一种新型湿式金属填料过滤性能的实验研究

姜林林 柳建华 张良 丁杨 翁晶凯 吴昊

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

一种新型湿式金属填料过滤性能的实验研究

姜林林 柳建华 张良 丁杨 翁晶凯 吴昊

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

介绍了湿式与金属填料叠加的除尘器的结构、综合除尘机理及其它有效的功能，可有效克服传统纤维过滤器的不足。实验测试了在不同气流流速下和不同喷淋密度下除尘器的过滤性能，实验结果表明当风速1.2 m/s、喷淋密度1.0 m3/h时，湿式金属填料过滤系统除尘效率可到75%，可应用于集中式中央空调或通风系统中。

湿式过滤；金属填料；喷淋密度；过滤效率

湿式除尘器是将含尘气体与液体(一般为水)密切接触，将粉尘从气体中分离出来的装置。湿式除尘器具有结构简单、造价低、净化效率高、不扬尘和二次污染少等特点，适合去除非纤维性和不与水发生化学反应的各种粉尘。湿式过滤与金属填料相结合，对可吸入颗粒物有很高的计数过滤效率，而且金属过滤器的阻力也在100 Pa以内[1]。金明[2]对金属填料湿式除尘器的除菌效率进行了实验研究，除菌效率在90%～95%之间，并验证了微生物粒子主要集中在5.0～10.0 μm之间的结论。马德刚[3]在湿式金属填料喷淋水中加表面活性剂后，对可吸入颗粒物过滤效率有很大的提高。王一飞等[4]，陈喜山等[5]分别对金属填料湿式除尘器对工厂油雾和餐饮行业油烟过滤方面的应用进行了研究，研究表明金属填料湿式除尘器对油雾、油烟等易凝结污染物具有很好的过滤效果，而且油雾、油烟并不会在金属填料里滞留。本文主要研究金属填料的过滤和除菌性能，探讨其作为中央空调系统过滤器的应用。

1 实验原理

金属填料过滤类似于纤维过滤及颗粒层过滤，而因其填料结构的不同与这两种过滤机理又有所不同。在金属填料过滤中颗粒物能从气流中分离出来，主要是依靠拦截效应、惯性碰撞效应、静电效应及扩散作用等。事实上，在实际过滤过程中是各种机理共同作用的结果。拦截效应和惯性碰撞效对较大粒径颗粒物(2.0 μm以上)有较好的作用，粒径越大拦截效应越强；颗粒密度越大，惯性碰撞效应越强。由于1.0 μm以下的粒径颗粒物扩散效应较强，尤其是0.3 μm以下粒径颗粒物，扩散效应起主要作用。静电效应对0.1～10.0 μm粒径颗粒物都有较强的作用，静电效应大小受静电作用力大小影响[6]。复合过滤中的共同作用效应如图1，各效应效率与颗粒物粒径变化关系如图2。

当过滤作用发生时，各效应之间相互联系相互影响，过滤效率不能简单认为是各独立过滤机理效率的叠加，如果简单使用叠加原理，可能造成很大误差。近似地把各种效应做综合效应，用串联模式处理分析更符合实际情况，综合过滤效率可表示为[7]:

式中:ηR为拦截效率；ηI为惯性碰撞效率；ηD为扩散效率；ηE为静电作用效率。

图1 综合过滤机理图Fig.1 Integrated filtering mechanism

图2 各捕集效应与粒径关系图Fig.2 Relationship between capture effect and particle size

2 实验装置

湿式金属填料喷淋装置主要包括:金属填料、可视玻璃风管段、喷淋布水器、喷淋水控制阀等。可视玻璃风管段可拆卸，里面的金属填料可更换块数和填料类型，喷淋布水器要求能完全覆盖金属填料，保证金属填料喷淋均匀，并且能够控制喷淋密度。金属填料发挥过滤作用，收集因碰撞拦截、重力作用、静电力、扩散效应等在填料处过滤团聚后的颗粒物；通过水的喷淋，清除洒落在金属填料中的颗粒物，使过滤器得到自净。湿式金属填料喷淋装置如图3所示，测量仪表见表1。

3 实验结果与分析

3.1 除尘效率与迎面风速的关系

实验中采用5块500 mm×330 mm×100 mm，比表面积为500 m2/m3，波高6.3 mm，压降为300 Pa/m的金属丝网波纹填料。从图4中可以看出，金属填料过滤效率在风速1.2 m/s时颗粒物分级计数过滤效率最高。在0.3 μm～5.0 μm粒径测量范围内，粒径为5.0 μm颗粒物分级过滤效率最高，达到60%，3.0 μm、2.0 μm和1.0 μm粒径颗粒物分级过滤效率分别为50%、40%和25%，1.0 μm以下粒径颗粒物过滤效率较低，0.3 μm和0.5 μm粒径过滤效率分别为5%和7%。

图3 金属填料喷淋过滤结构示意图Fig.3 The structure of metal filter spray filter

表1 实验台主要测试仪器Tab.1 Main equipments of experimental system

3.2 除尘效率与喷淋量的关系

图5～图7分别为金属填料过滤系统在不同风速不同喷淋量条件下颗粒物分级过滤效率。从图中可以看出，在一定风速下，喷淋密度较大时过滤效率较高，但是过滤效率随喷淋密度变化不明显。在风速为1.2 m/s时，喷淋过滤效率最高，5.0 μm粒径颗粒物的分级过滤效率可达75%，但是0.3 μm和0.5 μm粒径颗粒物过滤效率与不喷淋时效率相比效率降低，分别为2%和4%。

图8是喷淋量为1.0 m3/h时不同风速下颗粒物分级过滤效率。从图中可以看出风速为1.2 m/s时，各粒径颗粒物过滤效率最高，过滤效率与0.8 m/s和0.6 m/s相比变化较大。1.0 μm以上粒径颗粒物分级过滤效率受风速影响变化大，1.0 μm以下颗粒过滤效率受风速影响变化小。

图4 不同风速下过滤效率Fig.4 Filter efficiency in different gas flow velocity

图5 风速1.2 m/s不同喷淋密度时过滤效率Fig.5 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 1.2 m/s

图6 风速0.8 m/s不同喷淋密度时过滤效率Fig.6 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.8 m/s

图7 风速0.6 m/s不同喷淋密度时过滤效率Fig.7 Filter efficiency in different spray of water when gas flow velocity of 0.6 m/s

对比分析金属填料喷淋和不喷淋两种情况可知，喷淋提高较大粒径颗粒物过滤效率，对较小粒径颗粒物过滤效率降低。过滤系统在实验条件下主要靠金属填料的惯性拦截效应、碰撞效应对颗粒物过滤，由于金属填料空隙较大，在填料捕集颗粒物过程中扩散效应作用很小，因此过滤系统对1.0 μm以下颗粒物过滤效率较低。喷淋后的金属填料被润湿，填料表面形成液膜等[8]，湿膜对颗粒物有较强的捕集作用力，这使得喷淋后过滤效率提高。实验结果表明1.0 μm以上颗粒物过滤效率提高10% ～15%，对1.0 μm以下颗粒物过滤效率降低5%左右。这是因为在金属填料喷淋过程中，使得过滤空气温度降低，湿度增大，湿凝并作用和热凝并作用对较小粒径颗粒物产生作用，0.3 μm以下颗粒物团聚为0.3 μm以上可测团聚物。由于过滤系统对1.0 μm以下颗粒物过滤捕集作用有限，在实验分析中表现为1.0 μm以下颗粒物过滤效率降低，实际情况是过滤空气中大量0.3 μm以下粒径颗粒物团聚为0.3 μm以上粒径团聚体，使空气中0.3 μm～1.0 μm颗粒物数量增加，而这些颗粒物只有有限的一部分被过滤掉。

图8 喷淋密度为1.0 m3/h不同风速时过滤效率Fig.8 Filter efficiency in different gas flow velocity when spray of water of 1.0 m3/h

4 湿式除尘器的其它功能

采用湿式金属填料除尘器不仅可以有效去除空气中的粉尘及气态污染物，还可以实现空气消毒净化、蒸发冷却和冬季加湿等功能。同时也要做好除尘器内部的清理和对喷淋水系统的过滤管理。

1)中央空调系统中的空气消毒病毒等微生物主要依附在空气中的粉尘上进行传播。在中央空调系统中进行除尘并消毒，可以切断病毒传播途径。实验数据表明，采用本文研究的湿式填料除尘器可以替代传统中央空调过滤器，达到中效过滤器水平，而阻力却很小。因此在中央空调系统中采用湿式填料除尘器可以有效解决过滤除尘和消毒净化等问题。

2)采用了湿式过滤的方式，如同在空调或通风系统中增加了蒸发冷却装置，实验中通过测试进出口干湿球温度，发现采用该设备可以使空气温度降低3 ～5℃[9－10]。缩短了制冷机组的开启时间，节省能量消耗。

3)冬季加湿采用湿式金属填料除尘器可以对空气进行加湿处理，进而提高工作或生活区域的舒适性。

5 结论

1)湿式金属填料过滤器在风速1.2 m/s范围内，风速增加使系统过滤效率提高，风速降低使过滤效率下降；填料喷淋密度大时，对1.0 μm以上粒径颗粒物过滤效率高，1.0 μm以下粒径颗粒物过滤效率则较低。综合分析实验结果，风速为1.2 m/s，喷淋量为1.0 m3/h，过滤系统过滤效率可以达到75%以上。

2)湿式金属填料除尘器可以实现过滤、清灰和消毒相结合，对改善空气品质、节约能耗和预防传染病毒通过通风系统传播具有很好的作用，具备健康、舒适和节能的特点。

本文受上海市教育委员会重点学科项目(J50502)资助。(The project was supported by Key Subject of Shanghai Municipal Education Commission-funded projects(No.J50502).)

[1] 张欢，由世俊，马德刚，等.空调机组填料型洗涤式空气过滤器的实验研究[J].流体机械，2004，32(4):47-50. (Zhang Huan，You Shijun，Ma Degang，et al.Experimental Study of the Wetted Media Air Filter Used in Air-handling Unit[J].Fluid Machinery，2004，32(4):47-50.)

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[3] 马德刚，张欢，叶天震，等.湿式金属填料除尘器的实验[J].天津大学报，2004，37(12):1119-1122.(Ma Degang，Zhang Huan，Ye Tianzhen，et al.Experimental Study on Wet Dust Collection with Metal Filler[J].Journal of Tianjin University，2004，37(12):1119-1122.)

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作者简介

姜林林，男(1990－)，硕士在读，上海理工大学能源与动力工程学院，18818262694，E-mail:jllllj18818262694＠163.com。研究方向:制冷与低温工程。现在进行的研究项目有:上海市研究生创新基金项目(JWCXSL1102)——土壤源热泵地埋管换热器相关性研究。

About the author

Jiang Linlin(1990－ )，male，graduate student，University of Shanghai for Science＆Technology，School of Energy and Power Engineering，18818262694，E-mail:jllllj18818262694＠ 163. com.Research fields:Refrigeration and Cryogenic Engineering. The author takes on project supported by the Innovation Fund Project For Graduate Student of Shanghai(No.JWCXSL1102)——Correlation studies of buried tube heat exchanger.

Jiang Linlin Liu Jianhua Zhang Liang Ding Yang Weng Jingkai Wu Hao

(University of Shanghai for Science and Technology，School of Energy and Power Engineering，Shanghai，200093，China)

This article introduces the structure，dusting mechanism and other functions of wet-type dust remover with metal filler，which can effectively make up the deficiency of the traditional fiber filter.The experiments test its performance on the conditions of different gas flow velocity and sprinkling rate.The results show the wet-type metal filler filtration system has higher filter efficiency which is up to 75% at the following work condition，air flow velocity:1.2 m/s，sprinkling rate:1.0 m3/h.This kind of system can be widely used in centralized central air conditioning or ventilation system.

wet-type filter；metal filler；sprinkling rate；filter efficiency

TI831.4；TB61＋1

A

0253－4339(2014)05－0105－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.105

The Filtration Performance Research on a New Type of Wet-type Metal Filler

2013年9月12日