CN101940864B - 密褶式空调空气过滤器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密褶式空气过滤器，包括通风过滤口、边框、折叠式滤料，所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料与横向的折叠式滤料交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区之外；所述各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体。各过滤区选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。此外发明还公开了袋式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，统筹兼顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，结合通风管内流体速度场分布的特点提高了空气过滤器的过滤效率。

Description

密褶式空调空气过滤器

技术领域

本发明涉及空气过滤器，更具体地涉及一种专为矩形通风管内流体速度场不均匀性而设计的密褶式空调空气过滤器。 

背景技术

室内空气净化最主要的任务是除去室内粉尘颗粒物，最有效的方法是利用空气过滤器对空气进行过滤净化。过滤是分离技术的一种，主要是依靠过滤材料捕集截留悬浮在流体中的固体颗粒物，从而使固体颗粒物与空气分离的操作。 

矩形通风管道在通风***中较为常见，是通风***的重要组成部分。利用流体力学知识，可以导出矩形通风管内流体的速度场，结果发现：通风管内速度呈现二次曲线分布，即速度在通风管的中心达到二次曲线的顶点，随着离中心距离的增大，速度逐渐变小。运用雷诺应力(RSM)和可实现k-ε(Realizablek-ε)模型，得到模拟方形通风管道中的空气流场结果如附图1和附图2所示。从图中可以看出，流体速度随着离中心距离的增大，逐渐变小，中心区域速度最大。由于等值线弯曲区内等值线切向速度脉动引起了横向流的生成，这个横向流指向管道的角落处，以及雷诺应力的梯度，使得方形管道中可能产生了二次流。RSM模型模拟的流场出现了二次流，比Realizable k-ε模型更适于模拟方形通风管道中的空气流流场。由此可见，矩形风管内流体速度场更接近于图1所示。 

如果从参与空气过滤的3个主要因素即：粒子、分散介质(空气)和过滤材料的特征来考虑，影响空气过滤材料过滤性能的最重要的参数为：粒子直径、空气流速、纤维直径和填充率。传统的隔板式空气过滤器均未考虑通风管内空气流速度场的不均匀性。而传统的密褶式空气过滤器均未考虑风管内流体速度场的不均匀性，如图3是传统的隔板式空气过滤器，包括框架1、滤芯2、密封胶3、密封垫4，过滤器各个部分设计均未按通风管内流体速度场的特点进行设 计，同时滤芯的选择也未按风管内流体速度场进行区分。由于，通风管中心区域风速较大，这将造成空气过滤器中心区域的穿透率较大，成为过滤器的“短板”直接影响了空气过滤器的过滤效率。因此，在技术上存在要求设计简单、容易制造并且能够结合通风管内流体速度场分布的特点的密褶式空调过滤器，从而更好地提高密褶式空调过滤器的过滤效率，增强其使用寿命。 

发明内容

本发明的目的是提供一种简单的密褶式空调空气过滤器，该密褶式过滤器统筹兼顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，并结合通风管内流体速度场分布的特点，在容尘量与运行费用优良的情况下，提高了空气过滤器的过滤效率。 

为了实现本发明的目的，本发明的密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边框、折叠式滤料，其特殊之处在于所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料与横向的折叠式滤料交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区之外。各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体，各过滤区选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。 

本发明的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，包括如下步骤： 

步骤一：确定过滤区的划分个数和尺寸：根据安装过滤器矩形管道的风量及尺寸运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，其中，位于中心部位的过滤区为口字型，其余的过滤区依次围绕在中心部位过滤区形成回字型区域；当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％时，认为划分区域结果有效，否则需重复上述 步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％时为止； 

步骤二：选择滤料：根据过滤器的过滤效率和工作环境选择过滤区滤料，选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减； 

步骤三：确定各过滤区滤料的厚度：根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出各过滤区滤料的厚度。 

本发明通过合理分区将通风过滤口根据要求划分为多个区域，对流过其的空气进行过滤，有效的除去了流过风管的空气中的颗粒污染物，达到了净化空气的目的，同时能够有效降低通风管过滤的运行和维护成本。 

附图说明

图1是RSM模型所模拟矩形风管中空气的速度场图； 

图2是可实现Realizable k-ε模型所模拟矩形风管中空气的速度场图； 

图3是传统密褶式过滤器结构示意图； 

图4是本发明结构示意图； 

图5是本发明的折叠式滤料竖直放置过滤结构示意图； 

图6是本发明的折叠式滤料水平放置过滤结构示意图； 

图7是本发明折叠式滤料竖直放置与水平放置交叉组成的回字型过滤区示意图。 

图8是中效滤料阻力和虑速的关系趋势图。 

图9是分区过滤器模型实验操作所使用的仪器连接关系示意图。其中91为温度、湿度测试孔，92为颗粒质量浓度粒径分布测试孔，93为风速测试孔，94为滤料层，95为均流板，96为风机，97为调速开关，98为交直流转换器。 

图10是采用分区过滤的技术方案对粒径在10微米以下的颗粒物(PM10)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。 

图11是采用分区过滤的技术方案对粒径在4微米以下的颗粒物(PM4.0)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。 

图12是采用分区过滤的技术方案对粒径在1微米以下的颗粒物(PM1.0)进行过滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。 

以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步详细地说明，但本发明并不限于这些实施例。相反地，本发明旨在覆盖包括由所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有变换方案、改型及同等物。 

具体实施方式

参见图4-图7，本发明的密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边框4、折叠式滤料5，通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料5组成，其中，位于中心部位的过滤区1由纵向的折叠式滤料5-1交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区(2、3)由纵向的折叠式滤料5-1与横向的折叠式滤料5-2交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区1之外。各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体。各过滤区选择的折叠式滤料5其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。 

本发明的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，包括如下步骤： 

步骤一：确定过滤区的划分个数和尺寸。由于过滤速度对滤料的过滤效率及阻力会产生很大影响，通过总结我们发现以中效滤料为例，中效滤料阻力与虑速成正相关关系，参见图8所示。因此我们可以根据安装过滤器管道的风量及尺寸运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，位于中心部位的过滤区1为四边形，其余的过滤区（2、3）依次围绕在中心部位过滤区形成环状，当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时，认为划分区域结果有效，否则需重复上述步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时为止。由于通风空调风管采用推荐风速法进行设计，因此在相同尺寸风管的情况下，可根据所选风速不同运用上述方法做不同种型号的过滤器。需要说明的是本步骤运用SIMPLE算法进行数值计算，该方法主要用于求解不可压流场的数值方法（也可用于求解可压流动）, 其核心是采用“猜测－修正”的过程，在交错网络的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程（Navier-Stokes方程）的目的。在本发明中运用SIMPLE算法的基本思路如下：对于给定的压力场（它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果），求解离散形式的动量方程，得出速度场。所用方程如下：

其中： U: 介质进口速度, m / s; C _μ ,C₁,C₂,

,

: 模型常数, 如表1;

k：紊流脉动动能, m²/s²; v_t：运动粘度系数，m²/s.

表1模型常数 

步骤二：选择滤料。根据过滤器的过滤效率和工作环境综合选择滤料，选择的滤料其过滤效率由中心部位的过滤区1向围绕在中心部位过滤区的回字型过滤区(2、3)方向依次递减；例如过滤材料克重66.3、70.5、150.0、200.0g/m²，纤维直径可选择14.3、16.3、19.5、22.5微米等多种滤料。在本发明中可选择滤料类型包括：醋酸纤维、玻璃纤维、氯化维尼纶、聚酰胺、聚丙烯、聚酯、维尼纶、丙烯等，并且根据不同的过滤效果做出不同型号的系列产品，以满足用户的需求。 

步骤三：确定滤料的厚度。根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出滤料的厚度。根据过滤器阻力及过滤器的效率来确定最佳的滤料厚度，以实现空气过滤器整个生命周期费用最低。由于在滤料选定后，纤维直径以及填充率都为定值，所以主要是确定过滤器滤料的厚度，在实际运行中，为了制造安装方便，所以各过滤区采用相同的过滤层厚度H。首先假设各过滤区纤维都有规则的排列在气流垂直的方向上，每一层纤维对颗粒物的捕集具有相同的几率，颗粒物是均匀分布在气流里的。所以各分区的过滤效率可采用如下公式进行计算： 

$\mathrm{\η}=1-\exp [-\frac{4\mathrm{\α}{\mathrm{H\η}}_{\mathrm{\Σ}}}{(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\πd}}_f}],$

其中： 

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\Σ}}=-1.8\frac{(1-\mathrm{\α})d_f\lg K^{\′}}{\mathrm{H\α}}$

η_∑——单根纤维在单位长度上的捕集总效率 

            H——过滤层厚度，m 

          μ——气体粘滞系数，Pas 

               v——滤速m/s 

                         d_f——单根纤维的直径 

同时，过滤器的总过滤效率可采用如下公式进行计算： 

${\mathrm{\η}}_Z=\frac{A_1}{A}\·{\mathrm{\η}}_1+\frac{A_2}{A}\·{\mathrm{\η}}_2+\·\·\·\·\·\·+\frac{A_n}{A}\·{\mathrm{\η}}_n$

其中：A₁——第一过滤区的面积；A₂——第二过滤区的面积；A_n第n过滤区的面积；A——过滤器总的过滤面积；η₁——第一过滤区的过滤效率；η₂——第二过滤区的过滤效率；η_n——第n过滤区的过滤效率；η_Z——过滤器的总过滤效率。 

另外，各分区阻力可采用如下公式进行计算： 

其中：H-过滤层厚度，m；μ-气体粘滞系数；v-滤速m/s；填充率 

d_f——单根纤维的直径； 

$m_2=1.6d_f^{-0.05}$

以下是常规的纤维的 

值：醋酸纤维0.3～0.52，玻璃纤维1.0，氯化维尼纶0.61，聚酰胺1.0，聚丙烯1.0，聚酯1.0，维尼纶0.4，丙烯1.0。滤料选定后，上述公式中只有过滤层厚度H是未知数。由于各分区属于并联关系，所以过滤器总阻力ΔP_Z可由下式进行计算： 

$\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_Z}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_2}+\·\·\·\·\·\·+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_n}$

其中：ΔP₁——第一分区阻力；ΔP₂——第二分区阻力；ΔP_n——第n分区阻力；ΔP_Z——过滤器总阻力。 

过滤器运行能耗可由下式进行计算： 

其中：E＝能耗[度/年]q——风量[m3/s]；ΔP——阻力[Pa]；t——运行时间[小时/年]；e——风机运行效率； 

而过滤器的寿命可由如下公式进行计算： 

$T_0=\frac{P_0}{N\×{10}^{-3}\mathrm{Qt}{\mathrm{\η}}_Z}$

其中：P₀——过滤器标准积尘量，g；T₀——使用寿命，天；N——过滤器前含尘浓度，mg/m³；t——过滤器一天运行时间，h；η_Z——过滤器效率 

假设每个过滤器的价格及更换费用为a元，每度电价格为b元，所以过滤器全生命周期运行费用可用下式进行计算： 

由于根据步骤1可以将各区面积A_n以及各区过滤速度V_n确定，而其他过滤器参数在滤料选定后即为定值，所以只有过滤层厚度H为变量，对目标函数Z＝F(H)求极值即可得到该工况下，该种滤料过滤层最佳厚度。 

以下申请人采用本发明所述的技术方案分别对粒径在10微米以下颗粒物(PM10)、对粒径在4微米以下的颗粒物(PM4.0)、粒径在1微米以下的颗 粒物(PM1.0)进行实验，并将其分别与传统的密褶式过滤器的过滤效果进行对比。本发明所采用的实验操作仪器为美国TSI公司生产的热线风速仪与大气粉尘检测仪，各个仪器的连接方关系参照附图9，其中在风管上开有四个测试孔，两个孔92为颗粒质量浓度粒径分布测试孔，用来测试粉尘浓度，测试孔93用来测试风速，测试孔91用来测试温湿度，在风机的后面设置有均流板95，目的是使得过滤器前流场均匀，风机96与电源和调速控制装置97连接，目的是可以改变风机风量。 

实施例1，选择直径为100×100mm的通风管道，给定0.8m/s的风速，利用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，风管断面上的速度场如图1所述，通过图示可以将通风管道口划分为3个过滤区，此时各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5％。每个过滤区均由折叠式滤料5组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料5-1交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料5-1与横向的折叠式滤料5-2交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区1之外；所述各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体。各过滤区选择的折叠式滤料5其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。中心部位的过滤区的区域选用采用单层克重200g/m²纤维直径为14.3微米的涤纶作为滤料，其余的过滤区(2、3)依次选用相同克重200g/m²但纤维直径分别为16.3、19.5微米的涤纶作为滤料。 

图10-图12对粒径在10微米以下颗粒物(PM10.0)、4微米以下的颗粒物(PM4.0)、粒径在1微米以下的颗粒物(PM1.0)进行实验，从图中可以看出，使用本方法的过滤器相对于传统理念设计的过滤器而言，无论对可吸入颗粒物PM10.0还是易沉积在肺泡内部的PM1.0的过滤效率都得到明显提高，而且在不同面风速下所得结论一致。 

由此可见，本发明提供的空气过滤器，通过多个过滤区对流过其的空气进行过滤，有效的除去了流过风管的空气中的颗粒污染物，达到了净化空气的目的。 

当然，按照本发明所述的技术方案，还可以将通风管道口划分为3个上的过滤区，并且同样能够达到本发明所描述的技术效果。 

Claims (2)

1.一种密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边框（4）、折叠式滤料（5），其特征在于：所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料（5）组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料（5-1）交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料（5-1）与横向的折叠式滤料（5-2）交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区（1）之外；所述各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体；各过滤区选择的折叠式滤料（5）其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。

2.权利要求1所述的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：确定过滤区的划分个数和尺寸：根据安装过滤器矩形管道的风量及尺寸运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，其中，位于中心部位的过滤区（1）为口字型，其余的过滤区（2、3）依次围绕在中心部位过滤区（1）形成回字型区域；当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时，认为划分区域结果有效，否则需重复上述步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时为止；

步骤二：选择滤料：根据过滤器的过滤效率和工作环境选择过滤区滤料，选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减；

步骤三：确定各过滤区滤料的厚度：根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计算出各过滤区滤料的厚度，以实现空气过滤器整个生命周期费用最低；

其中各分区域的过滤效率采用如下公式进行计算： $\mathrm{\η}=1-\exp [-\frac{4\mathrm{\αH}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{\Σ}}}{(1-\mathrm{\α})\mathrm{\π}{d}_f}]$ ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\Σ}}=-1.8\frac{(1-\mathrm{\α})d_f\lg K^{\′}}{\mathrm{H\α}}$

式中：η_∑：单根纤维在单位长度上的捕集总效率，H：过滤层厚度，m；μ：气体粘滞系数，Pas；ν：滤速m/s；填充率

d_f：单根纤维的直径；

其中过滤器的总过滤效率采用如下公式进行计算：

${\mathrm{\η}}_Z=\frac{A_1}{A}\·{\mathrm{\η}}_1+\frac{A_2}{A}\·{\mathrm{\η}}_2+\·\·\·\·\·\·+\frac{A_n}{A}\·{\mathrm{\η}}_n$

式中，A₁：第一过滤区的面积；A₂：第二过滤区的面积；A_n：第n过滤区的面积；A：过滤器总的过滤面积；η₁：第一过滤区的过滤效率；η₂：第二过滤区的过滤效率；η_n：第n过滤区的过滤效率；η_Z：过滤器的总过滤效率；

各分区阻力采用如下公式进行计算：

式中，H：过滤层厚度，m；μ：气体粘滞系数；ν：滤速m/s；

填充率：d_f：单根纤维的直径；

$m_2=1.6d_f^{-0.05}$

由于各分区属于并联关系，所以过滤器总阻力ΔP_Z由下式进行计算：

$\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_Z}=\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_1}+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_2}+\·\·\·\·\·\·+\frac{1}{\mathrm{\Δ}{P}_n}$

其中，ΔP₁：第一分区阻力；ΔP₂：第二分区阻力；ΔP_n：第n分区阻力；ΔP_Z：过滤器总阻力；

过滤器运行能耗由下式进行计算：

$E=\frac{q\×\mathrm{\ΔP}\×t}{e\×1000};$

式中，E＝能耗[度/年]；q：风量[m3/s]；ΔP：阻力[Pa]；t：运行时间[小时/年]；e：风机运行效率；

而过滤器的寿命由如下公式进行计算：

$T_0=\frac{P_0}{N\×{10}^{-3}\mathrm{Qt}{\mathrm{\η}}_Z}$

式中，P₀：过滤器标准积尘量，g；T₀：使用寿命，天；N：过滤器前含尘浓度，mg/m³；t：过滤器一天运行时间，h；η_Z：过滤器效率；

过滤器全生命周期运行费用用下式进行计算：

每个过滤器的价格及更换费用为a元，每度电价格为b元；

由于根据步骤一将各区面积A_n以及各区过滤速度V_n确定，而其他过滤器参数在滤料选定后即为定值，所以只有过滤层厚度H为变量，对目标函数Z＝F（H）求极值即可得到该工况下，该种滤料过滤层最佳厚度H。

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