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科尼恩空气过滤材料是将可分散于空气中的固体颗粒分离出来的多孔材料,衡量其过滤性能的主要指标是阻力和过滤效率,这也是衡量空气过滤器的关键指标。
在不同的风速下,过滤材料的阻力表现和过滤效率的表现并不相同,在对空气过滤器的设计中,风速是一项极其重要的设计因素。在5.33cm/s风速下设计的过滤材料,实际于风速1~2m/s 环境下使用,将无法满足实际应用环境下的要求。
1.风速对阻力的影响
空气过滤器的阻力由两部分组成,即空气流经滤材形成的阻力和空气流经由滤材及其支撑物构成的通路结构时形成的阻力,后者成为过滤器的结构阻力,两者共同决定了空气过滤器在使用过程中的风量损失情况。
过滤器的阻力和效率除自身滤材及过滤器性能外,风速也是影响其变化的重要参数。下图为同一滤芯在不同风速下的阻力曲线图。
滤芯在不同风速下的阻力曲线图
可以看出随着风速的增加,过滤器的阻力增加越来越明显(测试滤芯的实际过滤面积为0.35㎡,即实际测试风速在0.08 m/s ~0.48m/s)。目前滤材行业对滤材效率阻力的测定基本采用美国军标规定的32L/min(测试面积为100cm2 即5.33cm/s)风速下的指标表现进行对标。然而,不管是家用净化新风净化还是空调净化在实际使用过程中的额定风速都远远超过5.33cm/s,有的甚至达到(1~2)m/s。而在这样的风速条件下,滤芯的阻力是远非材料标称阻力可以说明和预示的。
2.风速对过滤效率的影响
过滤器的过滤效率则是指其捕捉的粉尘量与原空气含尘量的比值,即:过滤效率=1-(下游空气含尘量/上游空气含尘量)。
空气中颗粒物的过滤主要是通过颗粒的扩散效应,拦截效应,惯性效应,筛效应以及静电效应等综合作用实现的,如下所示:
1)扩散效应:小于1μm的粒子不随气流运动,而是因空气分子的撞击做无规则运动,称为“布朗运动”。如果撞在过滤器纤维上就被捕获。粒子越小,扩散运动越剧烈,撞击纤维的机会越多。
2)拦截效应:小而轻的粒子随气流而运动,当绕过纤维时,离纤维表面太近的灰尘就会被拦截下来。
3)惯性效应:较大的粒子在气流中做惯性运动,当气流绕过纤维时,惯性大的粒子来不及绕过而直接撞到纤维上。灰尘越大,惯性力越强,撞击纤维的可能性越大。
4)筛效应:灰尘直径如果大于纤维之间的间隙,就会被拦住。一般来说,灰尘直径远小于纤维间隙,也就是说,筛效应很少发生。
5)静电效应:灰尘颗粒在纤维所带静电力的作用下,由于库伦吸引力被纤维捕捉。
对于以惯性运动为主的大颗粒物,风速提高,颗粒物的惯性增大,撞击障碍物的可能性增加,但由于惯性大了,障碍物的反弹力也增大,若范德瓦尔斯力不能克服反弹力,颗粒物就会逃逸,因此,提高风速,过滤器对大颗粒物的过滤效率反而降低。
以扩散为主的小颗粒物,过滤效率取决于颗粒物在过滤介质中的滞留时间,滞留时间缩短(提高风速),颗粒物撞击障碍物的几率减小,过滤效率越低。
若材料带静电,过滤效率也是取决于气流在材料中的滞留时间,过滤风速越低,过滤效率越高,对大、小颗粒物都是如此。
下图即为同一滤芯在不同风速条件下的过滤效率对比图。
从图中不难看出,风速越大,滤芯的过滤效率越差。0.3μm左右的小颗粒过滤效率从0.2m/s时的95%下降到了1m/s时的55%,下降幅度达到了42%。而5μm左右的大颗粒在同等风速变化条件下滤效则只下降了8%。这种现象就是是由前文所介绍的不同粒径颗粒过滤原理的不同所决定的。
因此,在过滤器的设计过程中,要求设计者可以针对过滤器的实际使用工况设计合理的额定风量并在此风量条件下制定合理的阻力效率参数;同时要求使用者在使用过程中尽量将过滤器在额定状态下工作,以达到过滤器的最佳使用效果及使用寿命。