ダスト負荷プロセス中のフィルターの圧力降下に対するプリーツ形状の影響: 実験およびモデリング研究

Sep 13, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20331 (2022) この記事を引用

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本研究では、フィルタの耐用年数を延長し、換気エネルギー消費量を削減するために、ろ材のプリーツ構造の設計を最適化するための圧力損失モデルを数値シミュレーションと実験によって開発しました。 プリーツフィルター媒体上の塵の堆積に対するストークス数の影響は、数値シミュレーションによって明らかにされました。 これに基づいて、ダスト負荷時の圧力降下モデルが開発されました。 このモデルは、単位面積当たりのダスト堆積量（W）が同じであれば、プリーツ比（α）が大きいほど、ダストケーキの厚さが大きくなり、有効濾過面積における有効濾過速度が大きくなることを示唆しています。 さらに、V 字型フィルターと U 字型フィルターの場合、実験とモデリングの全圧力降下の間の相対平均偏差は、それぞれ 3.68% と 4.82% です。 言い換えれば、提案されたモデルはダスト負荷中の圧力降下を正確に予測します。 さらに、同じαと \(W\) の下では、U 字型フィルターの全圧力損失は V 字型フィルターよりも低く、U 字型フィルターの優れた濾過性能が実証されています。

プリーツフィルターはHVACシステムや空気清浄機の分野で一般的に使用されています。 プリーツ状濾材により、限られたスペースでより大きな濾過面積とより低い濾過速度を実現でき、フィルター交換期間を延長できます1、2、3、4、5、6、7。 濾過効率と圧力損失は、フィルターの性能を示す 2 つの重要な指標です。 濾過効率は濾材と濾過速度に大きく影響されます。 プリーツの形状が濾過効率に及ぼす影響は限定的です8、9、10。 一方、プリーツによるフィルター媒体の曲げ変形は、その透過性と多孔性の変化をもたらし、フィルターの圧力損失が増加します3、11、12、13。 一方、プリーツ形状は気流場の変動と不均一な粉塵の堆積を引き起こすため、粉塵負荷時の圧力降下は平面濾過の圧力降下よりも大きくなります12、14、15、16、17、18。 プリーツ形状はフィルターの性能に大きな影響を与えます。 しかし、ダスト負荷時の圧力降下予測に関する現在の研究は不十分であり、その大部分は実験研究です19、20、21、22。

現在、さまざまなプリーツ形状のフィルターの圧力損失を予測する研究が行われています1、11、14、15、16、23、24、25、26。 Caesar et al.15 は、クリーンな V 字型フィルターと U 字型フィルターの圧力降下予測モデルを開発しました。このモデルでは、総圧力降下を 3 つの要素に分割します。摩擦損失と動的な圧力増加によるプリーツ内の圧力差です。 空気がプリーツシステムに出入りするときの収縮と膨張による圧力降下。 空気がフィルター媒体を通過するときの圧力降下。 彼らの研究における濾過速度は 1 ～ 10 m/s の範囲であり、総圧力損失に対するプリーツ形状によって引き起こされる圧力損失の比率は、濾過速度が増加するにつれて大きくなります。 Del Fabbro ら 26 は、濾材の種類、ひだの形状、および流量パラメーターに基づいて清浄なフィルターの圧力降下を予測する半経験的な無次元モデルを確立しました。 ただし、これまでの研究はクリーンなフィルターに限定されており、粉塵負荷時の圧力低下の予測は含まれていませんでした。

ダスト負荷中のさまざまなプリーツ形状を備えたフィルターの圧力降下を予測することは、これまでほとんど報告されていません。 Fotovati et al.18 は、V 字型および U 字型フィルター上の不均一な粉塵の堆積を調査し、粉塵の堆積に伴う圧力損失の変化を計算しました。 それにもかかわらず、彼らの研究におけるダスト粒子のサイズは 3 μm と 10 μm でしたが、実際のダスト粒子はほとんどが多分散です。 Saleh et al.27 は、V 字型および U 字型のチャネル内の速度場の x 成分と y 成分の解析式を使用して、粉塵時のプリーツフィルターの圧力降下を予測するために適用できる簡単な半数値モデルを推定しました。ロード中。 ただし、このモデルではフィルターのプリーツ部分に不均一に堆積する塵埃は考慮されていません。

この研究では、V 字型および U 字型フィルターの気流場と PM10 の堆積を調査することにより、塵埃負荷時の圧力降下モデルを確立しました。これを使用して、フィルターのプリーツ構造の設計を最適化して、塵埃を低減することができます。抵抗を軽減し、フィルターの耐用年数を延ばし、換気エネルギー消費を削減します。

ポリプロピレンマイクロファイバー (中国新郷の河南 Aklly フィルターエンジニアリング株式会社) がフィルター媒体として選択されました。フィルターグレードは E10 (EN 1822-1-201928 に従って分類)、厚さは 0.5 mm、坪量は110 g/m2です。 フィルター媒体の SEM (VEGA、TESCAN、チェコ) 画像を図 1 に示します。繊維構造は、3 次元の無秩序な空間ネットワークを示しています。 画像内の繊維径を統計的に計算したところ、フィルター繊維の平均直径は約4.6±0.3μmでした。

倍率1000倍のフィルターメディアのSEM画像。

実験に使用したプリーツフィルターは手作りしたものです。 外枠には外径150mm、内径140mm、高さ25mmの透明なポリメタクリル酸メチルリングを用いた。 V 字型フィルターと U 字型フィルターの形状を図 2 に示します。手作りフィルターのプリーツの数はそれぞれ 5、10、15、20、25 で、プリーツの高さは 20 mm でした。 ホットメルト接着剤を使用してフィルター媒体を外枠に固定しました。 プリーツ領域は、一定の厚みの濾材を使用して簡素化する必要がありました。 V 型フィルターのプリーツ領域は、プリーツ角の外側部分でフィルター媒体の厚さに等しい半径 (\(T_{F}\)) をもつ円弧でした。 U字型フィルターのプリーツ部分を直角とみなした。 フィルター媒体の中心位置を使用して、さまざまな形状のフィルターのパラメーターを計算しました (図 2 の点線)。

さまざまな形状のフィルター。

V字型フィルターの研究は個々のプリーツに対して行われました。

ここで、θはプリーツ角度(°)、\(P_{W}\)はプリーツピッチ(m)、\(T_{F}\)は濾材の厚さ(m)、\(P_{H }\) はプリーツの高さ (m) です。 これにより、様々なプリーツ率（α）におけるθの値を計算することができる。 個々のプリーツの単位長さあたりの理論的な濾過面積は、次のように表すことができます。

ここで、\(s_{Vt}\) は、個々の V 字型プリーツの単位長さあたりの理論上の濾過面積 (m2) です。 \(s_{Vt1}\) はプリーツコーナーの単位長さあたりの円弧面積 (m2) です。 \(s_{Vt2}\) はプリーツの単位長さあたりの傾斜面の面積 (m2) です。 フィルターが直径 (D) 140 mm の円形でプリーツが N の場合、理論上の濾過面積 (\(S_{V}\)) は次のように与えられます。

個々のプリーツの場合、U 字型フィルターの単位長さあたりの理論的な濾過面積は次のようになります。

直径 (D) 140 mm の円形フィルターの理論的な濾過面積は、次のように表されます。

V字型フィルターのプリーツ角度θは式(1)で求められます。 (1) と、異なる形状のフィルターの理論上の濾過面積は、式 (1) から得られます。 (3)と(5)。 具体的なパラメータを表 1 に示します。ここで、フラット フィルターのプリーツ率は 0 です。

この実験では、100 °C で 5 時間乾燥させた、密度 620 kg/m3 の 400 メッシュのフライアッシュを使用しました。 レーザー粒度分析装置 (Winner2000、済南勝者粒子計器有限公司、済南、中国) を使用して、図 3 に示す粒度分布を測定しました。ダスト粒子はそれぞれ 2.39 μm と 1.98 μm です。

粉塵の粒度分布。

この研究では、気流場とダスト粒子の運動軌跡に対するプリーツ形状の影響を調査するために 2 次元数値シミュレーションが採用されました。計算領域と境界条件は図 4 に示されています。計算領域は 3 つのゾーンに分割されます。プリーツフィルター媒体ゾーン、フィルターの上流速度場ゾーン、およびフィルターの下流速度場ゾーン (図 4)。 これら 3 つのゾーンのうち、プリーツ濾材ゾーンは等方性多孔質媒体領域であり、濾材屈曲ゾーンの性能は無視されます。 フィルターの上流および下流の速度場ゾーンの長さは両方とも 100 mm です。 速度入口と圧力出口はそれぞれ左側と右側にあり、上側と下側は速度場に対する境界層の影響を軽減するために機能する周期的な境界です。 計算領域は非構造化メッシュの対象となり、多孔質媒体ゾーンとその他のゾーンのメッシュ サイズはそれぞれ 0.05 mm と 0.2 mm です。 これに基づいて、異なる α 値の下での V 字型フィルターと U 字型フィルターの計算領域がメッシュ化されます。 より細かいメッシュでの圧力降下と速度分布は、ここで得られた値と本質的に同じであり、この研究でのメッシュ分割が合理的であることを示しています。

数値シミュレーションの計算領域。

この研究では、ANSYS Fluent 19.0 ソフトウェアを使用して、α 値を変化させた V 字型フィルターと U 字型フィルターの数値シミュレーションを行いました。 ろ過速度が 4 cm/s の場合の、さまざまな α 値での V 型フィルターと U 型フィルターの入口空気速度を示します (表 2)。 レイノルズ数が小さいため、層流シミュレーションが適用されます。 数値シミュレーションにおけるパラメータの値は次のとおりです。空気密度は 1.2 kg/m3、動粘度は 1.8156 × 10−5 Pa・s、透水率は 9.5810 × 10−12 m2、気孔率は 0.84 です。 。 出口のゲージ圧は 0 Pa に設定され、SIMPLEC アルゴリズムを使用して圧力と速度の結合が実行されます。

粉塵濾過実験システムは図5に示すように粉塵発生部、濾過部、監視部の3つの部分から構成されています。 エアーコンプレッサー、乾燥チューブ、減圧弁、流量調整弁R1、流量計F1、粉体供給装置（米国TSI製固体粒子発生装置9309）、粉塵混合容器、遠心ファンC1で構成されています。発塵ユニット。 発塵の手順は次のとおりです。まず、エアコンプレッサーからの高圧空気を、乾燥チューブと減圧弁を介して低圧の一定圧力の空気流に調整します。 次に、流量調整バルブ R1 を介して空気流を調整し、粉末フィーダーの供給を制御しました。 次に、遠心ファン C1 が一定の空気流を提供して、粉塵混合容器内の粉塵を希釈し、その濃度を一定に保ちます。 エアフィルター、フィルターチューブ、流量調整バルブ R2、遠心ファン C2、流量計 F2 はすべて濾過システムの一部でした。 フィルターチューブは、長さ 400 mm、外径 150 mm、内径 140 mm の 2 つのパイプセクションで構成されていました。 パイプの 2 つの部分が接続装置を介してフィルターをクランプしました。 監視ユニットには、フィルターの圧力降下と粉塵濃度を測定するための差圧計 (AP800、TSI、米国) および DustTrak 環境モニター (8543、TSI、米国) が含まれていました。 圧力計の最大測定値は 15 inH2O で、分解能は 0.001 inH2O、誤差は 1% 未満です。 DustTrak 環境モニター 8543 は、PM1.0、PM2.5、および総粉塵濃度を監視できます。

実験システムの概略図。

実験は、粉塵のない環境と粉塵を含む環境の両方で実施さ​​れました。 クリーンエア流の濾過速度は４ｃｍ／ｓとし、流量調整弁Ｒ２により流量を調整した。 具体的な流量データを表 3 に示します。さまざまな α 値の下での流れによるフィルターの圧力損失の変化を測定しました。 粉塵環境における粉塵の供給量は粉体供給装置を制御することで調整され、粉塵混合容器内の粉塵濃度は800±50mg/m3で安定しました。 具体的な実験手順は次のとおりです。まず調整バルブ R2 を調整して、平均濾過速度が 4 cm/s で安定するように濾過流量を変更しました。 その後、単位面積当たりの粉塵堆積量が5mg/cm2、10mg/cm2、15mg/cm2、20mg/cm2、25mg/cm2、30mg/cm2に達するまで濾過時間を制御し、圧力降下が記録されました。 最後に、各実験の前後でフィルターの重量を測定し、単位面積当たりの粉塵の堆積量を計算しました。 誤差を 5% 未満に抑えるか、実験をやり直す必要がありました。 再現性を確保するために、上記の実験を 3 回繰り返しました。

「シミュレーション」セクションで説明した方法に従って、数値シミュレーションを使用して、ろ過速度4 cm/sで異なるαの下でのV字型フィルターとU字型フィルターの気流場を取得しました。 濾材を通過する空気の流速も同様の変動傾向を示し、プリーツ領域の濾材の流速は遅く、他の領域の濾材の流速はほぼ同じであることが判明した。 α値 2.14 および 3.57 の下での気流場を図 6 に示します。数値シミュレーションで使用されるフィルター媒体の透過率は一定であると仮定されます。 濾材の曲げ変形により透過性が制限される可能性があるため、プリーツ領域における実際の濾材の空気流速は数値シミュレーションよりも低くなります。 さらに、一部の学者は、プリーツ領域内の濾材の気流速度が信じられないほど低く、非透過処理によって得られるシミュレートされた圧力損失は実験で得られる圧力損失よりも正確であると報告しています14、16、17。 したがって、本研究ではプリーツ領域は非透過性でろ過効果のない領域とみなします。

ろ過速度 4 cm/s の気流場。

現在の研究結果によると、フィルター媒体上の塵の堆積はストークス数 (\(S_{tk}\)) と密接に相関しています27,29,30。 ストークス数は次のように表すことができます。

ここで、\(\tau\) は粒子 (s) の緩和時間、\(u_{0}\) は障害物を通過する粒子の速度 (m/s)、\(L_{0}\) は特性障害物の量 (m)、\(\rho_{p}\) は粒子密度 (kg/m3)、\(d_{p}\) は粒子直径 (m)、\(\mu\) は空気の動粘度(Pa・s)。 式 (6) は、速度が高くダスト粒子サイズが大きいほど、\(S_{tk}\) が大きくなることを示しています。 V 字型フィルターと U 字型フィルターの場合、\(L_{0}\) はそれぞれ \(P_{W}\) と \(0.5\;P_{W}\) になります。 同じろ過速度の下では、α が 3.57 のときに \(S_{tk}\) は最大値に達します。

離散位相モデルを使用して、1 μm、5 μm、および 10 μm の粒子の運動軌跡を数値的にシミュレートしました。 \(S_{tk}\) の変化に応じて、濾材上の粉塵の堆積も同様の傾向で変化することがわかりました。 α値 2.14 および 3.57 の下での V 型および U 型フィルター上の異なるサイズのダスト粒子の堆積を図 7 に示します。プリーツ領域を除いて、V 型フィルターのフィルター媒体上のダスト粒子の堆積は、図 7 に示されています。の形のフィルタは本質的に均一であり、 \(S_{tk}\) によって変化しません (図 7a、c を参照)。 U字型フィルターのプリーツ部分にゴミの付着が少ない。 さらに、プリーツ領域の外側では、フィルター媒体上のダストの堆積は \(S_{tk}\) に応じて変化し、\(S_{tk}\) が大きくなるほど、ダストの堆積はより不均一になります (図 7b を参照)。 d)。 この発見は、Saleh らによって報告された発見と一致しています。 U 字型フィルターの場合、\(S_{tk}\) が 0.1 未満の場合、ダストの堆積は均一として扱われますが、\(S_{tk}\) が 0.1 より大きい場合、ダスト ケーキの厚さは直線的に増加します。プリーツ深さ27、29。 \(S_{tk}\) が増加すると、ダスト粒子が到達できない領域が拡大すると結論付けられます (図 7b、d を参照)。 たとえば、\(d_{p}\) が 5 μm の場合、ろ材上のダスト粒子が到達できない領域はわずかですが、\(d_{p}\) が 10 μm の場合、その面積はほぼ 1 になります。フィルター領域の 3 分の 1 (図 7d を参照)。 ダスト粒子の約97％は5μm未満であり、10μmを超えるダスト粒子の割合は1％未満であるため（図3参照）、ダスト粒子はフィルタの有効濾過領域に均一に堆積しているとおおよそ推測できます。 U字型フィルター。

さまざまなサイズのダスト粒子の運動軌跡。

「さまざまなプリーツ形状の数値シミュレーション」セクションのシミュレーション結果によると、図 8a の黒い部分に示すように、V 字型のプリーツのコーナーは非効果的な濾過領域と見なすことができます。 残りの領域は、同じ有効濾過速度を有する有効濾過領域であり、粉塵粒子が均一に堆積します。 底部のひだ付きコーナーでのダストの堆積によってダストケーキの厚さが増加するにつれて（図8b）、非効果的なろ過領域が拡大します。

V字フィルターにゴミが溜まる。

式によると、 (2)、\(s_{Vt} = 2(s_{Vt1} + s_{Vt2} )\)、1 つの V 字型プリーツの単位長さあたりに堆積する塵の質量は次のように表すことができます。

ここで、\(m_{V0}\) はダストの堆積質量 (kg)、\(T_{C0}\) はダストケーキの平均厚さ (m)、\(\rho\) はダストのかさ密度 ( kg/m3)、\(W\) は単位面積あたりの粉塵の堆積質量 (kg/m2) です。 V字型フィルターのプリーツコーナーが効かない場合の塵埃の堆積量は以下の通りです。

ここで、\(m_{V}\) はダスト堆積質量 (kg)、\(T_{C}\) は有効ろ過面積に堆積したダストの厚さ (m) です。 \(m_{V}\) は \(m_{V0}\) と同じです。 式によると、 (7) と (8)、

V 型フィルターの有効濾過面積上のダストの厚さは次のように求められます。

ダストの堆積量が増加すると、有効ろ過面積が減少し、有効ろ過速度が増加します（図8）。 実効濾過速度 (\(\nu_{f}\)) は、不変のフィルター空気量を使用して計算できます。

ここで、\(\nu\) は濾過速度 (4 cm/s) です。 一部の学者は、総圧力降下を 2 つの部分、つまりプリーツ構造によって引き起こされる圧力降下と、フィルター媒体とダストケーキによって引き起こされる圧力降下に分けています 2,15,23。 一部の研究ではプリーツ構造の圧力降下を無視していますが、これは主に構造抵抗が低いろ過速度でのろ過抵抗よりもはるかに小さいためです27、31、32、33。 ろ過速度が遅いため、この研究では構造抵抗を無視できます。 したがって、フィルター媒体とダストケーキによって引き起こされる圧力降下は総圧力降下とみなされ、ダーシーの法則を使用して計算できます31、32、33、34。

ここで、\(\Delta P_{T}\) はフィルターの総圧力損失 (Pa)、\(\Delta P_{F}\) はフィルター媒体によって生じる圧力損失 (Pa)、\(\Delta P_{C}\) はダストケーキによる圧力損失 (Pa)、\(K_{F}\) はフィルター媒体の透過係数 (m2)、\(K_{C}\) は透過率ダストケーキの係数 (m2)、\(\nu_{f}\) は有効濾過速度 (m/s) です。

「ダスト負荷中のV字型フィルターの圧力降下モデル」セクションで説明したV字型形状の処理方法と一致して、図9aの黒い部分に示すように、プリーツ領域は非効果的な濾過領域と見なされます。 非有効濾過領域を除いて、他のすべての領域は同じ有効濾過速度を有する有効濾過領域である。 有効濾過面積にダスト粒子が均一に堆積します。 下部プリーツ領域での堆積によりダストケーキの厚さが増加し、非効果的な濾過領域が拡大します（図9bを参照）。

U字フィルターにゴミが溜まる。

式によると、 (4) より、1 つの U 字プリーツの単位長さあたりの理論的なろ過面積は \(s_{Ut} = 2P_{H} + P_{W}\) と表すことができ、ダストの堆積質量は次のように表すことができます。として：

U字フィルターのプリーツ部分の効果がなくなると、ダストの堆積量が多くなります。

\(m_{V}\) は \(m_{V0}\) と同じです。 式によると、 (13) および (14)、

U 字型フィルターの有効濾過面積上のダストケーキの厚さは次のように求めることができます。

ダストの堆積量が増加すると、有効ろ過面積が減少し、有効ろ過速度が増加します。 不変のフィルター空気量に従って、有効ろ過速度 (\(\nu_{f}\)) を取得できます。

U 字型フィルターの総圧力損失は、式 (1) で計算できます。 (12)。

平面ろ過中の単位面積当たりのダスト堆積質量 \(W\) による全圧力降下とダスト除去効率の実験的に記録された変化を図 10 に示します。ダスト濃度とろ過速度は 800 ± 50 mg に設定しました。それぞれ/m3と4cm/s。 図 10a に示すように、\(W\) が増加すると総圧力損失が増加します。 さらに、塵の堆積特性の変化により、増加率は最初に上昇し、その後低下します。 Song、Tanabe、および Li ら 31、33、35 は、粉塵の堆積に伴う圧力損失の変化が、深層ろ過、移行、および表面ろ過の 3 つの段階に分けられることを発見しました。 深層ろ過はろ過の初期段階で行われます。 この段階では、大きな粒子がフィルター媒体の表面に堆積し、一方、細かい粒子がフィルター媒体に入り込んで捕捉され、その結果フィルター媒体の気孔率が低下し、その結果、圧力損失の増加がゆっくりではありますが加速されます。濾過効率が向上しました。 図１０ｂによれば、塵埃除去効率は９９．９％から１００％まで急速に上昇する。 次に移行段階に入り、その間にフィルター媒体の表面にダストケーキが形成され、深層濾過が表面濾過に置き換わったこと、つまり第 3 段階が始まったことを示します。 表面濾過が第 3 段階で優勢であり、圧力損失が直線的に増加し、濾過効率がピークに達します。 W が 15 mg/cm2 を超えると、総圧力降下はほぼ直線的に上昇します。これは表面濾過の痕跡です。 対照的に、W が 15 mg/cm2 未満の場合、深層ろ過および移行段階にあります (図 10a を参照)。 この研究では、ダスト粒子はフィルター媒体の表面に単に堆積していると仮定されています。 このような仮定の下で、ダストケーキの透過係数を計算することができる。

平面ろ過時の \(W\) による全圧損と除塵効率の変化 (a) \(W\) による全圧損の変化、 (b) \(W\) によるダスト濃度と除塵効率の変化濾過後。

フラットろ過中の総圧力損失は 2 つの部分で構成されます。 つまり、フィルター媒体によって引き起こされる圧力降下とダストケーキによって引き起こされる圧力降下です。 \(W\) が 0 の場合、濾材の透過係数は式 (1) で計算できます。 (12)。

実験条件と結果に基づくと、\(\Delta P_{F}\) は 37.9 ± 1.2 Pa、\(\mu\) は 1.8156 × 10−5 Pa・s、\(T_{F}\) は 0.0005 です。 m、\(\nu\) は 0.04 m/s、\(K_{F}\) は 9.5810 × 10–12 m2 です。 塵の粒子が堆積すると、\(K_{C}\) は次のように表すことができます。

ここで、 \(\rho\) は塵のかさ密度 (620 kg/m3) です。 \(W\) によるダストケーキの透過係数の変化を図 11 に示します。

平坦濾過中の \(W\) によるダストケーキの透過係数の変化。

\(W\) がそれぞれ 5、10、15、20、25、30 mg/cm2 のときの V 字フィルターと U 字フィルターの有効濾過面積に堆積するダストケーキの厚さと実効濾過速度異なる α の下で、式と式によって計算できます。 (10)、(11)、(16)、(17) (図 12 および 13 を参照)。 モデルによって得られたプリーツフィルターのダストケーキの厚さは平面フィルターのダストケーキよりも大きく、その厚さはαと\(W\)の増加とともに増加します(図12を参照)。 モデルによって得られたプリーツフィルターの実効ろ過速度は理論ろ過速度よりも高く、その速度はαと\(W\)とともに増加します（図13を参照）。 これはプリーツ形状に非有効濾過領域が存在するためであり、α と \(W\) が大きいほど非有効濾過領域が大きくなり、有効濾過領域におけるダストケーキの厚さと有効濾過速度が大きくなります。 図 12a、b の比較は、同じ W の下で、α が異なる V 字型フィルターの有効濾過領域におけるダストケーキの厚さと有効濾過速度が大きく異なるのに対し、U 字型フィルターのダストケーキの厚さと有効濾過速度はわずかに異なることを示しています。 。 これは、V 字フィルターのプリーツ角にゴミが堆積し、濾過無効領域が急速に拡大するためです。

モデルによって得られたダストケーキの厚さ (a) V 字型、(b) U 字型。

モデルによって得られた実効ろ過速度 (a) V 字型、(b) U 字型。

同じ \(W\) の下で、フラットろ過と比較して、プリーツろ過は、有効ろ過面積に堆積するダストケーキの厚さと有効ろ過速度の増加につながり、必然的にダストケーキの透過係数が変化します。 しかし、ろ材がプリーツ状になっている場合、ダストケーキの透過係数を測定することは困難です。 モデルによって全圧力損失を計算するには、同じ \(W\) の下で、プリーツ濾過中のダストケーキの透過係数はフラット濾過中のものと同じであると考えることができます。 このようにして、モデルの総圧力降下は、ダストケーキの厚さと式 (1) で得られる有効濾過速度を通じて計算できます。 (12)。 V 字型フィルターと U 字型フィルターの異なる α の下で \(W\) に伴う実験的およびモデル化された全圧力降下の変化を図 1 と 2 に示します。 それぞれ14と15。 粉塵負荷実験では、粉塵濃度は 800 ± 50 mg/m3、理論濾過速度は 4 cm/s です。 V 字型フィルターと U 字型フィルターの実験およびモデル化された全圧力降下は、同じ変動傾向を示し、どちらも α と \(W\) の増加とともに上昇することがわかります。 それらの相対誤差の範囲は - 8.17 ～ 5.15% および - 6.72 ～ 9.42% であり、相対平均偏差はそれぞれ 3.68% と 4.82% です。 結論として、提案された予測モデルは、粉塵負荷中のさまざまなプリーツ形状を持つフィルターの総圧力降下を正確に予測できます。 このことは、プリーツ領域に不透過処理を施し、有効濾過領域にダスト粒子が均一に堆積することを考慮することが合理的であることを意味している。 データはまた、同じ α と \(W\) の下で、U 字型フィルターの全圧力損失が V 字型フィルターよりも低いことを示し、U 字型フィルターの優れた濾過性能を示しています。

V 字型フィルターの \(W\) による実験およびモデル化の全圧力降下の変化 (a) α = 0.71、(b) α = 1.43、(c) α = 2.14、(d) α = 2.86、(e) α = 3.57。

U 字型フィルターの \(W\) による実験およびモデル化の全圧力降下の変化 (a) α = 0.71、(b) α = 1.43、(c) α = 2.14、(d) α = 2.86、(e) α = 3.57。

「さまざまなプリーツ形状の数値シミュレーション」セクションでは、モデル導出の前提条件となる、ろ材を流れる空気の速度に応じて、きれいなプリーツろ材を有効ろ過領域と無効ろ過領域に分割します。 ただし、ダストの負荷により気流場が変化するため、このモデルはダストケーキの厚さが薄い場合にのみ適用できます。 この研究では、直径 10 μm 未満の粒子サイズを調査しました。 実験結果は、\(W\) ≤ 30 mg/cm2 であり、対応する平均ダストケーキ厚さ \(T_{C0}\) ≤ 0.48 mm の場合、モデルが圧力降下を正確に予測できることを示しています。 実際には、塵粒子はプリーツ付きフィルター媒体上に不均一に堆積します。 今回の研究では、\(S_{tk}\) が小さい場合の簡略化した処理として、非有効濾過領域にはダスト粒子が堆積せず、有効濾過領域にはダスト粒子が均一に堆積する。 モデルに適用できる最大 \(S_{tk}\) 値を決定するために、さまざまな \(S_{tk}\) の下での粒子の運動軌跡が数値シミュレーションによってさらに調査されました (図 16 を参照)。 \(S_{tk}\) が大きいほど、有効濾過面積上のダストの堆積が不均一になることがわかります。 \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 の場合、ダスト粒子は有効濾過面積に均一に堆積していると考えられます。 したがって、このモデルは粒子サイズが 10 μm 未満、\(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 および \(T_{C0}\) ≤ 0.48 mm の場合に適用できます。

異なる \(S_{tk}\) における粒子の運動軌跡。

数値シミュレーションにより、プリーツフィルター媒体上のダスト堆積に対するストークス数の影響が明らかになりました。 V 字型フィルターの有効濾過領域への粉塵粒子の堆積は、基本的に均一です。 対照的に、U 字型フィルターの場合、\(S_{tk}\) が大きいほど、有効濾過面積上の塵の堆積が不均一になります。

粉塵負荷時のV字型およびU字型フィルターの圧力降下を正確に予測できる圧力降下モデルが提案され、フィルターの耐用年数を予測するために使用できます。 V 字型フィルターと U 字型フィルターの場合、実験とモデリングの全圧力降下間の相対平均偏差は、それぞれ 3.68% と 4.82% です。

同じαと \(W\) の下では、U 字型フィルターの全圧力損失は V 字型フィルターよりも低く、U 字型フィルターの優れた濾過性能が実証されています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、責任著者からの合理的な要求に応じて入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団（番号 52074279、51904291）、中央大学基礎研究基金（番号 2020XGYJ08）、江蘇省基礎研究プログラム（番号 BK20190638）、および湖南省の支援を受けました。教育省 (番号 17C0429)。

中国鉱業大学安全工学部、徐州市、221116、中国

Guangping Teng、Guoqing Shi、Jintuo Zhu

湖南工業大学安全管理工学部、衡陽、421002、中国

滕光平

石炭資源と安全採掘の国家重点実験室、中国鉱業大学、徐州市、221116、中国

国清市

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コンセプトとデザイン：GT、GS、JZ。 実験研究/データ分析: GT; 原稿準備：GT、JZ。 原稿編集：GT、GS。 著者全員が批判的に改訂し、原稿の最終版を承認しました。

國清氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Teng, G.、Shi, G. & Zhu, J. ダスト負荷プロセス中のフィルターの圧力降下に対するプリーツ形状の影響: 実験およびモデリング研究。 Sci Rep 12、20331 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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受信日: 2022 年 9 月 24 日

受理日: 2022 年 11 月 21 日

公開日: 2022 年 11 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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