濾材組合對空氣過濾器過濾性能的影響

張萬，韓鳳娟

1.航空工業(新鄉)計測科技有限公司，河南新鄉 453019；2.新鄉航空工業(集團)有限公司，河南新鄉 453000

0 引言

空氣過濾器可以有效地濾除空氣中的灰塵、纖維、氣味等雜質，能為發動機、潔凈廠房(艙、室)等凈化空氣，滿足了人們生活和生產的需求，已得到廣泛應用。空氣過濾器是由空氣濾材制作而成的，濾材的攔截、吸附作用可以凈化空氣中的固體雜質，部分空氣過濾器添加了活性炭等材料用于過濾有毒有害氣體。空氣過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。本文對單層濾材和雙層濾材組合的過濾性能進行了對比分析，并通過試驗驗證。

1 試驗方案設計

過濾器的過濾性能一般包括流阻(壓差)、過濾效率和容塵量(或儲塵能力)3個項目，對于高效空氣過濾器來說，沒有容塵量試驗或壽命試驗等相關要求，而且對于濾材的容塵量試驗也不常見。因此，此次試驗對比中不再進行容塵量試驗，只進行流阻試驗和過濾效率試驗的對比與分析[1]。

空氣濾材的過濾效率試驗方法主要有鈉焰法、油霧法和粒子計數法3種，本文選擇最常用的粒子計數法進行試驗。采用粒子計數法試驗時，空氣濾材的測試粒徑一般不大于1.0 μm，當測試粒徑大于0.3 μm時一般選擇使用多分散氣溶膠和光學粒子計數器(OPC)完成試驗，而測試較小粒徑如0.1、0.3 μm時一般使用微分遷移率分析儀(DMA)和凝結核粒子計數器(CPC)測量單分散氣溶膠等進行試驗[2]。試驗時使用的試驗設備為濾材過濾性能試驗臺，利用DMA和CPC組合的方法使用單分散氣溶膠進行試驗，在下游粒子采樣管路中增加了稀釋器，中低效濾材的過濾效率試驗時使用該稀釋器，高效濾材試驗時其下游不使用稀釋器。上下游CPC的取樣流量和取樣時間一致，而且試驗臺的驗證均滿足EN 1822—3規定的要求[3]。濾材過濾性能試驗臺原理如圖1所示。

圖1 濾材過濾性能試驗臺原理

試驗分析樣品為單層和雙層空氣濾材，選用過濾效率為中低效、中效、高效等多種不同類型的濾材，超高效濾材過濾效率和流阻都很高，雙層疊加試驗意義不大，不再對超高濾材進行分析。選用多種不同的濾材進行試驗，這些濾材有玻纖濾材和紙質濾材兩種材質。每種待試驗的濾材表面干凈、平整、無起泡、折痕等現象。為了減小濾材結構不均勻帶來的影響，每種濾材選取不少于3個樣品分別進行單層濾材過濾性能試驗，從試驗結果中選取數值比較接近的兩個樣品進行雙層組合試驗。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。試驗時，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時，過濾效率相對較低的濾材在進氣氣流的上游。氣溶膠采用癸二酸二異辛酯(DEHS)，試驗的濾速、試驗面積、粒徑等參數是依據行業常用參數和相關標準的規定而制定的，所有濾材的試驗參數均一致，具體見表1。

表1 濾材試驗參數

空氣過濾器試驗時，是用穿透率P和過濾效率E來表征其過濾性能，這兩個性能參數都是純小數，對這兩個數值進行對比時，差異表現不是很明顯。過濾比β也是表征過濾器過濾性能的參數，過濾比的值一般都是大于1的數值，相對過濾效率來說，過濾比可以放大不同過濾器的過濾性能的差異。過濾比β和穿透率P互為倒數關系，過濾比β和穿透率P、過濾效率E的關系式為[4]：

(1)

式中：Ni,u為粒徑檔i的上游粒子濃度，個/mL；

Ni,d為粒徑檔i的下游粒子濃度，個/mL。

試驗結束后，分別對比單層濾材和雙層濾材的流阻試驗和過濾效率試驗結果，分析其差異，從而得出單層和雙層濾材的過濾性能試驗的分析結論。

2 試驗結果對比與分析

2.1 過濾性能試驗數據

試驗選取了9種不同濾材，按照濾材過濾效率從低到高的順序進行編號，部分濾材做了3個樣品。單層濾材進行過濾效率試驗時，取樣體積為1 000 mL，使用每毫升的顆粒數進行分析，過濾性能試驗數據見表2。

表2 單層濾材過濾性能試驗數據

將以上同種濾材的兩個樣品組合在一起，試驗氣流方向和濾材的氣流方向一致，進行過濾性能試驗，試驗數據見表3。

表3 雙層同種濾材組合過濾性能試驗數據

將不同種濾材的兩個樣品組合在一起，讓氣流方向依次通過過濾效率低的、過濾效率高的濾材，試驗氣流方向和濾材的氣流方向一致進行試驗，過濾性能試驗數據見表4。

表4 雙層不同種濾材組合過濾性能試驗數據

續表4

2.2 單層濾材和雙層濾材組合的流阻性能對比與分析

將表2至表4的流阻試驗數據進行整理并繪制表格，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進行對比。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比結果分別見表5和表6。

表5 雙層同種濾材組合和單層濾材流阻的對比結果 單位:Pa

表6 雙層不同種濾材組合和單層濾材流阻的對比結果 單位:Pa

分別對9種雙層同種和不同種濾材組合與單層濾材的流阻進行對比分析，結果如圖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比

圖3 雙層不同種濾材組合和單層濾材流阻的對比

由以上圖表可以看出，無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單層濾材的流阻之和的差值很小，兩者數值幾乎相等。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組數據出現Δp<Δp1+Δp2的情況，其他流阻對比都是雙層不同濾材組合的流阻Δp不小于兩個單層濾材的流阻Δp1與Δp2之和。

2.3 單層濾材和雙層濾材組合過濾比的對比與分析

過濾比是另一種表示過濾性能的參數，對于空氣過濾器來說，它是過濾器上游管路中氣溶膠的濃度和過濾器下游管路中的氣溶膠濃度的比值，計算時上下游取樣體積和粒徑一致，而且要同時取樣。雙層濾材組合試驗時，是將第一層濾材和第二層濾材當成一個整體，得到的過濾比也是(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，之間會存在一定的縫隙，這個縫隙將一個大的整體分割成上層和下層兩個獨立的個體，單層濾材試驗與雙層濾材組合試驗的過濾比如圖4所示。

圖4 單層濾材試驗與雙層濾材組合試驗的過濾比

(2)

(3)

雙層濾材組合后的過濾比β和上下兩層濾材的單層過濾比β1、β2的乘積是否也相等，下面作了比較。按照雙層濾材的過濾比由小到大的順序排列試驗數據，并將參與組合的單層濾材的過濾比設定為β1和β2，雙層濾材組合和單層濾材過濾比的對比見表7。

表7 雙層濾材組合和單層濾材過濾比的對比結果

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

圖5 雙層組合過濾比與兩個單層過濾比乘積對比

由圖5可以看出，隨著雙層濾材組合過濾比的增大，兩個單層濾材過濾比的乘積也會增大，不過因濾材的不同，兩個單層濾材過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濾比的值大于兩個單層過濾比乘積，其余37組濾材組合的過濾比均小于兩個單層過濾比乘積，占比94.9%，即雙層濾材組合后，其過濾比均小于兩個單層過濾比乘積的概率非常大。將雙層濾材組合的過濾比與兩個單層過濾比乘積的比值繪制成曲線圖，如圖6所示。

圖6 雙層組合過濾比與兩個單層過濾比乘積的比值

表7為雙層組合過濾比與兩個單層過濾比乘積的比值，其變化范圍為0.30～1.10，比值在0.9～1.1的僅有6組數，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際應用中，雙層濾材組合過濾比與兩個單層過濾比乘積不一定相等。由圖7還可以看出，隨著組合過濾比的增大，比值曲線波動范圍在向下移動，總體走勢呈現減小的趨勢。這表明，如果以兩個單層過濾比乘積作為參考，濾材組合過濾比越大，其組合效能將越低。

2.4 雙層濾材組合過濾比和流阻的變化關系

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

圖7 雙層組合過濾比與流阻的關系

由圖7可以看出，雙層濾材組合后，隨著過濾比的增加，流阻曲線并沒有持續的增加，而是出現降低后再增加，總體呈現增加的趨勢。由此可知，過濾比增加時，不同的濾材組合的流阻會有不同的增加，即使過濾比相同時，其流阻不一定相同。從濾材的使用角度來講，圖7中流阻曲線變化的降低點處是相對的最佳濾材組合，因為使用時要從濾材的過濾比(過濾效率)和流阻等綜合過濾性能考慮。

3 結論

經過對多種空氣濾材的單層濾材試驗和雙層濾材組合試驗，對比分析了單層濾材和雙層濾材組合后的流阻試驗、過濾效率試驗或過濾比試驗等的聯系與區別，在相同的試驗條件下，可以得出以下結論：

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

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

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

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