平衡新型合成过滤介质的能效和静电问题

作者：Andreas Seeberger    来源：荣格

欢迎访问e展厅 展厅 6 干燥机/空气净化/空调展厅 加湿器, 工业吸尘器, 吸尘枪, 空调/中央空调, 臭氧发生器, ... 尽量减小静电对过滤介质的影响，同时使介质按照高效节能的方式工作，这是空气过滤的主要目标。IREMA FILTER公司的Andreas Seeberger博士在本文中介绍了一些相关的最新发展。 众所周知，在空气过滤中，颗粒沉积 在过滤介质上的基本原理包括筛分、惯性碰撞，直接拦截和扩散。此外，利用颗粒和纤维表面之间适当的合成材料静电引力能够显著增强对微粒（即<1祄）的捕集。 虽然这些驻极体过滤介质的效力在很多应用中已经足够了，但是其应用的合理性仍受到质疑，因为在实际工作条件下，驻极体效应会以不可预料的方式衰退。受其影响最明显的是HVAC过滤行业，在该行业的过滤产品最新测试标准中，要求考虑并评估驻极体过滤介质可能的电荷衰减。 同时，还必须考虑另一项因素，即静电力有助于提高颗粒清除效率，而不增大过滤介质的压降。这满足了目前最重要的要求——使用空气过滤产品期间的低能耗需求。 显然，使用静电力是一个有争议的话题。 但是，本文将解释如何克服驻极体介质的缺点，解决方法是应用一种使用超细纤维的便捷的过滤介质设计，而且该设计能达到更佳的能源效率和更长久的使用寿命。本文将讨论它的两个应用领域——HVAC过滤和汽车空气过滤。 HVAC过滤 在过滤行业，特别是HVAC应用领域，对使用寿命期内的过滤特性和效率进行密切监视的做法已经被广泛接受，并且已经出现在最新的测试方法中。尤其值得一提的是，合成纤维表面静电荷的长期稳定性已经得到了几十年的密切观察，因为在某些情况下，表面电荷的效应会随着时间而衰减。 最近颁布了适用于HVAC过滤器的两项最常用的测试标准，即修订版ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师协会）标准52.2（带附录J）和欧洲标准FprEN 779:2010，其中包括了静电荷影响过滤效率的相关研究。选用不同的处理方法来模拟实际工作中的放电效应，电荷衰减效应，或者电荷覆盖效应。ASHRAE倾向于用超细颗粒（亚0.1微米 KCl气溶胶）进行过滤介质处理，而欧洲标准则建议采用异丙醇处理法（IPA）。虽然处理方法本身仍然是讨论中的话题，但是其应用的基本原理现在已经被业内人士广泛接受，合成过滤介质的制造商们必须采取措施积极应对，以符合当前测试标准提出的更高的机械过滤效率要求。 通过应用增大气流阻力的介质设计，可以轻松获得较高的机械效率。但是，该方法不具有竞争性，尤其是当考虑能耗时。最近几年，高效生产亚微纤维和纳米纤维的技术不断进步，促进了新型合成过滤介质的产生，提高了用于保留颗粒的机械力和静电力。同时，微细纤维确保过滤介质的压降保持在相对较低的水平。 IREMA FILTER公司应用其专有的集成纳米纤维技术研发出了一种用于HVAC过滤的合成新产品。在独立的实验室中对一种介质（平板式和摺叠式）进行试验，以便直接比较以下三种不同放电方法的效果。 ◆异丙醇（prEN779:2010） ◆超细 KCl（ASHRAE 52.2 附录 J） ◆烟尘纳米微粒（Soot nanoparticle） 除了EN779和ASHRAE测试，还应用了烟尘纳米微粒对过滤介质进行试验，因为烟尘的放电效果已经在ASHRAE研究项目1189和1190中论证过。之所以研究该问题，是因为在全世界的城市环境中都普遍存在着烟尘颗粒，它们是由柴油机驱动的两轮或四轮车辆排放出来的。 过滤介质由聚丙烯组成——它是一种具有明显驻极体效应的聚合体。深度过滤介质设计由多个区域组成，它们满足不同的过滤介质需求，例如成褶性、容尘量、细粒滞留，以及纳米纤维保护。介质的机械效率主要取决于微细纤维区域（如图1所示）。 异丙醇处理（prEN779:2010） 分别对材料进行摺叠，并测试其对静电力的影响。结果表明，当应用常规EN779:2002标准（这是一种没有任何放电处理的测试）时，将得到F7级过滤器。EN779:2010还要求经过IPA处理之后的最小DEHS颗粒效率为35%，新过滤介质也达到了这一要求。在此之后，将摺叠式过滤器完全浸入异丙醇中使其均匀放电，然后按照EN779的要求，在经过24小时的干燥期之后，再次对其进行测试。纳米纤维（直径小至0.4微米）对机械过滤效率的强烈影响显而易见。与未处理样本相比，完全放电过滤器的效率下降得很少（如图2所示）。在相似的压降条件下，两种测试类型（未经处理的和处理过的）都得到了F7级过滤器。 超细KCI处理（ASHRAE 52.2附录J） 与EN799的浸没技术形成鲜明对比的是ASHRAE放电测试，它倾向于采用基于颗粒的方法。将超细氯化钾颗粒（直径大约为40纳米）堆积在摺叠式过滤器上。同时，不断测试KCl（在0.3到10 微米之间）的清除效率，直到报告出现最小效率为止。在该调整步骤期间，未发现压降有任何增大。 这之后，按照通常的ASHRAE52.2测试标准来加载粉尘，以确定各自的Merv分级。使用该放电方法，被测试过滤器对于小颗粒的过滤效率明显下降。这表明依然残存在纤维上的表面电荷已经由于碰撞KCl纳米颗粒而变得不活泼。 但是，在应用完整的测试方法之后，过滤器的等级被定为Merv 13-A。这意味着在放电条件下达到了Merv13级（与欧洲F7级相当），见图3。 烟尘纳米颗粒 在城市环境中，有大量使用柴油机或者其他燃烧过程的汽车，因此有大量的烟尘纳米颗粒和团聚体排放到周围的空气中。同时，众所周知，烟尘颗粒是一种传导材料——常常由于消除了驻极体效应而对带静电的空气过滤器造成很大的影响。 为了研究除ASHRAE调整步骤之外的第二种基于粒子的过滤器处理方法，实验生成了烟尘纳米颗粒（平均直径为70纳米），并将其加载到过滤介质上。在加载颗粒期间，对NaCl的清除效率进行持续测量。与加载KCl纳米颗粒的效果截然不同，当烟尘在纤维表面形成树状结构时，过滤器的压降持续增大（如图4所示）。 当颗粒尺寸大于0.3微米时，烟尘颗粒一点儿都不会造成NaCl效率的损失。仅仅在较小颗粒尺寸的条件下，通过应用SMPS方法才观察到轻微的效率下降。图5显示了初始的和最小的效率曲线（在+50 Pa处）。 放电步骤的讨论 最近对一种特殊过滤介质的不同放电方法进行了研究和直接比较，旨在确定IREMA FILTER公司生产的具有集成纳米纤维的合成微细粉尘介质的静电特性。 浸入异丙醇的处理方法对于从气流中清除DEHS的效果并无明显影响，正如同最新的测试标准prEN779:2010中所要求的一样。该试验方法易于采用，并且对于平板材料和不同高度的摺叠式过滤器，测试结果均可重现。 如果使用ASHRAE 52.2附录J测试方法，则KCl效率起初较高，然后在放电过程中下降，并可检测到表面电荷。调整之后的最小KCl清除效率略低于IPA处理之后的DEHS清除效率，但是两者整体范围接近。ASHRAE测试方法能够在不同过滤器高度的条件下重复，但是难以实施，因为调整气溶胶的制备和特征化实验设备非常稀有。此外，对全部过滤器进行调整需要好几天的时间，花费不菲。而且，即使是对非驻极体介质，该调整步骤在不同的美国实验室内的可变性也相当大。 燃烧过程排放的烟尘纳米颗粒实际上并不导致NaCl颗粒的清除效率下降。在加载颗粒期间，测量发现压降相当迅速地增大，这是因为形成了树状结构，同时还提高了过滤效率。 试验表明，当应用纳米纤维使用聚丙烯过滤介质（该材料的纤维上至少存在固有表面电荷），表面电荷和驻极体效应的影响被减小到最低程度。这意味着，合成过滤材料能够提供与玻璃纤维介质相同的机械效率，以及合成材料本身的优良特性，包括更高的机械稳定性、防潮性，或者无粘合剂设计与可燃性。 能源效率 在不改变介质设计的前提下，更高的机械过滤效率往往导致空气流阻增大，容尘量降低。自然地，会对能源效率造成不良影响。 当使用微细纤维和纳米纤维时，为了达到高机械过滤效率，过滤介质的压降增大得相对较少。同时，由于布局合理，不同的纤维直径优化了过滤介质的先进设计，并且明显提高了容尘量。IREMA微细粉尘过滤介质含有一种极为先进的成分，其目的是为了在高机械效率条件下，提供比传统微细粉尘过滤介质更持久的使用寿命。按照EN779标准，对摺叠式过滤器进行粉尘加载试验的结果如图6所示。 从相同的初始压降开始，IREMA FILTER纳米纤维介质能够容纳相当于传统玻璃纤维或者合成纤维容尘量两倍的粉尘。由于能够长时间保持低压降，所以取得了显著的节能效果。为了估算摺叠式过滤器的能源需求量，可以使用下述公式： 其中， E=能源需求[kWh] Q=流速[m3s-1] ΔP=压降[Pa] t=时间[h] η=风机效率 典型假设： 粉尘浓度：1g Ashrae/天 流速：3400 立方米/秒 能源成本：0.15欧元/千瓦时 每台过滤器的成本：60 欧元/过滤器 人工成本：15 欧元/换班 在这些假设条件下，与传统合成微纤维介质相比，IREMA FILTER纳米纤维介质每年可节省约14%的能源，再算上节省的人工成本，年总成本节省了将近20%。 结论 驻极体效应常被用于向合成纤维介质提供高初始效率和低压降，这是一种非常受欢迎的低能耗使用过滤器的方式。但是，由于现在要求在放电步骤之后仍然具有较高的机械过滤效率，所以许多合成纤维介质不能同时满足高机械效率和长久使用寿命这两方面的需求。 IREMA FILTER运用了两种方法来满足这些要求： ◆ 使用集成纳米纤维来达到高机械效率。 ◆ 提供极为先进的介质设计来获得更高的容尘量。 这种方式实现了高机械过滤效率和低能耗的完美结合。(end)

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