Поиск


ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №37

                    ( читать ... )

ЖУРНАЛ "ТЕХНИЧЕСКИЙ ТЕКСТИЛЬ" №36

                    ( читать ... )

Ссылки партнеров

Защитный текстиль


Нетканых, искусственных и композицион. материалов/Защитный текстиль/Расчётно-экспериментальное исследование характеристик нетканых фильтрующих материалов

Расчётно-экспериментальное исследование характеристик нетканых фильтрующих материалов

10 декабря 2001
Технический текстиль №2, 2001

Конюхова Светлана Васильевна
Кушнарев Роман Анатольевич
Мартынов Петр Никифорович
Мухамеджанов Габит Кульжабаевич
Посаженников Андрей Михайлович
Ягодкин Иван Васильевич

Значительная часть населения России сегодня сосредоточена на высоко урбанизированных территориях среди промышленных предприятий, работа которых отрицательно влияет на состояние окружающей среды и, в конечном счете, на здоровье людей. Индустриальное развитие связано с интенсификацией производственных процессов, которые неизбежно сопровождаются использованием все больших объемов промышленных газов и воздуха. Для предотвращения загрязнения воздушного бассейна городов вредными веществами необходима очистка воздуха и газов от содержащихся в них взвешенных твердых и жидких частиц - аэрозолей. Одним из наиболее совершенных и универсальных способов выделения из газов аэрозолей является фильтрация через пористые перегородки. Возможности фильтров на основе этих перегородок еще более расширяются с применением новых пористых фильтровальных материалов на основе синтетических, стеклянных, металлических и углеродных  волокон.

Фильтрующие характеристики

Для решения фильтрационных задач необходимо знать не только дисперсный состав и концентрацию аэрозолей, подлежащих улавливанию, но и основные фильтрующие характеристики материала - фракционную эффективность (способность удерживать аэрозольные частицы определенного размера), воздухопроницаемость (аэродинамическое сопротивление потоку воздуха), величину пылевой нагрузки (пылеёмкость).

Эти характеристики напрямую зависят как от параметров очищаемой среды, так и от структуры фильтроматериала: пористости, диаметра волокон и толщины. Привлечение подходов теории фильтрации газов волокнистыми фильтрами для прогнозирования фильтрующих характеристик материалов поможет наиболее рационально использовать фильтроматериалы в каждом конкретном случае и избежать грубых ошибок в создании фильтров для очистки газовоздушных сред от аэрозолей.

Исследование в целях  точного применения

Работа посвящена комплексному исследованию нетканых фильтрующих материалов с целью обоснования их применения для решения конкретных задач очистки газовоздушных сред от аэрозолей. Фильтрующие полотна, изготовленные различными способами (иглопробивным, фильерным, термоскрепленным, комбинированным) на основе преимущественно химических волокон, нашли широкое применение для очистки газовоздушных сред в различных отраслях промышленности, поэтому знание фильтрующих характеристик и правильное применение фильтроматериалов в зависимости от условий эксплуатации являются актуальной проблемой. 

Нами подготовлен ряд статей, посвященных теоретическим и экспериментальным аспектам этой проблемы. Полученные результаты расчетных и экспериментальных исследований таких важнейших характеристик, как фракционная эффективность, аэродинамическое сопротивление и пылеемкость различных видов и структур нетканых полотен позволят найти наиболее эффективную область их применения.

Расчетная модель

В настоящее время для нетканых фильтрующих материалов наиболее достоверной методикой расчета считается методика Кирша - Стечкиной - Фукса,1 в основе которой лежит «веерная» модель фильтра, представляющая собой систему последовательно установленных решеток из параллельных волокон, повернутых друг относительно друга на произвольный угол. Эта модель может быть принята за идеальный однородный фильтр. Используемая методика расчета позволяет прогнозировать эффективность волокнистого фильтра при задании спектра частиц и ряда характеристик фильтроматериала.

В нашем случае расчеты проводились по выбранному определяющему диаметру фильтруемых частиц (1 мкм) при фиксированной линейной скорости фильтрации (10, 20, 30 см/с). Аэродинамическое сопротивление фильтроматериалов ΔR оценивалось при условии выполнения закона Дарси по зависимостям для коэффициента сопротивления среды, являющегося функцией только пористости материала. При расчетах использовались значения диаметров волокон 1...50 мкм, а толщины нетканого полотна - 1...50 мм. Плотность упаковки материалов  принималась постоянной 3*10-2. Использовались физические величины фильтруемой среды - воздуха (вязкость, температура, давление при нормальных условиях). Значение удельной плотности аэрозольных частиц принималось равным 2 г/см3, а полиэфирных волокон - 1,37 г/см3.

Согласно этой модели суммарный коэффициент захвата частицы одним волокном определяется формулой

Связь между эффективностью фильтра и суммарным коэффициентом захвата  отдельным волокном определяется основным законом улавливания частиц и выражается обычно через коэффициент проскока фильтра либо через эффективность улавливания Е = 1 - k:

Известно, что при условии выполнения закона Дарси, соотношение, называемое коэффициентом сопротивления среды, является функцией только пористости. В результате обширных экспериментов с самыми различными волокнами многие исследователи  предложили для его расчета свои формулы. Практическая ценность уравнения Хаппеля2 подтверждена многими авторами. Именно эта формула использовалась для расчета аэродинамического сопротивления в нашем случае:

Результаты расчетов

В результате машинных расчетов получены данные, характеризующие зависимость: а) коэффициентов захвата изолированными волокнами фильтров от диаметра волокон при неизменных пористости и параметров  среды; б) эффективности улавливания от параметров фильтроматериала (диаметра волокна, толщины, скорости фильтрации); в) аэродинамического сопротивления фильтроматериалов от толщины и диаметра волокон. Зависимость эффективности улавливания аэрозольных частиц, аэродинамического сопротивления, коэффициента захвата от диаметра волокна рассчитывалась применительно к линейной скорости 10 см/с, 20 см/с и 30 см/с. Значения рассчитанных величин в графическом виде для линейной скорости 20 см/с представлены на рис. 1рис. 2рис. 3.

Результаты расчетов показывают, что фильтроматериалы из более мелких волокон имеют большие коэффициенты захвата единичным волокном и, следовательно, эффективность улавливания частиц. Основной вклад в суммарный коэффициент захвата единичным волокном дает коэффициент захвата касанием.

Увеличение скорости фильтрации (от 10 до 30 см/с) приводит к увеличению суммарного коэффициента благодаря возрастанию инерционного эффекта (диффузионная составляющая мала и уменьшается вяло), однако это ведет к увеличению аэродинамического сопротивления материалов приблизительно в 3 раза. Коэффициент захвата, обусловленный инерционной составляющей, теряет четыре порядка с увеличением диаметра волокна от 2 до 50 мкм.

Эффективность улавливания частиц увеличивается с уменьшением диаметра волокна и увеличением толщины материала. Аэродинамическое сопротивление растет с увеличением толщины и уменьшением диаметра волокна.

Экспериментальные исследования

С целью подтверждения полученных расчетных данных в НИИ нетканых материалов были изготовлены и подобраны экспериментальные образцы нетканых полотен, отличающиеся друг от друга способами изготовления, структурой, поверхностной плотностью и характеристиками используемых волокон (табл. 1). Для изготовления образцов использовались полиэфирные волокна различной линейной плотности с вложением в ряде случаев бикомпонентных волокон. Способы изготовления образцов: иглопробивной (с термообработкой или без нее), термоскрепление и комбинированный.

Экспериментальные исследования характеристик фильтроматериалов проводились на установке с использованием методики лазерного спектрометрирования, позволяющей точно определять фракционную эффективность исследуемого фильтроматериала в диапазоне диаметров аэрозольных частиц тестового аэрозоля 0.25...5 мкм. Такие методы применяются в технологиях «чистых комнат» в микроэлектронной и фармацевтической промышленности.

В процессе проведения исследований экспериментально определялись следующие характеристики: дисперсный состав и концентрация аэрозольных частиц до и после применения фильтроматерила, перепад давления на фильтроматериале, а также масса уловленных частиц. Исследовалась динамика забивки исследуемых образцов в процессе запыления. При этом контролировался расход воздушной среды, поступающий на фильтроматериал.

Экспериментальная установка

На установке (рис. 4) использован лазерный аэрозольный спектрометр 14 с компьютерным управлением 15 для анализа концентрации и дисперсного состава аэрозолей. Для оперативного контроля концентрации аэрозольных частиц в аэрозольной камере установлена лазерная трасса 6 с лазером 5, имеющим длину волны λ=0.03 мкм и фотодиодом 7. При помощи генератора аэрозолей дисперсионного типа,  который включает в свой состав побудитель расхода 1, тонкий фильтр 2, баллон с раствором соли 3 и форсунку 4, в аэрозольной камере 9 поддерживается необходимая концентрация аэрозольных частиц. Аэрозольная камера снабжена электрическим нагревателем воздуха 8 для подогрева камеры с целью понижения влажности.

Изменяя насыщенность распыляемого форсункой раствора соли, можно получать аэрозоли различного дисперсного состава с высокими концентрациями.

Исследуемый фильтроматериал 12 закрепляется в фильтродержателе 11. Перепад давления на фильтроматериале контролируется при помощи дифманометра 10 (датчик давления Метран-45-ДД с микроамперметром).  

Последовательно открывая вентили 13, оператор отбирает пробы воздуха на лазерный спектрометр 14, имеющий собственный воздушный насос. Расход воздуха на установке создается при помощи воздушного насоса 16 и контролируется расходомером 17.

Основой инструментального определения фракционной эффективности фильтроматериалов является  лазерный аэрозольный спектрометр (ЛАС),  предназначенный для измерения концентрации и дисперсного состава аэрозолей в воздухе и неагрессивных газовых средах. ЛАС работает в стационарных условиях и на передвижных установках.

Измерение дисперсного состава аэрозольных частиц основано на регистрации интенсивности излучения, рассеянного частицей под определенным углом (45 градусов) относительно направления распространения излучения. Интенсивность рассеянного света (в диапазоне размеров частиц 0,2...5 мкм по диаметру) практически не зависит от состава и агрегатного состояния аэрозольных частиц, а определяется только их геометрическими размерами.

В ЛАС используется фотоэлектрический метод анализа, основанный на зависимости интенсивности света, рассеянного частицей под определенным углом относительно направления распространения излучения, от ее геометрического размера. Аэрозольные частицы в потоке анализируемой пробы газа, прокачиваемой через измерительный (рабочий) объем прибора, рассеивают свет при пересечении лазерного луча. Импульс рассеянного света фокусируется на фотоприемнике и преобразуется в импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна геометрическому размеру частицы.

В установке предусмотрена возможность многократного увеличения концентрации аэрозольных частиц в камере включением генератора аэрозолей конденсационного типа 18. Принцип работы генератора основан на сжигании известного количества «дымной» ткани со специальной пропиткой PbJ2. В результате ее горения образуются твердые частицы йодистого свинца. Скоростью горения достигается высокая концентрация частиц - до нескольких грамм на кубометр воздуха. При этом основная масса аэрозольных частиц имеет диаметр 0,3...0,6 мкм.

Исследования фракционной эффективности

 

Исследование этих параметров опытных образцов фильтроматериалов проводились по полидисперсному аэрозолю с концентрацией аэрозольных частиц от десятков до сотен  микрограмм на кубометр воздуха. В аэрозольной камере 9 (рис. 4) с помощью генератора аэрозолей дисперсионного типа 1-4 спектр размеров аэрозолей смещался в сторону более крупных частиц, т.е. в камере создавалась атмосфера с повышенным содержанием аэрозольных частиц с диаметром 2...3 мкм. Результаты исследований фракционной эффективности и аэродинамических испытаний  образцов фильтроматериалов сведены втабл. 2табл. 3.

Исследование пылеемкости

Для проведения этого исследования  было отобрано три образца полотна различной толщины и поверхностной плотности. Исследование проводилось при линейной скорости фильтрации 20 см/с. В аэрозольной камере 9 поддерживалась концентрация аэрозольных частиц 0,5...1 г/м3. Такая концентрация достигалась включением генератора аэрозолей конденсационного типа на йодистом свинце.

Запыление экспериментальных образцов проводилось в три этапа. На первом этапе запыление проводилось до значения перепада давления ΔРс, вдвое  превышающего первоначальный перепад, т.е. определялась так называемая стандартная величина пылеемкости для данной скорости фильтрации. Далее образец взвешивался и вновь устанавливался на экспериментальную установку. Запыление проводилось до значения ΔР1=250 Па, что соответствует рекомендуемому значению конечного перепада давления для фильтров грубой очистки (фильтры класса G1-G4) по ГОСТ Р 51251-99.3 Затем вновь производилось взвешивание образца.

Поскольку многие из исследуемых материалов по своей эффективности попадают в класс фильтров тонкой очистки (fine), образец вновь запылялся до конечного перепада ΔРк=450 Па, что соответствует рекомендуемому конечному перепаду давления для фильтров классов F5 - F9 [3]. Результаты, полученные в экспериментах, представлены в табл. 4табл. 5,табл. 6.

Обсуждение результатов

Практически все материалы обладают невысокой эффективностью по частицам с d<1 мкм - 15...25 % и эффективностью по крупным фракциям с d > 2 мкм - 30...90%. Худшие показатели по эффективности, как и следовало ожидать, имеют материалы с явно выраженной рыхлой структурой, меньшей поверхностной плотностью и большей воздухопроницаемостью. Ярко выраженного влияния толщины на фракционную эффективность полимерных образцов фильтроматериалов не наблюдается.

Результаты аэродинамических испытаний показали сверхнизкое аэродинамическое сопротивление (3...7 Па) ряда материалов (табл. 3, образцы №№ 3,4,5,6,7) при линейной скорости 20 см/с.

Для испытаний на пылеемкость было отобрано три образца. Испытания проводились при линейных скоростях фильтрации ~ 20 см/сек при высоких концентрациях аэрозоля (около 1...2 г/м3) известного дисперсного состава (диаметр основной массы частиц 0.3 ... 0.6 мкм). Стандартная пылеемкость (масса уловленной пыли при увеличении аэродинамического сопротивления в два раза) составила для различных образцов 15...100 г/м2. Образцы №№ 2,4 показали при данных условиях фильтрации наибольшую пылеемкость. Максимальный привес при запылении до ΔРк на одном из образцов составил 325 г/м2 (табл. 6).

Обращает внимание неожиданно низкая пылеемкость полиэфирного образца №10, которую можно объяснить лишь особенностями технологии изготовления. Она стала причиной поверхностного режима фильтрации. Это подтвердил осмотр образца после испытаний - поверхность выхода была почти не запыленной.

Результаты проведенных испытаний дают основания отнести исследуемые образцы фильтроматериалов к различным классам фильтров от грубой очистки (класс G) до тонкой (класс F). Фильтры на основе данных  фильтроматериалов могут применяться в любых системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

Полученные расчетные и экспериментальные данные могут быть использованы при разработке новых фильтроматериалов и для определения наиболее эффективных областей их использования, а также при разработке обоснованных требований к различным типам фильтрующих материалов.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Kirsh A.A., Stechkina I.В. The theory of aerosol filtration with fibrous filters. Fundamental of Aerosol Science. - N.Y.: Wiley 1978. - P. 165.
2 Huppel J// A.I.Ch.E.J.- 5, 114, 1959.
3 ГОСТ Р 51251-99. Фильтры для очистки воздуха. Классификация. Маркировка

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ