壓縮空氣過(guò)濾器的工作原理是什么？

一場(chǎng)從天而降的疫情不僅攪亂了我們的生產(chǎn)計(jì)劃，還給我們的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來(lái)了嚴(yán)重的影響，甚至給很多企業(yè)的發(fā)展打了大大的“？”。至今，我們的生活被口罩所主宰，口罩成了生活必需品，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為它能幫我們過(guò)濾掉新冠病毒。那么，作為對(duì)壓縮空氣進(jìn)行濾除的過(guò)濾器，我們用氣企業(yè)是否也應(yīng)該考慮它的過(guò)濾效果，而不是隨意的采購(gòu)與使用呢？

答案顯而易見(jiàn)。為此，我們從過(guò)濾機(jī)理與過(guò)濾芯材質(zhì)兩個(gè)方面簡(jiǎn)要解析一下過(guò)濾器，供選用參考。

壓縮空氣中的污染物主要有三種，一種是被吸入機(jī)頭的大氣污染物，其中80%的直徑在2μm以下（大于的粒子被空氣過(guò)濾器過(guò)濾了）；另一種是主機(jī)的帶出物，呈煙霧狀態(tài)，消散開(kāi)來(lái)便成0.01～0.8μm的氣溶膠；再一種就是壓縮空氣輸送過(guò)程中的管道灰塵或后處理設(shè)備的次生物質(zhì)。一般性質(zhì)的過(guò)濾可將大部分大于1μm的液體和固體物質(zhì)過(guò)濾，而更微小的固體顆粒與氣溶膠，就要采取高效能的過(guò)濾。我們常用的纖維過(guò)濾器有至少五種過(guò)濾機(jī)理。

1、慣性沖擊的作用機(jī)理（如圖1）

當(dāng)微粒隨氣流以一定的速度垂直向纖維方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣受阻即改變方向，繞過(guò)纖維繼續(xù)前進(jìn)，而微料由于慣性較大，不能及時(shí)改變方向跟隨主導(dǎo)氣流前進(jìn)，于是微粒就直沖到纖維的表面，并由于摩擦粘附作用，微粒就會(huì)滯留在纖維表面上，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為慣性沖擊滯留作用。單纖維的慣性沖擊搜捕效率為：

b——纖維能滯留微粒的寬度區(qū)間

df——纖維直徑之比

在過(guò)濾器濾層中，互相交錯(cuò)的無(wú)數(shù)纖維組成層層疊疊的無(wú)數(shù)網(wǎng)格，纖維直徑越小，填充密度越大，所形成的風(fēng)格就越緊密，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)也越多，纖維空間的間隙就越小。當(dāng)壓縮空氣通過(guò)過(guò)濾層時(shí)，僅能從纖維間隙中通過(guò)，由于受纖維交錯(cuò)所阻迫，空氣要不斷改變運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度才能通過(guò)濾層。

慣性沖擊對(duì)粒徑大于0.5μm微粒起著重要的捕集作用。

2、攔截滯留的作用機(jī)理（如圖2）

直徑很細(xì)的微粒質(zhì)量很輕，它隨低速氣流流動(dòng)慢慢靠近纖維時(shí)，微粒所在的主導(dǎo)氣流因受纖維所阻而改變流向繞過(guò)纖維前進(jìn)，并在纖維的周邊形成一層邊界滯留區(qū)，滯留區(qū)內(nèi)的氣流速度更慢，進(jìn)到滯留區(qū)的微粒慢慢靠近和接觸纖維而被粘附滯留，這一效應(yīng)稱(chēng)為攔截滯留作用。攔截滯留作用對(duì)微粒的捕集效率為：

R——微粒與纖維的直徑比

Re——與纖維直徑有關(guān)的氣流雷諾數(shù)

c——流過(guò)過(guò)濾器的平均空氣速度，m/s

ρ——空氣密度，kg/m3

在經(jīng)過(guò)慣性沖擊搜捕后，微粒隨氣流繼續(xù)向前，當(dāng)氣流速度降到臨界速度以下，微粒不能以慣性碰撞而滯留在纖維上，纖維的捕集效率似乎應(yīng)顯著下降。實(shí)驗(yàn)證明，隨著氣流速度的繼續(xù)下降，纖維對(duì)微粒的捕集效率又會(huì)上升，這是攔截滯留作用機(jī)理，在發(fā)揮作用(如圖3)。

所以，在纖維過(guò)濾器工作時(shí)，對(duì)于搜捕大于1μm的微粒，慣性沖擊和攔截滯留機(jī)理所起的作用要點(diǎn)99.9%左右

3、布朗擴(kuò)散的作用機(jī)理（如圖4）

粒徑在1μm以下的氣溶膠子（如油煙、煙霧等）在很慢的氣流中會(huì)產(chǎn)生一種不規(guī)則的直線運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)在物理上稱(chēng)為布朗擴(kuò)散。

布朗擴(kuò)散的直線運(yùn)動(dòng)距離很短，在較快的氣流速度及較大的纖維間隙中是不起作用的。但在較慢的氣流速度和較小的纖維間隙中，對(duì)于粒徑小于0.1μm氣溶膠粒子，布朗擴(kuò)散的作用就變得非常明顯，其作用大大增加了微粒與纖維的接觸機(jī)會(huì)。

設(shè)微粒布朗擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的最大距離是2χ，則離纖維2χ處氣流中的微粒都可能因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與纖維接觸并滯留的纖維上，這就增加了纖維的捕集效率。

BM——微粒擴(kuò)散率

式中

k——波爾曼茨常數(shù)，

T——氣流的絕對(duì)溫度，K

布朗擴(kuò)散機(jī)理對(duì)捕集粒徑小于0.5μm微粒起著重要作用。

4、重力沉降的作用機(jī)理

重力沉降是一個(gè)穩(wěn)定的分離作用，當(dāng)微粒所受的重力大于氣流對(duì)它的拖拽力時(shí)，微粒就容易沉降。由于氣流通過(guò)纖維層時(shí)間很短（一般遠(yuǎn)低于1s），因而對(duì)直徑小于0.5μm的微粒，當(dāng)它還沒(méi)有沉降到纖維表面時(shí)就已經(jīng)通過(guò)纖維，所以，對(duì)于小粒徑微粒重力沉降作用完全可以忽略；而對(duì)大粒徑微粒重力沉降作用提高了攔截沉降的捕集機(jī)理。

當(dāng)氣流垂直于纖維表面時(shí)，重力沉降效率：

當(dāng)氣流平行于纖維表面時(shí)，重力沉降效率：

式中， CS——沉降速度

        C——氣流速度

粉塵粒子的沉降速度與粒子直徑、粒子密度及氣體介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，由下式?jīng)Q定：

5、靜電吸引的作用機(jī)理

干空氣對(duì)非導(dǎo)體物質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，這就是靜電現(xiàn)象，纖維特別是經(jīng)樹(shù)脂處理過(guò)的合成纖維靜電現(xiàn)象更加突出。但僅靠摩擦與感應(yīng)帶上的電荷既不能長(zhǎng)期存在，電場(chǎng)強(qiáng)度也很弱，產(chǎn)生的吸引力很小，對(duì)大粒徑微粒是可以忽略不計(jì)的。

在壓縮空氣過(guò)濾環(huán)境中，微粒及纖維本身經(jīng)常處于被液態(tài)水分的包覆之下，很難形成靜電，因而除非采取強(qiáng)加外電場(chǎng)的措施——這也是改善過(guò)濾性能的一種努力，在高溫環(huán)境下工作的過(guò)濾器是完全可以忽略靜電作用的。但用在干燥器特別是吸附干燥機(jī)后面的過(guò)濾器，由于壓縮空氣的相對(duì)濕度非常低（<1%），此時(shí)，靜電過(guò)濾機(jī)理起的作用就會(huì)很大。

以上，僅簡(jiǎn)要介紹了幾種過(guò)濾機(jī)理，隨著科技的發(fā)展與人們對(duì)過(guò)濾效果、效率、效用的研究的深入，還有離心分離、渦流擴(kuò)散、熱凝聚、磁力淀析的過(guò)濾方法和機(jī)理。

在過(guò)濾器的實(shí)際研發(fā)、設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中，為達(dá)到高效的過(guò)濾效果，通常是幾種機(jī)理一起采用，綜合運(yùn)用。各種機(jī)理能夠獨(dú)立起作用，但是其綜合結(jié)果未必就是單純的疊加，如圖5。

經(jīng)歷過(guò)本次疫情后，人們對(duì)自身的防護(hù)等級(jí)、措施與心理作用會(huì)得到加強(qiáng)，對(duì)于空氣過(guò)濾的應(yīng)用領(lǐng)域與需求也會(huì)增加。更好地理解與掌據(jù)過(guò)濾機(jī)理，是生產(chǎn)、銷(xiāo)售過(guò)濾產(chǎn)品、設(shè)備、材料從業(yè)人員的必備知識(shí)。

比如，近期民航局也關(guān)注到大家對(duì)航空器裝配的高效空氣過(guò)濾器比較關(guān)心，“目前，中國(guó)載客運(yùn)行的飛機(jī)幾乎全部裝配了高效空氣過(guò)濾器。高效空氣過(guò)濾器對(duì)于0.3微米的污染顆粒物的過(guò)濾效率可達(dá)到99.9%以上，能夠有效過(guò)濾掉病原微生物，大大降低了病毒在飛機(jī)上傳播的可能。所以，請(qǐng)大家放心，相信我們能夠?yàn)榇蠹姨峁┌踩臋C(jī)上環(huán)境。”