兩不同級別過濾器組合對顆粒過濾性能模擬

劉 婷，魏 兵

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

兩不同級別過濾器組合對顆粒過濾性能模擬

劉 婷，魏 兵

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

通過FLUENT軟件模擬了不同級別過濾器兩－兩組合對粒徑分別為0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm 5種顆粒的過濾性能，同時模擬了過濾風速對過濾器捕集微粒效率和壓降的影響規律，得出多個不同級別過濾器兩－兩組合對這五種顆粒的過濾規律，以及過濾器捕集效率和壓降隨過濾風速變化規律。對多個不同級別過濾器兩－兩組合過濾這5種顆粒的過濾規律、過濾器捕集效率和壓降隨過濾風速變化規律進行了分析與總結，得出不同級別過濾器兩－兩組合對微粒的過濾存在最佳組合的結論，對實際工程應用中過濾器的組合匹配以及空調系統過濾PM2.5方面提供了一定的參考。

過濾器;組合;過濾性能;模擬

0 引言

近期，雖然還未供暖，全國大范圍很多城市卻遭受了嚴重霧霾天氣的襲擊，PM2.5也引起了越來越多人的關注。PM2.5是空氣動力學直徑小于等于2.5 μm的細微顆粒物［1］，很多有毒有害物質會附著于這些小顆粒上，90%的細微顆粒物可深入到肺泡區，并通過血液輸往全身，長時間處在PM2.5濃度高的地區，很容易引發各種疾?。?］。隨著人們生活質量的提高，人們對環境的要求也越來越高，人們都希望呼吸到新鮮的空氣，遠離霧霾。

人們每天平均約有80%的時間都是在室內度過的［3］，室內空氣質量與人們的健康和工作效率緊密相關。很多人的觀念里空調新風系統對室外空氣均有一定過濾效率，但實際上很多空調系統都只設置粗效過濾器，粗效過濾器只能阻擋大的顆粒，對小的顆粒幾乎沒阻擋作用。有一些空調系統設置了粗效、中效兩級過濾器，也有一些空調系統設置了粗效、中效、亞高效三級過濾器。但空調過濾系統設計方面，很少有設計針對幾個級別過濾器的合理組合匹配，從而使過濾達到高效而經濟。如果兩級過濾器級別相差很多，第二級過濾器會承擔很大的負荷，前一級起不到保護后一級的作用;如果兩級過濾器級別相差太近，第二級過濾器不能實現其應有的價值［4］。所以有必要對空調過濾器的組合匹配進行理論研究，尤其是過濾器合理匹配對PM2.5過濾的理論研究。

關于空氣過濾器的模擬研究，國內已有很多學者進行了相關的研究，文獻 ［5］利用 LB(Lattice Boltz-mann)兩相流模型對多層纖維捕集顆粒物過程進行了數值模擬，研究了不同纖維配置方式下系統壓降與捕集效率的變化。文獻 ［6］基于CFD-DEM方法模擬了微細顆粒物在纖維過濾介質中的氣－固兩相流動特性，充分考慮了顆粒群組成、粒徑分布、顆粒間及顆粒與纖維間的反彈作用以及顆粒團聚等因素，分析了纖維過濾中顆粒群的運動特性和微細顆粒的沉積形式。文獻［7］用計算機模擬軟件繪制出接近真實過濾介質的隨機排列三維纖維結構，對其內部流場進行數值模擬，得出纖維過濾介質內部流場三維壓力及速度分布圖。文獻［8］建立了具有一定曲率的隨機結構過濾介質模型，模擬分析了纖維過濾過程中顆粒群的特性對過濾特性的影響。文獻［9］通過創建一系列不同結構參數的虛擬三維纖維過濾器模型，用FLUENT6.1軟件對纖維內部的氣相流場在不同運行參數條件下進行了數值模擬研究。文獻［10］對空氣凈化器濾層及復合濾料折疊濾層進行數值模擬，模擬不同孔隙率條件下濾料截面阻力分布與氣流速度的關系。

本文通過FLUENT軟件模擬了不同級別過濾器兩－兩組合對粒徑分別為0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm 的5種顆粒的過濾性能，對多個不同級別過濾器兩－兩組合過濾性能進行了分析與總結，得出不同級別過濾器兩－兩組合對微粒的過濾存在最佳組合的結論，對實際工程應用中過濾器的組合匹配以及新風系統過濾PM2.5方面提供了一定的參考。

1 模型介紹

在本文模型中，纖維排列為錯列，通過前處理軟件Gambit生成，采用流體流動模擬軟件Fluent中的離散相模型對纖維過濾器捕集細微粒子的過程進行模擬。離散相邊界條件為:wall－1——trap，wall－2——reflect，反射系數為 1。模擬中考慮粒子受布朗力、Staffman升力、熱泳力及重力。模擬過程中假設粒子從垂直入口面噴射進來，質量流量0.000 1 kg/s，殘差10－6。

本文模擬了 F30t20+F10t10，F30t20+F15t10， F30t20 + F20t10， F35t20 + F10t10，F35t20+F15t10， F35t20+F15t10， F35t20+F20t10， F40t20 + F10t10， F40t20 + F15t10，F40t20+F20t10等9種不同纖維組合對微粒的過濾情況。

注:文中F30t20代表纖維直徑為30 μm填充率為20%的過濾器;F30t20+F10t10中F30t20代表第一級過濾器;F10t10代表第二級過濾器;F30t20+F10t10代表第一級過濾器與第二級過濾器的組合，其余同理。

模型圖如圖1所示。

模型入口段長400 μm，中間段長400 μm，出口段長200 μm，模型寬度1 800 μm。入口設為速度入口，出口設為壓力出口。

圖1 模型圖

1.1 填充率α計算

填充率α示意圖如圖2所示。

圖2 填充率和纖維直徑與纖維間距的關系

式中:α為纖維填充率;df為纖維直徑;l，h為纖維橫向、縱向間距。

纖維參數l×h單位μm×μm，填充率分別為10%和20%所對應的纖維參數如表1所示。

表1 模擬纖維參數

1.2 模擬圖

速度大小、顆粒軌跡、顆粒濃度分布、靜壓分布如圖3～6所示。

圖3 速度大小圖

圖4 顆粒軌跡圖

圖5 顆粒濃度分布圖

由圖4和圖5可知，隨著顆粒沿氣流方向運動，由于纖維對微粒的捕集，越到下游，顆粒濃度越小。微粒隨氣流流過過濾器內部時，部分微粒在慣性、攔截、重力、擴散和靜電力等多種作用下沉集在纖維表面，從而使過濾器下游微粒數目和濃度低于過濾器上游。

圖6 靜壓分布圖

由圖6可知，隨著顆粒沿著氣流方向運動和纖維對微粒的捕集，越到下游，靜壓越小。由于空氣流經過濾器時，需不斷克服過濾器內部纖維阻力，從而使得過濾器下游靜壓小于上游靜壓。

2 不同過濾級別組合的過濾器性能模擬

2.1 典型組合捕集效率及壓降模擬結果

F20t10+F10t10對粒徑為1 μm粒子的捕集效率和壓降模擬結果如圖7、圖8所示。

圖7 F20t10+F10t10對1 μm粒子捕集效率圖

圖8 F20t10+F10t10對1 μm粒子捕集壓降圖

由圖7、圖8可看出，對于某一固定粒徑的粒子，隨著速度的變化，第一級捕集效率、第二級捕集效率、總捕集效率均有一個最小值;第一級壓降、第二級壓降、總壓降隨著速度的增加而升高。

2.2 多種組合過濾器捕集性能模擬結果

2.2.1 F20t10+F10t10組合對5種粒徑粒子的總效率模擬結果如圖9所示。

由圖9可看出，對于某一固定粒徑的粒子，隨著速度的變化，總捕集效率有一個最小值，但是捕集效率最低點會因粒子粒徑不同而不同。隨著過濾速度的增加，捕集效率最低值向小粒徑方向移動。

圖9 F20t10+F10t10總效率圖

2.2.2 不同纖維組合對粒子過濾效果的比較

在不同過濾風速下，各纖維組合效率比較情況如表2～5所示。其中第一級填充率均為20%，第二級填充率均為10%。表2～5中各纖維組合均是第一級填充率20%，第二級填充率10%，表中寫法省略了填充率，F30F15代表F30t20F15t10的纖維組合，下同。

表2～5可知，在相同的速度下，直徑小的纖維對小顆粒的捕集效率不一定比直徑大的纖維高;直徑大的纖維對大顆粒的捕集效率不一定比直徑小的纖維低。對同一粒徑粒子，速度越大、直徑大的纖維對粒子的捕集效率不一定比直徑小的纖維低;速度越小、直徑小的纖維對粒子的捕集效率不一定比直徑大的纖維高。

表2 v=0.08 m/s 時各纖維組合效率比較

表3 v=0.1 m/s 時各纖維組合效率比較

表4 v=0．2 m/s 時各纖維組合效率比較

表5 v=0．4 m/s 時各纖維組合效率比較

2.2.3 最佳纖維組合

同一速度下，對5種顆粒過濾效果最佳纖維組合如表6所示。對某一粒徑粒子，過濾速度變化時對過濾效果最佳的纖維組合情況如表7所示。

表6 同一速度過濾效果最佳組合

由表6、7知，不同級別過濾器兩－兩組合，會在不同粒徑或速度條件下，存在最佳纖維組合，使對微粒的捕集效率達到最高值。

表7 過濾速度變化時過濾效果最佳組合

2.3 過濾器壓降模擬結果

不同纖維組合在不同過濾風速下對粒徑為0.5 μm和2.5 μm粒子的過濾總壓降如圖10、圖11所示。

圖10 不同纖維組合捕集0.5 μm粒子總壓降

圖11 不同纖維組合捕集2.5 μm粒子總壓降

由圖10、11可看出，在同一纖維組合下，速度越大，壓降越大，在第一級纖維直徑和填充率、第二級填充率相同的情況下，第二級纖維越粗，壓降越小。在第二級纖維直徑和填充率、第一級填充率相同的情況下，纖維越粗，壓降越小。這是由纖維直徑對慣性、攔截、擴散、重力、靜電等幾種捕集機理的綜合作用函數決定，纖維直徑越小，過濾器阻力越大。

3 結論

從不同級別過濾器兩兩組合對5種微粒的過濾模擬結果可看出，每種纖維組合均有一個捕集效率最低所對應的過濾速度。微粒粒徑越小，捕集效率最低值對應的速度越大。不同纖維對這5種微粒的最低捕集效率對應的速度隨纖維直徑增加而增加。由過濾理論知，微粒擴散效率隨速度增加而下降，慣性碰撞和攔截效率隨速度增高而提高，因而總效率隨著速度增加呈先降后升的趨勢，存在一最低效率的速度［11］。由此看出，模擬結果與理論相符，通過模擬，很好地驗證了過濾速度、纖維直徑、微粒大小三個因素對纖維過濾微粒的規律，證明了模擬方法的可靠性與正確性。在實際工程應用中，應針對所需過濾微粒的大小情況和過濾需求，合理配置風機和管道，確保所提供的風速在過濾器運行效果較佳的范圍，使過濾器對PM2.5的捕集效果最佳、壓降最合理。

從不同級別過濾器兩－兩組合結果中可看出，不同級別過濾器兩－兩組合，會在不同粒徑或速度條件下，存在最佳纖維組合，使對微粒的捕集效率達到最高值。模擬結果為過濾器實際應用提供了一定的啟發，在實際應用中，需根據過濾的條件，通過相應理論分析，尋找出最佳纖維組合方式，從而使捕集達到最佳的效果。

本文模擬過程未考慮溫度、濕度、靜電、纖維斷面形狀、氣流壓力、積塵量等多種因素對過濾效率和壓降的影響，因此模擬結果與實際過濾器過濾粒子的效果存在一定差距，對這些方面有待進一步研究。

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［2］唐孝炎，張遠航，邵敏．大氣環境化學 (第二版)［M］．北京:高等教育出版社，2006:268－269．

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The Simulation of Filtration Performance of Combinations of any Two Filters with Different Filtration Levels Filtering Particulates with Five Different Particle Sizes

Liu Ting，Wei Bing
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

This paper simulates the filtration performance of combinations of any two filters with different filtration levels filtering particulates with the particle sizes of 0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm，and the influence of filtration velocity to filtration efficiency and pressure drop through the FLUENT software．And the paper gets the law of combinations of any two filters with different filtration levels filtering these five kinds of particulates and the law of the influence of filtration velocity to filtration efficiency and pressure drop．In addition，the paper analyzes and summaries the law of combinations of any two filters with different filtration levels filtering these five kinds of particulates and the law of the influence of filtration velocity to filtration efficiency and pressure drop．And it comes to the conclusion that there exists a best combination of any two filters with different filtration levels which can give some guidance in practical engineering application and provide some reference value to PM2.5filtration．

filter;combination;filtration performance;simulation

TM73

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.005

2014－11－13。

劉婷 (1989-)，女，碩士研究生，研究方向為新風換氣機過濾器PM2.5過濾性能仿真與實驗，E-mail:liutingv0802@163.com。