Influencia de la geometría plisada en la caída de presión de los filtros durante el proceso de carga de polvo: estudio experimental y de modelado

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20331 (2022) Citar este artículo

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En este estudio, se desarrolló un modelo de caída de presión mediante simulación numérica y experimentación para optimizar el diseño de la estructura plisada del medio filtrante para prolongar la vida útil del filtro y reducir el consumo de energía de ventilación. El efecto del número de Stokes en la deposición de polvo en el medio filtrante plisado se reveló mediante simulación numérica. Sobre esta base, se desarrolló un modelo de caída de presión durante la carga de polvo. El modelo sugiere que bajo la misma masa de deposición de polvo por unidad de área (W), cuanto mayor sea la relación de pliegues (α), mayor será el espesor de la torta de polvo y la velocidad de filtración efectiva en el área de filtración efectiva. Además, para los filtros en forma de V y en forma de U, las desviaciones medias relativas entre las caídas de presión totales experimentales y de modelado son 3,68 % y 4,82 %, respectivamente. En otras palabras, el modelo propuesto predice con precisión la caída de presión durante la carga de polvo. Además, bajo el mismo α y \(W\), la caída de presión total del filtro en forma de U es menor que la del filtro en forma de V, lo que demuestra el rendimiento de filtración superior del filtro en forma de U.

Los filtros plisados ​​se usan comúnmente en los campos de los sistemas HVAC y purificadores de aire. A través de los medios filtrantes plisados, se puede lograr un área de filtración más grande y una velocidad de filtración más baja en un espacio limitado, extendiendo el período de reemplazo del filtro1,2,3,4,5,6,7. La eficiencia de filtración y la caída de presión son dos indicadores importantes del rendimiento del filtro. La eficiencia de filtración está fuertemente influenciada por el medio filtrante y la velocidad de filtración. La geometría de los pliegues tiene un efecto limitado sobre la eficiencia de filtración8,9,10. La deformación por flexión inducida por los pliegues del medio filtrante, por otro lado, dará como resultado cambios en su permeabilidad y porosidad, aumentando la caída de presión del filtro3,11,12,13. Mientras tanto, la geometría plisada provocará una variación en el campo de flujo de aire y una deposición de polvo no uniforme y, por lo tanto, la caída de presión durante la carga de polvo es mayor que la de la filtración plana12,14,15,16,17,18. La geometría plisada tiene un impacto significativo en el rendimiento del filtro. Sin embargo, las investigaciones actuales sobre la predicción de la caída de presión durante la carga de polvo son insuficientes y la mayoría de ellas son estudios experimentales19,20,21,22.

Actualmente se están realizando estudios para predecir la caída de presión de filtros con diversas geometrías de pliegues1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 desarrollaron un modelo de predicción de caída de presión para filtros limpios en forma de V y en forma de U, dividiendo la caída de presión total en tres componentes: diferencia de presión dentro del pliegue debido a pérdidas por fricción y ganancia de presión dinámica; caída de presión debido a la contracción y expansión cuando el aire entra y sale del sistema de pliegues; y caída de presión cuando el aire fluye a través del medio filtrante. La velocidad de filtración en su estudio oscila entre 1 y 10 m/s, y la relación entre la caída de presión causada por la geometría plisada y la caída de presión total crece a medida que aumenta la velocidad de filtración. Del Fabbro et al.26 establecieron un modelo adimensional semiempírico que predecía la caída de presión de los filtros limpios según el tipo de medio filtrante, la geometría plegada y el parámetro de flujo. Sin embargo, los estudios anteriores se limitaron a filtros limpios y no incluyeron la predicción de la caída de presión durante la carga de polvo.

La predicción de la caída de presión de los filtros con diferentes geometrías de pliegues durante la carga de polvo rara vez se ha informado hasta ahora. Fotovati et al.18 investigaron la deposición de polvo no uniforme en filtros en forma de V y en forma de U y calcularon la variación de la caída de presión con la deposición de polvo. No obstante, las partículas de polvo en su estudio tenían un tamaño de 3 μm y 10 μm, mientras que en realidad las partículas de polvo son en su mayoría polidispersas. Usando las expresiones analíticas para los componentes x e y del campo de velocidad dentro de los canales en forma de V y en forma de U, Saleh et al.27 dedujeron un modelo seminumérico simple que se puede aplicar para predecir la caída de presión de los filtros plisados ​​durante la formación de polvo. cargando. Sin embargo, el modelo no considera la deposición desigual de polvo en el área plisada de los filtros.

A través de la investigación de los campos de flujo de aire y la deposición de PM10 de filtros en forma de V y en forma de U, en este estudio se estableció un modelo de caída de presión durante la carga de polvo, que se puede utilizar para optimizar el diseño de la estructura plisada del filtro para reducir la resistencia, alargando así la vida útil de los filtros y reduciendo el consumo energético de ventilación.

Como medio filtrante se seleccionó la microfibra de polipropileno (Henan Aklly Filter Engineering Co., Ltd., Xinxiang, China), que tiene un grado de filtrado E10 (clasificado según EN 1822-1-201928), un espesor de 0,5 mm, y un gramaje de 110 g/m2. La imagen SEM (VEGA, TESCAN, checo) del medio filtrante se presenta en la Fig. 1, y la estructura de la fibra muestra una red espacial tridimensional desordenada. Según el cálculo estadístico del diámetro de la fibra en la imagen, el diámetro promedio de la fibra del filtro fue de alrededor de 4,6 ± 0,3 μm.

Imagen SEM del medio filtrante con un aumento de 1000.

Los filtros plisados ​​utilizados en el experimento fueron hechos a mano. Un anillo de polimetilmetacrilato transparente con un diámetro exterior de 150 mm, un diámetro interior de 140 mm y una altura de 25 mm sirvió como marco exterior. Las geometrías de los filtros en forma de V y en forma de U se muestran en la Fig. 2. El número de pliegues del filtro artesanal fue de 5, 10, 15, 20 y 25, respectivamente, y la altura de los pliegues fue de 20 mm. Se usó un adhesivo de fusión en caliente para asegurar el medio filtrante al marco exterior. Las áreas plisadas debían simplificarse con un cierto grosor de material filtrante. El área plisada en el filtro en forma de V era un arco con un radio igual al grosor del medio filtrante (\(T_{F}\)) en la parte exterior de la esquina del pliegue. El área plisada en el filtro en forma de U se consideró como un ángulo recto. La ubicación central de los medios filtrantes se utilizó para calcular los parámetros de los filtros con diferentes geometrías (la línea de puntos en la Fig. 2).

Filtros con diferentes geometrías.

La investigación para el filtro en forma de V se realizó en un pliegue individual.

donde θ es el ángulo del pliegue (°), \(P_{W}\) es el paso del pliegue (m), \(T_{F}\) es el grosor del medio filtrante (m) y \(P_{H }\) es la altura del pliegue (m). Como resultado, se pueden calcular los valores de θ bajo varias proporciones de pliegues (α). El área de filtración teórica por unidad de longitud de un pliegue individual se puede expresar como:

donde \(s_{Vt}\) es el área de filtración teórica por unidad de longitud de un pliegue individual en forma de V (m2); \(s_{Vt1}\) es el área del arco por unidad de longitud de la esquina del pliegue (m2); y \(s_{Vt2}\) es el área del plano inclinado por unidad de longitud del pliegue (m2). Cuando el filtro es circular con un diámetro (D) de 140 mm y N pliegues, el área de filtración teórica (\(S_{V}\)) se da como:

En el caso de un pliegue individual, el área de filtración teórica por unidad de longitud para el filtro en forma de U es

El área de filtración teórica de un filtro circular de diámetro (D) de 140 mm se expresa como:

El ángulo de pliegue θ en el filtro en forma de V se obtiene mediante la ecuación. (1), y el área de filtración teórica de filtros con diferentes geometrías puede obtenerse mediante las Ecs. (3) y (5). Los parámetros específicos se enumeran en la Tabla 1, donde la relación de pliegues del filtro plano es 0.

Este experimento utilizó cenizas volantes de malla 400 con una densidad de 620 kg/m3 que se secaron a 100 °C durante 5 h. Se usó un analizador de tamaño de partículas láser (Winner2000, Jinan Winner Particle Instrument Stock Co., Ltd., Jinan, China) para medir la distribución del tamaño de partículas, como se presenta en la Fig. 3. las partículas de polvo son de 2,39 μm y 1,98 μm, respectivamente.

Distribución del tamaño de partícula del polvo.

En este estudio se adoptó una simulación numérica bidimensional para explorar el efecto de la geometría plisada en el campo de flujo de aire y la trayectoria del movimiento de las partículas de polvo, y la región computacional y las condiciones de contorno se representan en la Fig. 4. La región computacional se divide en tres zonas: la zona del medio filtrante plisado, la zona de campo de velocidad aguas arriba del filtro y la zona de campo de velocidad aguas abajo del filtro (Fig. 4). Entre estas tres zonas, la zona de medios filtrantes plisados ​​es un área de medios porosos isotrópicos donde se ignora el rendimiento de la zona de flexión de los medios filtrantes. Las zonas de campo de velocidad aguas arriba y aguas abajo del filtro tienen una longitud de 100 mm. La entrada de velocidad y la salida de presión están en los lados izquierdo y derecho, respectivamente, y los lados superior e inferior son límites periódicos que sirven para reducir la influencia de la capa límite en el campo de velocidad. La región computacional está sujeta a mallas no estructuradas, con tamaños de malla de 0,05 mm y 0,2 mm para la zona de medios porosos y otras zonas, respectivamente. En base a esto, se mallan los dominios computacionales de los filtros en forma de V y en forma de U bajo diferentes valores de α. Las caídas de presión y la distribución de velocidades en mallas más finas son esencialmente las mismas que los valores obtenidos aquí, lo que indica que la malla en este estudio es razonable.

Región computacional de simulación numérica.

En este estudio, se utilizó el software ANSYS Fluent 19.0 para la simulación numérica de los filtros en forma de V y en forma de U con valores de α variables. Se muestran las velocidades del aire de entrada de los filtros en forma de V y en forma de U con diferentes valores de α cuando la velocidad de filtración es de 4 cm/s (Tabla 2). Debido a que el número de Reynolds es pequeño, se aplica una simulación laminar. Los valores de los parámetros en la simulación numérica son los siguientes: la densidad del aire es 1,2 kg/m3, la viscosidad dinámica es 1,8156 × 10−5 Pa·s, la permeabilidad es 9,5810 × 10−12 m2 y la porosidad es 0,84 . La presión manométrica se establece en 0 Pa en la salida y el acoplamiento presión-velocidad se realiza mediante el algoritmo SIMPLEC.

El sistema experimental de filtración de polvo, como se ilustra en la Fig. 5, se compone de tres partes: la unidad de generación de polvo, la unidad de filtración y la unidad de monitoreo. Un compresor de aire, un tubo de secado, una válvula reductora de presión, una válvula de regulación de flujo R1, un medidor de flujo F1, un alimentador de polvo (Generador de partículas sólidas 9309, TSI, EE. UU.), un contenedor de mezcla de polvo y un ventilador centrífugo C1 constituyen la unidad de generación de polvo. El procedimiento de generación de polvo se describe de la siguiente manera: primero, el aire a alta presión del compresor de aire se ajustó a un flujo de aire de presión baja y constante a través del tubo de secado y la válvula reductora de presión; luego se ajustó el flujo de aire a través de la válvula de regulación de flujo R1 para controlar el suministro del dosificador de polvo; el ventilador centrífugo C1 proporcionó entonces un flujo de aire constante para diluir el polvo en el recipiente de mezcla de polvo y mantener su concentración constante. Un filtro de aire, un tubo de filtro, una válvula de regulación de flujo R2, un ventilador centrífugo C2 y un medidor de flujo F2 eran todos parte del sistema de filtración. El tubo de filtro estaba compuesto por dos secciones de tuberías con longitudes de 400 mm, diámetros exteriores de 150 mm y diámetros interiores de 140 mm. Las dos secciones de tuberías sujetaron el filtro a través del dispositivo de conexión. La unidad de monitoreo incluía un manómetro diferencial (AP800, TSI, EE. UU.) y un monitor ambiental DustTrak (8543, TSI, EE. UU.) para medir la caída de presión del filtro y la concentración de polvo. La medida máxima del manómetro es de 15 inH2O con una resolución de 0,001 inH2O y un error inferior al 1%. El monitor ambiental DustTrak 8543 puede monitorear PM1.0, PM2.5 y concentraciones de polvo total.

Diagrama esquemático del sistema experimental.

Los experimentos se realizaron tanto en un ambiente libre de polvo como en un ambiente que contenía polvo. La velocidad de filtración en el flujo de aire limpio se fijó en 4 cm/s, y el flujo se ajustó mediante la válvula de regulación de flujo R2. Los datos de flujo específicos se enumeran en la Tabla 3. Se midió el cambio en la caída de presión del filtro con flujo bajo diferentes valores de α. El suministro de polvo en el entorno que contiene polvo se ajustó controlando el alimentador de polvo, que mantuvo estable la concentración de polvo en el recipiente de mezcla de polvo en 800 ± 50 mg/m3. El procedimiento experimental específico es el siguiente: primero se ajustó la válvula de regulación R2 para cambiar el flujo de filtración de modo que la tasa de filtración promedio se estabilizara en 4 cm/s; después de eso, se controló la duración de la filtración hasta que la masa de polvo depositado por unidad de área alcanzó 5 mg/cm2, 10 mg/cm2, 15 mg/cm2, 20 mg/cm2, 25 mg/cm2 y 30 mg/cm2, y se registró la caída de presión; finalmente, se pesó el filtro antes y después de cada experimento, y se calculó la masa de polvo depositado por unidad de área. El error debía mantenerse por debajo del 5% o el experimento debía reiniciarse. El experimento anterior se repitió tres veces para asegurar su repetibilidad.

De acuerdo con el método descrito en la Sección "Simulación", los campos de flujo de aire de los filtros en forma de V y en forma de U bajo diferentes α a la velocidad de filtración de 4 cm/s se obtuvieron mediante simulación numérica. Se encontró que la velocidad del aire que fluye a través del medio filtrante exhibe la misma tendencia de variación, es decir, la velocidad del flujo de aire del medio filtrante en el área plisada es baja, mientras que en otras áreas es esencialmente la misma. Los campos de flujo de aire con valores α de 2,14 y 3,57 se ilustran en la Fig. 6. Se supone que la permeabilidad del medio filtrante utilizado en la simulación numérica es constante. Debido a que la deformación por flexión del medio filtrante puede limitar la permeabilidad, la velocidad real del flujo de aire del medio filtrante en el área plisada es menor que la de la simulación numérica. Además, algunos académicos14,16,17 informaron que la velocidad del flujo de aire de los medios filtrantes en el área plisada es increíblemente baja y que la caída de presión simulada obtenida mediante el tratamiento de no permeabilidad es más precisa que la obtenida mediante experimentos. Por lo tanto, el área plisada se considera como un área de filtración no permeable e ineficaz en este estudio.

Campos de flujo de aire a la velocidad de filtración de 4 cm/s.

De acuerdo con los hallazgos de la investigación actual, la deposición de polvo en el medio filtrante está estrechamente relacionada con el número de Stokes (\(S_{tk}\))27,29,30. El número de Stokes se puede expresar como

donde \(\tau\) es el tiempo de relajación de la partícula (s), \(u_{0}\) es la velocidad de las partículas que fluyen a través de obstáculos (m/s), \(L_{0}\) es la característica cantidad de obstáculos (m), \(\rho_{p}\) es la densidad de partículas (kg/m3), \(d_{p}\) es el diámetro de partículas (m), y \(\mu\) es la viscosidad dinámica del aire (Pa·s). La ecuación (6) muestra que cuanto mayor es la velocidad y mayor el tamaño de las partículas de polvo, mayor es \(S_{tk}\). Para los filtros en forma de V y en forma de U, \(L_{0}\) puede ser \(P_{W}\) y \(0.5\;P_{W}\), respectivamente. Bajo la misma velocidad de filtración, \(S_{tk}\) alcanza su valor máximo cuando α es 3.57.

Utilizando el modelo de fase discreta, se simularon numéricamente las trayectorias de movimiento de partículas de 1 μm, 5 μm y 10 μm. Se encontró que la deposición de polvo en el medio filtrante cambia en la misma tendencia con la variación de \(S_{tk}\). La deposición de partículas de polvo de diferentes tamaños en los filtros en forma de V y en forma de U bajo los valores α de 2,14 y 3,57 se presenta en la Fig. 7. Con la excepción del área plisada, la deposición de polvo en los medios filtrantes para el V El filtro de forma es esencialmente uniforme y no cambia con \(S_{tk}\) (ver Fig. 7a,c). Se depositan pocas partículas de polvo en el área plisada del filtro en forma de U. Además, fuera del área plisada, la deposición de polvo en el medio filtrante varía con \(S_{tk}\), y cuanto mayor es \(S_{tk}\), más desigual es la deposición de polvo (consulte la Fig. 7b, d). Este hallazgo es consistente con el hallazgo informado por Saleh et al. que para el filtro en forma de U, la deposición de polvo se puede tratar como uniforme cuando \(S_{tk}\) está por debajo de 0,1, mientras que cuando \(S_{tk}\) es mayor que 0,1, el espesor de la torta de polvo crece linealmente con la profundidad del pliegue27,29. Se concluye que con el aumento de \(S_{tk}\), el área donde las partículas de polvo no pueden llegar se expande (ver Fig. 7b,d). Por ejemplo, cuando \(d_{p}\) es de 5 μm, el área del medio filtrante donde las partículas de polvo no pueden llegar es pequeña, pero cuando \(d_{p}\) es de 10 μm, el área representa casi un tercio del área del filtro (ver Fig. 7d). Dado que aproximadamente el 97 % de las partículas de polvo tienen menos de 5 μm y el porcentaje de las que tienen más de 10 μm es menos del 1 % (consulte la Fig. 3), se puede inferir aproximadamente que las partículas de polvo se depositan uniformemente en el área de filtración efectiva de el filtro en forma de U.

Trayectorias de movimiento de partículas de polvo de diferentes tamaños.

De acuerdo con los resultados de la simulación en la Sección "Simulación numérica de diferentes geometrías de pliegues", la esquina del pliegue en forma de V puede considerarse como un área de filtración ineficaz, como se indica en la parte negra de la Fig. 8a. Las áreas restantes son áreas de filtración efectiva con las mismas velocidades de filtración efectiva, donde reciben una deposición uniforme de partículas de polvo. A medida que aumenta el espesor de la torta de polvo debido a la deposición de polvo en la esquina inferior plegada (Fig. 8b), el área de filtración ineficaz se expande.

Deposición de polvo en el filtro en forma de V.

De acuerdo con la Ec. (2), \(s_{Vt} = 2(s_{Vt1} + s_{Vt2} )\), la masa de deposición de polvo por unidad de longitud de un pliegue individual en forma de V se puede establecer como:

donde \(m_{V0}\) es la masa de deposición de polvo (kg), \(T_{C0}\) es el espesor promedio de la torta de polvo (m), \(\rho\) es la densidad aparente del polvo ( kg/m3), y \(W\) es la masa de deposición de polvo por unidad de área (kg/m2). Cuando la esquina del pliegue del filtro en forma de V es ineficaz, la masa de deposición de polvo es:

donde \(m_{V}\) es la masa de polvo depositado (kg) y \(T_{C}\) es el espesor del polvo depositado en el área de filtración efectiva (m). \(m_{V}\) es igual a \(m_{V0}\). De acuerdo con las Ecs. (7) y (8),

El espesor de polvo del filtro en forma de V en el área de filtración efectiva se puede obtener:

Con el aumento de la masa de deposición de polvo, el área de filtración efectiva disminuye y la velocidad de filtración efectiva aumenta (Fig. 8). La velocidad de filtración efectiva (\(\nu_{f}\)) se puede calcular utilizando el volumen de aire del filtro invariable.

donde \(\nu\) es la velocidad de filtración (4 cm/s). Algunos académicos dividieron la caída de presión total en dos partes, es decir, la caída de presión causada por la estructura plisada y la caída de presión causada por el medio filtrante y la torta de polvo2,15,23. Algunos estudios ignoraron la caída de presión de las estructuras plisadas, principalmente porque la resistencia estructural es mucho menor que la resistencia de filtración a baja velocidad de filtración27,31,32,33. Debido a la baja velocidad de filtración, la resistencia de la estructura puede ignorarse en este estudio. En consecuencia, la caída de presión causada por el medio filtrante y la torta de polvo se considera la caída de presión total y se puede calcular utilizando la ley de Darcy31,32,33,34.

donde \(\Delta P_{T}\) es la caída de presión total del filtro (Pa), \(\Delta P_{F}\) es la caída de presión causada por el medio filtrante (Pa), \(\Delta P_{C}\) es la caída de presión causada por la torta de polvo (Pa), \(K_{F}\) es el coeficiente de permeabilidad del medio filtrante (m2), \(K_{C}\) es la permeabilidad coeficiente de la torta de polvo (m2), y \(\nu_{f}\) es la velocidad de filtración efectiva (m/s).

De acuerdo con el método de tratamiento de la geometría en forma de V descrito en la Sección "Modelo de caída de presión del filtro en forma de V durante la carga de polvo", el área plisada se considera un área de filtración ineficaz, como se ilustra en la parte negra de la Fig. 9a. Excepto por el área de filtración ineficaz, todas las demás áreas son áreas de filtración efectiva con las mismas velocidades de filtración efectivas. Las partículas de polvo se depositan uniformemente en el área de filtración efectiva. La deposición en el área plegada inferior provoca el aumento del espesor de la torta de polvo, aumentando el área de filtración ineficaz (ver Fig. 9b).

deposición de polvo en el filtro en forma de U.

De acuerdo con la Ec. (4), el área de filtración teórica por unidad de longitud de un pliegue individual en forma de U se puede expresar como \(s_{Ut} = 2P_{H} + P_{W}\), por lo que la masa de deposición de polvo se puede expresar como:

Cuando el área plisada del filtro en forma de U es ineficaz, la masa de deposición de polvo es

\(m_{V}\) es igual a \(m_{V0}\). De acuerdo con las Ecs. (13) y (14),

El espesor de la torta de polvo del filtro en forma de U en el área de filtración efectiva se puede obtener:

Con el aumento de la masa de deposición de polvo, el área de filtración efectiva disminuye y la velocidad de filtración efectiva aumenta. De acuerdo con el volumen de aire del filtro invariable, se puede obtener la velocidad de filtración efectiva (\(\nu_{f}\)).

La caída de presión total del filtro en forma de U se puede calcular mediante la ecuación. (12).

El cambio registrado experimentalmente de la caída de presión total y la eficiencia de eliminación de polvo con la masa de deposición de polvo por unidad de área \(W\) durante la filtración plana se muestra en la Fig. 10. La concentración de polvo y la velocidad de filtración se establecieron en 800 ± 50 mg /m3 y 4 cm/s, respectivamente. Como se presenta en la Fig. 10a, la caída de presión total aumenta a medida que aumenta \(W\); además, la tasa creciente primero sube y luego cae debido a cambios en las características de deposición de polvo. Song, Tanabe y Li et al.31,33,35 encontraron que la variación de la caída de presión con la deposición de polvo se puede dividir en tres etapas: filtración profunda, transición y filtración superficial. La filtración profunda ocurre en la etapa inicial de filtración. En esta etapa, las partículas grandes se depositan en la superficie del medio filtrante, mientras que las partículas finas ingresan al medio filtrante y quedan atrapadas, lo que da como resultado una menor porosidad del medio filtrante y, por lo tanto, un aumento lento pero acelerado de la caída de presión, así como eficiencia de filtración mejorada. Según la Fig. 10b, la eficiencia de eliminación de polvo aumenta rápidamente del 99,9 al 100%. Luego entra en la etapa de transición, durante la cual se forma una torta de polvo en la superficie del medio filtrante, lo que indica que la filtración profunda ha sido reemplazada por la filtración superficial, es decir, ha comenzado la tercera etapa. La filtración superficial domina la tercera etapa, donde la caída de presión aumenta linealmente y la eficiencia de filtración alcanza su punto máximo. Cuando W supera los 15 mg/cm2, la caída de presión total aumenta aproximadamente de forma lineal, lo que es una marca de filtración superficial; en cambio, cuando W está por debajo de 15 mg/cm2, se encuentra en las etapas de filtración profunda y transición (ver Fig. 10a). En este estudio, se supone que las partículas de polvo simplemente se depositan en la superficie del medio filtrante. Bajo tal suposición, se puede calcular el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo.

Cambios en la caída de presión total y la eficiencia de eliminación de polvo con \(W\) durante la filtración plana (a) cambio en la caída de presión total con \(W\), (b) cambios en la concentración de polvo y la eficiencia de eliminación de polvo con \(W\) después de la filtración.

Durante la filtración plana, la caída de presión total consta de dos partes. es decir, la caída de presión provocada por el medio filtrante y la caída de presión provocada por la torta de polvo. Cuando \(W\) es 0, el coeficiente de permeabilidad del medio filtrante se puede calcular mediante la ecuación. (12).

Según las condiciones y los resultados experimentales, \(\Delta P_{F}\) es 37,9 ± 1,2 Pa, \(\mu\) es 1,8156 × 10−5 Pa·s, \(T_{F}\) es 0,0005 m, \(\nu\) es 0,04 m/s, y \(K_{F}\) es 9,5810 × 10–12 m2. Cuando se depositan partículas de polvo, \(K_{C}\) se puede expresar como

donde \(\rho\) es la densidad aparente del polvo (620 kg/m3). El cambio en el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo con \(W\) se muestra en la Fig. 11.

Cambio en el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo con \(W\) durante la filtración plana.

Cuando \(W\) son 5, 10, 15, 20, 25 y 30 mg/cm2, respectivamente, los espesores de la torta de polvo depositada en el área de filtración efectiva y las velocidades de filtración efectivas para filtros en forma de V y en forma de U bajo diferentes α se puede calcular mediante las Ecs. (10), (11), (16) y (17) (ver Figs. 12 y 13). Los espesores de la torta de polvo para los filtros plisados ​​obtenidos por el modelo son mayores que los de la filtración plana, y los espesores crecen con los aumentos de α y \(W\) (ver Fig. 12). Las velocidades de filtración efectivas de los filtros plisados ​​obtenidas por el modelo son más altas que las velocidades de filtración teóricas, y las velocidades también aumentan con α y \(W\) (ver Fig. 13). Esto se debe a la existencia de un área de filtración ineficaz en la geometría plisada, y cuanto mayor sea α y \(W\), mayor será el área de filtración ineficaz, mayor será el espesor de la torta de polvo y la velocidad de filtración efectiva en el área de filtración efectiva. La comparación entre la Fig. 12a,b indica que bajo el mismo W, el espesor de la torta de polvo y la velocidad de filtración efectiva en el área de filtración efectiva del filtro en forma de V con diferentes α difieren significativamente, mientras que aquellos en el filtro en forma de U difieren de manera insignificante. . Esto se debe a la rápida expansión del área de filtración ineficaz provocada por la acumulación de polvo en la esquina del pliegue del filtro en forma de V.

Espesores de torta de polvo obtenidos por el modelo (a) en forma de V, (b) en forma de U.

Velocidades de filtración efectivas obtenidas por el modelo (a) en forma de V, (b) en forma de U.

Bajo el mismo \(W\), en comparación con la filtración plana, la filtración plisada conduce a aumentos en el espesor de la torta de polvo depositada en el área de filtración efectiva y la velocidad de filtración efectiva, alterando inevitablemente el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo. Sin embargo, es difícil medir el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo cuando los medios filtrantes están plegados. Para calcular la caída de presión total por el modelo, se puede considerar que bajo el mismo \(W\), el coeficiente de permeabilidad de la torta de polvo durante la filtración plisada es el mismo que durante la filtración plana. De esta forma, la caída de presión total del modelo se puede calcular a través del espesor de la torta de polvo y la velocidad de filtración efectiva obtenida por la Ec. (12). En las Figs. 14 y 15, respectivamente. En el experimento de carga de polvo, la concentración de polvo es de 800 ± 50 mg/m3 y la velocidad de filtración teórica es de 4 cm/s. Se puede ver que las caídas de presión total experimentales y de modelado para filtros en forma de V y en forma de U presentan la misma tendencia de variación, ambas aumentando con los aumentos en α y \(W\). Sus errores relativos oscilan entre − 8,17 y 5,15 % y entre − 6,72 y 9,42 %, y sus desviaciones medias relativas son 3,68 % y 4,82 %, respectivamente. En conclusión, el modelo de predicción propuesto puede predecir con precisión las caídas de presión totales de los filtros con diferentes geometrías de pliegues durante la carga de polvo. Esto también implica que es razonable realizar un tratamiento de impermeabilidad para las áreas plisadas y procurar que las partículas de polvo se depositen uniformemente en el área de filtración efectiva. Los datos también revelan que bajo el mismo α y \(W\), la caída de presión total del filtro en forma de U es menor que la del filtro en forma de V, lo que demuestra el rendimiento de filtración superior del filtro en forma de U.

Cambios en las caídas de presión totales experimentales y de modelado con \(W\) para el filtro en forma de V (a) α = 0,71, (b) α = 1,43, (c) α = 2,14, (d) α = 2,86, (e) α = 3,57.

Cambios en las caídas de presión totales experimentales y de modelado con \(W\) para filtro en forma de U (a) α = 0.71, (b) α = 1.43, (c) α = 2.14, (d) α = 2.86, (e) α = 3,57.

En la sección "Simulación numérica de diferentes geometrías de pliegues", el medio filtrante plisado limpio se divide en área de filtración efectiva y área de filtración ineficaz según la velocidad del aire que fluye a través del medio filtrante, que es el requisito previo para la derivación del modelo. Sin embargo, debido a que la carga de polvo altera el campo de flujo de aire, el modelo solo es aplicable cuando el espesor de la torta de polvo es pequeño. Este estudio investigó el tamaño de partículas con diámetros inferiores a 10 μm. Los resultados experimentales muestran que el modelo puede predecir con precisión la caída de presión cuando \(W\) ≤ 30 mg/cm2, y el espesor medio correspondiente de la torta de polvo \(T_{C0}\) es ≤ 0,48 mm. En la práctica, las partículas de polvo se depositan de manera desigual en el medio filtrante plisado. En este estudio, no hay partículas de polvo depositadas en el área de filtración ineficaz, y las partículas de polvo se depositan uniformemente en el área de filtración efectiva, que es un tratamiento simplificado cuando \(S_{tk}\) es pequeño. Para determinar el valor máximo de \(S_{tk}\) aplicable al modelo, se exploraron más a fondo las trayectorias de movimiento de las partículas bajo diferentes \(S_{tk}\) mediante simulación numérica (ver Fig. 16). Se puede ver que cuanto mayor es \(S_{tk}\), más desigual es la deposición de polvo en el área de filtración efectiva. Cuando \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3, se puede considerar que las partículas de polvo se depositan uniformemente en el área de filtración efectiva. Por tanto, este modelo es aplicable cuando el tamaño de partícula es inferior a 10 μm, \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 y \(T_{C0}\) ≤ 0,48 mm.

Trayectorias de movimiento de partículas a diferentes \(S_{tk}\).

Mediante simulación numérica, se reveló la influencia del número de Stokes en la deposición de polvo en el medio filtrante plisado. La deposición de partículas de polvo sobre el área de filtración efectiva del filtro en forma de V es esencialmente uniforme. Por el contrario, para el filtro en forma de U, cuanto mayor es \(S_{tk}\), más irregular es la deposición de polvo en el área de filtración efectiva.

Se presentó un modelo de caída de presión que puede predecir con precisión la caída de presión de los filtros en forma de V y en forma de U durante la carga de polvo, que se puede utilizar para predecir la vida útil de los filtros. Para los filtros en forma de V y en forma de U, las desviaciones medias relativas entre las caídas de presión totales experimentales y de modelado son 3,68 % y 4,82 %, respectivamente.

Bajo el mismo α y \(W\), la caída de presión total del filtro en forma de U es menor que la del filtro en forma de V, lo que demuestra el rendimiento de filtración superior del filtro en forma de U.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles previa solicitud razonable del autor correspondiente.

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Descargar referencias

Este estudio fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 52074279, 51904291), los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (No. 2020XGYJ08), el Programa de Investigación Básica de la Provincia de Jiangsu (No. BK20190638) y la Provincia de Hunan. Departamento de Educación (No. 17C0429).

Escuela de Ingeniería de Seguridad, Universidad China de Minería y Tecnología, Xuzhou, 221116, China

Guangping Teng, Guoqing Shi y Jintuo Zhu

Escuela de Ingeniería de Gestión y Seguridad, Instituto de Tecnología de Hunan, Hengyang, 421002, China

Guangping Teng

Laboratorio estatal clave de recursos de carbón y minería segura, Universidad de Minería y Tecnología de China, Xuzhou, 221116, China

Guoqing Shi

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Conceptos y diseño: GT, GS y JZ; estudios experimentales/análisis de datos: GT; preparación del manuscrito: GT y JZ; edición de manuscritos: GT y GS; Todos los autores revisaron críticamente y aprobaron la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Guoqing Shi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Teng, G., Shi, G. & Zhu, J. Influencia de la geometría plisada en la caída de presión de los filtros durante el proceso de carga de polvo: estudio experimental y de modelado. Informe científico 12, 20331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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Recibido: 24 de septiembre de 2022

Aceptado: 21 de noviembre de 2022

Publicado: 25 noviembre 2022

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

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