压缩空气过滤器的工作原理是什么？

一场从天而降的疫情不仅搅乱了我们的生产计划，还给我们的生产经营带来了严重的影响，甚至给很多企业的发展打了大大的“？”。至今，我们的生活被口罩所主宰，口罩成了生活必需品，因为我们认为它能帮我们过滤掉新冠病毒。那么，作为对压缩空气进行滤除的过滤器，我们用气企业是否也应该考虑它的过滤效果，而不是随意的采购与使用呢？

 

 

答案显而易见。为此，我们从过滤机理与过滤芯材质两个方面简要解析一下过滤器，供选用参考。

 

压缩空气中的污染物主要有三种，一种是被吸入机头的大气污染物，其中80%的直径在2μm以下（大于的粒子被空气过滤器过滤了）；另一种是主机的带出物，呈烟雾状态，消散开来便成0.01～0.8μm的气溶胶；再一种就是压缩空气输送过程中的管道灰尘或后处理设备的次生物质。一般性质的过滤可将大部分大于1μm的液体和固体物质过滤，而更微小的固体颗粒与气溶胶，就要采取高效能的过滤。我们常用的纤维过滤器有至少五种过滤机理。

 

1、惯性冲击的作用机理（如图1）

 

当微粒随气流以一定的速度垂直向纤维方向运动时，空气受阻即改变方向，绕过纤维继续前进，而微料由于惯性较大，不能及时改变方向跟随主导气流前进，于是微粒就直冲到纤维的表面，并由于摩擦粘附作用，微粒就会滞留在纤维表面上，这个过程称为惯性冲击滞留作用。单纤维的惯性冲击搜捕效率为：

b——纤维能滞留微粒的宽度区间

df——纤维直径之比

 

在过滤器滤层中，互相交错的无数纤维组成层层叠叠的无数网格，纤维直径越小，填充密度越大，所形成的风格就越紧密，网络层数也越多，纤维空间的间隙就越小。当压缩空气通过过滤层时，仅能从纤维间隙中通过，由于受纤维交错所阻迫，空气要不断改变运动方向和运动速度才能通过滤层。

惯性冲击对粒径大于0.5μm微粒起着重要的捕集作用。

 

2、拦截滞留的作用机理（如图2）

 

直径很细的微粒质量很轻，它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的主导气流因受纤维所阻而改变流向绕过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞留区，滞留区内的气流速度更慢，进到滞留区的微粒慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留，这一效应称为拦截滞留作用。拦截滞留作用对微粒的捕集效率为：

R——微粒与纤维的直径比

Re——与纤维直径有关的气流雷诺数

c——流过过滤器的平均空气速度，m/s

ρ——空气密度，kg/m3

 

在经过惯性冲击搜捕后，微粒随气流继续向前，当气流速度降到临界速度以下，微粒不能以惯性碰撞而滞留在纤维上，纤维的捕集效率似乎应显著下降。实验证明，随着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率又会上升，这是拦截滞留作用机理，在发挥作用(如图3)。

 

所以，在纤维过滤器工作时，对于搜捕大于1μm的微粒，惯性冲击和拦截滞留机理所起的作用要点99.9%左右

 

3、布朗扩散的作用机理（如图4）

 

粒径在1μm以下的气溶胶子（如油烟、烟雾等）在很慢的气流中会产生一种不规则的直线运动，这种运动在物理上称为布朗扩散。

 

布朗扩散的直线运动距离很短，在较快的气流速度及较大的纤维间隙中是不起作用的。但在较慢的气流速度和较小的纤维间隙中，对于粒径小于0.1μm气溶胶粒子，布朗扩散的作用就变得非常明显，其作用大大增加了微粒与纤维的接触机会。

 

设微粒布朗扩散运动的最大距离是2χ，则离纤维2χ处气流中的微粒都可能因扩散运动与纤维接触并滞留的纤维上，这就增加了纤维的捕集效率。

 

BM——微粒扩散率

式中

k——波尔曼茨常数，

T——气流的绝对温度，K

布朗扩散机理对捕集粒径小于0.5μm微粒起着重要作用。

 

4、重力沉降的作用机理

重力沉降是一个稳定的分离作用，当微粒所受的重力大于气流对它的拖拽力时，微粒就容易沉降。由于气流通过纤维层时间很短（一般远低于1s），因而对直径小于0.5μm的微粒，当它还没有沉降到纤维表面时就已经通过纤维，所以，对于小粒径微粒重力沉降作用完全可以忽略；而对大粒径微粒重力沉降作用提高了拦截沉降的捕集机理。

 

当气流垂直于纤维表面时，重力沉降效率：

当气流平行于纤维表面时，重力沉降效率：

式中， CS——沉降速度

        C——气流速度

粉尘粒子的沉降速度与粒子直径、粒子密度及气体介质的性质有关，由下式决定：

 

5、静电吸引的作用机理

干空气对非导体物质相对运动而发生摩擦时会产生诱导电荷，这就是静电现象，纤维特别是经树脂处理过的合成纤维静电现象更加突出。但仅靠摩擦与感应带上的电荷既不能长期存在，电场强度也很弱，产生的吸引力很小，对大粒径微粒是可以忽略不计的。

 

在压缩空气过滤环境中，微粒及纤维本身经常处于被液态水分的包覆之下，很难形成静电，因而除非采取强加外电场的措施——这也是改善过滤性能的一种努力，在高温环境下工作的过滤器是完全可以忽略静电作用的。但用在干燥器特别是吸附干燥机后面的过滤器，由于压缩空气的相对湿度非常低（<1%），此时，静电过滤机理起的作用就会很大。

 

以上，仅简要介绍了几种过滤机理，随着科技的发展与人们对过滤效果、效率、效用的研究的深入，还有离心分离、涡流扩散、热凝聚、磁力淀析的过滤方法和机理。

 

在过滤器的实际研发、设计与使用过程中，为达到高效的过滤效果，通常是几种机理一起采用，综合运用。各种机理能够独立起作用，但是其综合结果未必就是单纯的叠加，如图5。

 

 

经历过本次疫情后，人们对自身的防护等级、措施与心理作用会得到加强，对于空气过滤的应用领域与需求也会增加。更好地理解与掌据过滤机理，是生产、销售过滤产品、设备、材料从业人员的必备知识。

 

比如，近期民航局也关注到大家对航空器装配的高效空气过滤器比较关心，“目前，中国载客运行的飞机几乎全部装配了高效空气过滤器。高效空气过滤器对于0.3微米的污染颗粒物的过滤效率可达到99.9%以上，能够有效过滤掉病原微生物，大大降低了病毒在飞机上传播的可能。所以，请大家放心，相信我们能够为大家提供安全的机上环境。”