CN101879393A - 回转袋式分区空气过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转袋式分区空气过滤器，包括矩形边框(3)及在矩形边框(3)端面设置的固定框(4)及滤袋，其特征在于：所述固定框(4)呈对角线结构分布于矩形边框(3)上，且在所述固定框(4)对角线上设有一矩形框架构成第一过滤框(1)；沿该第一过滤框(1)一条边向外延伸，并呈矩形螺旋线渐扩框架结构均布于固定框(4)上构成第二过滤框(2)；在所述第一过滤框(1)及第二过滤框(2)上设有滤袋(5)。该袋式过滤器统筹兼顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，找出影响空气过滤器效率的“短板”进行加强，在容尘量与运行费用优良的情况下，提高了空气过滤器的过滤效率。

Description

回转袋式分区空气过滤器

技术领域

本发明涉及一种空气过滤器，尤其涉及一种布回转袋式分区空气过滤器。

背景技术

室内空气净化最主要的任务是除去室内粉尘颗粒物，最有效的方法是使用空气过滤器对空气进行过滤。过滤是分离技术的一种，主要是依靠过滤材料捕集悬浮在流体中的固体颗粒物。

矩形通风管道在通风系统中是常见的，是通风系统的重要组成部分，通过流体力学知识，可以导出矩形风管内流体的速度场，结果发现：风管内速度呈现二次曲线分布，也即速度在风管的中心达到二次曲线的顶点，随着离中心距离的增大，速度逐渐变小。运用RSM和Realizablek-ε模型，模拟方形通风管道中的空气流场结果如附图1和附图2所示。从图中可以看出，流体速度随着离中心距离的增大，逐渐变小，中心区域速度最大。由于等值线弯曲区内等值线切向速度脉动引起了横向流的生成，这个横向流指向管道的角落处，以及另雷诺应力的梯度，使得方形管道中可能产生了二次流。RSM模型模拟的流场出现了二次流，比Realizablek-ε模型更适于模拟方形通风管道中的空气流流场。可见，矩形风管内流体速度场更接近于图1所示。

如果从参与空气过滤的3个主要因素：粒子、分散介质(空气)和过滤材料的特征来考虑，影响空气过滤材料过滤性能的最重要的参数为：粒子直径、空气流速、纤维直径和填充率。由于，中心区域风速较大，这将造成空气过滤器中心区域的穿透率较大，成为过滤器的“短板”影响了空气过滤器的过滤效率。

而传统的袋式空气过滤器均未考虑风管内流体速度场的不均匀性，如图3是传统的袋式空气过滤器，包括固定框1、滤袋5、边框3，其各个部分设计均未按风管内流体速度场进行设计，滤袋的选择也未按风管内流体速度场进行区分。于此同时，传统袋式除尘器的需要制作大量的袋子，每个格栅都需要制作一个布袋，成本高，工艺麻烦。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种回转袋式分区空气过滤器，该袋式过滤器统筹兼顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，找出影响空气过滤器效率的“短板”进行加强，在容尘量与运行费用优良的情况下，提高了空气过滤器的过滤效率。

为了实现上述目的，本发明提供的回转袋式分区空气过滤器，包括由矩形边框构成的通风过滤口及在该通风过滤口端面设置的固定框及滤袋，其特征在于：所述通风过滤口包括两个过滤框，所述固定框呈对角线结构分布于矩形边框上，且在所述固定框对角线中心设有一矩形框架构成第一过滤框；沿该第一过滤框一条边向外延伸，并呈矩形螺旋线渐扩框架结构均布于固定框上构成第二过滤框；在所述第一过滤框及第二过滤框上分别设有滤袋。

所述沿第一过滤框的矩形框架周边设有的滤袋为筒形过滤袋，形成第一过滤区。

所述沿第二过滤框矩形螺旋线渐扩框架相邻框架周边上设有的滤袋为回转形过滤袋，形成第二过滤区。

所述筒形过滤袋与回转形过滤袋分别通过密封胶与各自的框架粘合密封。

所述筒形过滤袋与回转形过滤袋采取不同纤维直径的滤袋，中心筒形过滤袋的纤维直径大于回转形过滤袋的纤维直径。

本发明还给出了回转袋式分区空气过滤器通风过滤口过滤区的分区方法，该分区方法包括如下步骤：

步骤一、确定过滤区的划分个数和尺寸：根据安装过滤器管道的风量及尺寸，运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸；位于中心部位的第一过滤区为四边形，沿该四边形结构的第一过滤区呈矩形螺旋渐扩线分布的回转形结构构成第二过滤区；

步骤二、当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和与设定的风量之差小于5％时，认为划分区域结果有效；否则需重复上述步骤，直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和与设定的风量之差小于5％时为止；

步骤三、选择滤料：根据过滤器的过滤效率和工作环境选择滤料，选择不同纤维直径的滤料按照其过滤效率，由中心部位的第一过滤区向围绕在第一过滤区的回转形第二过滤区方向依次递减；

步骤四、确定滤料的厚度：根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出滤料的厚度。

由以上可见，本发明通过两个不同的过滤区对流过其的空气进行过滤，有效的除去了流过风管的空气中的颗粒污染物，达到了进化空气的目的。与此同时通过回转袋的设计，整个第二过滤区只需要一个袋子。大大减轻了制造工艺的难度，并节约了制造成本。

附图说明

图1是RSM模型所模拟矩形风管中空气的速度场图；

图2是Realizablek-ε模型所模拟矩形风管中空气的速度场图；

图3是传统袋式过滤器结构示意图；

图4是本发明结构示意图；

图5是筒形过滤袋结构示意图；

图6是回转形过滤袋结构示意图；

图7是中效滤料阻力和虑速的关系趋势图；

图8是分区过滤器具体实验操作所使用的仪器连接关系示意图；

图9是采用分区技术方案过滤器对粒径在10微米以下的颗粒物(PM10)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。

图10是采用分区技术方案对粒径在4微米以下的颗粒物(PM4.0)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图；

图11是采用分区技术方案对粒径在1微米以下的颗粒物(PM1.0)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图4所示，该回转袋式分区空气过滤器，包括由矩形边框3构成的通风过滤口及在该通风过滤口端面设置的固定框4及滤袋5，其中：所述通风过滤口有两个过滤框，所述固定框4呈对角线结构分布于矩形边框3上，且在所述固定框4对角线中心设有一矩形框架构成第一过滤框1；沿该第一过滤框1一条边向外延伸，并呈矩形螺旋线渐扩框架结构均布于固定框4上构成第二过滤框2；在所述第一过滤框1及第二过滤框2上分别设有滤袋。

如图5所示，沿第一过滤框1的矩形框架周边连接有筒形过滤袋5-1，过滤袋5-1的四个角固定在矩形的固定框4上形成第一过滤区。按照图1及图2所示RSM模型所模拟矩形风管中空气的速度场图及Realizablek-ε模型所模拟矩形风管中空气的速度场图，在方形通风管道中的空气流场结果。

如图6所示，沿第二过滤框2矩形螺旋线渐扩框架相邻内外框架周边上设有回转形过滤袋5-2，形成第二过滤区。并且筒形过滤袋5-1与回转形过滤袋5-2分别通过密封胶与各自框架粘合密封。

并且本发明筒形过滤袋5-1与回转形过滤袋5-2采取不同纤维直径的滤袋。由于中心区域风速较大，造成空气过滤器中心区域的穿透率较大，第一过滤区和第二过滤区采用填充率以及不同纤维直径的滤袋，中心筒形过滤袋5-1的纤维直径要大于回转形过滤袋5-2的纤维直径。

以下通过举例对本发明作进一步的说明。

首先，空气在风机压力的作用下进入风管，再由风管中流入空气过滤器中，在流过过滤器时，由第一过滤区、第二过滤区对所流过的空气进行过滤。从影响空气过滤材料过滤性能的因素：粒子直径、空气流速、纤维直径和填充率考虑，将空气过滤器按照分区设置，并且采取回转袋式过滤方式，将两区域的过滤袋采取不同直径的纤维滤料。这样就减少了空气流速大的区域的穿透率，各区域采用填充率与纤维直径不同的滤料，使得各区域过滤效率相差较小，达到较好的过滤效率。

本发明的袋式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，其包括如下几个步骤：

步骤一、确定过滤区的划分个数和尺寸。由于过滤速度对滤料的过滤效率及阻力会产生很大影响，通过总结我们发现以中效滤料为例，中效滤料阻力与虑速成正相关关系，参见图7所示。因此我们可以根据安装过滤器管道的风量及尺寸运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，位于中心部位的第一过滤区为四边形，其余的过滤区依次围绕在中心部位过滤区形成回转形结构，即沿该四边形结构的第一过滤区呈矩形螺旋渐扩线分布的回转形结构构成第二过滤区；

步骤二、当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％时，认为划分区域结果有效；否则需重复上述步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％时为止。由于通风空调风管采用推荐风速法进行设计，因此在相同尺寸风管的情况下，可根据所选风速不同运用上述方法做不同种型号的过滤器。需要说明的是本步骤运用SIMPLE算法进行数值计算，该方法主要用于求解不可压流场的数值方法(也可用于求解可压流动)，其核心是采用“猜测-修正”的过程，在交错网络的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程(Navier-Stokes方程)的目的。

在本发明中运用SIMPLE算法的基本思路如下：对于给定的压力场(它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果)，求解离散形式的动量方程，得出速度场。所用方程如下：

$\▿\·\stackrel{\‾}{U}=0$

$\frac{\∂\stackrel{\‾}{U}}{\∂t}+\▿\·(\stackrel{\‾}{U}\⊗\stackrel{\‾}{U})=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\▿p+\left(v{+v}_t\right){\▿}^2\stackrel{\‾}{U}$

$v_t=\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{\mathrm{\ρ}}=C_{\mathrm{\μ}}{k}^2/\mathrm{\ϵ}$

$\frac{\∂k}{\∂t}+\▿\·\left(\stackrel{\‾}{U}k\right)=\frac{v_t}{{\mathrm{\σ}}_k}{\▿}^{2}k+\frac{G_k}{\mathrm{\ρ}}-\mathrm{\ϵ}$

$\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂t}+\▿\·\left(\stackrel{\‾}{U}\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{v_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}}{\▿}^2\mathrm{\ϵ}+\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}[C_1\frac{C_{\mathrm{\ϵ}}}{\mathrm{\ρ}}-C_2\mathrm{\ϵ}]$

$G_k=G_{\mathrm{\ϵ}}={\mathrm{\μ}}_t\▿\·\stackrel{\‾}{U}\·(\▿\·\stackrel{\‾}{U}\·\▿\·{\stackrel{\‾}{U}}^T)$

其中：U：介质进口速度，m/s；C_μ，C₁，C₂，σ_k，σ_ε：模型常数，如表1；

k：紊流脉动动能，m²/s²；v_t：运动粘度系数，m²/s.

表1模型常数

步骤三、选择滤料。根据过滤器的过滤效率和工作环境综合选择滤料，选择的滤料其过滤效率由中心部位的第一过滤区向围绕在中心部位过滤区的回转形过滤区方向依次递减；例如过滤材料克重66.3、70.5、150.0、200.0g/m²，纤维直径可选择14.3、16.3、19.5、22.5微米等多种。在本发明中可选择滤料类型包括：醋酸纤维、玻璃纤维、氯化维尼纶、聚酰胺、聚丙烯、聚酯、维尼纶、丙烯等，并且根据不同的过滤效果做出不同型号的系列产品，以满足用户的需求。

步骤四、确定滤料的厚度。根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出滤料的厚度。根据过滤器阻力及过滤器的效率来确定最佳的滤料厚度，以实现空气过滤器整个生命周期费用最低。由于在滤料选定后，纤维直径以及填充率都为定值，所以主要是确定过滤器滤料的厚度，在实际运行中，为了制造安装方便，所以各过滤区采用相同的过滤层厚度H。首先假设各过滤区纤维都有规则的排列在气流垂直的方向上，每一层纤维对颗粒物的捕集具有相同的几率，颗粒物是均匀分布在气流里的。所以各分区的过滤效率可采用如下公式进行计算：

$\mathrm{\η}=1-\exp [-\frac{4\mathrm{\αH}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\Σ}}}{(1-\mathrm{\α})\mathrm{\π}{d}_f}],$

其中：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\Σ}}=-1.8\frac{(1-\mathrm{\α})d_{f}1g{K}^{\′}}{\mathrm{H\α}}$

η_∑——单根纤维在单位长度上的捕集总效率

H——过滤层厚度，m

μ——气体粘滞系数，Pas

v——滤速m/s

d_f——单根纤维的直径

同时，过滤器的总过滤效率可采用如下公式进行计算：

${\mathrm{\η}}_Z=\frac{A_1}{A}\·{\mathrm{\η}}_1+\frac{A_2}{A}\·{\mathrm{\η}}_2+......+\frac{A_n}{A}\·{\mathrm{\η}}_n$

其中：A₁——第一过滤区的面积；A₂——第二过滤区的面积；A_n第n过滤区的面积；A——过滤器总的过滤面积；η₁——第一过滤区的过滤效率；η₂——第二过滤区的过滤效率；η_n——第n过滤区的过滤效率；η_Z——过滤器的总过滤效率。

另外，各分区阻力可采用如下公式进行计算：

其中：H-过滤层厚度，m；μ-气体粘滞系数；v-滤速m/s；填充率

d_f——单根纤维的直径；

$m_2=1.6d_f^{-0.05}$

以下是常规的纤维的

值：醋酸纤维0.3～0.52，玻璃纤维1.0，氯化维尼纶0.61，聚酰胺1.0，聚丙烯1.0，聚酯1.0，维尼纶0.4，丙烯1.0。滤料选定后，上述公式中只有过滤层厚度H是未知数。由于各分区属于并联关系，所以过滤器总阻力ΔP_Z可由下式进行计算：

$\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_Z}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_2}+......+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_n}$

其中：ΔP₁——第一分区阻力；ΔP₂——第二分区阻力；ΔP_n——第n分区阻力；ΔP_Z——过滤器总阻力。

过滤器运行能耗可由下式进行计算：

其中：E＝能耗[度/年]；q——风量[m3/s]；ΔP——阻力[Pa]；t——运行时间[小时/年]；e——风机运行效率；

而过滤器的寿命可由如下公式进行计算：

$T_0=\frac{P_0}{N\×{10}^{-3}\mathrm{Qt}{\mathrm{\η}}_Z}$

其中：P₀——过滤器标准积尘量，g；T₀——使用寿命，天；N——过滤器前含尘浓度，mg/m³；t——过滤器一天运行时间，h；η_Z——过滤器效率

假设每个过滤器的价格及更换费用为a元，每度电价格为b元，所以过滤器全生命周期运行费用可用下式进行计算：

由于根据步骤1可以将各区面积A_n以及各区过滤速度V_n确定，而其他过滤器参数在滤料选定后即为定值，所以只有过滤层厚度H为变量，对目标函数Z＝F(H)求极值即可得到该工况下，该种滤料过滤层最佳厚度。

以下申请人采用本发明所述的技术方案分别对粒径在10微米以下颗粒物(PM10.0)、对粒径在4微米以下的颗粒物(PM4.0)、粒径在1微米以下的颗粒物(PM1.0)进行实验，并将其分别与传统的过滤器的过滤效果进行对比。本发明所采用的实验操作仪器为美国TSI公司生产的热线风速仪与大气粉尘检测仪，各个仪器的连接方关系参照附图8，其中在风管上开有四个孔，分别为两个颗粒质量浓度粒径分布测试孔，用来测试粉尘浓度；一个风速测试孔，用来测试风速；另一个是温度、湿度测试孔，用来测试温湿度。在四个开孔之间设有滤料层。在风机的后面设置有均流板，目的是使得过滤器前流场均匀；风机并连接电源与调速装置，目的是可以改变风机风量。

实施例1，选择直径为100×100的通风管道，给定0.8m/s的风速，利用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，风管断面上的速度场如图1和图2所示，通过图示可以将通风管道口划分为2个过滤区，此时各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％。如图4-图6所示，在每一个过滤区上设有过滤袋，且位于中心部位的过滤区为矩形，由筒形过滤袋5-1的四个角固定在第一过滤框1上；其余的回转形过滤区依次围绕在第一过滤区周围形成四方形回转形结构，由回转形过滤袋5-2的八个角固定在第二过滤框2上。固定框4分别沿通风过滤口的对角线方向相互交叉并与边框3连接。中心部位的过滤区1的区域选用采用单层克重200g/m²纤维直径为14.3微米的涤纶作为滤料，边缘部位的的过滤区选用相同克重200g/m²但纤维直径分别为16.3、19.5微米的涤纶作为滤料。

图9-图11对粒径在10微米以下颗粒物(PM10.0)、4微米以下的颗粒物(PM4.0)、粒径在1微米以下的颗粒物(PM1.0)进行实验，从图中可以看出，使用本方法的过滤器相对于传统理念设计的过滤器而言，无论对可吸入颗粒物PM10.0还是易沉积在肺泡内部的PM1.0的过滤效率都得到明显提高，而且在不同面风速下所得结论一致。

由以上可见，本发明提供的空气过滤器，通过两个过滤区对流过其的空气进行过滤，有效的除去了流过风管的空气中的颗粒污染物，达到了净化空气的目的。与此同时通过回转袋的设计，整个第二过滤区只需要一个袋子。大大减轻了制造工艺的难度，并节约了制造成本。本发明只做了两个过滤袋的形式，按照本发明的设计方案采取不同个数的过滤区仍属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.回转袋式分区空气过滤器，包括由矩形边框(3)构成的通风过滤口及在该通风过滤口端面设置的固定框(4)及滤袋(5)，其特征在于：所述通风过滤口包括两个过滤框，所述固定框(4)呈对角线结构分布于矩形边框(3)上，且在所述固定框(4)对角线中心设有一矩形框架构成第一过滤框(1)；沿该第一过滤框(1)一条边向外延伸，并呈矩形螺旋线渐扩框架结构均布于固定框(4)上构成第二过滤框(2)；在所述第一过滤框(1)及第二过滤框(2)上分别设有滤袋。

2.根据权利要求1所述的回转袋式分区空气过滤器，其特征在于：所述沿第一过滤框(1)的矩形框架周边设有的滤袋为筒形过滤袋(5-1)，形成第一过滤区。

3.根据权利要求1所述的回转袋式分区空气过滤器，其特征在于：所述沿第二过滤框(2)矩形螺旋线渐扩框架相邻框架周边上设有的滤袋为回转形过滤袋(5-2)，形成第二过滤区。

4.根据权利要求2或3所述的回转袋式分区空气过滤器，其特征在于：所述筒形过滤袋(5-1)与回转形过滤袋(5-2)分别通过密封胶与各自的框架粘合密封。

5.根据权利要求2或3所述的回转袋式分区空气过滤器，其特征在于：所述筒形过滤袋(5-1)与回转形过滤袋(5-2)采取不同纤维直径的滤袋，中心筒形过滤袋的纤维直径大于回转形过滤袋的纤维直径。

6.回转袋式分区空气过滤器通风过滤口过滤区的分区方法，其特征在于，该分区方法包括如下步骤：

步骤一、确定过滤区的划分个数和尺寸：根据安装过滤器管道的风量及尺寸，运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸；位于中心部位的第一过滤区为四边形，沿该四边形结构的第一过滤区呈矩形螺旋渐扩线分布的回转形结构构成第二过滤区；

步骤二、当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和与设定的风量之差小于5％时，认为划分区域结果有效；否则需重复上述步骤，直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和与设定的风量之差小于5％时为止；

步骤三、选择滤料：根据过滤器的过滤效率和工作环境选择滤料，选择不同纤维直径的滤料按照其过滤效率，由中心部位的第一过滤区向围绕在第一过滤区的回转形第二过滤区方向依次递减；

步骤四、确定滤料的厚度：根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出滤料的厚度。

Images