預(yù)濾棉對(duì)微型濾芯過濾性能的影響

預(yù)濾棉對(duì)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(jìn)的汽輪箱對(duì)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(zhǎng)。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(yù)濾棉的濾芯上,探究A2灰與DEHS質(zhì)量濃度比例為1∶1時(shí)預(yù)濾棉對(duì)濾芯過濾性能的影響,同時(shí)也對(duì)比了不同材料在相同實(shí)驗(yàn)條件下的過濾性能,為濾芯增加預(yù)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(biāo)測(cè)量精密電子天平:FA2004N,上海精密科學(xué)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(cè)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(yàn)臺(tái):MFP3000,德國(guó)PALAS公司。1.2濾材結(jié)構(gòu)表征預(yù)過濾及濾芯材料的基本性能如表1所示。熔噴復(fù)合材料透氣度和平均孔徑是靜電紡復(fù)合材料的2倍,且厚度大于后者,而靜電紡復(fù)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(biāo)準(zhǔn)中的M5級(jí),平均孔徑61.0μm,透氣度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主濾芯過濾材料。本文實(shí)驗(yàn)負(fù)荷粉塵使用ISO12103-1A2細(xì)灰,粒徑范圍為0.5～60μm,主要化學(xué)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(gòu)買自阿拉丁試劑(上海)有限公司。1.31.3.1采用單孔預(yù)測(cè)梯度法研究了純芯阻力的上升曲線和環(huán)境效應(yīng)在氣溶膠總質(zhì)量濃度1000mg/m1.3.2預(yù)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(yù)濾棉,進(jìn)行加載A2灰和DEHS的容塵實(shí)驗(yàn),達(dá)到終止壓差200Pa后拆下預(yù)濾棉。(2)在濾芯外包覆新的預(yù)濾棉,重復(fù)步驟1。(3)重復(fù)步驟2。(4)拆下預(yù)濾棉的濾芯繼續(xù)加載A2灰和DEHS至壓差為200Pa終止實(shí)驗(yàn)。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(yù)濾棉的電鏡圖。由圖1(a)、(b)可知,潔凈預(yù)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(fù)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(shí)驗(yàn)條件下的混合氣溶膠以液體氣溶膠為主導(dǎo),容易在材料表面形成液膜,導(dǎo)致濾材阻力增長(zhǎng)快。從圖2(c)、(d)中看出靜電紡層的納米纖維截了很多細(xì)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(fù)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(fù)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(jìn)行容塵實(shí)驗(yàn)后,油灰混合塵顆粒在濾材表面形成顆粒團(tuán)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(shí)間長(zhǎng),因此相同實(shí)驗(yàn)條件下容塵量較大。綜上所述,靜電紡復(fù)合材料的納米纖維層比熔噴層致密,且薄而平整,實(shí)驗(yàn)條件下以液體氣溶膠占主導(dǎo)作用的容塵過程會(huì)快速在濾材表面形成液膜,導(dǎo)致濾芯阻力迅速增長(zhǎng),使其容塵量比熔噴復(fù)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(yù)濾棉容塵實(shí)驗(yàn)中,濾芯壓差越來越高,預(yù)濾棉容塵到達(dá)終止壓差時(shí)間縮短,因此預(yù)濾棉上的容塵量呈下降趨勢(shì)。在濾芯實(shí)際使用中,可根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)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(fù)合材料濾芯更換第三次棉后總壓差超過實(shí)驗(yàn)壓差200Pa,因此實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行了兩次換棉。圖4是靜電紡復(fù)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?jí)翰顬闉V芯與預(yù)濾棉總壓差,因此步驟1中壓差比濾芯單獨(dú)加載混合塵的初始?jí)翰罡?步驟4的初始?jí)翰顒t為去除預(yù)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(dá)到終止壓差,而在濾芯外增加一層預(yù)濾棉后,濾芯到達(dá)終止壓差時(shí)間為880s,是單純?yōu)V芯所用時(shí)間的2.7倍,由此可知增加預(yù)濾棉可以有效延長(zhǎng)濾芯到達(dá)終止壓差的時(shí)間,即延長(zhǎng)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(shí)間短,隨后濾芯壓差快速上升,這是因?yàn)殪o電紡復(fù)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(yù)濾棉時(shí),由于預(yù)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(yù)過濾后到達(dá)濾芯的量較少,因此在步驟1中濾芯壓差上升緩慢,加載時(shí)間長(zhǎng)。步驟2加載混合塵時(shí),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(shí)預(yù)濾棉為潔凈棉,對(duì)顆粒物的過濾效率較低,混合塵穿過預(yù)濾棉層進(jìn)入濾芯,因此濾芯壓差急劇上升。步驟4是去掉預(yù)濾棉后直接加載混合塵,由于前期加載實(shí)驗(yàn)使濾芯表面形成顆粒堵塞孔隙,因此壓差增長(zhǎng)快。圖5為熔噴復(fù)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?jí)翰顬闉V芯與預(yù)濾棉總壓差,步驟4的初始?jí)翰顒t為去除預(yù)濾棉后濾芯壓差。從圖中可以看出,濾芯直接加載混合塵時(shí),壓差在過濾初期緩慢增長(zhǎng),后期快速增長(zhǎng)。無預(yù)過濾棉時(shí),濾芯1436s達(dá)到終止壓差,增加預(yù)過濾后,濾芯3935s達(dá)到終止壓差,時(shí)間是前者的2.7倍。此外,步驟1中濾芯首次外包預(yù)濾棉時(shí)預(yù)濾棉和濾芯對(duì)整個(gè)加載過程的容塵量貢獻(xiàn)最大,壓差增長(zhǎng)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(shí)顆粒物濾材孔隙易堵塞,壓差增長(zhǎng)加快。經(jīng)歷三次換棉加載實(shí)驗(yàn)后,濾芯表面已經(jīng)開始形成濾餅,因此拆掉預(yù)濾棉后濾芯加載混合塵的壓差增長(zhǎng)比前三次的快。對(duì)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(yù)濾棉,加載混合塵時(shí)其阻力上升趨勢(shì)相同。但熔噴復(fù)合材料制備的濾芯達(dá)到終止壓差時(shí)間長(zhǎng),這與濾芯的材料本身結(jié)構(gòu)相關(guān)。熔噴復(fù)合材料表面孔隙大,混合塵形成大顆粒堵塞孔隙需要的時(shí)間較長(zhǎng),因此達(dá)到終止壓差時(shí)間長(zhǎng)。2.3濾芯容塵量結(jié)果表2是濾芯及預(yù)濾棉容塵質(zhì)量變化結(jié)果表。從表中可以看出,靜電紡復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS的混合塵時(shí),其容塵量?jī)H為0.90g,而增加預(yù)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(yù)濾棉中,步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大,為1.52g,占整個(gè)換棉實(shí)驗(yàn)容塵的58%。熔噴復(fù)合材料濾芯直接加載A2灰和DEHS混合塵時(shí),容塵量為3.46g,而增加預(yù)濾棉后,預(yù)濾棉和濾芯總?cè)輭m量為10.44g,是不加預(yù)濾棉的3.0倍。在3次更換的預(yù)濾棉中,步驟1的預(yù)濾棉容塵量最大,為5.40g,占整個(gè)換棉實(shí)驗(yàn)容塵的52%。由此可見,增加預(yù)濾棉可以有效延長(zhǎng)濾芯的使用壽命,且第一次包覆的預(yù)濾棉對(duì)整個(gè)濾芯的容塵量影響很大。從表中也可以看出,熔噴復(fù)合材料濾芯在實(shí)驗(yàn)的每一過程的容塵量均大于靜電紡復(fù)合材料濾芯,濾芯與預(yù)濾棉結(jié)合使用后,熔噴復(fù)合材料濾芯的總?cè)輭m量10.44g,是靜電紡復(fù)合材料濾芯總?cè)輭m量2.60g的4倍。除此之外,靜電紡復(fù)合材料比熔噴復(fù)合材料對(duì)含油霧粉塵更敏感,實(shí)驗(yàn)室壽命明顯低于熔噴復(fù)合材料。而預(yù)濾棉價(jià)格便宜,更換簡(jiǎn)單、方便,采用在濾芯外增加預(yù)濾棉的方式,是提高濾芯容塵量的有效方法。3容塵量對(duì)比分析通過實(shí)驗(yàn)研究可知,對(duì)于同種材料制備的濾芯,加載A2灰和DEHS混合塵時(shí),增加預(yù)濾棉后濾芯整體容塵量大大提升,靜電紡復(fù)合材料濾芯有預(yù)濾棉的容塵量是無預(yù)濾棉的2.