Influenza della geometria pieghettata sulle perdite di carico dei filtri durante il processo di caricamento delle polveri: studio sperimentale e modellistico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20331 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, un modello di caduta di pressione è stato sviluppato attraverso simulazione numerica e sperimentazione per ottimizzare la progettazione della struttura pieghettata del media filtrante per prolungare la durata di servizio del filtro e ridurre il consumo energetico di ventilazione. L'effetto del numero di Stokes sulla deposizione di polvere sul media filtrante pieghettato è stato rivelato attraverso una simulazione numerica. Su questa base è stato sviluppato un modello di caduta di pressione durante il caricamento della polvere. Il modello suggerisce che, a parità di massa di polvere depositata per unità di area (W), maggiore è il rapporto di piega (α), maggiore è lo spessore del panello di polvere e la velocità di filtrazione effettiva nell'area di filtrazione effettiva. Inoltre, per i filtri a V e a U, le deviazioni medie relative tra le perdite di carico totali sperimentali e di modello sono rispettivamente del 3,68% e del 4,82%. In altre parole, il modello proposto prevede accuratamente la caduta di pressione durante il caricamento della polvere. Inoltre, a parità di α e \(W\), la caduta di pressione totale del filtro a U è inferiore a quella del filtro a V, dimostrando le prestazioni di filtrazione superiori del filtro a U.

I filtri pieghettati sono comunemente utilizzati nei settori dei sistemi HVAC e dei purificatori d'aria. Attraverso il media filtrante pieghettato, è possibile ottenere un'area di filtrazione più ampia e una velocità di filtrazione inferiore in uno spazio limitato, estendendo il periodo di sostituzione del filtro1,2,3,4,5,6,7. L'efficienza di filtrazione e la caduta di pressione sono due indicatori importanti delle prestazioni del filtro. L’efficienza della filtrazione è fortemente influenzata dal mezzo filtrante e dalla velocità di filtrazione. La geometria della piega ha un effetto limitato sull'efficienza di filtrazione8,9,10. La deformazione da flessione indotta dalla piega del media filtrante, d'altro canto, comporterà cambiamenti nella sua permeabilità e porosità, aumentando la caduta di pressione del filtro3,11,12,13. Nel frattempo, la geometria pieghettata causerà variazioni nel campo del flusso d'aria e una deposizione di polvere non uniforme, quindi la caduta di pressione durante il caricamento della polvere è maggiore di quella della filtrazione piatta12,14,15,16,17,18. La geometria pieghettata ha un impatto significativo sulle prestazioni del filtro. Tuttavia, le ricerche attuali sulla previsione della caduta di pressione durante il carico di polvere sono insufficienti e la maggior parte di esse sono studi sperimentali19,20,21,22.

Attualmente sono in corso studi per prevedere la caduta di pressione di filtri con diverse geometrie pieghettate1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 hanno sviluppato un modello di previsione della caduta di pressione per filtri puliti a forma di V e a U, dividendo la caduta di pressione totale in tre componenti: differenza di pressione all'interno della piega dovuta a perdite per attrito e guadagno di pressione dinamico; perdita di pressione dovuta alla contrazione e all'espansione quando l'aria entra ed esce dal sistema di pieghe; e la caduta di pressione quando l'aria fluisce attraverso il mezzo filtrante. La velocità di filtrazione nel loro studio varia da 1 a 10 m/s e il rapporto tra la caduta di pressione causata dalla geometria pieghettata e la caduta di pressione totale cresce all'aumentare della velocità di filtrazione. Del Fabbro et al.26 hanno stabilito un modello semi-empirico adimensionale che prevedeva la caduta di pressione dei filtri puliti in base al tipo di media filtrante, alla geometria pieghettata e ai parametri di flusso. Tuttavia, gli studi precedenti erano limitati ai filtri puliti e non includevano la previsione della caduta di pressione durante il caricamento della polvere.

Finora è stata raramente riportata la previsione della caduta di pressione di filtri con diverse geometrie pieghettate durante il caricamento della polvere. Fotovati et al.18 hanno studiato la deposizione di polvere non uniforme su filtri a V e a U e hanno calcolato la variazione della caduta di pressione con la deposizione di polvere. Tuttavia, nel loro studio le particelle di polvere avevano dimensioni di 3 μm e 10 μm, mentre in realtà le particelle di polvere sono per lo più polidisperse. Utilizzando le espressioni analitiche per le componenti x e y del campo di velocità all'interno dei canali a forma di V e a forma di U, Saleh et al.27 hanno dedotto un semplice modello semi-numerico che può essere applicato per prevedere la caduta di pressione dei filtri pieghettati durante la polvere caricamento. Tuttavia il modello non tiene conto della deposizione irregolare della polvere sulla zona plissettata dei filtri.