塵機理及其它有效的功能，可有效克服傳統纖維過濾器的不足。實驗測試了在不同氣流流速下和不同噴淋密度下除塵器的過濾性能，實驗結果表明當風速1.2 m/s、噴淋密度1.0 m3/h時，濕式金屬填料過濾系統除塵效率可到75%，可應用于集中式中央空調或通風系統中。

濕式過濾；金屬填料；噴淋密度；過濾效率

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的裝置。濕式除塵器具有結構簡單、造價低、凈化效率高、不揚塵和二次污染少等特點，適合去除非纖維性和不與水發生化學反應的各種粉塵。濕式過濾與金屬填料相結合，對可吸入顆粒物有很高的計數過濾效率，而且金屬過濾器的阻力也在100 Pa以內[1]。金明[2]對金屬填料濕式除塵器的除菌效率進行了實驗研究，除菌效率在90%～95%之間，并驗證了微生物粒子主要集中在5.0～10.0 μm之間的結論。馬德剛[3]在濕式金屬填料噴淋水中加表面活性劑后，對可吸入顆粒物過濾效率有很大的提高。王一飛等[4]，陳喜山等[5]分別對金屬填料濕式除塵器對工廠油霧和餐飲行業油煙過濾方面的應用進行了研究，研究表明金屬填料濕式除塵器對油霧、油煙等易凝結污染物具有很好的過濾效果，而且油霧、油煙并不會在金屬填料里滯留。本文主要研究金屬填料的過濾和除菌性能，探討其作為中央空調系統過濾器的應用。

1 實驗原理

金屬填料過濾類似于纖維過濾及顆粒層過濾，而因其填料結構的不同與這兩種過濾機理又有所不同。在金屬填料過濾中顆粒物能從氣流中分離出來，主要是依靠攔截效應、慣性碰撞效應、靜電效應及擴散作用等。事實上，在實際過濾過程中是各種機理共同作用的結果。攔截效應和慣性碰撞效對較大粒徑顆粒物(2.0 μm以上)有較好的作用，粒徑越大攔截效應越強；顆粒密度越大，慣性碰撞效應越強。由于1.0 μm以下的粒徑顆粒物擴散效應較強，尤其是0.3 μm以下粒徑顆粒物，擴散效應起主要作用。靜電效應對0.1～10.0 μm粒徑顆粒物都有較強的作用，靜電效應大小受靜電作用力大小影響[6]。復合過濾中的共同作用效應如圖1，各效應效率與顆粒物粒徑變化關系如圖2。

當過濾作用發生時，各效應之間相互聯系相互影響，過濾效率不能簡單認為是各獨立過濾機理效率的疊加，如果簡單使用疊加原理，可能造成很大誤差。近似地把各種效應做綜合效應，用串聯模式處理分析更符合實際情況，綜合過濾效率可表示為[7]:

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

圖1 綜合過濾機理圖Fig.1 Integrated filtering mechanism

圖2 各捕集效應與粒徑關系圖Fig.2 Relationship between capture effect and particle size

2 實驗裝置

濕式金屬填料噴淋裝置主要包括:金屬填料、可視玻璃風管段、噴淋布水器、噴淋水控制閥等?？梢暡ＡэL管段可拆卸，里面的金屬填料可更換塊數和填料類型，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。金屬填料發揮過濾作用，收集因碰撞攔截、重力作用、靜電力、擴散效應等在填料處過濾團聚后的顆粒物；通過水的噴淋，清除灑落在金屬填料中的顆粒物，使過濾器得到自凈。濕式金屬填料噴淋裝置如圖3所示，測量儀表見表1。

3 實驗結果與分析

3.1 除塵效率與迎面風速的關系

實驗中采用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的金屬絲網波紋填料。從圖4中可以看出，金屬填料過濾效率在風速1.2 m/s時顆粒物分級計數過濾效率最高。在0.3 μm～5.0 μm粒徑測量范圍內，粒徑為5.0 μm顆粒物分級過濾效率最高，達到60%，3.0 μm、2.0 μm和1.0 μm粒徑顆粒物分級過濾效率分別為50%、40%和25%，1.0 μm以下粒徑顆粒物過濾效率較低，0.3 μm和0.5 μm粒徑過濾效率分別為5%和7%。

圖3 金屬填料噴淋過濾結構示意圖Fig.3 The structure of metal filter spray filter

表1 實驗臺主要測試儀器Tab.1 Main equipments of experimental system

3.2 除塵效率與噴淋量的關系

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

圖8是噴淋量為1.0 m3/h時不同風速下顆粒物分級過濾效率。從圖中可以看出風速為1.2 m/s時，各粒徑顆粒物過濾效率最高，過濾效率與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過濾效率受風速影響變化大，1.0 μm以下顆粒過濾效率受風速影響變化小。

圖4 不同風速下過濾效率Fig.4 Filter efficiency in different gas flow velocity

圖5 風速1.2 m/s不同噴淋密度時過濾效率Fig.5 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 1.2 m/s

圖6 風速0.8 m/s不同噴淋密度時過濾效率Fig.6 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.8 m/s

圖7 風速0.6 m/s不同噴淋密度時過濾效率Fig.7 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.6 m/s

對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濾效率，對較小粒徑顆粒物過濾效率降低。過濾系統在實驗條件下主要靠金屬填料的慣性攔截效應、碰撞效應對顆粒物過濾，由于金屬填料空隙較大，在填料捕集顆粒物過程中擴散效應作用很小，因此過濾系統對1.0 μm以下顆粒物過濾效率較低。噴淋后的金屬填料被潤濕，填料表面形成液膜等[8]，濕膜對顆粒物有較強的捕集作用力，這使得噴淋后過濾效率提高。實驗結果表明1.0 μm以上顆粒物過濾效率提高10% ～15%，對1.0 μm以下顆粒物過濾效率降低5%左右。這是因為在金屬填料噴淋過程中，使得過濾空氣溫度降低，濕度增大，濕凝并作用和熱凝并作用對較小粒徑顆粒物產生作用，0.3 μm以下顆粒物團聚為0.3 μm以上可測團聚物。由于過濾系統對1.0 μm以下顆粒物過濾捕集作用有限，在實驗分析中表現為1.0 μm以下顆粒物過濾效率降低，實際情況是過濾空氣中大量0.3 μm以下粒徑顆粒物團聚為0.3 μm以上粒徑團聚體，使空氣中0.3 μm～1.0 μm顆粒物數量增加，而這些顆粒物只有有限的一部分被過濾掉。

圖8 噴淋密度為1.0 m3/h不同風速時過濾效率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污染物，還可以實現空氣消毒凈化、蒸發冷卻和冬季加濕等功能。同時也要做好除塵器內部的清理和對噴淋水系統的過濾管理。

1)中央空調系統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行傳播。在中央空調系統中進行除塵并消毒，可以切斷病毒傳播途徑。實驗數據表明，采用本文研究的濕式填料除塵器可以替代傳統中央空調過濾器，達到中效過濾器水平，而阻力卻很小。因此在中央空調系統中采用濕式填料除塵器可以有效解決過濾除塵和消毒凈化等問題。

2)采用了濕式過濾的方式，如同在空調或通風系統中增加了蒸發冷卻裝置，實驗中通過測試進出口干濕球溫度，發現采用該設備可以使空氣溫度降低3 ～5℃[9－10]?？s短了制冷機組的開啟時間，節省能量消耗。

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

5 結論

1)濕式金屬填料過濾器在風速1.2 m/s范圍內，風速增加使系統過濾效率提高，風速降低使過濾效率下降；填料噴淋密度大時，對1.0 μm以上粒徑顆粒物過濾效率高，1.0 μm以下粒徑顆粒物過濾效率則較低。綜合分析實驗結果，風速為1.2 m/s，噴淋量為1.0 m3/h，過濾系統過濾效率可以達到75%以上。

2)濕式金屬填料除塵器可以實現過濾、清灰和消毒相結合，對改善空氣品質、節約能耗和預防傳染病毒通過通風系統傳播具有很好的作用，具備健康、舒適和節能的特點。

本文受上海市教育委員會重點學科項目(J50502)資助。(The project was supported by Key Subject of Shanghai Municipal Education Commission-funded projects(No.J50502).)

[1] 張歡，由世俊，馬德剛，等.空調機組填料型洗滌式空氣過濾器的實驗研究[J].流體機械，2004，32(4):47-50. (Zhang Huan，You Shijun，Ma Degang，et al.Experimental Study of the Wetted Media Air Filter Used in Air-handling Unit[J].Fluid Machinery，2004，32(4):47-50.)

[2] 金明.金屬填料過濾器的試驗研究[D].天津大學，2005.

[3] 馬德剛，張歡，葉天震，等.濕式金屬填料除塵器的實驗[J].天津大學報，2004，37(12):1119-1122.(Ma Degang，Zhang Huan，Ye Tianzhen，et al.Experimental Study on Wet Dust Collection with Metal Filler[J].Journal of Tianjin University，2004，37(12):1119-1122.)

[4] 王一飛，張歡，由世俊.洗滌式金屬填料空氣過濾器的試驗研究[J].煤氣與熱力，2006，26(2):74-76.(Wang Yifei，Zhang Huan，You Shijun.Experimental Study on Wash-type Metal Filler Air Filter[J].Gas＆Heat，2006，26(2):74-76.)

[5] 陳喜山，梁曉春，李瑛，等.過濾——洗滌復合法過濾飲食業油煙的試驗研究[J].環境科學與技術，2006，29 (11):71-73.(Chen Xishan，Liang Xiaochun，Li Ying，et al.Study on the purification of cooking fume in catering trade by composite methods of infiltration and clean sing [J].Environmental Science and Technology，2006，29 (11):71-73.)

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作者簡介

姜林林，男(1990－)，碩士在讀，上海理工大學能源與動力工程學院，18818262694，E-mail:jllllj18818262694＠163.com。研究方向:制冷與低溫工程。現在進行的研究項目有:上海市研究生創新基金項目(JWCXSL1102)——土壤源熱泵地埋管換熱器相關性研究。

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