滤材组合对空气过滤器过滤性能的影响

张万，韩凤娟

1.航空工业(新乡)计测科技有限公司，河南新乡 453019；2.新乡航空工业(集团)有限公司，河南新乡 453000

0 引言

空气过滤器可以有效地滤除空气中的灰尘、纤维、气味等杂质，能为发动机、洁净厂房(舱、室)等净化空气，满足了人们生活和生产的需求，已得到广泛应用。空气过滤器是由空气滤材制作而成的，滤材的拦截、吸附作用可以净化空气中的固体杂质，部分空气过滤器添加了活性炭等材料用于过滤有毒有害气体。空气过滤器的滤材形式多样，有的使用单层滤材，有的使用滤材组合的形式。本文对单层滤材和双层滤材组合的过滤性能进行了对比分析，并通过试验验证。

1 试验方案设计

过滤器的过滤性能一般包括流阻(压差)、过滤效率和容尘量(或储尘能力)3个项目，对于高效空气过滤器来说，没有容尘量试验或寿命试验等相关要求，而且对于滤材的容尘量试验也不常见。因此，此次试验对比中不再进行容尘量试验，只进行流阻试验和过滤效率试验的对比与分析[1]。

空气滤材的过滤效率试验方法主要有钠焰法、油雾法和粒子计数法3种，本文选择最常用的粒子计数法进行试验。采用粒子计数法试验时，空气滤材的测试粒径一般不大于1.0 μm，当测试粒径大于0.3 μm时一般选择使用多分散气溶胶和光学粒子计数器(OPC)完成试验，而测试较小粒径如0.1、0.3 μm时一般使用微分迁移率分析仪(DMA)和凝结核粒子计数器(CPC)测量单分散气溶胶等进行试验[2]。试验时使用的试验设备为滤材过滤性能试验台，利用DMA和CPC组合的方法使用单分散气溶胶进行试验，在下游粒子采样管路中增加了稀释器，中低效滤材的过滤效率试验时使用该稀释器，高效滤材试验时其下游不使用稀释器。上下游CPC的取样流量和取样时间一致，而且试验台的验证均满足EN 1822—3规定的要求[3]。滤材过滤性能试验台原理如图1所示。

图1 滤材过滤性能试验台原理

试验分析样品为单层和双层空气滤材，选用过滤效率为中低效、中效、高效等多种不同类型的滤材，超高效滤材过滤效率和流阻都很高，双层叠加试验意义不大，不再对超高滤材进行分析。选用多种不同的滤材进行试验，这些滤材有玻纤滤材和纸质滤材两种材质。每种待试验的滤材表面干净、平整、无起泡、折痕等现象。为了减小滤材结构不均匀带来的影响，每种滤材选取不少于3个样品分别进行单层滤材过滤性能试验，从试验结果中选取数值比较接近的两个样品进行双层组合试验。双层组合是将两片滤材完全贴合压紧，而且两层滤材的气流通过方向一致，有同种滤材双层组合和不同滤材双层组合两种方式。试验时，滤材的安装方向和厂商提供的气流方向一致，不同种滤材叠加试验时，过滤效率相对较低的滤材在进气气流的上游。气溶胶采用癸二酸二异辛酯(DEHS)，试验的滤速、试验面积、粒径等参数是依据行业常用参数和相关标准的规定而制定的，所有滤材的试验参数均一致，具体见表1。

表1 滤材试验参数

空气过滤器试验时，是用穿透率P和过滤效率E来表征其过滤性能，这两个性能参数都是纯小数，对这两个数值进行对比时，差异表现不是很明显。过滤比β也是表征过滤器过滤性能的参数，过滤比的值一般都是大于1的数值，相对过滤效率来说，过滤比可以放大不同过滤器的过滤性能的差异。过滤比β和穿透率P互为倒数关系，过滤比β和穿透率P、过滤效率E的关系式为[4]：

(1)

式中：Ni,u为粒径档i的上游粒子浓度，个/mL；

Ni,d为粒径档i的下游粒子浓度，个/mL。

试验结束后，分别对比单层滤材和双层滤材的流阻试验和过滤效率试验结果，分析其差异，从而得出单层和双层滤材的过滤性能试验的分析结论。

2 试验结果对比与分析

2.1 过滤性能试验数据

试验选取了9种不同滤材，按照滤材过滤效率从低到高的顺序进行编号，部分滤材做了3个样品。单层滤材进行过滤效率试验时，取样体积为1 000 mL，使用每毫升的颗粒数进行分析，过滤性能试验数据见表2。

表2 单层滤材过滤性能试验数据

将以上同种滤材的两个样品组合在一起，试验气流方向和滤材的气流方向一致，进行过滤性能试验，试验数据见表3。

表3 双层同种滤材组合过滤性能试验数据

将不同种滤材的两个样品组合在一起，让气流方向依次通过过滤效率低的、过滤效率高的滤材，试验气流方向和滤材的气流方向一致进行试验，过滤性能试验数据见表4。

表4 双层不同种滤材组合过滤性能试验数据

续表4

2.2 单层滤材和双层滤材组合的流阻性能对比与分析

将表2至表4的流阻试验数据进行整理并绘制表格，用Δp表示双层滤材的流阻，Δp1表示第一层滤材的流阻，Δp2表示第二层滤材的流阻，利用Δp分别与Δp1、Δp2和Δp1+Δp2进行对比。双层同种滤材组合、双层不同种滤材组合和单层滤材流阻的对比结果分别见表5和表6。

表5 双层同种滤材组合和单层滤材流阻的对比结果 单位:Pa

表6 双层不同种滤材组合和单层滤材流阻的对比结果 单位:Pa

分别对9种双层同种和不同种滤材组合与单层滤材的流阻进行对比分析，结果如图2和图3所示。

图2 双层同种滤材组合和单层滤材流阻的对比

图3 双层不同种滤材组合和单层滤材流阻的对比

由以上图表可以看出，无论是双层同种滤材组合还是双层不同种滤材组合，双层滤材组合的流阻与两个单层滤材的流阻之和的差值很小，两者数值几乎相等。双层同种滤材组合的流阻Δp均不小于第一层和第二层两个单层滤材的流阻Δp1、Δp2之和，但双层不同滤材组合的流阻Δp有1组数据出现Δp<Δp1+Δp2的情况，其他流阻对比都是双层不同滤材组合的流阻Δp不小于两个单层滤材的流阻Δp1与Δp2之和。

2.3 单层滤材和双层滤材组合过滤比的对比与分析

过滤比是另一种表示过滤性能的参数，对于空气过滤器来说，它是过滤器上游管路中气溶胶的浓度和过滤器下游管路中的气溶胶浓度的比值，计算时上下游取样体积和粒径一致，而且要同时取样。双层滤材组合试验时，是将第一层滤材和第二层滤材当成一个整体，得到的过滤比也是(双层)滤材上游和下游的气溶胶浓度之比。双层滤材组合试验是由第一层滤材和第二层滤材在外力作用下叠加在一起的，之间会存在一定的缝隙，这个缝隙将一个大的整体分割成上层和下层两个独立的个体，单层滤材试验与双层滤材组合试验的过滤比如图4所示。

图4 单层滤材试验与双层滤材组合试验的过滤比

(2)

(3)

双层滤材组合后的过滤比β和上下两层滤材的单层过滤比β1、β2的乘积是否也相等，下面作了比较。按照双层滤材的过滤比由小到大的顺序排列试验数据，并将参与组合的单层滤材的过滤比设定为β1和β2，双层滤材组合和单层滤材过滤比的对比见表7。

表7 双层滤材组合和单层滤材过滤比的对比结果

由表7可以看出，参与组合的上、下两层滤材，上层不变，下层滤材过滤比增大时，组合滤材过滤比会增大；下层不变，而上层滤材过滤比增大时，组合滤材的过滤比也会增大。两个单层滤材的过滤比都很小时，其组合过滤比也很小;两个单层滤材的过滤比都变大时，其组合过滤比也随之变大。将表7中组合过滤比以及两个单层过滤比乘积绘制成具有对数刻度纵坐标的柱状图，如图5所示。

图5 双层组合过滤比与两个单层过滤比乘积对比

由图5可以看出，随着双层滤材组合过滤比的增大，两个单层滤材过滤比的乘积也会增大，不过因滤材的不同，两个单层滤材过滤比乘积的增大快慢速度也不同。除了有两组滤材的组合过滤比的值大于两个单层过滤比乘积，其余37组滤材组合的过滤比均小于两个单层过滤比乘积，占比94.9%，即双层滤材组合后，其过滤比均小于两个单层过滤比乘积的概率非常大。将双层滤材组合的过滤比与两个单层过滤比乘积的比值绘制成曲线图，如图6所示。

图6 双层组合过滤比与两个单层过滤比乘积的比值

表7为双层组合过滤比与两个单层过滤比乘积的比值，其变化范围为0.30～1.10，比值在0.9～1.1的仅有6组数，占比为15.4%;比值在0.8～1.2的共有13组，占比为33%，这表明两层滤材组合的实际应用中，双层滤材组合过滤比与两个单层过滤比乘积不一定相等。由图7还可以看出，随着组合过滤比的增大，比值曲线波动范围在向下移动，总体走势呈现减小的趋势。这表明，如果以两个单层过滤比乘积作为参考，滤材组合过滤比越大，其组合效能将越低。

2.4 双层滤材组合过滤比和流阻的变化关系

按照双层滤材组合过滤比从小到大的顺序，绘制双层滤材组合过滤比和流阻的关系，如图7所示。

图7 双层组合过滤比与流阻的关系

由图7可以看出，双层滤材组合后，随着过滤比的增加，流阻曲线并没有持续的增加，而是出现降低后再增加，总体呈现增加的趋势。由此可知，过滤比增加时，不同的滤材组合的流阻会有不同的增加，即使过滤比相同时，其流阻不一定相同。从滤材的使用角度来讲，图7中流阻曲线变化的降低点处是相对的最佳滤材组合，因为使用时要从滤材的过滤比(过滤效率)和流阻等综合过滤性能考虑。

3 结论

经过对多种空气滤材的单层滤材试验和双层滤材组合试验，对比分析了单层滤材和双层滤材组合后的流阻试验、过滤效率试验或过滤比试验等的联系与区别，在相同的试验条件下，可以得出以下结论：

(1)双层滤材组合后的流阻与参与组合的两个单层滤材流阻之和非常接近，组合后的流阻不小于两个单层滤材流阻之和；

(2)双层滤材组合后，其过滤比不一定等于两个单层滤材过滤比的乘积，而是会出现小于两个单层滤材过滤比的乘积的情况；

(3)双层滤材组合使用时，相对于两个单层滤材过滤比乘积而言，随着组合过滤比的增大，其组合效能将降低；

(4)双层滤材组合使用，可以提高其过滤比/过滤效率，但是流阻也会增大。建议多做几种滤材组合，从而选择过滤比/过滤效率合适、流阻相对较低的滤材组合，以满足过滤使用需求。