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摘 要 壓縮空氣儲(chǔ)能被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，壓縮機(jī)作為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)系統(tǒng)的整體性能有重要影響。壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)是壓縮機(jī)的重要部件，過濾器作為其核心元件，可以有效避免空氣中固體顆粒、液體水和油污等雜質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響，獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的研究雖然取得了一定的進(jìn)展，但是相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)綜述方面卻顯得相對(duì)匱乏。本文通過歸納國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的研究，依照過濾原理進(jìn)行分類，總結(jié)了機(jī)械過濾、吸附過濾、靜電過濾原理的研究進(jìn)展，并歸納了過濾器的過濾性能評(píng)價(jià)指標(biāo)以及優(yōu)化方法，通過分析發(fā)現(xiàn)：相比于吸附式過濾器，機(jī)械式和靜電式應(yīng)用更廣泛，具有過濾效率高、壓降小等優(yōu)勢(shì)；進(jìn)氣過濾系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有過濾效率、壓降、容塵量和抗?jié)裥?，濾材種類、過濾器結(jié)構(gòu)和工況會(huì)影響過濾性能，且過濾性能之間會(huì)互相影響；通過采用過濾性能更好的納米纖維復(fù)合濾材、優(yōu)化濾芯和流道結(jié)構(gòu)，可以對(duì)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞 壓縮機(jī)；過濾效率；壓降；容塵量
壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能容量大、安全性高、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)撃艿拇笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)之一，是未來儲(chǔ)能重點(diǎn)布局的方向。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)(CAES)中的壓縮機(jī)對(duì)于入口空氣的質(zhì)量有嚴(yán)格要求，空氣中的雜質(zhì)(如灰塵、濕氣、油霧等)會(huì)影響壓縮機(jī)的性能和壽命，并可能導(dǎo)致儲(chǔ)存空氣的品質(zhì)下降。因此CAES系統(tǒng)對(duì)空氣過濾技術(shù)有一些特殊要求：①與其他壓縮機(jī)相比，CAES壓縮機(jī)具有壓比高、流量大的運(yùn)行特征，為了防止顆粒物對(duì)高速旋轉(zhuǎn)的葉片造成沖擊磨損，CAES系統(tǒng)的壓縮機(jī)入口通常需要配備高效的空氣過濾器。②過高的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生冷凝水，影響儲(chǔ)能效率并對(duì)儲(chǔ)氣罐設(shè)備造成腐蝕，CAES系統(tǒng)通常需要在入口空氣過濾系統(tǒng)中增加干燥設(shè)備(如冷凍干燥器或吸附式干燥器)。③由于CAES系統(tǒng)的運(yùn)行周期長(zhǎng)，空氣過濾器需要具備良好的耐久性和較長(zhǎng)的換濾周期，以降低維護(hù)頻率和成本。壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)：常規(guī)三級(jí)過濾裝置(圖1)和脈沖自清潔裝置(圖2)。
圖 1 常規(guī)三級(jí)過濾裝置
圖 2 脈沖自清潔裝置
過濾器是壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的重要組成部分，過濾機(jī)理主要有五種：慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、攔截效應(yīng)、吸附作用和靜電效應(yīng)。過濾器的選擇主要基于其過濾性能，而過濾性能又可以由過濾效率、壓降、容塵量和抗?jié)裥詻Q定。
根據(jù)不同的過濾原理，過濾器可以分為機(jī)械式、吸附式和靜電式三種：①機(jī)械過濾器是一種常見的過濾裝置，主要通過物理濾除固體顆粒來實(shí)現(xiàn)過濾效果。機(jī)械式過濾器具有過濾效率高、能承受較高的過濾壓力和大量的固體顆粒負(fù)荷、易于操作和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。②吸附式過濾器是利用吸附劑的吸附作用，去除空氣中的雜質(zhì)。常用的吸附劑包括活性炭、分子篩等。吸附式過濾器具有凈化效果好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但吸附劑的飽和問題縮短了其使用周期，需要定期更換。③靜電式過濾器是通過給空氣施加電場(chǎng)，使空氣中的顆粒物帶上電荷，在電場(chǎng)的作用下發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)顆粒物的分離。靜電式過濾器具有高效、低阻、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于去除微小顆粒物。然而，靜電式過濾器也存在易產(chǎn)生臭氧、維護(hù)成本高等問題。
本文將詳細(xì)闡述過濾器的過濾原理以及過濾性能，并且針對(duì)過濾性能的優(yōu)化方式進(jìn)行深入分析，以期為高效低阻過濾系統(tǒng)的發(fā)展提供有價(jià)值的指導(dǎo)。
1 過濾原理
壓縮機(jī)過濾原理多樣，主要可歸納為機(jī)械過濾原理、吸附過濾原理和靜電過濾原理三大類。壓縮機(jī)過濾原理的多樣性為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活的選擇，無論是機(jī)械過濾的直接攔截、吸附過濾的選擇性去除，還是靜電過濾的高效凈化，都能滿足不同系統(tǒng)對(duì)流體純凈度的需求。
1.1 機(jī)械過濾原理
機(jī)械過濾機(jī)制主要源于顆粒與纖維周圍流線的相對(duì)偏差，其中最具代表性的過濾機(jī)理有：慣性、攔截、擴(kuò)散。國(guó)內(nèi)外在過濾器理論研究側(cè)重點(diǎn)上存在一些差異，國(guó)內(nèi)研究者更關(guān)注實(shí)際應(yīng)用和工程實(shí)踐，而國(guó)外研究者更多關(guān)注基礎(chǔ)理論和數(shù)學(xué)模型。
慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)在普通纖維過濾材料和過濾器中起主要作用(圖3)。慣性效應(yīng)用于去除大于1 μm的粒子，依賴顆粒的慣性，當(dāng)空氣流經(jīng)過濾材料時(shí)遇到障礙物，空氣中的顆粒脫離流線，與過濾材料的纖維表面碰撞沉積。斯托克斯數(shù)Stk是慣性撞擊過濾效率的重要參數(shù)，可以用來表征顆粒相對(duì)于障礙物大小的持久性。其計(jì)算表達(dá)式如式(1)和式(2)所示：
圖 3 四種類型的顆粒過濾機(jī)制
式中，ρP是顆粒的密度；dP是顆粒直徑；Cc指Cunningham校正因子；U是氣流的速率；μa是空氣黏度；df是纖維直徑；Ku是流體動(dòng)力學(xué)因子；α是纖維堆積密度；R是攔截參數(shù)。
擴(kuò)散效應(yīng)通過布朗運(yùn)動(dòng)去除小于0.5 μm的粒子，當(dāng)粒子之間發(fā)生相互作用，在纖維附近移動(dòng)，碰撞并被捕獲。粒子擴(kuò)散對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的依賴性使得這種捕獲方法依賴于Peclet數(shù)(Pe)。
式中，D是粒子擴(kuò)散系數(shù)。Pe反映了平流與擴(kuò)散傳輸?shù)谋嚷?。?jīng)典理論指出，這種機(jī)制的過濾效率ED可以表示如下：
攔截和篩選是針對(duì)中等大小的顆粒，當(dāng)顆粒與過濾纖維碰撞時(shí)會(huì)被捕獲。攔截機(jī)制取決于顆粒和纖維的大小，特別是顆粒和纖維直徑的比值，稱為攔截參數(shù)R(dp/df)。攔截機(jī)制可以分離大多數(shù)亞微米級(jí)顆粒，該機(jī)制的過濾效率ER的經(jīng)典表達(dá)式如下：
當(dāng)顆粒沉積在過濾器上時(shí)，總壓降為穿過清潔過濾器的壓降和穿過沉積顆粒壓降之和。Bao等開發(fā)了一個(gè)模型來預(yù)測(cè)粉塵載荷下的滲透率，其表達(dá)式如式(6)所示：
式中，C表示過濾器的收集效率的增長(zhǎng)率，g-1；λ表示收集效率提高系數(shù)，m3/kg；A表示過濾面積，m2；PM和P0分別表示有灰塵負(fù)載的過濾器和原始過濾器(無量綱)的滲透率；M表示載塵質(zhì)量，g。
值得注意的是，顆粒分離也會(huì)影響過濾效率，一旦沉積在過濾器上，顆粒會(huì)受到四種不同的力，包括黏附力、升力、阻力和摩擦力。沉積顆粒通過黏附力(如范德華力、靜電力)黏附在纖維表面，摩擦力可以通過將黏附力和摩擦系數(shù)相乘來估算。如果黏附力大于升力或摩擦力大于阻力，則顆粒仍附著在纖維上。否則，顆粒會(huì)從纖維表面分離并返回氣流。
1.2 吸附過濾原理
吸附式過濾原理主要依賴于多孔性固體物質(zhì)對(duì)空氣中污染物的吸附作用，從而達(dá)到凈化的目的。這種方法利用固體吸附劑的物理吸附和化學(xué)吸附性能，去除空氣中的多種污染物。吸附法主要有物理吸附、化學(xué)吸附兩種類型。
物理吸附主要依靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的分子間引力，這種吸附過程是放熱的，且不涉及化學(xué)反應(yīng)。物理吸附?jīng)]有特定的選擇性，因此同一種吸附劑可以吸附多種吸附質(zhì)。物理吸附可以是單分子層吸附，也可以是多分子層吸附，其強(qiáng)度相對(duì)較弱，當(dāng)系統(tǒng)溫度升高時(shí)，被吸附的物質(zhì)可能會(huì)因分子的熱運(yùn)動(dòng)而脫離吸附劑表面。
化學(xué)吸附則涉及介質(zhì)與吸附劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵和表面絡(luò)合物，這種吸附過程有選擇性，即一種吸附劑通常只能對(duì)特定的吸附質(zhì)發(fā)生作用?；瘜W(xué)吸附過程相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)，需要活化能，且通常是單分子層吸附。
1.3 靜電過濾原理
靜電吸引依賴于顆粒和過濾介質(zhì)之間的靜電荷。顆粒物被靜電捕獲主要靠?jī)煞N類型的靜電力，庫(kù)侖和介電泳力，具體取決于纖維和顆粒的帶電狀態(tài)。盡管學(xué)者們已經(jīng)提出了許多靜電過濾的理論模型，但由于難以量化微觀水平上的電荷分布，因此仍然難以通過靜電吸引力精確預(yù)測(cè)捕獲行為。但纖維和顆粒的介電常數(shù)在靜電機(jī)制確定電荷分布和粒子捕獲效率方面，仍起著重要作用。
當(dāng)過濾介質(zhì)、顆粒或兩者具有凈電荷時(shí)，可以感應(yīng)到靜電力，增強(qiáng)這種力的典型方法有：①采用具有高表面電位的駐極體材料；②施加外部能源以產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。駐極體是電活化材料，本身會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)永久電場(chǎng)。駐極體濾波器是通過將電荷嵌入材料中或通過在介電材料內(nèi)對(duì)齊電偶極子來制造的。制備駐極體材料的代表性方法是感應(yīng)充電、摩擦充電和電暈充電。由于表面電位的大小及其衰減模式因材料成分和生產(chǎn)方法而異，因此許多研究工作旨在通過提高表面電位和延緩電性能的退化來改進(jìn)空氣過濾器。但駐極材料仍然不可避免地會(huì)隨著時(shí)間的推移而耗散電荷，因此延緩電荷耗散，研究持續(xù)產(chǎn)生電荷的駐極材料是靜電過濾器未來的發(fā)展趨勢(shì)。
1.4 小結(jié)
機(jī)械式過濾器過濾效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是存在過濾效果受過濾網(wǎng)孔徑大小的限制，對(duì)于細(xì)小的顆粒物的過濾效果較差的弊端。吸附式過濾器凈化效果好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但吸附材料壽命有限、可能產(chǎn)生二次污染等問題，在壓縮機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的使用不廣泛。靜電式過濾器具有過濾效率高、阻力低、對(duì)于微小顆粒物的去除效果顯著，但存在維護(hù)成本高、對(duì)氣流均勻性要求高的弊端。
依賴機(jī)械過濾的經(jīng)典方法在提高過濾性能方面受到限制，因?yàn)樘岣哌^濾效率不可避免地會(huì)加劇流動(dòng)阻力。因此，利用靜電力似乎是緩解過濾效率和壓降之間權(quán)衡的絕佳策略。將機(jī)械過濾和靜電過濾結(jié)合來提高過濾性能，是未來壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
2 性能評(píng)估
壓縮機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的核心需求是高效低阻，過濾效率高可以保證進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣的清潔度，避免顆粒物、液滴和油污，對(duì)壓縮機(jī)葉片和流道產(chǎn)生磨損、腐蝕、堵塞和結(jié)垢等，低阻可以提高壓縮機(jī)的運(yùn)行效率。由于CAES系統(tǒng)的運(yùn)行壽命通常在20年以上，對(duì)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的壽命有較高要求，需要進(jìn)氣過濾系統(tǒng)在壓降達(dá)到某一特定值或達(dá)到過濾器的維護(hù)周期內(nèi)有較大的容塵量。
過濾性能直接關(guān)系到過濾效果，過濾性能主要包括：過濾效率、壓降與流動(dòng)均勻性、容塵量和抗?jié)裥浴＿@些標(biāo)準(zhǔn)可以在一定條件下對(duì)空氣過濾器濾芯的性能進(jìn)行良好的評(píng)估。
2.1 過濾效率
過濾效率是指進(jìn)入過濾器的顆粒的質(zhì)量、體積、表面積和數(shù)量與過濾器捕獲的顆粒的比例。相應(yīng)地，存在計(jì)重效率、體積效率、表積效率和計(jì)數(shù)效率。
計(jì)數(shù)效率以計(jì)數(shù)濃度表示為：
式中，為計(jì)數(shù)效率；N1、n1分別為過濾器進(jìn)、出口氣流中的塵粒濃度，粒/L。
可以用來分析纖維層的效率公式有：
式中，(1-?)為纖維層填充率，%；?為纖維層孔隙率，%；L為纖維層厚度，m；Df為纖維圓柱直徑，m；ηε為單根纖維的捕集效率，%。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響進(jìn)氣系統(tǒng)過濾效率的因素進(jìn)行了充分的研究，主要分三方面，過濾器的結(jié)構(gòu)(纖維直徑、纖維排列、填充率等)、環(huán)境因素(雜質(zhì)濃度、濕度等)和工況條件(流速、出口壓力等)。
Li等研究了不同纖維排列、纖維直徑、面流速和粒徑下的壓降和過濾效率。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于不同粒徑過濾效率隨表面速度的增大而增大(如圖4所示)。此外，對(duì)比相同纖維直徑和總固體濃度(SVF)的層狀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在所有模擬顆粒尺寸下，密集-稀疏結(jié)構(gòu)在高壓降的情況下具有最高的過濾效率。
圖 4 不同條件下平行、交錯(cuò)纖維結(jié)構(gòu)的過濾效率和壓降變化
研究者發(fā)現(xiàn)提高過濾效率往往會(huì)增加系統(tǒng)的阻力。多孔膜過濾器[如圖5(a)所示]是通過在固體基材上的孔隙制成的，它的孔徑非常小，孔隙率低于0.3。因此它的過濾效率很高，但是它的局限性在于壓降很大。相比之下，纖維狀空氣過濾器，它通過厚物理屏障和黏附力來捕獲顆粒物顆粒[如圖5(b)所示]。它的孔隙率高于0.7，由直徑從幾微米到幾十微米不等的多層厚纖維制成。為了獲得高效率，這種類型的過濾器通常很厚。
圖5 多種過濾器微觀結(jié)構(gòu)
常見過濾效率是基于慣性沖擊、攔截和擴(kuò)散三種主要機(jī)制，沒有考慮粒子與纖維的相互作用，即粒子的反彈和再夾帶。Maddineni等為了解決這個(gè)問題，用慣性沖擊、攔截和擴(kuò)散產(chǎn)生的收集效率之和乘以黏附效應(yīng)產(chǎn)生的收集效率作為過濾效率。Bulejko等用數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)纖維過濾器和毛細(xì)管孔膜(CPM)在中空纖維膜(HFM)孔結(jié)構(gòu)上的空氣過濾效率。對(duì)比了纖維過濾器和CPM，HFM孔隙結(jié)構(gòu)由平均直徑約為90 nm的縱向片段組成，類似于纖維過濾器的纖維，但是HFMs具有非常高的固體度(0.48)，而纖維過濾器的固體度通常在0.01~0.3。
2.2 氣動(dòng)性能
2.2.1 壓降
進(jìn)氣壓差是指各級(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)的出口靜壓與大氣壓力的差值，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓差主要由過濾壓差和管道流動(dòng)壓差組成。進(jìn)氣過濾系統(tǒng)過濾污染物的同時(shí)，產(chǎn)生了壓降，導(dǎo)致壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力下降。隨著運(yùn)行時(shí)間增加，進(jìn)氣過濾系統(tǒng)纖維孔隙中積累雜質(zhì)顆粒，進(jìn)氣壓差隨著容塵量的增加而增大。品質(zhì)因數(shù)(QF)與過濾效率和壓降的關(guān)系如下：
其中，ΔP是過濾器上的壓降；η是過濾效率。
壓氣機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)中進(jìn)氣壓差監(jiān)測(cè)和控制對(duì)保證壓氣機(jī)機(jī)組安全和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有重要影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響進(jìn)氣系統(tǒng)壓降的因素進(jìn)行了充分的研究，主要分三方面，過濾器和流道的結(jié)構(gòu)(過濾器厚度、填充率、褶皺數(shù)、進(jìn)氣管道尺寸等)、環(huán)境因素(雜質(zhì)濃度、濕度等)和工況條件(流速、出口壓力等)。
Zhang等對(duì)9F燃?xì)廨啓C(jī)研究，發(fā)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣壓差每增加100 Pa，功率下降0.16%，熱耗率增加0.06%。馬啟新等研究了船用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中過濾裝置數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和適用性，采用Fan邊界條件和多孔介質(zhì)模型對(duì)過濾裝置(百葉窗和過濾器)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)模型，有整流作用且對(duì)系統(tǒng)總壓損失的預(yù)測(cè)更精準(zhǔn)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓差建模進(jìn)行研究，建立了流動(dòng)壓差模型，但是未充分考慮過濾壓差。Velali等在微觀尺度對(duì)過濾壓差進(jìn)行建模，考慮了濾材、褶皺結(jié)構(gòu)和間隙大小。Eker等在不同容塵階段對(duì)過濾壓差進(jìn)行建模，研究了容塵量和壓差對(duì)壓氣機(jī)性能的影響。Abdul-Wahab等基于模糊邏輯模型，提出了過濾壓差的建模與預(yù)測(cè)方法。但這些研究并未考慮壓氣機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)對(duì)壓氣機(jī)整體的氣動(dòng)影響。
Zhao等研究發(fā)現(xiàn)在過濾效率大致相同水平(44%~45%)下，隨纖維直徑的減小，可以看到三種不同的壓降變化模式(見圖6和圖7)：線性快速下降區(qū)域(平均纖維直徑df從168 nm變?yōu)?1 nm)、緩慢上升區(qū)域(平均纖維直徑df從71 nm減小到60 nm)、快速上升區(qū)域(平均纖維直徑df從60 nm變?yōu)?3 nm)。
圖 6 單根纖維在5.3 cm/s處的模擬壓降：(a) 168，(b) 108，(c) 71，(d) 60 和 (e) 53 nmFig. 6 Simulated pressure drop of a single fiber at 5.3 cm/s: (a) 168, (b) 108, (c) 71, (d) 60, and (e) 53 nm
圖7 多根纖維在5.3 cm/s處的模擬壓降：(a) 168，(b) 108，(c) 71，(d) 60 和 (e) 53 nmFig. 7 Simulated pressure drop of multiple fibers at 5.3 cm/s: (a) 168, (b) 108, (c) 71, (d) 60, and (e) 53 nm
Fotovat等研究了過濾器壓降與顆粒物沉積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)過濾器都存在最佳褶皺數(shù)，使壓降達(dá)到最小值；顆粒沉積后，壓降的增加速率隨著褶皺數(shù)量的增加而降低。Joubert等研究了在潮濕條件下，HEPA過濾器壓降的主要影響因素是顆粒層與濕空氣是否達(dá)到平衡。
王忠義等發(fā)現(xiàn)隨著流通面積的增加，平均流速和總壓損失會(huì)隨之減小。增加過濾器的流通面積比會(huì)減少總壓損失，但對(duì)布置環(huán)境的要求更高。王瑞探究了不同工況對(duì)壓降的影響規(guī)律，改變流速、出口壓力、孔隙率、黏性等條件。發(fā)現(xiàn)隨流速增加，壓降急劇增加；隨出口壓力增加，壓降先增加，當(dāng)出口壓力達(dá)到1.5 MPa后，壓降趨于穩(wěn)定；隨孔隙率增加，壓降先減小后增大；隨黏性增大，壓降成正比例增加。
2.2.2 均勻性
目前使用的無隔板高效過濾器，在濾料入口存在流速不均勻的現(xiàn)象，不均勻度最高可達(dá)60%。流速不均導(dǎo)致流量不均使得濾料不能得到最佳利用，在流量大的地方，濾料載荷大，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致過濾效率降低，因此縮短了過濾器的整體使用壽命。
采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差定義速度不均勻度為：
其中，CV為速度不均勻度；為第i點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)速度，m/s；為n點(diǎn)的速度均值，m/s。
通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)褶式過濾器中存在顯著的速度不均勻度，并建立了速度不均勻度和過濾效率的模型，研究發(fā)現(xiàn)流動(dòng)越均勻，過濾效率越高。此外還發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)不均勻，會(huì)造成渦流現(xiàn)象，從而造成較大的壓力損失。查文娟結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)濾芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行條件不僅直接影響過濾效率，還與其褶上氣流分布的均勻性變化趨勢(shì)高度一致。綜上所述，確保流動(dòng)均勻性在過濾器設(shè)計(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位，不容忽視。
為了提升壓縮機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)的均勻性、降低進(jìn)口總壓損，征建生等建立了不同的過濾結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)分布式過濾器改變了流動(dòng)方向，改善了壓縮機(jī)進(jìn)口流場(chǎng)，速度不均勻度降低到原模型的4.91%。
談鋒等研究了七個(gè)不同轉(zhuǎn)折角的進(jìn)氣道模型，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)折角從-30°~30°區(qū)間內(nèi)，局部不均勻度最大值均小于10%，在轉(zhuǎn)折角為-10°和30°時(shí)，不均勻度最小為7.2%。
2.3 容塵量
過濾器在使用過程中對(duì)顆粒進(jìn)行捕集，當(dāng)壓降達(dá)到某一特定值或時(shí)間達(dá)到過濾器的維護(hù)周期，此時(shí)過濾器所捕集的顆粒質(zhì)量為容塵量。過濾器的過濾面積影響過濾器的容塵量，容塵量的大小直接關(guān)系到過濾器的使用壽命和過濾效率。當(dāng)空氣濾清器過濾粉塵時(shí)，壓降演變分為三個(gè)階段：深層粉塵堆積、過渡性粉塵堆積和表面粉塵堆積(圖8)。
圖8 不同容塵階段的壓降
Shi等研究空氣過濾器，并提出了褶皺過濾材料的平均容塵量(K)的方程：
由于纖維過濾介質(zhì)厚度、纖維直徑、纖維填充密度等參數(shù)不容易測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性難以保證，限制了現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)過濾器粉塵負(fù)荷質(zhì)量和壓降之間關(guān)系的應(yīng)用，進(jìn)而限制了評(píng)價(jià)現(xiàn)有過濾器系統(tǒng)的有效使用壽命的應(yīng)用。為了解決這個(gè)問題，Qiang等建立了個(gè)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)方程模型，該模型不需要輸入纖維直徑、過濾器厚度和填料密度，該模型以預(yù)測(cè)一般通風(fēng)空氣過濾器的壓降作為空氣流量和粉塵負(fù)荷質(zhì)量的函數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性和可靠性。
Qiang等通過對(duì)比ASHRAE試驗(yàn)粉塵的粒徑小于A2細(xì)試驗(yàn)粉塵發(fā)現(xiàn)，較小的顆粒具有較大的比表面積，且由于纖維表面的覆蓋范圍與累積顆粒的投影面積有關(guān)，因此較小的顆粒明顯具有較大的阻塞效應(yīng)。小顆粒會(huì)增加阻力，從而使壓降迅速增加。當(dāng)空氣過濾器裝有小顆粒時(shí)，小顆粒沉積在介質(zhì)中，然后在過濾器表面形成更密集的塵餅。
何維浪等研究三種不同濾材制成的濾筒，隨著過濾器的容塵量增加，流道會(huì)堵塞，導(dǎo)致湍流現(xiàn)象，有效過濾面積減少。因此筒形過濾器的單位面積的容塵量遠(yuǎn)低于過濾材料的容塵量。
2.4 抗?jié)裥?/strong>
抗?jié)裥阅軌蚍从尺^濾器在一定濕度和水霧的脅迫下的耐受性。當(dāng)空氣濕度過大導(dǎo)致系統(tǒng)過濾器運(yùn)行阻力急劇增大的現(xiàn)象叫作“濕堵”，這一問題在海上或者沿海地區(qū)的壓縮機(jī)中尤為突出。
選擇抗?jié)裥阅芎玫臑V紙對(duì)過濾器壓降、過濾效率和壽命的提升都有幫助，關(guān)于濾芯在加濕后，過濾性能的變化，僅有少部分學(xué)者從濾材、結(jié)構(gòu)的角度分析濾芯壓降和過濾效率的變化。
李超等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)液滴隨空氣進(jìn)入濾芯時(shí)，一些液滴會(huì)留在濾料中導(dǎo)致濾芯堵塞，壓降增大。當(dāng)空氣溫度降低時(shí)會(huì)發(fā)生節(jié)流效應(yīng)，一些液滴會(huì)在濾料纖維中凝結(jié)。特別是對(duì)于即將達(dá)到使用壽命的濾芯，濾芯的壓降保持在相對(duì)較高的水平，濕度對(duì)其影響更大。Wilcox等的研究表明潮濕環(huán)境下過濾效率下降的原因之一是水霧對(duì)濾材的靜電效應(yīng)有一定削弱，但濾芯結(jié)構(gòu)的變化才是主要原因。通過用掃描電鏡觀察了濾芯迎風(fēng)面的微觀結(jié)構(gòu)(如圖9)：濾芯a的纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，納米纖維聚集并緊緊黏附在基材上，一些納米纖維斷裂。復(fù)合過濾材料中的納米纖維決定了過濾材料的過濾精度，表明水霧對(duì)過濾元件造成了不可逆的結(jié)構(gòu)損傷。通過掃描電子顯微鏡對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障濾芯的取樣顯示，濾芯的故障也是由于表面納米纖維的斷裂造成的，這也驗(yàn)證了為什么濾芯在細(xì)水霧環(huán)境中壽命很短。
圖9 濾芯a迎風(fēng)面濾材微觀形貌圖
3 性能優(yōu)化
壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的核心需求是高效低阻，容塵量大，使用壽命長(zhǎng)等。其中過濾器的主要性能指標(biāo)一般包括壓降、效率(包括計(jì)數(shù)效率和電阻)、容塵量和抗?jié)裥浴＿M(jìn)氣系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到壓縮機(jī)的整體性能，對(duì)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升過濾性能的關(guān)鍵，過濾性能取決于濾材的種類、濾芯結(jié)構(gòu)(如填料密度、纖維直徑、褶形)和過濾器流道結(jié)構(gòu)等。
3.1 材料優(yōu)化
影響濾材性能的因素有很多，如濾材種類，涂層方式和加工工藝等，這些因素會(huì)影響濾材的厚度、孔隙率、抗張強(qiáng)度、挺度等物理性能，進(jìn)而影響過濾效率、壓降等。
常用的空氣過濾材料按材料可以分為纖維素，化學(xué)纖維濾材，化學(xué)纖維復(fù)合濾材，納米纖維復(fù)合濾材，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的材料。纖維素強(qiáng)度高，過濾面積大，但纖維直徑大，對(duì)10 μm以下的顆粒過濾效果較差。纖維素含有大量親水基團(tuán)，容易吸水膨脹，堵塞孔隙，降低過濾效率。化學(xué)纖維濾材由化學(xué)纖維組成，與纖維素相比，挺度低，纖維直徑小，過濾性能良好，而且抗?jié)裥詮?qiáng)，被廣泛運(yùn)用在中粗效板式和袋式過濾器中。聚酯纖維應(yīng)用早，技術(shù)成熟，生產(chǎn)成本不高。玻璃纖維空氣過濾器的過濾效率和容塵能力較強(qiáng)，不過空氣阻力依舊較大，使得能耗偏高。玻璃纖維有著顯著的優(yōu)點(diǎn)和明顯的缺陷，正在被其他性能更優(yōu)的過濾材料所替代。
化學(xué)纖維復(fù)合濾料能夠彌補(bǔ)單一纖維的不足，它主要由植物纖維構(gòu)成，并混合化學(xué)纖維及化學(xué)添加劑，通過干法或濕法造紙技術(shù)生產(chǎn)?；瘜W(xué)纖維的加入提升了濾料的過濾精度，并且在濕潤(rùn)環(huán)境下保持了出色的穩(wěn)定性。
納米纖維復(fù)合濾材是指將納米纖維整合到過濾材料中的復(fù)合材料。這些纖維的直徑介于1~100 nm，能夠有效捕獲過濾材料表面的顆粒，可以提供優(yōu)秀的過濾效果。納米纖維的表面復(fù)合有助于脈沖反吹，從而延長(zhǎng)過濾材料的使用壽命。常見的納米纖維類型包括靜電紡納米纖維和熔噴納米纖維。靜電紡納米纖維直徑較小，表面結(jié)構(gòu)緊密，便于進(jìn)行反吹操作。而熔噴納米纖維則具有較大的直徑、不同長(zhǎng)度的纖維、更松散的表面結(jié)構(gòu)和更高的容塵能力。
為了解決提高過濾效率會(huì)增加壓降的問題，新型聚合物納米纖維過濾器應(yīng)運(yùn)而生，其具有高過濾效率、良好的光學(xué)透明度、低氣流阻力和輕質(zhì)量等特性(如圖10所示)。當(dāng)空氣過濾器的表面化學(xué)成分被優(yōu)化以匹配顆粒物的表面化學(xué)成分時(shí)，單纖維捕獲能力將大大超過現(xiàn)有的纖維顆粒。因此，空氣過濾器中的材料使用量減少，便于空氣流通。此外，當(dāng)纖維直徑減小到納米級(jí)時(shí)，在相同的堆積密度下，由于表面積大，顆粒捕獲的可能性大大增加，這也確保了更薄的空氣過濾器可以進(jìn)行有效的顆粒捕獲。
圖10 新型聚合物納米纖維過濾器
新型聚合物納米纖維因其具有亞微米直徑的纖維，其在過濾效率、最穿透粒徑(MPPS)和滑移效應(yīng)等各個(gè)方面優(yōu)于其他纖維，展現(xiàn)出更佳的過濾性能，是未來進(jìn)氣過濾材料的發(fā)展方向。
3.2 濾芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化
濾芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響到過濾系統(tǒng)的性能，濾材的結(jié)構(gòu)因素包括：表面形態(tài)、折褶方式、厚度。合理的濾芯結(jié)構(gòu)可以增加過濾面積、減小阻力、延長(zhǎng)使用壽命，提高過濾效率。通過對(duì)濾芯材料的研究和改進(jìn)，可以提高過濾系統(tǒng)的性能。改善濾芯的過濾精度、增加表面處理技術(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施都可以提高過濾系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。
Bian等在經(jīng)典氣溶膠動(dòng)力學(xué)理論和測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測(cè)PM2.5去除效率，作為纖維直徑、過濾器厚度、填充密度和面速度的函數(shù)。該模型可用于識(shí)別使PM2.5去除效率最大化的過濾器參數(shù)的組合。
目前濾芯的結(jié)構(gòu)主要有兩種方式，膠線式和壓花式，如圖11所示。膠線式是用熱熔膠線將折褶固定起來，工藝簡(jiǎn)單，保證了折褶間距的均勻性;壓花式是對(duì)濾紙打褶處進(jìn)行按壓，形成凸起，褶與褶之間的凸起使形成的楔形通道穩(wěn)定。
圖11 (a) 膠線式褶形和 (b) 壓花式褶形
過濾器中的折褶濾芯有V形和U形兩種折褶方式，如圖12所示。折褶濾芯最重要的結(jié)構(gòu)是褶，褶的結(jié)構(gòu)和數(shù)量影響濾芯的過濾性能。
圖12 V 形折褶與 U 形折褶的結(jié)構(gòu)參數(shù)
相較U形褶，V形褶可以增加過濾器的過濾面積，降低過濾速度，從而降低過濾器的阻力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)過濾器的結(jié)構(gòu)(如填料密度、纖維直徑、褶形)和顆粒沉積等方面的機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究方向多集中在褶間距和纖維排列對(duì)過濾器壓降的影響上，其中褶皺過多會(huì)導(dǎo)致氣流分布不均勻，增加濾料褶皺之間楔形通道內(nèi)部的摩擦阻力，進(jìn)而增加過濾壓降。
隨著過濾器厚度和質(zhì)量的增加，過濾器表面積更大，顆粒滯留時(shí)間更長(zhǎng)，其過濾效率通常會(huì)提高。較長(zhǎng)的纖維紡絲時(shí)間可以通過在給定的時(shí)間范圍內(nèi)沉積更多的纖維來產(chǎn)生更厚、更重的過濾層。濾材厚度可以用千分尺測(cè)量得到，濾材凸起的部分構(gòu)成瓦楞結(jié)構(gòu)，瓦楞的存在可以提高濾紙的強(qiáng)度，并且凸起的瓦楞增大了濾紙的過濾面積，提高了過濾效率，如圖13所示。
圖13 濾紙厚度說明
然而，這種方法制備的過濾器不可避免地產(chǎn)生較差的結(jié)構(gòu)性能，由于新紡的纖維阻塞了成型的空氣通道，堆積物過于密集和孔隙極小，壓降大，并且由于較大的顆粒經(jīng)常堵塞狹窄的孔隙，使用壽命很短。為解決這個(gè)問題，通常會(huì)將多個(gè)過濾層堆疊到一個(gè)過濾單元中，實(shí)現(xiàn)理想的填料密度和孔徑，同時(shí)增加過濾器的厚度和質(zhì)量，從而獲得更好的QF和使用壽命，是未來的研究方向。多層堆疊的過濾器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行和維護(hù)的成本較高是未來亟需解決的問題。
Leung等采用多層堆疊的方式評(píng)估了納米纖維堆積密度和層厚對(duì)空氣過濾器整體特性的影響。通過調(diào)整靜電紡絲的持續(xù)時(shí)間，制備了纖維直徑相同但質(zhì)量和堆積密度不同的過濾層。Zhang等提出了從具有多層過濾器的過濾器中多級(jí)物理篩分的概念，其中每層都具有與目標(biāo)空氣傳播顆粒大小相匹配的特定孔徑。
3.3 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化
當(dāng)流體流經(jīng)通道或管道時(shí)，流體與固體壁之間的摩擦?xí)?dǎo)致壓降或黏性消散。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)通道形狀或流動(dòng)系統(tǒng)配置來有效減少這種黏性耗散的方式即流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
Wang等提出了一種啟發(fā)式最優(yōu)性準(zhǔn)則算法，以優(yōu)化低Re數(shù)流體流經(jīng)直角彎頭和會(huì)聚T形結(jié)的通道形狀設(shè)計(jì)(圖14)。啟發(fā)式算法避免了敏感性分析，更重要的是給出了合理的流道最優(yōu)設(shè)計(jì)。
圖14 Re=40時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)與流場(chǎng)的關(guān)系
流體流動(dòng)形狀設(shè)計(jì)的啟發(fā)式算法被用于流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在該算法中，使用晶格玻爾茲曼法(LBM)來計(jì)算分為單元的流體域的流場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)在流向急劇變化的區(qū)域，存在耗散較大的機(jī)械能，尤其是對(duì)于高Re數(shù)流動(dòng)。通過虛擬體積力，來減少黏性耗散。通過優(yōu)化，最終形狀的總壓降比初始形狀降低了68.8%。
袁長(zhǎng)龍對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)流道進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)氣墊船進(jìn)氣系統(tǒng)使用Isight進(jìn)行多級(jí)優(yōu)化，將進(jìn)氣系統(tǒng)劃分為三個(gè)部分：進(jìn)氣濾清器、空間Z形彎管和壓縮機(jī)進(jìn)氣道部分，分別對(duì)其進(jìn)行尋優(yōu)，使得進(jìn)氣阻力下降，達(dá)到了優(yōu)化目的。
氣流流經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)氣室時(shí)，摩擦損失、流動(dòng)分離及尾跡損失等導(dǎo)致總壓降低。通常壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮到進(jìn)氣流場(chǎng)的均勻性，而進(jìn)氣室出口處的氣流畸變會(huì)導(dǎo)致葉輪進(jìn)口流場(chǎng)不均，影響級(jí)的性能。為此，陳宗華等對(duì)離心壓縮機(jī)的進(jìn)氣室子午型線進(jìn)行優(yōu)化，改善了進(jìn)氣室內(nèi)部的流動(dòng)情況，優(yōu)化了級(jí)的性能。
Chen等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法揭示了壓縮機(jī)L形進(jìn)氣管(CLID)的流體動(dòng)力學(xué)，將典型參數(shù)的影響作為寬度、深度、基底深度和錐體直徑研究了壓降和總壓損失系數(shù)。發(fā)現(xiàn)CLID寬度和深度越大，收縮處的f低分離度越大，總壓降和總壓損失系數(shù)越??；基底深度對(duì)流動(dòng)分離和湍流強(qiáng)度較?。诲F體直徑越大，壓降和總壓力損失系數(shù)越大。在此基礎(chǔ)上，找到了壓降和進(jìn)氣損失較小的CLID的結(jié)構(gòu)參數(shù)。提出了CLID的概念設(shè)計(jì)。
4 結(jié)論與展望
本文回顧了壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)研究發(fā)展，對(duì)常見的進(jìn)氣系統(tǒng)過濾器結(jié)構(gòu)與過濾性能的影響因素進(jìn)行了總結(jié)，并詳細(xì)分析了現(xiàn)有進(jìn)氣過濾系統(tǒng)優(yōu)化方法與過程。針對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)目前研究現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論：
（1）對(duì)于目前常用過濾系統(tǒng)而言，依賴機(jī)械過濾的經(jīng)典方法在提高過濾性能時(shí)會(huì)不可避免地加劇流動(dòng)阻力。利用靜電力可以緩解過濾效率和壓降之間矛盾，因而，解決靜電過濾器的電極退化，將機(jī)械過濾和靜電過濾結(jié)合來提高過濾性能，將會(huì)是未來壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
（2）對(duì)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提升過濾性能的關(guān)鍵，過濾性能取決于濾材的種類、濾芯結(jié)構(gòu)和過濾器流道結(jié)構(gòu)。具有更高過濾效率、更強(qiáng)耐腐蝕性和更長(zhǎng)壽命高的覆膜濾材、納米纖維濾材未來會(huì)成為研究重點(diǎn)；多層堆疊的過濾效率高，相對(duì)同等效率的單層過濾器壓降更小、厚度更薄，但是其運(yùn)行和維護(hù)成本高的問題亟待解決。
（3）未來，可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和過濾效果，自動(dòng)調(diào)整過濾參數(shù)，優(yōu)化過濾過程，提高過濾效率和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，提高系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。
