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浅析压缩空气过滤器性能特性

  【压缩机网】在压缩空气系统中,我们通常把空气压缩机列为主要设备,其他储气罐冷干机、过滤器、吸干机等统统归为第二类设备,在压缩空气系统的设计、选型及运营过程,给予的关注没有空气压缩机那么高,也因此给很多企业在实际使用压缩空气过程中造成困扰。如:空压机产气量足,但末端用气量又不够;压缩空气的品质不达标,含水、油等污染物多,造成产品不合格,设备无故损环多;气压不稳定等等。尤其是压缩空气的品质问题,由其带来的很多问题也许是“无影无踪”的,如气味污染、油雾、水雾、微粒附着等。那么一款压缩空气过滤器性能如何去评价呢?限于篇幅,我们仅从滤速、效率、阻力和容尘量四项特性指标进行理论上的简要分析。

  一、滤速

  滤速是衡量过滤器通过压缩空气流量的能力,是决定过滤器技术性能的重要参数,同时,其他衡量过滤器性能好坏的主要指标过滤效率、阻力等都与滤速有密切关系。对不同材质的滤芯,滤速有不同的计算方法。

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  1.纤维滤芯滤速的确定

  在纤维滤芯中,滤速是指过滤器滤芯面上气流通过的速度(m/s)。根据理想气体状态方程式,滤芯流速的计算c:

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  Q-空压机排气的容积流量,也即是过滤器的“公称流量”,Nm3/min;

  A--过滤器滤芯的展开面积,即垂直于气流运动方向的有效面积,m2。对于圆形滤芯: 

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  P0--空压机的吸气压力,P0=0.1MPa

  P--过滤器的工作压力(绝对压力),MPa

  T0,T--分别为吸气温度与过滤器工作温度,K;

  滤速反映了滤料的通过能力,特别是反映了滤料的过滤性能,设计采用的滤速愈低,能获得较好的过滤效率;而过滤器允许的滤速越低,则说明其滤料阻力较大。

  在一定的结构条件下,滤速反映了过滤器的额定流通量,在过滤面积相同时,总希望允许的额定风量越大越好,这就需要低阻力滤料来保证。

  1)粉末冶金滤材,滤速的确定:

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  式中:

  B--粉末冶金滤材的渗透系数(m2),它取决于材料的常数,由实验确定。

  η--空气的动力粘度,N·s/m2;

  δ--滤层厚度,m

  K--过滤陶瓷透气度,m2·mm-2·s-1·Pa-1;

  △Р--空气透过过滤层产生的压力损失,Pa

  2)陶瓷滤材,滤速的确定:

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  二、过滤效率

  过滤效率是指过滤器对微粒的捕集效率,是指滤芯层所滤去的微粒数与未经过滤前微粒总数的比值,它是衡量过滤器过滤能力的重要指标。过滤效率主要与微粒的大小,过滤材质和种类与规格(如纤维直径)、填充密度、过滤层厚度以及气流速度等因素有关。过滤效率以有几种表示方法:浓度效率、穿透率和净化系数。

  1)浓度效率就是用过滤器进出口气流中的含尘浓度来表示。

  2)穿透率经过过滤器后仍然有多少量的微粒穿透滤层,即“穿透率”或“穿透系数”来表示(用K来表示):

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  式中:N1、N2--分别为过滤前后空气中微粒的含量(g/m3)。

  特别说明:过滤效率通常是对某一粒径的微粒而言的。如美、日等国常用的“DOP效率”是专对粒径为0.3μm微粒的过滤效率,而不是对大于0.5μm微粒的过滤效率。实验表明,一只高效过滤器若对0.3μm微粒过滤效率为99.91%,则对0.5μm微粒的过滤效率可达99.994%,而对于大于0.5μm微粒的过滤效率更可高达99.999%。

  3)净化系数:以穿透率的倒数表示,即Kc;

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  三、过滤阻力

  压缩空气流过过滤器时会遇到阻力,阻力越大,说明压损越大,这是我们不愿意看到的。阻力来自两部分,一是滤料阻力△Р0,二是过滤器的结构阻力,主要表现为滤料上粉尘层引起的阻力△Рd,至于过滤器壳体产生的流通阻力通常只有数Pa,常常忽略不计。

  1)滤料阻力△Р0

  是由于气流通过纤维层时纤维的迎面阻力所产生的,阻力引起的气流压力降△Р是一种能量损失。如何计算滤料的阻力,其与纤维层厚度、空气流速、空气密度、过滤介质的性质及填充情况的不同而变公。

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  式中:L--滤层厚度,m;

  Ρ--空气密度,kg/m2;

  α--滤料填充系数;

  c--空气在滤料层中的实际流速,m/s;c=c0/(1-α)

  c0--滤层迎面上的空气流速,m/s;

  Df--纤维直径,m;

  M--实验指数;

  β--阻力系数,通过实验得出。

  2)粉尘层阻力△Рd

  随着使用时间的推移,滤料上粉尘堆积,负荷增重,气体的过滤速度将减小。

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  式中:N1--过滤器入口端空气含尘浓度,g/m3;

  C--滤速,m/s;

  t--过滤时间,min;

  s--与粉尘种类有关的系数;

  f--与滤料种类有关的系数;

  p--与滤料渗透率有关的系数;

  df--粉尘的粒径,μm。

  四、容尘量

  过滤器的容尘量是和使用时间有直接关系的应用指标,它决定了过滤器或滤芯的使用寿命。通常将运行中的过滤器终了阻力达到起初阻力一倍时的数值,或者效率下降到初始效率85%时过滤器的积尘量,作为该过滤器的标准容尘量(用N表示)。容尘量与过滤器的工作寿命息息相关,如果积尘量达到规定的标准容尘量时,过滤滤芯寿命也应当终止。

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  式中:N--过滤器的积法量,g;

  N1--过滤前空气的含尘浓度,mg/m3;

  --额定状态下过滤器的空气有压流量,m3/h;

  t--过滤器运行时间,h

  η--过滤器的计重效率。

  本文我们仅从滤速、效率、阻力和容尘量等四项特性指标的理论上,给出了评价压缩空气过滤器性能的计算方法,而影响这些特性指标的因素几乎全都与滤料有关,所以选择什么滤料(详见《浅析压缩空气过滤器滤材选择之过滤器技术系列》),是研制过滤器最重要的一环。除了滤料是决定过滤器特性的因素外,过滤器结构,例如滤芯形式也十分重要,因为不同形式的滤芯在阻力、容尘量等指标上有很大差异。当然,对于过滤器的整体特性我们还要按照GB13277《压缩空气污染物净化等级》、GB/T30475《压缩空气过滤器 试验方法》及ISO8573或行业标准进行检测与测试;同时,还要对成品过滤器进行气密性、耐压性等物理特性的检测。

  注:文中部分内容来源于网络、书本等资料。


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