預濾棉對微型濾芯過濾性能的影響

預濾棉對微型濾芯過濾性能的影響

作為汽輪箱的氣位，空氣的純度是提高汽輪箱性能和可靠性的先決條件。越先進的汽輪箱對吸收的空氣有更敏感的敏感性。濾芯容塵量是過濾器的重要性能參數(shù),在給定污染物的條件下,容塵量高則意味著過濾材料使用壽命長。王迪等本研究通過將固體顆粒物發(fā)塵器和液體氣溶膠發(fā)塵器聯(lián)合使用,將產(chǎn)生的固體顆粒物和液體氣溶膠均勻混合后加載到包覆預濾棉的濾芯上,探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶1時預濾棉對濾芯過濾性能的影響,同時也對比了不同材料在相同實驗條件下的過濾性能,為濾芯增加預濾棉的次數(shù)提供一定的參考。11.1環(huán)境掃描電鏡、厚度儀、透氣性能指標測量精密電子天平:FA2004N,上海精密科學儀器有限公司;掃描電子顯微鏡:G2ProY,荷蘭Phenom-World公司;環(huán)境掃描電鏡:NOVANANOSEM430,荷蘭;厚度儀:YG142型手提式測厚儀,寧波紡織儀器廠;透氣度儀:FX-3300-Ⅳ,瑞士TEXTESTAG公司;單張濾材效率試驗臺:MFP3000,德國PALAS公司。1.2濾材結(jié)構(gòu)表征預過濾及濾芯材料的基本性能如表1所示。熔噴復合材料透氣度和平均孔徑是靜電紡復合材料的2倍,且厚度大于后者,而靜電紡復合材料平均孔徑3.9μm,透氣度低,說明濾材結(jié)構(gòu)較為致密。M5棉是EN779:2012標準中的M5級,平均孔徑61.0μm,透氣度遠遠大于主濾芯過濾材料。本文實驗負荷粉塵使用ISO12103-1A2細灰,粒徑范圍為0.5～60μm,主要化學成分為SiO采用DEHS產(chǎn)生的氣溶膠模擬大氣中的油性物質(zhì),其物理性能滿足EN1822-2:2009中DEHS的要求,購買自阿拉丁試劑(上海)有限公司。1.31.3.1采用單孔預測梯度法研究了純芯阻力的上升曲線和環(huán)境效應在氣溶膠總質(zhì)量濃度1000mg/m1.3.2預濾棉的制備在氣溶膠總質(zhì)量濃度1000mg/m(1)在濾芯上游包覆一層預濾棉,進行加載A2灰和DEHS的容塵實驗,達到終止壓差200Pa后拆下預濾棉。(2)在濾芯外包覆新的預濾棉,重復步驟1。(3)重復步驟2。(4)拆下預濾棉的濾芯繼續(xù)加載A2灰和DEHS至壓差為200Pa終止實驗。22.1濾芯容塵量變化加載油灰混合塵前后過濾材料的電鏡圖如圖1～圖3所示。圖1為容塵前后預濾棉的電鏡圖。由圖1(a)、(b)可知,潔凈預濾棉的纖維直徑20～30μm,纖維之間孔隙大。由于A2灰的密度為2.65g/cm由圖2(a)可知,靜電紡復合濾芯表面是由一層致密的靜電紡纖維薄層(纖維直徑150～300nm)構(gòu)成,纖維間的孔隙較小。實驗條件下的混合氣溶膠以液體氣溶膠為主導,容易在材料表面形成液膜,導致濾材阻力增長快。從圖2(c)、(d)中看出靜電紡層的納米纖維截了很多細小顆粒物,表面孔隙幾乎被填滿,且混合顆粒物形成的結(jié)構(gòu)較為緊密。圖3(a)、(b)中熔噴復合材料入流面的熔噴纖維直徑為1～2μm,濾材結(jié)構(gòu)較疏松,與靜電紡復合材料相比該材料的平均孔徑較小,透氣度較低。由圖3(c)可知,進行容塵實驗后,油灰混合塵顆粒在濾材表面形成顆粒團并堵塞纖維之間的孔隙,部分孔隙大的區(qū)域還未被堵塞,可看到表面纖維,且熔噴層表面顆粒物散落的較有層次,形成液膜所需時間長,因此相同實驗條件下容塵量較大。綜上所述,靜電紡復合材料的納米纖維層比熔噴層致密,且薄而平整,實驗條件下以液體氣溶膠占主導作用的容塵過程會快速在濾材表面形成液膜,導致濾芯阻力迅速增長,使其容塵量比熔噴復合材料的低。蓬松熔噴層形成液膜較緩慢,因此容塵量大。濾芯更換預濾棉容塵實驗中,濾芯壓差越來越高,預濾棉容塵到達終止壓差時間縮短,因此預濾棉上的容塵量呈下降趨勢。在濾芯實際使用中,可根據(jù)實際使用情況設置較為合適的換棉次數(shù)。2.2濾芯加載混合塵的影響靜電紡復合材料濾芯更換第三次棉后總壓差超過實驗壓差200Pa,因此實驗僅進行了兩次換棉。圖4是靜電紡復合材料濾芯加載A2灰與DEHS的混合塵的阻力曲線圖,其中步驟1和步驟2的初始壓差為濾芯與預濾棉總壓差,因此步驟1中壓差比濾芯單獨加載混合塵的初始壓差高,步驟4的初始壓差則為去除預濾棉后濾芯壓差。從圖4可以看出,純?yōu)V芯加載混合塵329s后的濾芯達到終止壓差,而在濾芯外增加一層預濾棉后,濾芯到達終止壓差時間為880s,是單純?yōu)V芯所用時間的2.7倍,由此可知增加預濾棉可以有效延長濾芯到達終止壓差的時間,即延長濾芯的使用壽命。濾芯直接加載混合顆粒物初始階段濾芯壓差上升緩慢,但此階段時間短,隨后濾芯壓差快速上升,這是因為靜電紡復合材料制備的濾芯在容塵過程中的過濾形式主要是表面過濾。加載混合塵初期,纖維間的孔隙還未被堵塞。隨著混合塵的繼續(xù)加載,液體氣溶膠的存在使固體氣溶膠黏度增大,容易在材料表面粘結(jié)形成大顆粒堵塞濾芯表面孔隙,造成后期壓差急速上升直到終止壓差。而濾芯外包預濾棉時,由于預濾棉孔隙大,以深層過濾為主,形成的大顆粒堵塞孔隙的速度慢,混合顆粒物經(jīng)預過濾后到達濾芯的量較少,因此在步驟1中濾芯壓差上升緩慢,加載時間長。步驟2加載混合塵時,經(jīng)過前面的容塵過程濾芯表面已經(jīng)沉積了一定量的混合顆粒物,而此時預濾棉為潔凈棉,對顆粒物的過濾效率較低,混合塵穿過預濾棉層進入濾芯,因此濾芯壓差急劇上升。步驟4是去掉預濾棉后直接加載混合塵,由于前期加載實驗使濾芯表面形成顆粒堵塞孔隙,因此壓差增長快。圖5為熔噴復合材料制備的濾芯加載A2灰和DEHS的混合塵過程阻力曲線圖,其中步驟1、步驟2、步驟3的初始壓差為濾芯與預濾棉總壓差,步驟4的初始壓差則為去除預濾棉后濾芯壓差。從圖中可以看出,濾芯直接加載混合塵時,壓差在過濾初期緩慢增長,后期快速增長。無預過濾棉時,濾芯1436s達到終止壓差,增加預過濾后,濾芯3935s達到終止壓差,時間是前者的2.7倍。此外,步驟1中濾芯首次外包預濾棉時預濾棉和濾芯對整個加載過程的容塵量貢獻最大,壓差增長緩慢,由于在步驟1的容塵過程中濾芯表面已沉積了油灰混合顆粒物,在步驟2和步驟3中濾芯繼續(xù)加載時顆粒物濾材孔隙易堵塞,壓差增長加快。經(jīng)歷三次換棉加載實驗后,濾芯表面已經(jīng)開始形成濾餅,因此拆掉預濾棉后濾芯加載混合塵的壓差增長比前三次的快。對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn),不論是濾芯直接加載混合塵,還是在濾芯外增加預濾棉,加載混合塵時其阻力上升趨勢相同。但熔噴復合材料制備的濾芯達到終止壓差時間長,這與濾芯的材料本身結(jié)構(gòu)相關。熔噴復合材料表面孔隙大,混合塵形成大顆粒堵塞孔隙需要的時間較長,因此達到終止壓差時間長。2.3濾芯容塵量結(jié)果表2是濾芯及預濾棉容塵質(zhì)量變化結(jié)果表。從表中可以看出,靜電紡復合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS的混合塵時,其容塵量僅為0.90g,而增加預濾棉后濾芯總?cè)輭m量為2.60g,是前者的2.9倍,在3次更換的預濾棉中,步驟1的預濾棉容塵量最大,為1.52g,占整個換棉實驗容塵的58%。熔噴復合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS混合塵時,容塵量為3.46g,而增加預濾棉后,預濾棉和濾芯總?cè)輭m量為10.44g,是不加預濾棉的3.0倍。在3次更換的預濾棉中,步驟1的預濾棉容塵量最大,為5.40g,占整個換棉實驗容塵的52%。由此可見,增加預濾棉可以有效延長濾芯的使用壽命,且第一次包覆的預濾棉對整個濾芯的容塵量影響很大。從表中也可以看出,熔噴復合材料濾芯在實驗的每一過程的容塵量均大于靜電紡復合材料濾芯,濾芯與預濾棉結(jié)合使用后,熔噴復合材料濾芯的總?cè)輭m量10.44g,是靜電紡復合材料濾芯總?cè)輭m量2.60g的4倍。除此之外,靜電紡復合材料比熔噴復合材料對含油霧粉塵更敏感,實驗室壽命明顯低于熔噴復合材料。而預濾棉價格便宜,更換簡單、方便,采用在濾芯外增加預濾棉的方式,是提高濾芯容塵量的有效方法。3容塵量對比分析通過實驗研究可知,對于同種材料制備的濾芯,加載A2灰和DEHS混合塵時,增加預濾棉后濾芯整體容塵量大大提升,靜電紡復合材料濾芯有預濾棉的容塵量是無預濾棉的2.