對微粒的過濾 機理

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對微粒的過濾機理3—1 概述

要把固態或液態微粒從氣溶膠中分離出來,一般有以下四種方法:

1.機械分離:重力除塵器、慣性除塵器、旋風除塵器

2.電力分離:單級靜電除塵器、雙級靜電除塵器、

3.洗滌分離:噴霧洗滌除塵器、水膜除塵器、文氏管除塵器

4.過濾分離:填充式過濾器、袋式過濾器

從空氣潔凈技術以凈化空氣為主要目的來看,空氣中微粒濃度很低(相對于工業除塵而言),微粒尺寸很小,為確保末級過濾效果的可靠性,主要采用帶有阻隔性質的過濾分離來清除氣流中的微粒。其次也常采用電力分離的辦法。

阻隔性質的微粒過濾器按微粒被捕集的位置可以分為兩大類:一類為表面過濾器,一類為深層過濾器。

表面過濾器有金屬網、多孔板的形式,有纖維素酯(硝酸纖維素)制成的化學微孔濾膜,外觀似白紙,性質也屬于表面過濾器。這種濾膜厚度一般在幾十微米左右,表面帶有大量靜電荷,并均勻分布0.1~10微米的小孔。

深層過濾器又分為高填充率和低填充率(又稱為低空隙率和高空隙率)兩種。微粒的捕集發生在表面和層內。填充率以α表示:

α = 過濾層(纖維層)的比重/過濾材料(纖維)的比重

高填充率(α>0.2)深層過濾器結構多樣。如顆粒填充層(砂礫層、活性炭層等)、各種成形多孔質濾材、各種厚層濾紙、微粒濾膜等。

低填充率(α<0.2)深層過濾器有各種纖維填充層過濾器、薄層濾紙高效器和發泡性濾材過濾器等。

表面過濾器捕集微粒的機理雖然簡單,但大部分效率極低,實用意義極小。

微孔濾膜過濾器則相反,具有極高的效率,除用于液體過濾外,主要用于采樣過濾器和要求特別高的無塵無菌系統的末級過濾器。比纖維過濾器更可靠。

低填充率深層過濾器特別是纖維過濾器(包括纖維填充過濾器、無紡布過濾器和薄層濾紙高效過濾器),由于空隙率較大,過濾器阻力不大,效率很高,實用意義很大,特別是在潔凈技術領域內應用極廣。3—2 纖維過濾器的過濾機理

一、過濾器中的基本過濾過程

被過濾微粒的性質、過濾材料的性質以及它們相互間的作用,對過濾過程都有極重要的影響。通常人們把微粒的過濾過程劃分兩階段:

第一階段稱為穩定階段。在這個階段里,過濾器對微粒的捕集效率和阻力不隨時間而改變。而是由過濾器的固有結構,微粒的性質和氣流的特點決定。在這個階段里,過濾器結構由于微粒沉積等原因而引起的厚度上的變化是很小的。這一階段對于過濾器有重要意義。尤其是在空氣潔凈技術中。

第二階段稱為不穩定階段。在這個階段里,捕集效率和阻力不取決于微粒的性質,而是隨著時間的變化而變化。主要是隨著微粒的沉積、氣體的侵蝕、水蒸氣的影響等因素變化。這一階段和上一階段相比時間要長得多,對一般工業過濾器有決定意義。但在空氣潔凈技術中意義不大。

二、纖維過濾器的過濾機理

在纖維過濾器的第一階段過濾過程中,捕集微粒的作用有以下幾種:

1.攔截效應

在纖維層內纖維錯綜排列,形成無數網格,當某一尺寸的微粒沿著氣流流線剛好運動到纖維表面附近時,假使從流線(也是微粒的中心線)到纖維表面的距離等于或小于微粒半徑(γ1≤γf+γp),微粒就在纖維表面被攔截而沉積下來。這種作用稱為攔截效應(圖3—1)。篩子效應也屬于攔截效應。

但是,攔截效應或篩子效應不是纖維過濾器中過濾微粒的唯一的或主要的效應,更不能把纖維過濾器象篩子一樣看待。篩子僅僅篩去尺寸大于其孔徑的微粒,而在纖維過濾器中,并不是小于纖維網格網眼的微粒都能穿透過去。最容易穿透的是某一定大小的微粒。微粒也并不都是在纖維層表面被篩分沉積。

2.慣性效應

由于纖維排列復雜,所以氣流在纖維層內穿過時,其流線要屢經激烈的拐彎,當微粒質量過大或者速度(可以看成是氣流的速度)較大,在流線拐彎時,微粒由于慣性來不及跟隨流線同時繞過纖維,因而脫離流線向纖維靠近,并碰撞在纖維上而沉積下來(圖3—2)。

3.擴散效應

由于氣體分子熱運動對微粒的碰撞而產生微粒的布朗運動,對于越小的微粒越顯著。

常溫下0.1微米的微粒每秒鐘擴散距離達17微米,較纖維間距離大幾倍至幾十倍,這就使微粒有更大的機會運動到纖維表面而沉積下來。而大于0.3微米的微粒其布朗運動減弱,一般不足以靠布朗運動使其離開流線碰撞到纖維面上去。

4.重力效應

微粒通過纖維層時,在重力作用下發生脫離流線的位移。也就是因重力沉降而沉積在纖維上,由于氣流通過纖維過濾器特別是通過濾紙過濾器的時間遠小于1秒鐘,因而對于直徑小于0.5微米的微粒,當它還沒有沉降到纖維上時已通過了纖維層,所以重力沉降完全可以忽略。

5.靜電效應

由于種種原因,纖維和微粒都可能帶上電荷,產生吸引微粒的靜電效應。除了有意識地使纖維或微粒帶電外,若是在纖維處理過程中因摩擦帶上電荷,或因微粒感應而使纖維表面帶電,則這種電荷既不能長時間存在,其電場強度也很弱,產生的吸引力很小,可以完全忽略。

在一個纖維過濾器內,微粒被捕集可能由于所有機理的作用,也可能由于一種或幾種機理的作用。這要根據微粒的尺寸、密度、纖維粗細、纖維層的填充率、氣流速度等條件決定。3—3 影響過濾器效率的因素

影響纖維過濾器的效率有很多因素,主要有以下幾種:

1.微粒尺寸的影響

當過濾器過濾多分散的微粒時,在幾種過濾機理作用下,比較小的微粒由于擴散作用而先在纖維上沉積,所以當粒徑由小到大時,擴散效率逐漸減弱。比較大的微粒則在攔截和慣性作用下沉積,所以當粒徑由小到大時,攔截和慣性效率逐漸增加。

2.微粒種類的影響

即使微粒尺寸相同,處于不同相態的微粒對過濾效率也有不同的影響。有關實驗研究表明,過濾固態微粒比過濾液態效率要高。隨著濾速的增加,這種相態對效率的影響將逐漸減小。

3.微粒形狀的影響

進行過濾器效率實驗時的某些塵源的微粒都是球形的,球形微粒與纖維接觸時,接觸表面比起不規則形狀的微粒來要小,因而不規則微粒與纖維接觸的幾率就大,沉積的幾率也隨之增大。實際上被過濾的空氣中的微粒是不規則的,所以實際過濾效率高于計算和實驗值。

4.纖維粗細和斷面形狀的影響

對于前面講到的所有過濾機理,當纖維徑減小時,捕集效率都增高。所以在選擇高效過濾器濾材時,力求采用最細的纖維。當然纖維細了,過濾器的阻力就要相應增加。

纖維斷面形狀對過濾效率的影響不大,有關研究人員雖然對此提出了效率的形狀修正,但由于計算復雜,一般予以忽略。

5.過濾速度的影響

一般認為:

①隨著濾速增加,擴散效率下降。

②隨著濾速增加,慣性效率上升。

③隨著濾速增加,攔截效率上升。

④隨著濾速增加,總效率先是下降,然后上升。

6.纖維填充率的影響

當纖維填充率提高以后,纖維層密實了,慣性效率和攔截效率都要提高。而此時纖維間的流速更快了,所以擴散效率反而降低,不過總效率仍然提高了。

但特別指出,此時阻力的增加比總效率的提高要快得多,所以通過提高纖維填充率α來提高效率并不是好辦法。

7.氣流溫度的影響

被過濾的氣流溫度升高,使微粒的擴散系數提高,這就使亞微米微粒的擴散效率提高了,可溫度升高后,氣體粘性變大,從而使依靠重力效應和慣性效應的大微粒的沉積效率降低了,同時也提高了過濾阻力。

8.氣流濕度的影響

被過濾的氣流濕度增加以后,使空氣的靜電效應消失,布朗運動減弱。使微粒容易被氣流夾帶而穿透過濾層,從而降低了效率。

有人做過以下實驗:

(1)用苯酚——糠醛樹脂粘結的玻璃纖維濾紙進行過濾細菌,發現細菌對未經干燥的過濾器濾紙穿透深度,比干燥濾紙的穿透深度深。

(2)用飽和水蒸汽通過玻璃纖維濾紙的過濾器時,蒸汽中夾帶的鐵銹可穿透數層濾紙,而通過干燥空氣時,僅在過濾器表面上發現鐵銹。

以上兩個實驗說明了上述結論的正確性。

9.氣流壓力的影響

被過濾氣流壓力的降低,將使氣體密度減小,空氣分子自由行程變大,從而使擴散系數和慣性參數增大。所以擴散效率、慣性效率都有所增加。而對攔截效率影響不大。

在溫度和壓力同時增加時,由于壓力的增加比溫度的增加給予粘性的影響大得多,所以慣性效率下降。

10.容塵量的影響

隨著微粒在纖維表面的沉積,過濾器的容塵量不斷增加,開始了過濾器中的第二階段。灰塵在纖維上的沉積有如樹枝上的積雪,被稱為樹枝晶狀模型。過濾效率隨著容塵量的增加而增加。

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車用柴油機共軌式電噴的新技術.txt

盡管如此,這種“時間控制”式電控燃油噴射系統仍保持了傳統的脈沖高壓供油原理。...微粒過濾器對汽車原有性能沒有任何影響。HDI發動機工作時油耗可能會上升5%,但......

靜電噴涂的工作原理.txt

涂料微粒所受到的電場 靜電噴涂的工作原理 工作時...噴涂時間增加及噴涂距離很大時,噴涂電壓對膜厚極限值...濕式法就是讓帶有粉末的氣流通過液體的容器進行過濾,......

柴油機廢氣過濾最佳解決方案.txt

柴油機廢氣過濾最佳解決方案 - 柴油機廢氣過濾最佳解決方案(一) 2011-07...

水質工程(考試版) - 副本.txt

(3)膠體顆粒表面與水作用后溶解并電離;膠體顆粒對...其基本組成單元膠體分子聚合在一起形成膠體微粒的核心...“微絮凝池”再進入濾池過濾 32.過濾機理:(1)顆粒......

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