专利名称：密褶式空调空气过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及空气过滤器，更具体地涉及一种专为矩形通风管内流体速度场不均勻 性而设计的密褶式空调空气过滤器。
背景技术：
室内空气净化最主要的任务是除去室内粉尘颗粒物，最有效的方法是利用空气过 滤器对空气进行过滤净化。过滤是分离技术的一种，主要是依靠过滤材料捕集截留悬浮在 流体中的固体颗粒物，从而使固体颗粒物与空气分离的操作。矩形通风管道在通风系统中较为常见，是通风系统的重要组成部分。利用流体力 学知识，可以导出矩形通风管内流体的速度场，结果发现通风管内速度呈现二次曲线分 布，即速度在通风管的中心达到二次曲线的顶点，随着离中心距离的增大，速度逐渐变小。 运用雷诺应力(RSM)和可实现k- ε (Realizablek- ε )模型，得到模拟方形通风管道中的空 气流场结果如附图1和附图2所示。从图中可以看出，流体速度随着离中心距离的增大，逐 渐变小，中心区域速度最大。由于等值线弯曲区内等值线切向速度脉动引起了横向流的生 成，这个横向流指向管道的角落处，以及雷诺应力的梯度，使得方形管道中可能产生了二次 流。RSM模型模拟的流场出现了二次流，比Realizable k-ε模型更适于模拟方形通风管道 中的空气流流场。由此可见，矩形风管内流体速度场更接近于图1所示。如果从参与空气过滤的3个主要因素即粒子、分散介质(空气)和过滤材料的特 征来考虑，影响空气过滤材料过滤性能的最重要的参数为粒子直径、空气流速、纤维直径 和填充率。传统的隔板式空气过滤器均未考虑通风管内空气流速度场的不均勻性。而传统 的密褶式空气过滤器均未考虑风管内流体速度场的不均勻性，如图3是传统的隔板式空气 过滤器，包括框架1、滤芯2、密封胶3、密封垫4，过滤器各个部分设计均未按通风管内流体 速度场的特点进行设计，同时滤芯的选择也未按风管内流体速度场进行区分。由于，通风 管中心区域风速较大，这将造成空气过滤器中心区域的穿透率较大，成为过滤器的“短板” 直接影响了空气过滤器的过滤效率。因此，在技术上存在要求设计简单、容易制造并且能够 结合通风管内流体速度场分布的特点的密褶式空调过滤器，从而更好地提高密褶式空调过 滤器的过滤效率，增强其使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单的密褶式空调空气过滤器，该密褶式过滤器统筹兼 顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，并结合通风管内流体速 度场分布的特点，在容尘量与运行费用优良的情况下，提高了空气过滤器的过滤效率。为了实现本发明的目的，本发明的密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边 框、折叠式滤料，其特殊之处在于所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均 由折叠式滤料组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料交叉形成口字型过 滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料与横向的折叠式滤料交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区之外。各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整 体，各过滤区选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区 的回字形过滤区方向依次递减。本发明的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，包括如下步 骤步骤一确定过滤区的划分个数和尺寸根据安装过滤器矩形管道的风量及尺寸 运用SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并 根据速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，其中，位于中心部位的 过滤区为口字型，其余的过滤区依次围绕在中心部位过滤区形成回字型区域；当各过滤区 确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时，认为划分区域结 果有效，否则需重复上述步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与 设定的风量之差小于5%时为止；步骤二 选择滤料根据过滤器的过滤效率和工作环境选择过滤区滤料，选择的 滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方 向依次递减；步骤三确定各过滤区滤料的厚度根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及 运行费用计算出各过滤区滤料的厚度。本发明通过合理分区将通风过滤口根据要求划分为多个区域，对流过其的空气进 行过滤，有效的除去了流过风管的空气中的颗粒污染物，达到了净化空气的目的，同时能够 有效降低通风管过滤的运行和维护成本。
图1是RSM模型所模拟矩形风管中空气的速度场图；图2是可实现Realizable k_ ε模型所模拟矩形风管中空气的速度场图；图3是传统密褶式过滤器结构示意图；图4是本发明结构示意图；图5是本发明的折叠式滤料竖直放置过滤结构示意图；图6是本发明的折叠式滤料水平放置过滤结构示意图；图7是本发明折叠式滤料竖直放置与水平放置交叉组成的回字型过滤区示意图。图8是中效滤料阻力和虑速的关系趋势图。图9是分区过滤器模型实验操作所使用的仪器连接关系示意图。其中91为温度、 湿度测试孔，92为颗粒质量浓度粒径分布测试孔，93为风速测试孔，94为滤料层，95为均流 板，96为风机，97为调速开关，98为交直流转换器。图10是采用分区过滤的技术方案对粒径在10微米以下的颗粒物(PMlO)进行过 滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。图11是采用分区过滤的技术方案对粒径在4微米以下的颗粒物(ΡΜ4. 0)进行过 滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。图12是采用分区过滤的技术方案对粒径在1微米以下的颗粒物(ΡΜ1. 0)进行过 滤的效果与传统过滤器过滤效果的比较实验结果示意图。
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步详细地说明，但本发明并不限于这 些实施例。相反地，本发明旨在覆盖包括由所附的权利要求书限定的本发明的精神和范围 内的所有变换方案、改型及同等物。
具体实施例方式参见图4-图7，本发明的密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边框4、折叠式 滤料5，通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料5组成，其中，位于 中心部位的过滤区1由纵向的折叠式滤料5-1交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区(2、 3)由纵向的折叠式滤料5-1与横向的折叠式滤料5-2交叉形成回字型过滤区域，且依次围 绕在中心部位过滤区1之外。各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体。各过滤 区选择的折叠式滤料5其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区 的回字形过滤区方向依次递减。本发明的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，包括如下步 骤
步骤一确定过滤区的划分个数和尺寸。由于过滤速度对滤料的过滤效率及阻力会产 生很大影响，通过总结我们发现以中效滤料为例，中效滤料阻力与虑速成正相关关系，参见 图8所示。因此我们可以根据安装过滤器管道的风量及尺寸运用SIMPLE算法计算模拟出 风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据速度场的尺寸确定各划 分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，位于中心部位的过滤区1为四边形，其余的过滤区 (2,3)依次围绕在中心部位过滤区形成环状，当各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘 积之和应与设定的风量之差小于5%时，认为划分区域结果有效，否则需重复上述步骤直至 各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时为止。由 于通风空调风管采用推荐风速法进行设计，因此在相同尺寸风管的情况下，可根据所选风 速不同运用上述方法做不同种型号的过滤器。需要说明的是本步骤运用SIMPLE算法进行 数值计算，该方法主要用于求解不可压流场的数值方法(也可用于求解可压流动)，其核心 是采用“猜测一修正”的过程，在交错网络的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程 (Navier-Stokes方程)的目的。在本发明中运用SIMPLE算法的基本思路如下对于给定的 压力场(它可以是假定的值，或是上一次迭代计算所得到的结果)，求解离散形式的动量方 程，得出速度场。所用方程如下其中U:介质进口速度，m / s; ^,C11C2, CTk，模型常数，如表1;
k:紊流脉动动能，m2/S2; vt 运动粘度系数，m2/s.
表1模型常数
系数C1C2数值0.091.441.921.01.3步骤二 选择滤料。根据过滤器的过滤效率和工作环境综合选择滤料，选择的滤 料其过滤效率由中心部位的过滤区1向围绕在中心部位过滤区的回字型过滤区(2、3)方 向依次递减；例如过滤材料克重66. 3,70. 5、150. 0,200. Og/m2，纤维直径可选择14. 3、16. 3、 19. 5,22. 5微米等多种滤料。在本发明中可选择滤料类型包括醋酸纤维、玻璃纤维、氯化 维尼纶、聚酰胺、聚丙烯、聚酯、维尼纶、丙烯等，并且根据不同的过滤效果做出不同型号的 系列产品，以满足用户的需求。步骤三确定滤料的厚度。根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运行费用计 算出滤料的厚度。根据过滤器阻力及过滤器的效率来确定最佳的滤料厚度，以实现空气过 滤器整个生命周期费用最低。由于在滤料选定后，纤维直径以及填充率都为定值，所以主要 是确定过滤器滤料的厚度，在实际运行中，为了制造安装方便，所以各过滤区采用相同的过 滤层厚度H。首先假设各过滤区纤维都有规则的排列在气流垂直的方向上，每一层纤维对颗 粒物的捕集具有相同的几率，颗粒物是均勻分布在气流里的。所以各分区的过滤效率可采 用如下公式进行计算
6
η = I- exp其中
4αΗηΣ
{\-a)7ud.
a-a) df\gK
77Σ = -1.8—f 5
Ha
ηΣ——单根纤维在单位长度上的捕集总效率 H——过滤层厚度，m μ——气体粘滞系数，Pas ν-滤速m/s
过滤层(如纤维层)的密度
过滤层材料(如纤维)的密度 df——单根纤维的直径 同时，过滤器的总过滤效率可采用如下公式进行计算
rIz+ 于"2 +......+γ·”η
其中=A1——第一过滤区的面积-A—第二过滤区的面积；々11第11过滤区的面积； A—过滤器总的过滤面积；Ii1—第一过滤区的过滤效率；n2—第二过滤区的过滤效 率；nn——第η过滤区的过滤效率；nz—过滤器的总过滤效率。另外，各分区阻力可采用如下公式进行计算
UOjUvffcT2
Ap = 其中H-过滤层厚度，m ； μ -气体粘滞系数；ν-滤速m/s ；填充率 过滤层(如纤维层)的密度 过滤层材料(如纤维)的密度 纤维断面积 a = = 二二二口二 ； df——单根纤维的直径；
-0.05P=纤维断面外接圆面积^2=1-6^以下是常规的纤维的^值醋酸纤维0. 3 0. 52，玻璃纤维1. 0，氯化维尼纶 0.61，聚酰胺1.0，聚丙烯1.0，聚酯1.0，维尼纶0.4，丙烯1.0。滤料选定后，上述公式中只 有过滤层厚度H是未知数。由于各分区属于并联关系，所以过滤器总阻力ΔΡΖ可由下式进 行计算
111 1—- = —- + —- +......+
ΔΡΖ AP1 AP2APn其中AP1—第一分区阻力；ΔΡ2—第二分区阻力；ΔΡη~第η分区阻力； Δ Pz——过滤器总阻力。过滤器运行能耗可由下式进行计算￡ = ^^，其中Ε=能耗[度/年]
eχ 1000
q——风量[m3/s] ；ΔΡ—阻力[Pa] ；t——运行时间[小时/年]；e——风机运行效率；而过滤器的寿命可由如下公式进行计算
权利要求
一种密褶式空调空气过滤器，包括通风过滤口、边框(4)、折叠式滤料(5)，其特征在于所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料(5)组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料(5 1)交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料(5 1)与横向的折叠式滤料(5 2)交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区(1)之外；所述各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体；各过滤区选择的折叠式滤料(5)其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。
2.权利要求1所述的密褶式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，其特征 在于包括如下步骤步骤一确定过滤区的划分个数和尺寸根据安装过滤器矩形管道的风量及尺寸运用 SIMPLE算法计算模拟出风管断面上的速度场，将相近的速度场划分为同一过滤区，并根据 速度场的尺寸确定各划分过滤区的数目以及各过滤区的尺寸，其中，位于中心部位的过滤 区(1)为口字型，其余的过滤区(2、3)依次围绕在中心部位过滤区(1)形成回字型区域；当 各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之和应与设定的风量之差小于5%时，认为划 分区域结果有效，否则需重复上述步骤直至各过滤区确定的过滤速度与各区面积的乘积之 和应与设定的风量之差小于5%时为止；步骤二 选择滤料根据过滤器的过滤效率和工作环境选择过滤区滤料，选择的滤料 其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依 次递减；步骤三确定各过滤区滤料的厚度根据划分区域后的过滤器效率、容尘量以及运 行费用计算出各过滤区滤料的厚度。
全文摘要
本发明公开了一种密褶式空气过滤器，包括通风过滤口、边框、折叠式滤料，所述的通风过滤口至少划分为三个过滤区，每个过滤区均由折叠式滤料组成，其中，位于中心部位的过滤区由纵向的折叠式滤料交叉形成口字型过滤区域，其余的过滤区由纵向的折叠式滤料与横向的折叠式滤料交叉形成回字型过滤区域，且依次围绕在中心部位过滤区之外；所述各过滤区之间通过粘胶相互粘合密封成为一个整体。各过滤区选择的滤料其过滤效率由中心部位的口字型过滤区向围绕在中心部位过滤区的回字形过滤区方向依次递减。此外本发明还公开了袋式空调空气过滤器的通风过滤口过滤区的分区方法，统筹兼顾了过滤器效率、容尘量两个技术指标，以及运行费用的经济指标，结合通风管内流体速度场分布的特点提高了空气过滤器的过滤效率。
文档编号F24F13/00GK101940864SQ20101024163
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者刘志坚, 司鹏飞, 樊越胜, 白宝, 赵向伟 申请人:西安建筑科技大学