Einfluss der Faltengeometrie auf den Druckabfall von Filtern während des Staubbeladungsprozesses: experimentelle und Modellstudie

Sep 13, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 20331 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde durch numerische Simulation und Experimente ein Druckabfallmodell entwickelt, um das Design der Faltenstruktur des Filtermediums zu optimieren, um die Lebensdauer des Filters zu verlängern und den Energieverbrauch der Belüftung zu senken. Der Einfluss der Stokes-Zahl auf die Staubablagerung auf den plissierten Filtermedien wurde durch numerische Simulation aufgedeckt. Auf dieser Grundlage wurde ein Druckabfallmodell während der Staubbeladung entwickelt. Das Modell legt nahe, dass bei gleicher Staubablagerungsmasse pro Flächeneinheit (W) die Staubkuchendicke und die effektive Filtrationsgeschwindigkeit in der effektiven Filtrationsfläche umso größer sind, je größer das Faltenverhältnis (α) ist. Darüber hinaus betragen die relativen mittleren Abweichungen zwischen experimentellen und modellierten Gesamtdruckverlusten für V-förmige und U-förmige Filter 3,68 % bzw. 4,82 %. Mit anderen Worten: Das vorgeschlagene Modell sagt den Druckabfall während der Staubbeladung genau voraus. Darüber hinaus ist bei gleichem α und \(W\) der Gesamtdruckabfall des U-förmigen Filters geringer als der des V-förmigen Filters, was die überlegene Filtrationsleistung des U-förmigen Filters zeigt.

Faltenfilter werden häufig in den Bereichen HLK-Systeme und Luftreiniger eingesetzt. Durch plissierte Filtermedien können auf engstem Raum eine größere Filterfläche und eine geringere Filtergeschwindigkeit erreicht werden, wodurch sich die Filterwechselzeit verlängert1,2,3,4,5,6,7. Filtrationseffizienz und Druckabfall sind zwei wichtige Indikatoren für die Filterleistung. Die Filtrationseffizienz wird stark vom Filtermedium und der Filtrationsgeschwindigkeit beeinflusst. Die Faltengeometrie hat einen begrenzten Einfluss auf die Filtrationseffizienz8,9,10. Andererseits führt die durch Falten verursachte Biegeverformung des Filtermediums zu Änderungen seiner Durchlässigkeit und Porosität, wodurch sich der Druckabfall des Filters erhöht3,11,12,13. Unterdessen führt die plissierte Geometrie zu Schwankungen im Luftstromfeld und zu einer ungleichmäßigen Staubablagerung, sodass der Druckabfall während der Staubbeladung größer ist als bei der Flachfiltration12,14,15,16,17,18. Die plissierte Geometrie hat einen erheblichen Einfluss auf die Filterleistung. Aktuelle Untersuchungen zur Druckabfallvorhersage während der Staubbeladung sind jedoch unzureichend und die meisten davon sind experimentelle Studien19,20,21,22.

Derzeit werden Studien durchgeführt, um den Druckabfall von Filtern mit verschiedenen Faltengeometrien vorherzusagen1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 entwickelten ein Druckabfallvorhersagemodell für saubere V- und U-förmige Filter, das den Gesamtdruckabfall in drei Komponenten aufteilt: Druckunterschied innerhalb der Falte aufgrund von Reibungsverlusten und dynamischem Druckanstieg; Druckabfall aufgrund von Kontraktion und Expansion, wenn Luft in das Faltensystem ein- und austritt; und Druckabfall, wenn Luft durch das Filtermedium strömt. Die Filtrationsgeschwindigkeit liegt in ihrer Studie zwischen 1 und 10 m/s, und das Verhältnis des durch die Faltengeometrie verursachten Druckabfalls zum Gesamtdruckabfall wächst mit zunehmender Filtrationsgeschwindigkeit. Del Fabbro et al.26 erstellten ein semiempirisches dimensionsloses Modell, das den Druckabfall sauberer Filter basierend auf Filtermedientyp, Faltengeometrie und Strömungsparameter vorhersagte. Allerdings beschränkten sich die vorangegangenen Studien auf saubere Filter und beinhalteten nicht die Vorhersage des Druckabfalls während der Staubbeladung.

Über die Vorhersage des Druckabfalls von Filtern mit unterschiedlichen Faltengeometrien während der Staubbeladung wurde bisher nur selten berichtet. Fotovati et al.18 untersuchten die ungleichmäßige Staubablagerung auf V- und U-förmigen Filtern und berechneten die Variation des Druckabfalls mit der Staubablagerung. Dennoch waren die Staubpartikel in ihrer Studie 3 μm und 10 μm groß, während die Staubpartikel in Wirklichkeit größtenteils polydispers waren. Unter Verwendung der analytischen Ausdrücke für die x- und y-Komponenten des Geschwindigkeitsfelds in V-förmigen und U-förmigen Kanälen leiteten Saleh et al.27 ein einfaches halbnumerisches Modell ab, das zur Vorhersage des Druckabfalls von Faltenfiltern während der Staubbildung angewendet werden kann Wird geladen. Allerdings berücksichtigt das Modell nicht die ungleichmäßige Staubablagerung auf dem Faltenbereich der Filter.

Durch die Untersuchung der Luftströmungsfelder und der PM10-Ablagerung von V- und U-förmigen Filtern wurde in dieser Studie ein Druckabfallmodell während der Staubbeladung erstellt, das zur Optimierung des Designs der Faltenstruktur des Filters zur Reduzierung verwendet werden kann den Widerstand, wodurch die Lebensdauer der Filter verlängert und der Energieverbrauch der Lüftung gesenkt wird.

Als Filtermedium wurde die Polypropylen-Mikrofaser (Henan Aklly Filter Engineering Co., Ltd., und einer Grammatur von 110 g/m2. Das REM-Bild (VEGA, TESCAN, tschechisch) des Filtermediums ist in Abb. 1 dargestellt und die Faserstruktur zeigt ein dreidimensionales ungeordnetes räumliches Netzwerk. Laut statistischer Berechnung des Faserdurchmessers im Bild betrug der durchschnittliche Durchmesser der Filterfaser etwa 4,6 ± 0,3 μm.

REM-Aufnahme des Filtermediums bei 1000-facher Vergrößerung.

Die im Experiment verwendeten Faltenfilter wurden handgefertigt. Als äußerer Rahmen diente ein transparenter Polymethylmethacrylat-Ring mit einem Außendurchmesser von 150 mm, einem Innendurchmesser von 140 mm und einer Höhe von 25 mm. Die Geometrien der V-förmigen und U-förmigen Filter sind in Abb. 2 dargestellt. Die Anzahl der Falten des handgefertigten Filters betrug 5, 10, 15, 20 bzw. 25 und die Faltenhöhe betrug 20 mm. Zur Befestigung des Filtermediums am Außenrahmen wurde ein Schmelzkleber verwendet. Die Faltenbereiche mussten mit einer bestimmten Dicke des Filtermediums vereinfacht werden. Der Faltenbereich im V-förmigen Filter war ein Bogen mit einem Radius, der der Dicke des Filtermediums (\(T_{F}\)) im äußeren Teil der Faltenecke entsprach. Der Faltenbereich im U-förmigen Filter wurde als rechter Winkel betrachtet. Die zentrale Lage der Filtermedien wurde zur Berechnung der Parameter von Filtern mit unterschiedlichen Geometrien verwendet (gepunktete Linie in Abb. 2).

Filter mit unterschiedlichen Geometrien.

Die Forschung für den V-förmigen Filter wurde an einer einzelnen Falte durchgeführt.

Dabei ist θ der Faltenwinkel (°), \(P_{W}\) der Faltenabstand (m), \(T_{F}\) die Dicke des Filtermediums (m) und \(P_{H }\) ist die Faltenhöhe (m). Als Ergebnis können die Werte von θ für verschiedene Faltenverhältnisse (α) berechnet werden. Die theoretische Filterfläche pro Längeneinheit einer einzelnen Falte kann ausgedrückt werden als:

wobei \(s_{Vt}\) die theoretische Filterfläche pro Längeneinheit einer einzelnen V-förmigen Falte (m2) ist; \(s_{Vt1}\) ist die Bogenfläche pro Längeneinheit der Faltenecke (m2); und \(s_{Vt2}\) ist die Fläche der geneigten Ebene pro Längeneinheit der Falte (m2). Wenn der Filter kreisförmig ist und einen Durchmesser (D) von 140 mm und N Falten aufweist, ist die theoretische Filterfläche (\(S_{V}\)) wie folgt angegeben:

Im Falle einer einzelnen Falte beträgt die theoretische Filterfläche pro Längeneinheit für den U-förmigen Filter

Die theoretische Filterfläche eines Rundfilters mit einem Durchmesser (D) von 140 mm wird ausgedrückt als:

Der Faltenwinkel θ im V-förmigen Filter wird durch Gl. (1) und die theoretische Filterfläche von Filtern mit unterschiedlichen Geometrien kann durch Gleichungen erhalten werden. (3) und (5). Die spezifischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei das Faltenverhältnis des Flachfilters 0 beträgt.

Bei diesem Experiment wurde 400-Mesh-Flugasche mit einer Dichte von 620 kg/m3 verwendet, die 5 Stunden lang bei 100 °C getrocknet wurde. Ein Laser-Partikelgrößenanalysator (Winner2000, Jinan Winner Particle Instrument Stock Co., Ltd., Jinan, China) wurde verwendet, um die Partikelgrößenverteilung zu messen, wie in Abb. 3 dargestellt. Die durchschnittliche Partikelgröße und die mittlere Partikelgröße wurden ermittelt Die Staubpartikel sind 2,39 μm bzw. 1,98 μm groß.

Partikelgrößenverteilung von Staub.

In dieser Studie wurde eine zweidimensionale numerische Simulation eingesetzt, um die Auswirkung der Faltengeometrie auf das Luftströmungsfeld und die Bewegungsbahn der Staubpartikel zu untersuchen. Der Berechnungsbereich und die Randbedingungen sind in Abb. 4 dargestellt. Der Berechnungsbereich ist in drei Zonen unterteilt: die plissierte Filtermedienzone, die stromaufwärtige Geschwindigkeitsfeldzone des Filters und die stromabwärtige Geschwindigkeitsfeldzone des Filters (Abb. 4). Unter diesen drei Zonen ist die plissierte Filtermedienzone ein isotroper poröser Medienbereich, in dem die Leistung der Filtermedien-Biegezone ignoriert wird. Die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Geschwindigkeitsfeldzonen des Filters sind jeweils 100 mm lang. Der Geschwindigkeitseinlass und der Druckauslass befinden sich auf der linken bzw. rechten Seite, und die Ober- und Unterseite sind periodische Grenzen, die dazu dienen, den Einfluss der Grenzschicht auf das Geschwindigkeitsfeld zu verringern. Der Berechnungsbereich unterliegt einer unstrukturierten Vernetzung mit Maschenweiten von 0,05 mm bzw. 0,2 mm für die Zone des porösen Mediums und andere Zonen. Auf dieser Grundlage werden die Rechenbereiche der V-förmigen und U-förmigen Filter unter verschiedenen α-Werten vernetzt. Die Druckabfälle und die Geschwindigkeitsverteilung in feineren Netzen stimmen im Wesentlichen mit den hier erhaltenen Werten überein, was darauf hindeutet, dass die Vernetzung in dieser Studie sinnvoll ist.

Numerischer Simulations-Rechenbereich.

In dieser Studie wurde die Software ANSYS Fluent 19.0 für die numerische Simulation der V-förmigen und U-förmigen Filter mit variierenden α-Werten verwendet. Dargestellt sind die Einlassluftgeschwindigkeiten von V- und U-förmigen Filtern bei unterschiedlichen α-Werten bei einer Filtrationsgeschwindigkeit von 4 cm/s (Tabelle 2). Da die Reynolds-Zahl klein ist, wird eine laminare Simulation angewendet. Die Werte der Parameter in der numerischen Simulation sind wie folgt: Die Luftdichte beträgt 1,2 kg/m3, die dynamische Viskosität beträgt 1,8156 × 10−5 Pa·s, die Permeabilität beträgt 9,5810 × 10−12 m2 und die Porosität beträgt 0,84 . Der Manometerdruck wird am Auslass auf 0 Pa eingestellt und die Druck-Geschwindigkeits-Kopplung erfolgt mithilfe des SIMPLEC-Algorithmus.

Das in Abb. 5 dargestellte Versuchssystem zur Staubfiltration besteht aus drei Teilen: der Stauberzeugungseinheit, der Filtereinheit und der Überwachungseinheit. Es besteht aus einem Luftkompressor, einem Trockenrohr, einem Druckminderventil, einem Durchflussregelventil R1, einem Durchflussmesser F1, einem Pulverzuführer (Feststoffpartikelgenerator 9309, TSI, USA), einem Staubmischbehälter und einem Zentrifugalventilator C1 die Stauberzeugungseinheit. Der Vorgang der Stauberzeugung wird wie folgt beschrieben: Zunächst wurde die Hochdruckluft aus dem Luftkompressor über das Trockenrohr und das Druckminderventil auf einen niedrigen und konstanten Luftstrom eingestellt; Der Luftstrom wurde dann über das Durchflussregelventil R1 eingestellt, um die Versorgung des Pulverförderers zu steuern. Der Radialventilator C1 sorgte dann für einen konstanten Luftstrom, um den Staub im Staubmischbehälter zu verdünnen und seine Konzentration konstant zu halten. Zum Filtersystem gehörten ein Luftfilter, ein Filterrohr, ein Durchflussregelventil R2, ein Zentrifugalventilator C2 und ein Durchflussmesser F2. Das Filterrohr bestand aus zwei Rohrabschnitten mit einer Länge von 400 mm, einem Außendurchmesser von 150 mm und einem Innendurchmesser von 140 mm. Die beiden Rohrabschnitte klemmen den Filter durch die Verbindungsvorrichtung fest. Die Überwachungseinheit umfasste ein Differenzmanometer (AP800, TSI, USA) und einen DustTrak-Umweltmonitor (8543, TSI, USA) zur Messung des Filterdruckabfalls und der Staubkonzentration. Der maximale Messwert des Manometers beträgt 15 inH2O mit einer Auflösung von 0,001 inH2O und einem Fehler von weniger als 1 %. Der DustTrak-Umweltmonitor 8543 kann PM1,0-, PM2,5- und Gesamtstaubkonzentrationen überwachen.

Schematische Darstellung des experimentellen Systems.

Die Experimente wurden sowohl in einer staubfreien als auch in einer staubhaltigen Umgebung durchgeführt. Die Filtrationsgeschwindigkeit im Reinluftstrom wurde auf 4 cm/s eingestellt und der Durchfluss mit dem Durchflussregelventil R2 eingestellt. Spezifische Durchflussdaten sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Änderung des Druckabfalls des Filters bei Durchfluss unter verschiedenen α-Werten wurde gemessen. Die Staubzufuhr in der staubhaltigen Umgebung wurde durch Steuerung der Pulverzufuhr reguliert, wodurch die Staubkonzentration im Staubmischbehälter stabil bei 800 ± 50 mg/m3 gehalten wurde. Das spezifische experimentelle Verfahren ist wie folgt: Das Regelventil R2 wurde zunächst eingestellt, um den Filtrationsfluss so zu ändern, dass sich die durchschnittliche Filtrationsrate bei 4 cm/s stabilisierte; Danach wurde die Filtrationsdauer kontrolliert, bis die Staubablagerungsmasse pro Flächeneinheit 5 mg/cm2, 10 mg/cm2, 15 mg/cm2, 20 mg/cm2, 25 mg/cm2 und 30 mg/cm2 erreichte der Druckabfall wurde aufgezeichnet; Abschließend wurde der Filter vor und nach jedem Experiment gewogen und die Masse der Staubablagerung pro Flächeneinheit berechnet. Der Fehler musste unter 5 % gehalten werden oder das Experiment musste neu gestartet werden. Das obige Experiment wurde dreimal wiederholt, um seine Wiederholbarkeit sicherzustellen.

Gemäß der im Abschnitt „Simulation“ beschriebenen Methode wurden die Luftströmungsfelder von V-förmigen und U-förmigen Filtern unter unterschiedlichem α bei einer Filtrationsgeschwindigkeit von 4 cm/s mithilfe einer numerischen Simulation ermittelt. Es wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit der durch Filtermedien strömenden Luft den gleichen Schwankungstrend aufweist, d. h. die Luftströmungsgeschwindigkeit der Filtermedien im Faltenbereich ist niedrig, während die Geschwindigkeit in anderen Bereichen im Wesentlichen gleich ist. Die Luftströmungsfelder bei α-Werten von 2,14 und 3,57 sind in Abb. 6 dargestellt. Die Durchlässigkeit der in der numerischen Simulation verwendeten Filtermedien wird als konstant angenommen. Da die Biegeverformung des Filtermediums die Durchlässigkeit einschränken kann, ist die tatsächliche Luftströmungsgeschwindigkeit des Filtermediums im Faltenbereich geringer als in der numerischen Simulation. Darüber hinaus berichteten einige Wissenschaftler14,16,17, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit des Filtermediums im Faltenbereich unglaublich niedrig ist und der simulierte Druckabfall, der durch die Nichtdurchlässigkeitsbehandlung erzielt wird, genauer ist als der durch Experimente ermittelte. Daher wird der Faltenbereich in dieser Studie als undurchlässiger, ineffektiver Filterbereich betrachtet.

Luftströmungsfelder bei der Filtrationsgeschwindigkeit von 4 cm/s.

Nach aktuellen Forschungsergebnissen korreliert die Staubablagerung auf den Filtermedien eng mit der Stokes-Zahl (\(S_{tk}\))27,29,30. Die Stokes-Zahl kann ausgedrückt werden als:

Dabei ist \(\tau\) die Relaxationszeit der Partikel (s), \(u_{0}\) die Geschwindigkeit der Partikel, die durch Hindernisse strömen (m/s), \(L_{0}\) die Charakteristik Anzahl der Hindernisse (m), \(\rho_{p}\) ist die Partikeldichte (kg/m3), \(d_{p}\) ist der Partikeldurchmesser (m) und \(\mu\). die dynamische Viskosität von Luft (Pa·s). Gleichung (6) zeigt, dass \(S_{tk}\) umso größer ist, je höher die Geschwindigkeit und größer die Staubpartikelgröße ist. Für die V-förmigen und U-förmigen Filter kann \(L_{0}\) \(P_{W}\) bzw. \(0,5\;P_{W}\) sein. Bei gleicher Filtrationsgeschwindigkeit erreicht \(S_{tk}\) seinen Maximalwert, wenn α 3,57 beträgt.

Mithilfe des diskreten Phasenmodells wurden die Bewegungstrajektorien von 1 μm, 5 μm und 10 μm großen Partikeln numerisch simuliert. Es wurde festgestellt, dass sich die Staubablagerung auf den Filtermedien im gleichen Trend mit der Variation von \(S_{tk}\) ändert. Die Ablagerung von Staubpartikeln unterschiedlicher Größe auf den V-förmigen und U-förmigen Filtern unter den α-Werten von 2,14 und 3,57 ist in Abb. 7 dargestellt. Mit Ausnahme des Faltenbereichs ist die Staubablagerung auf den Filtermedien für das V -förmiger Filter ist im Wesentlichen einheitlich und ändert sich nicht mit dem \(S_{tk}\) (siehe Abb. 7a,c). Auf der Faltenfläche des U-förmigen Filters lagern sich nur wenige Staubpartikel ab. Darüber hinaus variiert die Staubablagerung auf dem Filtermedium außerhalb des Faltenbereichs mit dem \(S_{tk}\), und je größer der \(S_{tk}\), desto ungleichmäßiger ist die Staubablagerung (siehe Abb. 7b, D). Dieser Befund steht im Einklang mit dem Befund von Saleh et al. dass beim U-förmigen Filter die Staubablagerung als gleichmäßig betrachtet werden kann, wenn \(S_{tk}\) unter 0,1 liegt, während die Staubkuchendicke linear zunimmt, wenn \(S_{tk}\) größer als 0,1 ist mit der Faltentiefe27,29. Daraus wird geschlossen, dass mit der Zunahme von \(S_{tk}\) der Bereich, den Staubpartikel nicht erreichen können, größer wird (siehe Abb. 7b,d). Wenn beispielsweise \(d_{p}\) 5 μm beträgt, ist die Fläche auf dem Filtermedium, die Staubpartikel nicht erreichen können, winzig, aber wenn \(d_{p}\) 10 μm beträgt, macht die Fläche fast eins aus Drittel der Filterfläche (siehe Abb. 7d). Da etwa 97 % der Staubpartikel kleiner als 5 μm sind und der Anteil der Partikel größer als 10 μm weniger als 1 % beträgt (siehe Abb. 3), kann grob davon ausgegangen werden, dass sich Staubpartikel gleichmäßig auf der effektiven Filterfläche ablagern der U-förmige Filter.

Bewegungsbahnen unterschiedlich großer Staubpartikel.

Gemäß den Simulationsergebnissen im Abschnitt „Numerische Simulation verschiedener Faltengeometrien“ kann die V-förmige Faltenecke als ineffektiver Filterbereich betrachtet werden, wie im schwarzen Teil von Abb. 8a angegeben. Die übrigen Bereiche sind effektive Filterbereiche mit den gleichen effektiven Filtergeschwindigkeiten, in denen eine gleichmäßige Ablagerung der Staubpartikel erfolgt. Wenn die Dicke des Staubkuchens aufgrund der Staubablagerung an der unteren gefalteten Ecke zunimmt (Abb. 8b), vergrößert sich die ineffektive Filterfläche.

Staubablagerung auf dem V-förmigen Filter.

Nach Gl. (2), \(s_{Vt} = 2(s_{Vt1} + s_{Vt2} )\), die Staubablagerungsmasse pro Längeneinheit einer einzelnen V-förmigen Falte kann wie folgt angegeben werden:

Dabei ist \(m_{V0}\) die Masse der Staubablagerung (kg), \(T_{C0}\) die durchschnittliche Staubkuchendicke (m), \(\rho\) die Schüttdichte des Staubs ( kg/m3) und \(W\) ist die Masse der Staubablagerung pro Flächeneinheit (kg/m2). Wenn die Faltenecke des V-förmigen Filters wirkungslos ist, beträgt die Staubablagerungsmasse:

Dabei ist \(m_{V}\) die Masse der Staubablagerung (kg) und \(T_{C}\) die Dicke der Staubablagerung auf der effektiven Filterfläche (m). \(m_{V}\) ist gleich \(m_{V0}\). Nach Gl. (7) und (8),

Die Staubdicke des V-förmigen Filters auf der effektiven Filterfläche kann ermittelt werden:

Mit zunehmender Staubablagerungsmasse nimmt die effektive Filtrationsfläche ab und die effektive Filtrationsgeschwindigkeit steigt (Abb. 8). Die effektive Filtrationsgeschwindigkeit (\(\nu_{f}\)) kann anhand des invarianten Filterluftvolumens berechnet werden.

wobei \(\nu\) die Filtrationsgeschwindigkeit (4 cm/s) ist. Einige Wissenschaftler unterteilten den Gesamtdruckabfall in zwei Teile, nämlich den Druckabfall, der durch die Faltenstruktur verursacht wird, und den Druckabfall, der durch das Filtermedium und den Staubkuchen verursacht wird2,15,23. Einige Studien ignorierten den Druckabfall plissierter Strukturen, hauptsächlich weil der strukturelle Widerstand viel geringer ist als der Filtrationswiderstand bei niedriger Filtrationsgeschwindigkeit27,31,32,33. Aufgrund der geringen Filtrationsgeschwindigkeit kann der Strukturwiderstand in dieser Studie vernachlässigt werden. Dementsprechend wird der durch Filtermedien und Staubkuchen verursachte Druckabfall als Gesamtdruckabfall betrachtet und kann mithilfe des Darcy-Gesetzes31,32,33,34 berechnet werden.

Dabei ist \(\Delta P_{T}\) der Gesamtdruckabfall des Filters (Pa), \(\Delta P_{F}\) der durch das Filtermedium verursachte Druckabfall (Pa), \(\Delta P_{C}\) ist der durch den Staubkuchen verursachte Druckabfall (Pa), \(K_{F}\) ist der Durchlässigkeitskoeffizient des Filtermediums (m2), \(K_{C}\) ist die Durchlässigkeit Koeffizient des Staubkuchens (m2) und \(\nu_{f}\) ist die effektive Filtrationsgeschwindigkeit (m/s).

In Übereinstimmung mit der im Abschnitt „Druckabfallmodell des V-förmigen Filters während der Staubbeladung“ beschriebenen Behandlungsmethode der V-förmigen Geometrie wird der Faltenbereich als ineffektiver Filterbereich betrachtet, wie im schwarzen Teil in Abb. 9a dargestellt. Bis auf die unwirksame Filterfläche sind alle anderen Flächen wirksame Filterflächen mit den gleichen effektiven Filtergeschwindigkeiten. Staubpartikel werden gleichmäßig auf der wirksamen Filterfläche abgeschieden. Durch Ablagerungen im unteren Faltenbereich nimmt die Dicke des Staubkuchens zu und die ineffektive Filterfläche vergrößert sich (siehe Abb. 9b).

Staubablagerung auf dem U-förmigen Filter.

Nach der Gl. (4) kann die theoretische Filterfläche pro Längeneinheit einer einzelnen U-förmigen Falte als \(s_{Ut} = 2P_{H} + P_{W}\) ausgedrückt werden, wodurch die Masse der Staubablagerung ausgedrückt werden kann als:

Wenn der Faltenbereich des U-förmigen Filters wirkungslos ist, sinkt die Staubablagerungsmenge

\(m_{V}\) ist gleich \(m_{V0}\). Nach Gl. (13) und (14),

Die Staubkuchendicke des U-förmigen Filters auf der effektiven Filterfläche kann ermittelt werden:

Mit zunehmender Staubablagerungsmasse nimmt die effektive Filterfläche ab und die effektive Filtergeschwindigkeit steigt. Aus dem invarianten Filterluftvolumen kann die effektive Filtrationsgeschwindigkeit (\(\nu_{f}\)) ermittelt werden.

Der Gesamtdruckabfall des U-förmigen Filters kann nach Gl. berechnet werden. (12).

Die experimentell aufgezeichnete Änderung des Gesamtdruckabfalls und der Staubentfernungseffizienz mit der Staubablagerungsmasse pro Flächeneinheit \(W\) während der Flächenfiltration ist in Abb. 10 dargestellt. Die Staubkonzentration und die Filtrationsgeschwindigkeit wurden auf 800 ± 50 mg eingestellt /m3 bzw. 4 cm/s. Wie in Abb. 10a dargestellt, nimmt der Gesamtdruckabfall mit steigendem \(W\) zu; außerdem steigt die Steigerungsrate aufgrund von Änderungen in den Staubablagerungseigenschaften zunächst an und fällt dann ab. Song, Tanabe und Li et al.31,33,35 fanden heraus, dass die Variation des Druckabfalls bei Staubablagerung in drei Stufen unterteilt werden kann: Tiefenfiltration, Übergangsfiltration und Oberflächenfiltration. Die Tiefenfiltration findet in der Anfangsphase der Filtration statt. In diesem Stadium lagern sich große Partikel auf der Oberfläche des Filtermediums ab, während feine Partikel in das Filtermedium eindringen und dort eingefangen werden, was zu einer geringeren Porosität des Filtermediums und damit zu einem langsamen, aber beschleunigten Anstieg des Druckabfalls führt verbesserte Filtrationseffizienz. Gemäß Abb. 10b steigt die Staubentfernungseffizienz schnell von 99,9 auf 100 %. Dann tritt es in die Übergangsphase ein, in der sich ein Staubkuchen auf der Oberfläche des Filtermediums bildet, was anzeigt, dass die Tiefenfiltration durch die Oberflächenfiltration ersetzt wurde, dh die dritte Stufe hat begonnen. Die Oberflächenfiltration dominiert die dritte Stufe, in der der Druckabfall linear zunimmt und die Filtrationseffizienz ihren Höhepunkt erreicht. Wenn W 15 mg/cm2 übersteigt, steigt der Gesamtdruckabfall annähernd linear an, was ein Zeichen für Oberflächenfiltration ist; Liegt W dagegen unter 15 mg/cm2, befindet es sich in der Tiefenfiltrations- und Übergangsphase (siehe Abb. 10a). In dieser Studie wird davon ausgegangen, dass sich Staubpartikel lediglich auf der Oberfläche des Filtermediums ablagern. Unter einer solchen Annahme kann der Permeabilitätskoeffizient des Staubkuchens berechnet werden.

Änderungen des Gesamtdruckabfalls und der Staubentfernungseffizienz mit \(W\) während der Ebenenfiltration (a) Änderung des Gesamtdruckabfalls mit \(W\), (b) Änderungen der Staubkonzentration und Staubentfernungseffizienz mit \(W\) nach der Filtration.

Bei der Flachfiltration besteht der Gesamtdruckverlust aus zwei Teilen. Das heißt, der durch das Filtermedium verursachte Druckabfall und der durch den Staubkuchen verursachte Druckabfall. Wenn \(W\) 0 ist, kann der Permeabilitätskoeffizient des Filtermediums durch Gleichung berechnet werden. (12).

Basierend auf den experimentellen Bedingungen und Ergebnissen beträgt \(\Delta P_{F}\) 37,9 ± 1,2 Pa, \(\mu\) beträgt 1,8156 × 10−5 Pa·s, \(T_{F}\) beträgt 0,0005 m, \(\nu\) beträgt 0,04 m/s und \(K_{F}\) beträgt 9,5810 × 10–12 m2. Wenn sich Staubpartikel ablagern, kann \(K_{C}\) ausgedrückt werden als:

Dabei ist \(\rho\) die Schüttdichte des Staubs (620 kg/m3). Die Änderung des Permeabilitätskoeffizienten des Staubkuchens mit \(W\) ist in Abb. 11 dargestellt.

Änderung des Durchlässigkeitskoeffizienten des Staubkuchens mit \(W\) während der Flachfiltration.

Wenn \(W\) 5, 10, 15, 20, 25 bzw. 30 mg/cm2 beträgt, sind die Dicke des auf der effektiven Filterfläche abgelagerten Staubkuchens und die effektiven Filtergeschwindigkeiten für V-förmige und U-förmige Filter gleich unter verschiedenen α kann durch Gleichungen berechnet werden. (10), (11), (16) und (17) (siehe Abb. 12 und 13). Die vom Modell erhaltenen Dicken des Staubkuchens für Faltenfilter sind größer als die für die Flachfiltration, und die Dicke wächst mit der Zunahme von α und \(W\) (siehe Abb. 12). Die durch das Modell ermittelten effektiven Filtrationsgeschwindigkeiten von Faltenfiltern sind höher als die theoretischen Filtrationsgeschwindigkeiten, und die Geschwindigkeiten nehmen auch mit α und \(W\) zu (siehe Abb. 13). Dies ist auf das Vorhandensein einer ineffektiven Filterfläche in der Faltengeometrie zurückzuführen. Je größer α und \(W\), desto größer die ineffektive Filterfläche, desto größer sind die Staubkuchendicke und die effektive Filtrationsgeschwindigkeit in der effektiven Filterfläche. Der Vergleich zwischen Abb. 12a, b zeigt, dass sich bei gleichem W die Staubkuchendicke und die effektive Filtrationsgeschwindigkeit im effektiven Filtrationsbereich des V-förmigen Filters mit unterschiedlichem α deutlich unterscheiden, während sich die Werte im U-förmigen Filter nur geringfügig unterscheiden . Dies ist auf die schnelle Vergrößerung der ineffektiven Filterfläche zurückzuführen, die durch Staubablagerung an der Faltenecke des V-förmigen Filters verursacht wird.

Mit dem Modell erhaltene Staubkuchendicken (a) V-förmig, (b) U-förmig.

Effektive Filtrationsgeschwindigkeiten erhalten durch das Modell (a) V-förmig, (b) U-förmig.

Bei gleichem \(W\) führt die Faltenfiltration im Vergleich zur Flachfiltration zu einer Zunahme der Dicke des auf der effektiven Filtrationsfläche abgelagerten Staubkuchens und der effektiven Filtrationsgeschwindigkeit, wodurch sich zwangsläufig der Permeabilitätskoeffizient des Staubkuchens ändert. Allerdings ist es schwierig, den Durchlässigkeitskoeffizienten des Staubkuchens zu messen, wenn die Filtermedien gefaltet sind. Um den Gesamtdruckabfall durch das Modell zu berechnen, kann davon ausgegangen werden, dass bei gleichem \(W\) der Permeabilitätskoeffizient des Staubkuchens bei der Faltenfiltration derselbe ist wie bei der Flachfiltration. Auf diese Weise kann der Gesamtdruckabfall des Modells anhand der Staubkuchendicke und der effektiven Filtrationsgeschwindigkeit berechnet werden, die durch Gleichung (1) erhalten wird. (12). Die Änderungen der experimentellen und modellierten Gesamtdruckverluste mit \(W\) unter unterschiedlichem α für V-förmige und U-förmige Filter sind in den Abbildungen dargestellt. 14 bzw. 15. Im Staubbeladungsexperiment beträgt die Staubkonzentration 800 ± 50 mg/m3 und die theoretische Filtrationsgeschwindigkeit beträgt 4 cm/s. Es ist ersichtlich, dass experimentelle und modellierte Gesamtdruckverluste für V-förmige und U-förmige Filter den gleichen Variationstrend aufweisen, wobei beide mit der Zunahme von α und \(W\) ansteigen. Ihre relativen Fehler liegen zwischen − 8,17 und 5,15 % bzw. zwischen − 6,72 und 9,42 % und ihre relativen mittleren Abweichungen liegen bei 3,68 % bzw. 4,82 %. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene Vorhersagemodell den Gesamtdruckabfall von Filtern mit unterschiedlichen Faltengeometrien während der Staubbeladung genau vorhersagen kann. Dies impliziert auch, dass es sinnvoll ist, eine Undurchlässigkeitsbehandlung für die Faltenbereiche durchzuführen und dafür zu sorgen, dass Staubpartikel gleichmäßig auf der wirksamen Filterfläche abgeschieden werden. Die Daten zeigen auch, dass bei gleichem α und \(W\) der Gesamtdruckabfall des U-förmigen Filters geringer ist als der des V-förmigen Filters, was die überlegene Filtrationsleistung des U-förmigen Filters zeigt.

Änderungen der experimentellen und modellierten Gesamtdruckabfälle mit \(W\) für V-förmige Filter (a) α = 0,71, (b) α = 1,43, (c) α = 2,14, (d) α = 2,86, (e) α = 3,57.

Änderungen der experimentellen und modellierten Gesamtdruckabfälle mit \(W\) für U-förmige Filter (a) α = 0,71, (b) α = 1,43, (c) α = 2,14, (d) α = 2,86, (e) α = 3,57.

Im Abschnitt „Numerische Simulation verschiedener Faltengeometrien“ werden die sauberen Faltenfiltermedien entsprechend der Geschwindigkeit der durch die Filtermedien strömenden Luft in effektive Filterfläche und ineffektive Filterfläche unterteilt, was die Voraussetzung für die Modellableitung ist. Da die Staubbeladung jedoch das Luftströmungsfeld verändert, ist das Modell nur anwendbar, wenn die Staubkuchendicke gering ist. Diese Studie untersuchte Partikelgrößen mit Durchmessern von weniger als 10 μm. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Modell den Druckabfall genau vorhersagen kann, wenn \(W\) ≤ 30 mg/cm2 und die entsprechende durchschnittliche Staubkuchendicke \(T_{C0}\) ≤ 0,48 mm beträgt. In der Praxis lagern sich Staubpartikel ungleichmäßig auf den plissierten Filtermedien ab. In dieser Studie werden keine Staubpartikel auf der ineffektiven Filterfläche abgelagert, und Staubpartikel werden gleichmäßig auf der effektiven Filterfläche abgelagert, was eine vereinfachte Behandlung darstellt, wenn \(S_{tk}\) klein ist. Um den maximalen für das Modell anwendbaren \(S_{tk}\)-Wert zu bestimmen, wurden die Bewegungstrajektorien von Partikeln unter verschiedenen \(S_{tk}\) durch numerische Simulation weiter untersucht (siehe Abb. 16). Es ist ersichtlich, dass die Staubablagerung auf der effektiven Filterfläche umso ungleichmäßiger ist, je größer \(S_{tk}\) ist. Wenn \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 ist, kann davon ausgegangen werden, dass Staubpartikel gleichmäßig auf der effektiven Filterfläche abgelagert werden. Daher ist dieses Modell anwendbar, wenn die Partikelgröße weniger als 10 μm beträgt, \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 und \(T_{C0}\) ≤ 0,48 mm.

Bewegungstrajektorien von Teilchen bei verschiedenen \(S_{tk}\).

Durch numerische Simulation wurde der Einfluss der Stokes-Zahl auf die Staubablagerung auf den plissierten Filtermedien aufgezeigt. Die Ablagerung der Staubpartikel auf der wirksamen Filterfläche des V-förmigen Filters erfolgt im Wesentlichen gleichmäßig. Im Gegensatz dazu gilt beim U-förmigen Filter: Je größer \(S_{tk}\), desto ungleichmäßiger ist die Staubablagerung auf der effektiven Filterfläche.

Es wurde ein Druckabfallmodell vorgeschlagen, das den Druckabfall von V-förmigen und U-förmigen Filtern während der Staubbeladung genau vorhersagen kann und anhand dessen sich die Lebensdauer der Filter vorhersagen lässt. Bei V-förmigen und U-förmigen Filtern betragen die relativen mittleren Abweichungen zwischen experimentellen und modellierten Gesamtdruckabfällen 3,68 % bzw. 4,82 %.

Bei gleichem α und \(W\) ist der Gesamtdruckabfall des U-förmigen Filters geringer als der des V-förmigen Filters, was die überlegene Filtrationsleistung des U-förmigen Filters zeigt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 52074279, 51904291), den Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nr. 2020XGYJ08), dem Basic Research Program der Provinz Jiangsu (Nr. BK20190638) und der Provinz Hunan unterstützt Bildungsministerium (Nr. 17C0429).

School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China

Guangping Teng, Guoqing Shi und Jintuo Zhu

School of Safety and Management Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang, 421002, China

Guangping Teng

Staatliches Schlüssellabor für Kohleressourcen und sicheren Bergbau, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China

Guoqing Shi

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Konzepte und Design: GT, GS und JZ; experimentelle Studien/Datenanalyse: GT; Manuskriptvorbereitung: GT und JZ; Manuskriptbearbeitung: GT und GS; Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts kritisch überarbeitet und genehmigt.

Korrespondenz mit Guoqing Shi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Teng, G., Shi, G. & Zhu, J. Einfluss der Faltengeometrie auf den Druckabfall von Filtern während des Staubbeladungsprozesses: experimentelle und Modellstudie. Sci Rep 12, 20331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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Eingegangen: 24. September 2022

Angenommen: 21. November 2022

Veröffentlicht: 25. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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