空气过滤器的过滤原理

空气过滤器的过滤原理

通过第一节和第二节内容可以知道空气中的颗粒物有很大的直径分布范围，并且这些颗粒物对燃气轮机的影响也因为颗粒直径范围和颗粒性质的不同而不同。针对不同环境下大气颗粒物的性质，人们提出了不同的过滤方法，如图6所示。其中一些方法针对固体颗粒，- 些针对液体颗粒。不过所有这些过滤方法都建立在以下几种基本过滤原理上。

筛分(Sieving or straining)

沉降(Settling or deposition)

静电集尘(Electrostatic precipitati on)

惯性分离(In ertial separatio n)

冲撞(干式和粘性)(Impingement/impaction (dry/viscous))

拦截(interception)

扩散(diffusion)

其中筛分方法只适合除去棉绒(lint)、毛发以及其他非常大的颗粒物。其原理是利用滤料纤维之间的间距小于颗粒物的直径来筛去大颗粒物，如图7所示。

图7筛分原理

沉降原理是利用颗粒自身重力，在流动过程中逐渐下落而从气流中分离。这一原理也只适合分离较大粒径的颗粒，且气流的速度相对较慢。如图8所示。

重力方向沉降轨迹

图8沉降原理

静电集尘是在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上通过高压直流电，维持一个足以使气体电离的静电场。气体电离后所生成的电子，阴离子和阳离子，吸附在通过电场的粉

尘上，而使粉尘获得电荷。荷电粉尘在电场的作用下，向电极性相反的电极运动而沉积在电极上，以达到粉尘和气体分离的目的。如图9所示。沉积在电极上的粉尘达到一定厚度时，

借助于振打机构使粉尘落入下部灰斗。值得注意的是也有通过将过滤器滤料的纤维上充上一

定静电荷，利用静电荷对颗粒的静电力来吸附空气中的颗粒物。

图9静电集尘原理(From )

惯性分离主要利用颗粒的惯性作用和气流速度方向的突然改变来实现颗粒分离。在颗粒直径大于10 m时，此种方法有很高的分离效率；而在粒径小于 5 m时，分离效率则很低。所以此种过滤方法用在燃气轮机时，可以有效防止侵蚀(erosio n)的发生，但是不能防止结垢(fouling)的发生。为了是颗粒有较大惯性，此种方法要求颗粒速度在3~6m/s左右。AAF在

开发燃机过滤器方面，充分利用了惯性分离。比如AAF dust louvre pocket利用惯性原理来

除去空气中沙尘，Amervane用来除去空气中直径较大的液滴，如图10所示。关于这些过滤

器的细节将在后面介绍。

AAF Dust Louvre Pocket AAF AmerVa nes VI Louvres

图10惯性分离原理

冲撞分离是利用颗粒惯性，在流动过程中和过滤器中的纤维(fibre)碰撞，然后附着在纤

维上来过滤空气。在颗粒直径大于10 m时，此种方法有很高的分离效率；而在粒径小于

5 m时，则只有中等分离效率。这种过滤方法可以防止燃气轮机叶片遭到侵蚀和减少其结垢，但不能完全防止结垢。AAF通常利用这种过滤原理来制造燃气轮机的预过滤器，如Am-Air 300GT过滤器仟式)。在利用冲击分离原理时，AAF还研制出了特殊的粘渣油(Viscosine),将之涂抹在滤料纤维上以增强颗粒在过滤器纤维上的附着能力。这种粘性过滤

器不仅具有很强的吸附颗粒物的能力，而且具有更大的容尘能力(high dust holding capacity)，如M80 Pad过滤器。图11显示了冲击分离颗粒的原理图。为了保证最大冲击分离颗粒效率，

除了使用粘性Viscosine夕卜，通常要求滤料纤维直径尽可能大，数量尽可能多，以使气流能够充分发生偏转。同时要求气流速度在 1.5~3m/s，这一速度可以保证颗粒以较大的惯性来避

免颗粒随气流绕流滤料纤维时发生偏转。

图11冲撞原理

拦截分离是利用微小颗粒之间，以及颗粒与滤料纤维之间的分子吸引力使颗粒附着在滤料纤维上。此种方法对惯性较小的颗粒比较有效，颗粒运动方向能够随气流方向改变而改变，颗粒在绕流滤料纤维时容易被分子吸引力吸附在纤维上。这种方法要求滤料较大的稠密度，气流速度在0.1~0.2m/s之间。

图12颗粒在DuraCel 过滤器上的分布微观图 当颗粒极端小时(sub-micron sized)，颗粒将会随着气体分子产生随机的布朗运动，颗粒 越小，这种随机运动越强。扩散分离正是利用这种性质，通过滤料纤维和颗粒之间的分子力， 即范德瓦尔力将颗粒吸附在滤料纤维上。为了增强扩散分离效果，通常要求高稠密度滤料， 而且通过滤料的气流速度要非常低(通常0.02m/s 左右)。这样一方面可以增加微小颗粒在滤 料介质中的驻留时间，使微小颗粒能够充分扩散，另一方面增加滤料纤维对颗粒的吸附机会。 空气中的颗粒物大多数为 sub-micron size ，因此人们通常利用扩散分离原理来制造中效和高

效过滤器。AAF 的 DuraVee, DuraCel, Hydrocel H95/H12 就是这种过滤器。图 12 显示了 Duracel 过滤器滤料纤维 dust-laden 后的发大图，从图 12 (b)中可以清楚看到大颗粒通过拦截分离 (interception)附着在滤料上。图12 (c)则清晰显示了颗粒通过扩散作用吸附在滤料纤维上。

为了让大家对不同过滤原理有个更加清晰地认识，图

13给出了上述几种不同过滤原理

图比较。 (a) 干净滤料纤维

(b) 附着颗粒后滤料 (放大600倍) (c) 附着颗粒后滤料 (放大600倍)

图13不同过滤原理的比较

Particle diameter [rnicrons]

图14综合过滤效率 （Lee et al.[1980]）

通过上述介绍，可以看出对不同大小和性质的大气颗粒物，

存在不同的过滤原理。 因此 人们通常需要同时利用这些过滤原理来研制过滤器，

从而有效地过滤空气。 将这些过滤原理 综合在一起制造出的过滤器，它对不同粒径大小颗粒的过滤效率如图

14所示。当颗粒直径

大于1 m 时，冲撞和拦截分离效果较好；当颗粒直径小于 0.1 m 时，扩散分离效果较好。 而粒径在0.1~1.0 m 区域内的颗粒，扩散分离和拦截分离的整体效果都较低。 为了提高整体

过滤效率，人们常常利用不同过滤原理制造出不同精度的过滤器，

然后将这些过滤器组成一 个过滤系统一起使用。这样的过滤系统通常可以取得最佳的过滤效果。图 15显示了这种过 滤系统的原理图。首先利用碰撞分离 （为增强纤维对颗粒的吸附能力，滤料纤维可带有粘性 剂）除去3~100 m 以上的颗粒，然后利用拦截和扩散分离（采用具有较大过滤面积的过滤器 以增加颗粒通过滤料的 时间来增强过滤效果）除去 0.3~3 m 范围内颗粒。最后完全利用扩 散分离（采用具有更大的滤料面积的过滤器，进一步增加颗粒在滤料内的

驻留时间）除去

0.3 m 及其以下的颗粒。 图15过滤系统图 Face velocity

2+5 m/s Prefilter media velocity 2-5 m/s Extended Surface HEPA fiIter media fiiter media velocity veJocity 0.02 m/s 0.11 m/s 2.5 nV 畐 Interception & Diffusion

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2.5 HVs Diffusion i.3 m/s .* VISCOUS

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