两不同级别过滤器组合对颗粒过滤性能模拟

刘 婷，魏 兵

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

两不同级别过滤器组合对颗粒过滤性能模拟

刘 婷，魏 兵

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

通过FLUENT软件模拟了不同级别过滤器两－两组合对粒径分别为0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm 5种颗粒的过滤性能，同时模拟了过滤风速对过滤器捕集微粒效率和压降的影响规律，得出多个不同级别过滤器两－两组合对这五种颗粒的过滤规律，以及过滤器捕集效率和压降随过滤风速变化规律。对多个不同级别过滤器两－两组合过滤这5种颗粒的过滤规律、过滤器捕集效率和压降随过滤风速变化规律进行了分析与总结，得出不同级别过滤器两－两组合对微粒的过滤存在最佳组合的结论，对实际工程应用中过滤器的组合匹配以及空调系统过滤PM2.5方面提供了一定的参考。

过滤器;组合;过滤性能;模拟

0 引言

近期，虽然还未供暖，全国大范围很多城市却遭受了严重雾霾天气的袭击，PM2.5也引起了越来越多人的关注。PM2.5是空气动力学直径小于等于2.5 μm的细微颗粒物［1］，很多有毒有害物质会附着于这些小颗粒上，90%的细微颗粒物可深入到肺泡区，并通过血液输往全身，长时间处在PM2.5浓度高的地区，很容易引发各种疾病［2］。随着人们生活质量的提高，人们对环境的要求也越来越高，人们都希望呼吸到新鲜的空气，远离雾霾。

人们每天平均约有80%的时间都是在室内度过的［3］，室内空气质量与人们的健康和工作效率紧密相关。很多人的观念里空调新风系统对室外空气均有一定过滤效率，但实际上很多空调系统都只设置粗效过滤器，粗效过滤器只能阻挡大的颗粒，对小的颗粒几乎没阻挡作用。有一些空调系统设置了粗效、中效两级过滤器，也有一些空调系统设置了粗效、中效、亚高效三级过滤器。但空调过滤系统设计方面，很少有设计针对几个级别过滤器的合理组合匹配，从而使过滤达到高效而经济。如果两级过滤器级别相差很多，第二级过滤器会承担很大的负荷，前一级起不到保护后一级的作用;如果两级过滤器级别相差太近，第二级过滤器不能实现其应有的价值［4］。所以有必要对空调过滤器的组合匹配进行理论研究，尤其是过滤器合理匹配对PM2.5过滤的理论研究。

关于空气过滤器的模拟研究，国内已有很多学者进行了相关的研究，文献 ［5］利用 LB(Lattice Boltz-mann)两相流模型对多层纤维捕集颗粒物过程进行了数值模拟，研究了不同纤维配置方式下系统压降与捕集效率的变化。文献 ［6］基于CFD-DEM方法模拟了微细颗粒物在纤维过滤介质中的气－固两相流动特性，充分考虑了颗粒群组成、粒径分布、颗粒间及颗粒与纤维间的反弹作用以及颗粒团聚等因素，分析了纤维过滤中颗粒群的运动特性和微细颗粒的沉积形式。文献［7］用计算机模拟软件绘制出接近真实过滤介质的随机排列三维纤维结构，对其内部流场进行数值模拟，得出纤维过滤介质内部流场三维压力及速度分布图。文献［8］建立了具有一定曲率的随机结构过滤介质模型，模拟分析了纤维过滤过程中颗粒群的特性对过滤特性的影响。文献［9］通过创建一系列不同结构参数的虚拟三维纤维过滤器模型，用FLUENT6.1软件对纤维内部的气相流场在不同运行参数条件下进行了数值模拟研究。文献［10］对空气净化器滤层及复合滤料折叠滤层进行数值模拟，模拟不同孔隙率条件下滤料截面阻力分布与气流速度的关系。

本文通过FLUENT软件模拟了不同级别过滤器两－两组合对粒径分别为0.5 μm、1 μm、1.5 μm、2 μm、2.5 μm 的5种颗粒的过滤性能，对多个不同级别过滤器两－两组合过滤性能进行了分析与总结，得出不同级别过滤器两－两组合对微粒的过滤存在最佳组合的结论，对实际工程应用中过滤器的组合匹配以及新风系统过滤PM2.5方面提供了一定的参考。

1 模型介绍

在本文模型中，纤维排列为错列，通过前处理软件Gambit生成，采用流体流动模拟软件Fluent中的离散相模型对纤维过滤器捕集细微粒子的过程进行模拟。离散相边界条件为:wall－1——trap，wall－2——reflect，反射系数为 1。模拟中考虑粒子受布朗力、Staffman升力、热泳力及重力。模拟过程中假设粒子从垂直入口面喷射进来，质量流量0.000 1 kg/s，残差10－6。

本文模拟了 F30t20+F10t10，F30t20+F15t10， F30t20 + F20t10， F35t20 + F10t10，F35t20+F15t10， F35t20+F15t10， F35t20+F20t10， F40t20 + F10t10， F40t20 + F15t10，F40t20+F20t10等9种不同纤维组合对微粒的过滤情况。

注:文中F30t20代表纤维直径为30 μm填充率为20%的过滤器;F30t20+F10t10中F30t20代表第一级过滤器;F10t10代表第二级过滤器;F30t20+F10t10代表第一级过滤器与第二级过滤器的组合，其余同理。

模型图如图1所示。

模型入口段长400 μm，中间段长400 μm，出口段长200 μm，模型宽度1 800 μm。入口设为速度入口，出口设为压力出口。

图1 模型图

1.1 填充率α计算

填充率α示意图如图2所示。

图2 填充率和纤维直径与纤维间距的关系

式中:α为纤维填充率;df为纤维直径;l，h为纤维横向、纵向间距。

纤维参数l×h单位μm×μm，填充率分别为10%和20%所对应的纤维参数如表1所示。

表1 模拟纤维参数

1.2 模拟图

速度大小、颗粒轨迹、颗粒浓度分布、静压分布如图3～6所示。

图3 速度大小图

图4 颗粒轨迹图

图5 颗粒浓度分布图

由图4和图5可知，随着颗粒沿气流方向运动，由于纤维对微粒的捕集，越到下游，颗粒浓度越小。微粒随气流流过过滤器内部时，部分微粒在惯性、拦截、重力、扩散和静电力等多种作用下沉集在纤维表面，从而使过滤器下游微粒数目和浓度低于过滤器上游。

图6 静压分布图

由图6可知，随着颗粒沿着气流方向运动和纤维对微粒的捕集，越到下游，静压越小。由于空气流经过滤器时，需不断克服过滤器内部纤维阻力，从而使得过滤器下游静压小于上游静压。

2 不同过滤级别组合的过滤器性能模拟

2.1 典型组合捕集效率及压降模拟结果

F20t10+F10t10对粒径为1 μm粒子的捕集效率和压降模拟结果如图7、图8所示。

图7 F20t10+F10t10对1 μm粒子捕集效率图

图8 F20t10+F10t10对1 μm粒子捕集压降图

由图7、图8可看出，对于某一固定粒径的粒子，随着速度的变化，第一级捕集效率、第二级捕集效率、总捕集效率均有一个最小值;第一级压降、第二级压降、总压降随着速度的增加而升高。

2.2 多种组合过滤器捕集性能模拟结果

2.2.1 F20t10+F10t10组合对5种粒径粒子的总效率模拟结果如图9所示。

由图9可看出，对于某一固定粒径的粒子，随着速度的变化，总捕集效率有一个最小值，但是捕集效率最低点会因粒子粒径不同而不同。随着过滤速度的增加，捕集效率最低值向小粒径方向移动。

图9 F20t10+F10t10总效率图

2.2.2 不同纤维组合对粒子过滤效果的比较

在不同过滤风速下，各纤维组合效率比较情况如表2～5所示。其中第一级填充率均为20%，第二级填充率均为10%。表2～5中各纤维组合均是第一级填充率20%，第二级填充率10%，表中写法省略了填充率，F30F15代表F30t20F15t10的纤维组合，下同。

表2～5可知，在相同的速度下，直径小的纤维对小颗粒的捕集效率不一定比直径大的纤维高;直径大的纤维对大颗粒的捕集效率不一定比直径小的纤维低。对同一粒径粒子，速度越大、直径大的纤维对粒子的捕集效率不一定比直径小的纤维低;速度越小、直径小的纤维对粒子的捕集效率不一定比直径大的纤维高。

表2 v=0.08 m/s 时各纤维组合效率比较

表3 v=0.1 m/s 时各纤维组合效率比较

表4 v=0．2 m/s 时各纤维组合效率比较

表5 v=0．4 m/s 时各纤维组合效率比较

2.2.3 最佳纤维组合

同一速度下，对5种颗粒过滤效果最佳纤维组合如表6所示。对某一粒径粒子，过滤速度变化时对过滤效果最佳的纤维组合情况如表7所示。

表6 同一速度过滤效果最佳组合

由表6、7知，不同级别过滤器两－两组合，会在不同粒径或速度条件下，存在最佳纤维组合，使对微粒的捕集效率达到最高值。

表7 过滤速度变化时过滤效果最佳组合

2.3 过滤器压降模拟结果

不同纤维组合在不同过滤风速下对粒径为0.5 μm和2.5 μm粒子的过滤总压降如图10、图11所示。

图10 不同纤维组合捕集0.5 μm粒子总压降

图11 不同纤维组合捕集2.5 μm粒子总压降

由图10、11可看出，在同一纤维组合下，速度越大，压降越大，在第一级纤维直径和填充率、第二级填充率相同的情况下，第二级纤维越粗，压降越小。在第二级纤维直径和填充率、第一级填充率相同的情况下，纤维越粗，压降越小。这是由纤维直径对惯性、拦截、扩散、重力、静电等几种捕集机理的综合作用函数决定，纤维直径越小，过滤器阻力越大。

3 结论

从不同级别过滤器两两组合对5种微粒的过滤模拟结果可看出，每种纤维组合均有一个捕集效率最低所对应的过滤速度。微粒粒径越小，捕集效率最低值对应的速度越大。不同纤维对这5种微粒的最低捕集效率对应的速度随纤维直径增加而增加。由过滤理论知，微粒扩散效率随速度增加而下降，惯性碰撞和拦截效率随速度增高而提高，因而总效率随着速度增加呈先降后升的趋势，存在一最低效率的速度［11］。由此看出，模拟结果与理论相符，通过模拟，很好地验证了过滤速度、纤维直径、微粒大小三个因素对纤维过滤微粒的规律，证明了模拟方法的可靠性与正确性。在实际工程应用中，应针对所需过滤微粒的大小情况和过滤需求，合理配置风机和管道，确保所提供的风速在过滤器运行效果较佳的范围，使过滤器对PM2.5的捕集效果最佳、压降最合理。

从不同级别过滤器两－两组合结果中可看出，不同级别过滤器两－两组合，会在不同粒径或速度条件下，存在最佳纤维组合，使对微粒的捕集效率达到最高值。模拟结果为过滤器实际应用提供了一定的启发，在实际应用中，需根据过滤的条件，通过相应理论分析，寻找出最佳纤维组合方式，从而使捕集达到最佳的效果。

本文模拟过程未考虑温度、湿度、静电、纤维断面形状、气流压力、积尘量等多种因素对过滤效率和压降的影响，因此模拟结果与实际过滤器过滤粒子的效果存在一定差距，对这些方面有待进一步研究。

［1］岳丽．北京市空气细颗粒物 (PM2.5)污染特征及来源解析［D］．济南:山东师范大学，2007．

［2］唐孝炎，张远航，邵敏．大气环境化学 (第二版)［M］．北京:高等教育出版社，2006:268－269．

［3］黄慧．浅议室内空气污染 ［J］．山西师大学报:社会科学版，2008，37(S1):174－176．

［4］靳景旗．如何选择空气过滤器［J］．洁净与空调技术，2010，(3):39－41．

［5］王浩明，赵海波，郑楚光．并列和错列纤维过滤器稳态除尘过程的格子 Boltzmann模拟 ［J］．化工学报，2013，64(5):1621－1628．

［6］于先坤，钱付平，鲁进利．微细颗粒物在过滤介质中过滤特性的CFD-DEM模拟 ［J］．土木建筑与环境工程，2012，34(S2):145－149．

［7］付海明，徐芳芳，李艳艳．纤维过滤介质渗透率及压力损失数值模拟 ［J］．华侨大学学报:自然科学版，2012，33(5):535－542．

［8］于先坤．颗粒物在纤维过滤介质中过滤特性的模拟研究［D］．合肥:安徽工业大学，2012．

［9］李艳艳．纤维过滤材料结构参数优化数值模拟 ［D］．上海:东华大学，2011．

［10］何瑾．居住建筑室内空气微细颗粒物净化用滤料的性能试验研究 ［D］．上海:东华大学，2012．

［11］吴忠标，赵伟荣．室内空气污染物及净化技术［M］．北京:化学工业出版社，2005:479－481．

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。

刘婷 (1989-)，女，硕士研究生，研究方向为新风换气机过滤器PM2.5过滤性能仿真与实验，E-mail:liutingv0802@163.com。