一般通风用空气过滤器性能评价

1、一般通风用空气过滤器性能评价 天津大学硕士学位论文一般通风用空气过滤器性能评价姓名:李园园申请学位级别:硕士专业:供热、供燃气、通风及空调工程指导教师:刘俊杰20090501中文摘要一般通风用空气过滤器广泛地应用于工业与民用建筑空调机组,在提高室内空气品质和保护空调系统方面起到重要作用。过滤效率、阻力、容尘量是一般通风用空气过滤器的重要性能评判参数,需要一套准确方便的检测系统获得;另外,能源形势的紧张,过滤器的能耗开始成为人们关注的热点;本文旨在研制一套检测一般通风用过滤器性能的实验台,寻找影响过滤器性能的因素,提出评价过滤器性能的综合指标。本课题首先总结过滤器性能参数的理论模型,分析各性能参

2、数的影响因素;搭建一套既能满足欧洲标准:,又能满足美国标准.的检测系统,该检测系统自动化程度高,可自动控制仪器与设备、自动采集分析数据、计算误差与生成报表;在系统的风速均匀性、气溶胶均匀性、粒子计数器零效率、测试系统的零效率、%效率、气溶胶稳定性等方面对系统进行了验证。在搭建的实验台的基础上对一般通风用过滤器和过滤材料进行实验研究。参照国内常见标准、.与国标. .,对同一种常见无纺布袋过滤器进行实验,并对其按照各标准分级与蔡博士总结的、各国标准分级比较图进行比较,发现结果基本吻合。从气溶胶类型、静电消除、过滤器结构形式、过滤袋长度、过滤材料层厚度等几个方面,验证分析其对过滤器性能的影响。研究发

3、现过滤器对不同气溶胶类型过滤性能差别较大,除.微米外大气尘各粒径档的效率更接近于效率;采用对过滤材料消除静电后,过滤性能急剧下降;袋式过滤器结构形式的差异对过滤性能影响较大,对过滤袋中间采取黏结加固措施的过滤器效率相对较高、阻力相对较低。总结容尘量与阻力的关系,拟合出阻力与容尘量成指数增长关系;比较分析之前研究人员提出的过滤器综合评价指标;在此基础上推导出新的标准实验状态下综合评价指标,为对过滤器进行能耗分级提供一种新的计算方法。关键词:空气过滤器过滤性能检测台评价指标 ; . , . ,., . : .%. ,.,? ., , . ,. .;. . ,. , , ., ,独创性声明本人声明所

4、呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位做作者签名名阂闺签字蹴枷年月争日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在

5、解密后适用本授权说明导师签名:剀组侈学位论文作者签名:名,虱虱牛日签字日期:矽年月料嗍:“月天津大学硕:学位论文 第一章绪论第一章绪论.,课题研究背景随着大气污染的日益严重和人们环境意识的加强, 空气质量已成为全世界关注的焦点。保护环境和在公共场所、商场、办公楼及工厂提供健康、舒适和清洁的室内环境成为人们的需求。大量的流行病学调查表明,大气和成人发病率及死亡率之间存在正相关关系。国内外对的流行病学调查、动物毒理学试验和人体临床观察研究表明:对人类健康有着明显的直接毒害作用,可引起机体呼吸系统、心脏及血液系统、免疫系统和内分泌系统等广泛的损伤【。美国在犹他谷进行了详细的流行病学研究】。当日均质量

6、浓度每增力./,死亡率平均增%。在质量浓度超过/死亡率比质量浓度小/时平均高出%。值得注意的足,我国大气颗粒污染状况非常严重,年在监测的全国个城市中,.%的城市颗粒物年均浓度超过国家环境空气质量二级标准,.%的城市趟过二级标准。中国环境监测总站对广州、武汉、 州、重庆四个城市进行了为期两年的.、和监测,结果也表明,对人体健康危害大的.普遍超过美同新标准的倍】。等也发现了魁北克蒙特利尔地区空气中粒子浓度与日常死亡的每日变化之间存在的密切联系。他们发现由于呼吸疾病并最终导致死亡的平均百分比,其中由碳水化合物引起的为.%,.为.%,硫化物为.%。一般情况下人们%的时间是在室内度过。早期研究表明,室内

7、人员会接触到室外气态或颗粒污染物【母】。空气过滤器是改善室内空气质量重要手段。除了改善室内空气质量,空气过滤器可用来保护敏感的制造过程,并防止有害排放的粒子,气体或微生物入大气中。另外中央空调系统要求有好的过滤器来保护,如果选用低效率过滤器,中央空调系统就会产生下列毛病【】:气道阻塞、风机结垢,使风量减小;送风口附近会产生风口黑渍;换热部件效率降低;温湿度等测量与控制元件失灵;动态末端送风装置失灵;全热交换装置失效;管道内的积灰,因其温湿度适中,是微生物繁衍的理想场所。有研究建议】,基于室内人员健康的考虑,空调系统应具备两级过滤,第一级至少使用最好使用的过滤器,第二级至少使用最好级别的过滤器。

8、天津大学硕士学位论文 第一章绪论我国在上个世纪年代就已经开始从事空气洁净技术的研究,并开始制造空气过滤裂¨】,至今过滤器的设计取得了显著的进展:合成滤材可通过驻极提高过滤效率却不增加阻力且具有很强的耐高温性,有逐渐取代传统玻纤材料的趋势¨。但是当前,国内空气过滤器的相关理论和实验研究还很欠缺,主要需要进行一下深入研究:.国内标准测试中效过滤器的计数效率的大气尘计数法,由于大气尘的不稳定性和不可重复性,应该研究新的测试方法;.欧美生产厂家看到国内市场需求,大举进入,过滤器等级划分的标识不统一,国内存在着按照国标或者欧洲、美国标准标识的过滤器,给用户在选择的时候带来困惑。.带静

9、电滤料因具有阻力低效率高、抑制细菌的作用的被广泛应用,但有研究表明】随着过滤器安装使用过程中静电的消失,过滤器效率出现低于初始效率现象, 】通过对带静电无纺布做成的过滤器实际性能测试,发现在两个月的使用中过滤效率从初始%降至%左右,变为级别的过滤器,带静电材料的使用对过滤器性能评价和分级带来更大挑战。.统计表明在普通的空调处理机牛过滤器的能耗约占风机总能耗的%。一个普通袋式过滤器一年能耗约,每降低阻力过滤器能耗每年约减少刀,因此降低过滤器的阻力是节能的重要环节。研究一般通风用过滤器性能的主要方法是实验方法,所以本课题参照欧美标准,设计搭建了一套先进的检测台研究一般通风用空气过滤器性能评价。.一

10、般通风用过滤器性能研究通风用空气过滤器主要性能指标包括效率、阻力、容尘量。效率反映其改变空气质量起到的作用,当被过滤空气中的含尘浓度以计重效率表示时,效率为计重效率;以计数浓度表示时,为计数效率;过滤器的阻力主要包括滤料的阻力、过滤器结构的阻力及气流流过过滤器形成涡流等产生的附加阻力,但在许多著作与资料中,讨论袋式过滤器时,往往实际只涉及滤料层的阻力,是不准确的;过滤器的容尘量是和过滤器的使用期限有直接关系的指标。现在测试这些指标的方法主要是在实验室检测,主要的检测方法包括:计重法、大气尘计数法和颗粒计径计数法。天津大学硕士学位论文 第一章绪论.计重法计重法采用标准粉尘掺入定量的炭黑和短棉线,

11、通用的标准粉尘是使用美国亚利桑那州的“道路尘”,过滤器安装在标准实验台上,在过滤器上游端发尘,达到阶段终阻力时测量过滤器上的集尘量,由此得到该阶段的按粉尘质量计算的过滤效率,最终过滤效率是达到约定的终阻力或效率明显下降时各阶段效率加权平均值;过滤器增加的粉尘质量记为“容尘量”【】。该方法主要用于测量效率较低的粗效过滤器,该方法源于美国,年,美国过滤器研究所最早制定了人工尘计重法,当时主要针对粗效过滤器。年根据上述基木方法制定的,并在、年修订成了人工尘计重法,收录于.中,直到年,/.取代了.,仍然采用人工尘计重法测量粗效过滤器的效率和空气过滤器的容尘量。在欧洲,由于受.的影响,各个国家主要采用与

12、美国相同的计重法,最新标准为:。日本标准所采用的计重法原理与/认.标准中的人工尘计重法基本一致【】。我国年代后期修订新的空气过滤器试验方法标准.,也采用与. 类似的计重法。.大气尘计数法测试的尘源为大气尘,大气尘计径计数法适用于测量一般通风用空气过滤器。测试方法是通过白炽光源或激光光源的粒子计数器测量受试过滤器前后大于某粒径的累计粒子数量,确定大于某粒径的累计计数效率,如.中规定的.,芝.岬,.等的累计效率【。该方法的效率值只代表新过滤器的过滤性能,另外由于大气尘的不稳定性,导致测试结果的不可重复和结果的波动较大。.颗粒计径计数法试验台与计重法和比色法所用类似,发尘所用的高浓度试验粉尘也与计重

13、法和比色法所用类似。粉尘的“量”是微小粒径段颗粒物的个数。测量粉尘的仪器为激光粒子计数器。试验过程中,在每次发尘试验的之前和之后,进行计数测量,并计算过滤器对各种粒径颗粒物的过滤效率。当达到终止试验的条件时停止试验。过滤器的典型效率值是在规定粒径范围内,各阶段瞬时效率依发尘量的加权平均值。欧洲标准规定,计数测量时使用的特定的多分散相液滴,如用喷管吹天津大学硕士学位论文 第一章绪论出的癸二酸二辛脂喷雾,或使用与标定计数器所用标准颗粒物相同的聚苯乙烯乳胶球。美国规定计数测量使用氯化钾固体颗粒作为尘源。计数效率不再是个单一的数值,而是一条沿不同粒径的过滤效率曲线。欧洲的试验表明,当试验的终阻力为时,

14、.处的计数效率值与传统比色法效率值接近。美国标准规定针对不同档次的过滤器测量不同粒径范围的效率值,其试验终阻力仍是“倍初阻力或更高”。完整的计数效率测试是破坏性试验,不能用于产品的日常检验。但在平时,制造厂可以省去发尘过程,仅测量过滤器的初始计数效率,以检查产品性能的稳定性和过滤材料的稳定性。标准:欧洲:,美国 .】。.一般通风用过滤器分级.对于一般通风用过滤器,国家标准 .将其分成五四个等级一、粗效、中效、高中效、亚高效,见表.。表一般通风用过滤器分类 ./ .】欧洲:和美国.一般通风用过滤器分级分别见表.和表.。表欧洲现行标准分级【】级别终阻力人工尘平均计重效籼%对姗嚣铲均效率.。.。.

15、。?. 。?% 天津大学硕士学位论文 第一章绪论表美围现行标准分级.本课题主要研究内容和研究意义根据上面的分析与比较,本课题旨在研究一般通风用空气过滤器性能影响因素与评价方法,首先分析了通风用空气过滤器性能评价检测方法,比较不同标准对一般通风用空气过滤器的分级。概括总结过滤器性能性能评价的理论模型,分析过滤材料的特性与机理,以为一般通风用过滤器性能评价提供理论分析依据。其次设计和搭建一套既适用于欧洲标准又可兼顾适用美国标准的过滤器检测系统,该系统既能准确的测量过滤器的过滤效率、阻力、容尘量等参数,又应满足操作简便、检测周期短等要求。介绍各设备与仪表的功能及作用,编制一套数据采集与控制系统,实现

16、整套系统的整体控制与数据记录、分析。该实验台的成功搭建有利于针对性的检测过滤器的参数,为改善过滤器性能提供依据;为以后国内标准的修订提供参考。基于设计搭建的检测系统,对一般通风用过滤器进行实验研究。针对同一种.过滤器分别参照欧洲:、美国.及我国标准进行测试,并按照各标准进行分级对比,给用户在选择的过滤器时提供参考。从气溶胶类型、静电消除、过滤器结构形式、过滤袋的长度、过滤材料厚度等方面研究其对一般通风用过滤器的性能的影响,总结一般通风用过滤器容尘实天津大学硕士学位论文 第一章绪论验数据,拟合容尘量与阻力增加关系模型,提出一般通风用过滤器综合评价指标,并对其进行计算分析。本课题研究的意义还在于,

17、通过对过滤器性能影响因素的分析,为过滤器和过滤材料的研究与设计提供参考;综合评价指标的提出结合了过滤效率、容尘性能与能耗等参数,为对过滤器进行能耗标识提供新的方法。天津大学硕士学位论立 第章 般通风用过滤器性能评价理论第二章一般通风用过滤器性能评价理论一般避风用过滤器性能评价指标主要包括:过滤效率、阻力、容尘最。一般通风用过滤器初始阻力和韧始效率相对较低,随莓容尘的增加,效军逐渐增太,同时阻力呈指数形式增加.在实验研究过灞器性能之前先从理论着手,分析过滤材料的特性与机理,以为一般通风用过滤器性能评价提供理论分析依据。.过滤效率的理论计算纤维过滤材料捕集过滤粉尘颗粒的机理主要有:惯性碰撞、布朗扩

18、散、拦截效应、重力效应和静电效应口”,见图?。人们常常将惯性碰撞、布朗扩散、拦截效应、重力效应称为机械过涟机理,对普通玻璃纤维滤纸及过滤器来说,主要的过滤机理惯性碰撞、却朗扩散、拦截设应、重力效应,一般讲,粒径较大的粒子被捕集主要是由于惯性碰撞:中等大小的粒子则因过滤材料的拦截效应而被过滤掉;粒径非常小的粒子布朗扩散眈较强烈,通常因扩散到过滤材料中发生碰撞或粘附而被收集。带静电过滤材料过滤机理由机械过滤机理和静电过滤机理组成,爆竹%.截 甜圈.单纤维捕提帆理机械过滤机理为了把过滤村料的效率在一定程度能用公式定赶的表示出来,要引进适当天津大学硕士学位论文 第章一般通风用过滤器性能评价理论的数学模

19、型。根据滤料纤维结构和物理特征,常用的模型是用单纤维表示,把气流阻力看作是由流场中存在一个某长度的圆柱障碍物引起,以纤维单元作为分析对剩。主要的单一纤维理论计算方法称做孤立圆柱法。孤立圆柱法是锄【】提出的,这种方法的原理是:使用与气流方向垂直的独立纤维周围的速度场,计算微粒由于各种沉积机理的作用在纤维上的沉积率。相邻纤维的影响一般称为干扰效应用经验公式或半经验修正项来表示,在最后把以上计算的纤维上的沉积率转化为过滤器的效率。.扩散效应【】:由于气体分子热运动对微粒的碰撞,从而产生了微粒的布朗运动。由于这种布朗运动,那些较小粒子随流体流动的轨迹与流线不一致。粒子的尺寸越小,布朗运动越显著,在常温

20、下,.岬的微粒每秒钟扩散距离可达到啪,比纤维间距离大几倍至几十倍【,这就使粒子有更大的机会接触并沉积到纤维表面,而直径大于.岬的粒子布朗运动就会减弱许多,一般不足以靠布朗运动使其离开流线碰撞到纤维上面去,如图.所示。纤维/图扩散效应布朗扩散而造成粒子的过滤效率与粒子的在流体中的状态密切相关,常用粒子扩散率、粒子扩散系数表示。实验研究中得到,布朗扩散过滤效率会随着纤维密实度和粒子扩散率的增大而增大;而当流体流速增大和纤维直径增大时,扩散过滤效率下降。单根纤维的扩散过滤效率如下所示】:协?,.警卜枷是纤维填充率口的关系式:协,一警一扣手天津大学硕学位论文 第一章一般通风用过滤器性能评价理论心:生坠

21、.式中:为单根纤维的扩散过滤效率;尸为培克列数;为流体动力学系数,口为纤维填充率,为纤维直径,玑为气流速度,为气溶胶的扩散系数。.拦截效应:空气过滤器滤料中的纤维排列错综复杂,形成无数的网格。当某一尺寸的微粒沿着流线刚好运动到纤维附近时,假使从微粒的中心线到纤维表面的距离等于或着小于微粒半径,微粒就在纤维表面被拦截而沉积下来,这种作用称做拦截效应,见图.。当空气中的颗粒在运动中接触到滤料纤维表面时,在纤维和颗粒之间的范德瓦尔斯力作用下,粒子被纤维粘住。范德瓦尔斯力是分子与分子、分子团与分子团之问的力,其表现为两物体表面间的一种微弱引力,这种引力的量值比化学键小个数量级【】。图.拦截效应 图惯性

22、效应单根纤维的拦截效率计算如下所剩】:协,半羔其中是颗粒的直径与纤维直径的比值:尺:.垒 .式中:。为单根纤维的拦截效率;为流体动力学系数;为拦截参数,用以描述在拦截机理作用下的沉积效应;,为颗粒的直径;为纤维的直径;口为纤维填充率。.惯性效应:由于纤维排列复杂,所以气流在纤维层内穿过时,其流线要第二章一般通风用过滤器性能评价理论天津大学硕士学位论文屡经激烈的拐弯。当微粒质量较大或者速度可以看成气流的速度较大,流线发生拐弯时,微粒由于惯性来不及跟随流线同时饶过纤维,因而脱离流线向纤维靠近,并碰撞在纤维上而沉积下来,这种作用称为惯性效应,见图.。微粒质量和尺寸越大,受惯性效应的影响越大。单根纤维

23、的惯性捕集效率计算如下所示【】:,?了,堡里:竺 ./.,.?口 式中:,为单根纤维的惯性捕集效率;.,为考虑拦截参数对惯性捕集效率影响的参数;为斯托克斯参数;为流体动力学系数;。微粒的密度,/;。为微粒的直径,;。为考虑微粒滑动的修正系数;【,。为过滤速度,/;,为纤维的直径,;为气体粘滞系数,?;口为纤维填充率。其中,公式.仅适合于.的情况,对于.时,.。.重力效应:微粒通过纤维层时,在重力作用下发生脱离气流流线的位移,即因重力而沉积在纤维上。由于气流通过纤维过滤器特别是通过过滤纸过滤器的时间远小于,因此对于直径小于.的颗粒,当其还没有沉降到纤维上时已通过了纤维层,所以重力沉降完全可以忽略

24、不计。单根纤维的重力效应过滤效率计算如下所示【】:,皇竺苎”式中:环为重力效应过滤效率。.静电过滤机理静电过滤指的是由于颗粒与纤维间的或颗粒在电场中受到的静电作用使得过滤效率增大的效应。颗粒沉积的静电机理包括异性带电体的库仑引力、镜像力和发散电场的极化力。颗粒或滤料纤维带电时受到的各种力如表.所利蚓:天津大学硕士学位论文 第二章一般通风用过滤器性能评价理论表.各种受力情况带静电单纤维基于库仑力对带个元电荷的颗粒的捕集效率公式】为:协?%警“箍或.×有关:式中:札.。是无量纲数,与电子带电荷.×. 、,。:?丝。?”/基于镜像力的单纤维的过滤效率计算公式:、”万?知虬

25、8;“拥一 ,?厶。,?占堕占一;其中,为气溶胶带电量。且假设气溶胶带电量服从波尔兹曼分布。滤料对粒子的收集效率取决于电荷的大小、分布和符号,表面和空间电荷密度,粒子和纤维材料的介电性质导电或绝缘以及气体在纤维周围的流场等因素。以上各种捕集机理并不单独孤立存在,常常多种机理联合作用,单一纤维各种捕集机理联合作用时的总捕集效率,可以近似表达为:?一一旯一,一一月一一.。一.,式中:占:为单根纤维的总效率;尺为单根纤维的拦截效率;,为单根纤维的惯性捕集效率;为单根纤维的扩散过滤效率;尺为增强的扩散效应过滤效率;为重力效应过滤效率;艮.。为库仑力过滤效率;巨.。为镜像力过滤效率。应用对数穿透定律,在

26、计算单根纤维捕集效率之后,可以计算整个过滤器即指的是多纤维组成的过滤材料的效率。通过对过滤器单元体积通过的微粒数目,:堕天津大学硕士学位论文 第章一般通风用过滤器性能评价理论的积分,得到过滤器总捕集效率【蚓:.:一唧一旦万 式中:乓为单根纤维捕集效率,%;口为填充率;,为纤维直径,.;为过滤材料厚度,。以上理论计算,纤维过滤器被认为是均匀的,实际上纤维是杂乱无章的排列在一起,所以须对其进行非均匀性修正,对多孔不均匀性的研究称为“孔理论”。从孑理论中推导出单纤维效率修正系数形式为:厶印.铲式中:旯。为考虑非均匀分布的效率修正系数;仃为孔径对数的标准差,也成为不均匀度;为常数,不同研究者曾推导出不

27、同的数值。对过滤效率修正为:协七心一坤三.阻力的理论计算在低滤速、小雷诺数情况下,多孔介质两端的压差服从达西定律【】:?,.竺:一. 一一为流体式中:廿为介质两端压差,;为流体动力黏度,/.;流速,/;为过滤介质厚度,;为渗透系数,朋。根据达西定律推导出清洁状态下过滤器阻力矧:口心?口 ./.三?蔡杰推导出的非均匀性修正系数【删:.五。过滤材料做成过滤器后斜度修正与平均速度修正【删:斜度修正:.卸峨“擎平均速度修正:.刚斋筹天津大学硕士学位论文 第二章一般通风用过滤器性能评价理论.尹:坠叫:式中:卸为过滤器阻力;峨为气流垂直于滤料方向阻力;为垂直滤料方向气流速度;腓为修正后气流速度;为滤材面积

28、与过滤器迎风面积之比;为空气密度。达西定律是在雷诺数较小,解.方程时忽略惯性作用下推导出的,随着速度增大,惯性作用不能被忽略,其开始影响气流的形式【】,根据研究,粘性流体上限船约为., 在.区间,惯性起重要作用,气流不再是层流,等于左右时,变为湍流。当时,过滤器阻力与滤速不再是线性关系,其关系可表示如下【】:./其中,和是通过实验测出的经验常数。过滤器质量因数 :以效率和阻力的比值关系来表示过滤器的技术指标,即五:? .世其中:为过滤器质量因数;/为过滤器效率;为过滤器阻力,。该参数是常用评价清洁过滤器的综合性能的指标。.非稳态过程过滤器的效率和阻力广泛地讲,过滤过程按时间序列可分为两个阶段,

29、即稳定和非稳定过滤阶段】。在稳定过滤阶段,假设忽略颗粒沉积所引起的过滤器结构参数的变化,颗粒与纤维接触而被捕集,不考虑过滤机理的修正。因此,过滤器捕集效率不受过滤时间的影响。随过滤时间的增加,在纤维表面颗粒层逐步形成导致非稳定过滤阶段产生。过滤器孔隙率的改变及颗粒形成的链状沉积有利于纤维捕集能力的提高,导致捕集效率随过滤时间及颗粒沉积量增加而增大。当前纤维过滤理论主要集中在过滤效率和压力损失的研究问题,从研究过滤内容而言则主要集中在对过滤稳态阶段的研究较多,而对于在过滤过程中占时间较长、起作用较大的、主要对滤料的运行费用及使用寿命起关键作用的非稳态过滤阶段的研究较少,这可能是由于非稳态过滤问题

30、较为复杂的原因所致。付海明推导出的非稳态过滤过程捕集效率的理论计算公式为】:.:?羔巫丝上?其中:天津大学硕士学位论文 第二章一般通风用过滤器性能评价理论.:一.÷.孕冗、一式中:。为非稳态过滤过程捕集效率;为过滤器填充密度;,为纤维直径;仉。为清洁状态下单纤维捕集效率;为过滤速度;为粉尘的初始浓度:粉尘颗粒总沉积质量;为过滤时间;三为滤料厚度;五为捕集效率增加系数,其值与单纤维捕集效率、流体的斯托克斯数、及拦截效率有关,可通过实验测定。修正的模型得出含尘情况下压力损失表达式为:之鲫廿“矽。毒毒 毒毒等得出含尘情况下压力损失表达式为【删:. 七。.砭溉式中:成为颗粒比表面积:。为滑动

31、修正系数;为常数,对于球形颗粒;为过滤器填充密度;口。为捕集颗粒填充密度;口弦为滤饼填充密度;为气体动力粘度;,为颗粒密度;职为清洁过滤器压力损失;朋为单位面积过滤器捕集的颗粒质量;。为过滤速度;,为纤维平均当量直径;。为颗粒直径;上为过滤器厚度。在等公式中,口。的测定较为困难,和 测出:口。. ;.和 .。澳出:口。.随着微粒在纤维表面的沉积,过滤器的积尘量不断增加,开始了过滤过程的第二阶段,灰尘在纤维上的沉积有如树枝上的积雪和冰晶,被称为树枝晶状模型。大量的实验研究都表明【】:过滤效率随着过滤器上积尘量的增加而增加,过滤器的阻力随着过滤器上积尘量的增加而增加。此外,过滤器在达到容尘量的积尘

32、过程中,效率低的过滤器更易显示出效率先增加后下降的特点,这是因为效率低的过滤器积的尘较粗较多,滤材较稀疏,所以尘粒由于阻力的增加而易穿透和从积尘层上反弹剥落、二次扬尘所致。.本章小结本章从机械过滤机理四种效应与静电过滤机理三种作用力总结分析了过滤效率理论计算公式;比较低雷诺数与高雷诺数情况下阻力与滤速关系;给出质量天津大学硕士学位论文第二章一般通风用过滤器性能评价理论因数的定义;并对在过滤器使用过程中长期起主导作用的非稳态过程效率与阻力理论计算模型,为后面实验数据的分析与对比提供依据。天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计为评价一般通

33、风用过滤器性能,研究过滤器的性能影响因素,在参考欧盟标准:和美国标准:.的基础上,结合实验的内容特点搭建一套检测系统,测试过滤器的阻力、效率、容尘性能,该实验系统包括实验风洞与动力系统、气溶胶与负荷尘的发生、气溶胶的检测、实验条件监测、自动控制与数据采集等几大部分。.检测系统介绍检测系统总体共包括部分管段,见图?,尺寸参照给定尺寸设计,整套测试系统的测试管道采用下部带圆柱支架的形式,各节管道处于同一水平面管道中心线距地面高度.,其中待测过滤器管安装段和收集过滤器安装段能够旋转打开;采用负压式抽气方式,流量测试采用涡街流量计方式,测试台主要技术参数见表.。表.测试台主要技术参数项目参数测试条件

34、温度:湿度:巧%/测试流量范围被测过滤器阻力范围末端过滤器阻力范围?%系统空气温湿度测试范围测试粒径范围.测试气溶胶负荷尘 尘天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计 高教过滤器棼泌龌墨蜂墓皇塑 塞全过澶墨 墨堂煎量盐斤一刚回阿概?綦 .一 ,。瑚一/ /锚兰弋一摩 匡筐一 一。, /【二 上 变颁风沁/上游采样 下游采样负荷尘发尘器/图.测试台示意图.高效过滤与混合段;.发尘混合与上游采样段;.被测过滤器安装段;.收集过滤器安装与下游采样段;.安全过滤器安装段;.流量计安装圆管段;。风机室。.系统各部分介绍.风机变频系统风机做为整个检测设备的动力系统,起着至关重要的作用,

35、须满足提供足够风量,且节能、低噪音条件。经过系统阻力平衡计算选择德国 及爱默森变频器,参数见表.。表.风机性能参数.发尘部分一负荷尘发尘器负荷尘发尘器的目的是在试验期间匀速向被试过滤器提供人工粉尘,:和.两个标准推荐采用相同结构的长条履带或托盘式发尘器。本测试系统选择德国公司生产的负荷尘发尘器,该发尘器包括两大部分:控制系统和发尘器主体,如图.,参数见表.。履带速度最大为/时,不同测试风量下,发尘量白/时铺尘厚度与风量关系如图.。天津学硕士学位论主 第章通风用空气过滤器性能评价蜜验设诮室:皇鱼堡垒兰薹尘墅堡鐾墨墼项日 参数喂尘速度:一/最九装尘量皮带速度蘸轮转速缩空气笈尘部分尺寸 圈. 负荷尘

36、发尘器结椅“。,、/、/一“一一,一。.:,目量/图测试风景与铺尘厚度哭系天漳大学硕士学位论文 第章通风用空气过滤器性能汗价虫验谩二气溶胶发尘器:标准推荐使用喷嘴制作的气溶胶发尘器发生气溶胶用以测壁计数效率;本测试系统选用公司生产的型号为尘器见图和图?,加热粒经分布见图?。圈气溶腔耗径分靠【氯化钾发尘器?标准要求试验气溶腔是从水溶液产生的多分散圄相干燥氯化钾粒子气溶胶,用于测量同容尘阶段的计数效率,发生器额提供满足粒径集中在 岬到】“的稳定的试验气溶胶。疋津太学项学拉论文第章通风用空气过滤器性鸵评价实验谊计本测试系统选用公司生产的,其雾化喷嘴形式及结构形式见胃?和图。%氯化钾溶渡喷出颗粒的粒经

37、分布见图.。鄢日柑一羼嘲雾化嚷嘴 图.赞尘器结【匀嘲.%氯化评溶械牲任丹砸天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计.等动力采样在有速度的气流中采样,采样速度必须等于气流速度,否则,采样浓度将大于或小于真实浓度,这就是等动力采样原理【。如果管道中的气流速度大于采样速度,此时被吸入采样管的流股将小于采样管管径,此时若在吸入流股以外的流线上如果有大颗粒,则当其行至管口时并不跟随流线沿管壁流走,而是在惯性作用下仍然进入管内。在此流线上的微粒则进不到管内来。这样,就使管外进入管内的同一容积气流却携带了原容积以外所含的微粒,主要是大微粒。因此采样中的大微粒浓度增高了,也就是整个采样浓度

38、高于真实浓度。如果气流速度小于采样速度,此时被吸入采样管的流股将大于采样管管径,即使在吸入流股以内的流线上有大的微粒,当其行至管口时,却由于惯性并不进入管内而沿着管的外壁流走了,只有流线上的小微粒才进入管内。这样,就使管外进入管内的同一容积气流,损失了原容积中的微粒,也主要是大微粒,因此整个采样浓度将低于真实浓度。为了实现等动力采样,本实验台设计了等动力采样头,如图.所示,采样头出口直径按公式.确定。.式中:。为采样头出口直径,;为采样量,/:“为气流速度,/。本测试系统计数器采样量为/, 为满足不同测试流量下等动力采样,选择三种常用测试流量 /、/、/下计算等动力采样直径为、.、.?,一、图

39、.等动力采样头天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计.粒子计数器测试气溶胶的计数浓度般通过激光粒子计数器来测量。粒子计数器是根据粒子在一定光强照射下,能散射出与其直径成一定比例的光通量设计的。粒子计算器由自身的光源在散射腔内形成一个相当强的光敏感区。采样空气中的粒子随空气一起被抽气泵抽入采样管,采样管与光敏感区相连,当粒子通过光敏感区时,由于受到光的照射而散射出与其粒径成一定比例的光通道。散射光的一部分被收集到光电倍增管的光阴极上,光电倍增管由把这部分光通量转换成为与粒径成比例的电脉冲信号,由电路将脉冲进行幅值放大,最后由幅值甄别器按不同粒径粒子的不同信号进行甄别,并送至

40、代表各档粒径的通道内计数显示。光学方法测量颗粒计数浓度之所以得以广泛的使用,除了不干扰、不接触流场和粒子场外,还具有测量的粒子尺寸范围宽,光电转换响应时间短,分辨能力较高的特点。并且本测试实验台选用激光粒子计数器,由于采用激光这种强相干光源,使得测量的结果更加的精确。在数据处理方面,通过电子计算机自动采集、分析数据,保证计量结果的准确性、及时性和合理性。根据上述原理,激光粒子计数器主要由光路、气路和电路个系统构成。光路系统由光源、聚光镜、光电倍增管等构成,主要负责向光敏感区发射一定强度的光,并收集粒子发射光将之变成不同大小的电信号,气路系统由采样管、散射腔、流量计、抽气泵等构成,负责从管道抽取

41、采样气流,并使粒子一次通过光敏感区,采样的流量由流量计和流量调节阀来控制。电路系统由光电倍增管、放大器、甄别器和数据处理器构成,负责将发射光变成不同大小的电信号,根据电信号的大小将其储存在寄存器中,并显示出来。根据:标准要求测试粒径范围为.岫,至少个粒径档,.要求的粒径测试范围为.?岫,个粒径档,本测试台选用由德国公司生产的粒子计数器,其结构组成见图.,它利用光散射方法进行粒子测量,测试粒径范围为.,粒子计数器包括三部分,一个整体控制器,一个光源单元,两个传感器。由于两个传感器和同一个光学接收器和同一个光源连接,两个传感器的传递过程和信号处理是相同的。传感器的可测量浓度大,可测浓度都为个/毫升

42、,无需稀释器,计数误差小,而且两个传感器和整体控制体之间用光学纤维连接,所以其可以移动,这样可以缩短传感器和采样口之间的距离,减小测量时采样管路的颗粒损失。传感器工作原理如图.所示。的特征如下:.白光源和度的光散射感应形成清晰的标定曲线走律大学硕十学位论文 第三章通吼用空气过癌器性能评价实验硅计具有专利的形孔技术:无临界错误重叠察蹙非常高的分辨率:测量通道多.每个数量级有个等级每个测量范围约宥个等级非常商的分数精度能够在高浓度测艟由于:口圯灯度光散射感府在辨鲑室有同等强度的光分稚用?修正临界锖误和重叠察觉/:浓度限曲黼“赢磊丽磊二;兰槲一嚣崮.计靛器组成图 感器原理天津太学砸学位论文 第三章通

43、风用空气谢滤嚣性能评竹实验设计. 静电中和器根据:与 .标准中规定,测试气溶胶需通过接触放射性至少为的射线或射线发生船,或通过离子发生器电晕放电,使试验气溶胶达到波尔滋曼电荷分布。电晕放电离子发生器最小电晕电流为,产生等量的正、负离子。本系统选择德国公司牛产的静电中和器,该设备的工作原理为通过高压使樗进入电极小室内的洁净空气发生电离.产生大量的正负带电离子,通过小室的带电气溶胶粒子与带有正负离子的洁净空气相混台,达到中和的效果。其中和的过程是通过向空气中喷八大量正的或负的离子运作的,当电离化空气与带电物体表面接触时,该表面就吸引相反极性的离子,聚积在产品或设备表面瑚静电因此得以巾和而消除,原理

44、圈见圈一。一豆一爿一。后竺 .删。磁一丁二;二女”。“。厂女电§圈.静电中相器的躲理圈瞬.静电中和器实物罔天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计.流量测量装置常用的流量测量装置有孔板、喷嘴文丘里管,其测量范围比较窄,一般流量上下限不超过:,超过这个范围流量测量结果的误差会比较大。而系统要求的测试范围为/,因此考虑使用直径为的涡街流量计,测量范围为/,测量误差在%以内。涡街流量计具有如下特点:结构简单牢固、无转动件仪表系数的精度不受流体压力、温度、 密度的影响检测元件不直接接触流体可靠性高压力损失小、量程范围宽涡街流量计传感器是根据“卡门涡街”原理研制成的一种流体

45、震荡式仪表,可用下式表示:,专式中:厂为旋涡分离频率;为斯特劳哈尔数,见图;,为流速;硝旋涡发生体宽度。 ×.驴为仪表系数:旋涡分离的脉冲总量与体积总量之比:型 .式中:为仪表常数脉冲/;寸冲总数次;为体积总量。旋涡分离频率与流体流量的关系式如下:.式中:为频率次;为流量。所以通过检测旋涡分离频率即可测知管道流体流量,见图.,转换器电路构成的方框图如图.。天津大学硕学位论文 第三章避吼甩空气过滤器性能评价实验设甜筏丑:盈圈一涡街流量计原理陌.转挠电路框网图.二敬仪表涟蹙计安装穗涡街流量计在出厂前已经进行过标定,为牟整其测量准确性,采用韪璧罩罩于管道的进气端,开启风机,调整变频器改变流

46、量,与涡街流量计读数进行比较,测试结果对比见图.,两者差别极小,几乎相同天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性能评价实验设计.?/。,。弱如筋 ,、/加/一、.一涡街流/皿圈 : 一量计一一区风量罩变频器/图.涡街流量计与风量罩测试对比.压差测量装置按照设计要求需测量被测过滤器的阻力和对收集过滤器的阻力进行监测。通过在过滤器前后设置动压环采集风管某断面的压力值,前后压差即为过滤器阻力,.压力采集是在矩形风管个侧面上位于同一断面的中间部位开二个直径为的平滑小孔,个小孔通过管连接起来,选择生产的系列传感器,其性能参数见表。表.压差传感器技术指标天津大学硕士学位论文 第三章通风用空气过滤器性

47、能评价实验设计.系统整体图】控制台 图系统整体一鎏砸天津大学硕士学位论文 第四章数据采集与系统验证第四章数据采集与系统验证实验台的管道系统设计与设备部件选型布置完成后,需要构建一套自动控制系统,以实现对设备的控制和数据的自动采集。.自动控制系统.控制任务本测试系统检测内容主要包括以下内容:根据设定值,自动调节风量,并自动记录风量值;采集被测过滤器和收集过滤器两端的阻力;.采集测试空气的温湿度;控制计数器上下游切换采样,记录采样值,并计算效率;控制开关量以实现对发尘器的供气,从而控制发尘器的发尘。.控制方法控制思路是以计算机与测试软件为平台,通过两个串形端口分别与粒子计数器和连接,软件按照计数器

48、的通信格式和波特率自动对计数器进行控制;用以控制变频器、采集数据、通过开关量控制电磁阀,控制思路见图.。图.控制思路天津大学硕:学位论文 第四章数据采集与系统验证.系统测试软件软件的目标是能够实现系统要求的各种功能,能提供友好的人机交互环境和帮助系统。本系统采用可视化编程软件为用户提供友好的操作界面,操作人员只需按照提示就可完成所有测试任务,操作简单方便;程序采用模块化结构设计,自顶向下逐层细化,层次分明,软件系统便于调试和扩展。本软件是采用目前常用的编程软件 .开发的。.测试流程一般通风用过滤器测试软件流程图如图.所示,打开程序进入界面。首先进行参数设置由两部分组成:通用参数设置和计数器参数

49、设置,通用参数设置包含风量一阻力测试参数设置、整个过程的测试参数及测试标准的选择;计数器测试参数设置包含采样次数、采样时间及计数器效验电压和计数感应到的最短时间设置,计数器效验参数一般情况下不需要改变,只有在计数器效验参数改变韵情况下才需修改。参数设置完成后选择测试类型,包括:风量阻力测试、初始效率测试、容尘测试、带静电与消静电效率测试,其中带静电与消静电效率测试与初始效率测试过程和方法相同。图.软件流程图第四章数据采集与系统验证无津大学硕学位论文. 测试方法与软件界面测试流程界面与参数设置打开测试程序.进入流程界面,见图.,该界面可以清晰看出系统所包含的部件及其位置和功用,观测现场测试环境参数,包括阻力、流量、温湿度、采样颖粒总数及电磁阀切换状态。匕二二啊室啊啊嘿詈唧?一黑一睡尸具。?。善吾面一矽?竺:鬯一谴笋型图?流程界面参数设置由两部分组成:通用参数设置和计数器参数设置,见图