Journal of KONES 2007 NO 2

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No. 2 2007
THE RESEARCH OF AIR FILTRATION PROCESS ON PAPER
PARTITION IN THE “CYCLONE – POROUS PARTITION” SYSTEM
Tadeusz Dziubak
Military University of Technology
Faculty of Mechanical Engineering
Gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland
Tel. +48 22 6837121, fax +48 22 6837602
e-mail: [email protected]
Abstract
There are described operating conditions of two-stage engine inlet air filtration system. There are presented
properties of filtration materials used for porous partitions of vehicle air filters. There is presented research method of
filtration papers of two-stage filter. Air filtration thoroughness was evaluated by using of particle counter of Pamas
firm. A stand to such filter papers characteristics research is designed. The basic stand element is separate cyclone
and appropriately selected paper filter cartridge placed in series The dust fractional composition in purified air after
a cyclone was determined. There are presented research results of filtration efficiency and thoroughness
characteristics and flow drag characteristics of filtration paper as a function of dust absorptiveness coefficient km.
There was proved the impact of dust fractional composition on filtration paper absorptiveness change. Designed test
stand to investigations of characteristics of paper filters is described. Results of preliminary researches are also
presented. The scheme of the two-stage air filter, filtration efficiency and flow drag characteristics, the functional
stand schema, the dust fractional composition in air after a cyclone, filtration efficiency and flow drag, characteristics
of filtration paper, dust grain number in purified air, flow drag characteristics of filtration paper for different values
of filtration velocity in the cyclone and without the cyclone are illustrated in the paper.
Keywords: two-stage filter, filter characteristics, filtration paper, dust absorptiveness coefficient
BADANIE PROCESU FILTRACJI POWIETRZA NA PRZEGRODZIE
PAPIEROWEJ W SYSTEMIE "CYKLON - PRZEGRODA POROWATA”
Streszczenie
Omówiono warunki pracy dwustopniowego systemu filtracji powietrza wlotowego silnika. Przedstawiono
wáaĞciwoĞci materiaáów filtracyjnych stosowanych na przegrody porowate filtrów powietrza pojazdów. Przedstawiono
metodykĊ badaĔ charakterystyk papierów filtracyjnych do filtru dwustopniowego. Zaprojektowano stanowisko do
badaĔ takich charakterystyk papierów filtracyjnych. Podstawowym elementem stanowiska jest pojedynczy cyklon
i szeregowo ustawiony, odpowiednio dobrany wkáad papierowy. Oceniono dokáadnoĞü filtracji powietrza za pomocą
licznika cząstek firmy Pamas. OkreĞlono skáad frakcyjny pyáu w powietrzu oczyszczonym za cyklonem. Przedstawiono
wyniki badaĔ charakterystyk skutecznoĞci i dokáadnoĞci filtracji oraz oporów przepáywu papieru filtracyjnego
w funkcji wspóáczynnika cháonnoĞci pyáu km. Wykazano wpáyw skáadu frakcyjnego pyáu na zmiany cháonnoĞci papieru
filtracyjnego. Przedstawiono wyniki badaĔ rozpoznawczych. Schemat dwustopniowego filtru powietrza,
charakterystyki skutecznoĞci filtracji i oporu przepáywu filtru, schemat stanowiska do badaĔ papierów filtracyjnych,
skáad frakcyjny pyáu w powietrzu, charakterystyka skutecznoĞci oporu przepáywu i dokáadnoĞci filtracji papieru
filtracyjnego, liczba ziaren pyáu w powietrzu oczyszczonym, charakterystyka oporu przepáywu wkáadów z papieru
filtracyjnego są zilustrowane w artykule.
Sáowa kluczowe: filtr dwustopniowy, charakterystyki filtru, papier filtracyjny, wspóáczynnik cháonnoĞci pyáu
1. WstĊp
Zapewnienie odpowiedniej czystoĞci powietrza wlotowego do silników pojazdów specjalnych,
a w tym wojskowych (czoági, bwp, dziaáa samobieĪne), które eksploatowane są w warunkach
T. Dziupak
duĪego (ponad 1 g/m3) zapylenia powietrza, pozostaje nadal waĪnym problemem eksploatacyjnym
i konstrukcyjnym.
Projektowanie filtru powietrza to przede wszystkim problem doboru takiej powierzchni papieru
filtracyjnego FC, aby przy maksymalnym zapotrzebowaniu powietrza przez silnik QSilmax, prĊdkoĞü
przepáywu powietrza przez papier filtracyjny nie przekroczyáa dopuszczalnej prĊdkoĞci filtracji
XFdop = 0,03 - 0,06 m/s [1, 8, 11]. Przebieg pojazdu do chwili wykonania obsáugiwania (wymiany
wkáadu filtracyjnego) przy okreĞlonym, z warunku spadku mocy, oporze dopuszczalnym 'pdop jest
wynikiem warunków eksploatacji (masy pyáu zassanego wraz z powietrzem) i cháonnoĞci
jednostkowej km zastosowanego papieru filtracyjnego.
CháonnoĞü jednostkowa papierów filtracyjnych dla pyáów o standardowym skáadzie
frakcyjnym (dz < 80 Pm), jaki trafia wraz z powietrzem na wkáad filtru jednostopniowego jest
znana i wynosi km = 190y220g/m2 [4, 8, 14]. W filtrze dwustopniowym na wkáad filtracyjny
dostaje siĊ pyá o znacznie mniejszych rozmiarach ziaren (do dz = 15y25 Pm), którego skáad
frakcyjny zostaá zmieniony w multicyklonie [1, 6, 7, 9]. Z badaĔ eksperymentalnych przegród
filtracyjnych wynika, Īe wraz ze zmniejszaniem siĊ rozmiaru ziaren pyáu trafiającego na papier
filtracyjny jego jednostkowa cháonnoĞü obniĪa siĊ gwaátownie, co uwidacznia siĊ gwaátownym
wzrostem oporów przepáywu warstwy filtracyjnej [1, 12]. Zmniejsza siĊ wiĊc czas pracy caáego
filtru powietrza oraz przebieg pojazdu do chwili osiągniĊcia wartoĞci 'pfdop.
W dostĊpnej literaturze brak jest danych cháonnoĞci papierów filtracyjnych dla pyáów
o skáadzie frakcyjnym innym niĪ standardowy. ZnajomoĞü tych charakterystyk jest niezbĊdna do
wáaĞciwego doboru papieru filtracyjnego na II stopieĔ filtracji powietrza. Dlatego teĪ wskazane
jest prowadzenie takich badaĔ.
2. Filtracja powietrza w filtrze dwustopniowym
Do filtracji powietrza wlotowego silników pojazdów specjalnych eksploatowanych
w warunkach duĪego (ponad 1g/m3) stĊĪenia zapylenia powietrza stosuje siĊ dwustopniowe filtry
powietrza, pracujące w systemie odpylacz bezwáadnoĞciowy (najczĊĞciej multicyklon) i ustawiona
szeregowo za nim przegroda porowata najczĊĞciej w postaci cylindrycznego wkáadu lub kilku
wkáadów ustawionych wzglĊdem siebie równolegle – rys. 1.
Na przegrody porowate filtrów powietrza wlotowego wspóáczesnych silników pojazdów
mechanicznych, stosuje siĊ gáównie papier filtracyjny uksztaátowany w plisy oraz wáókniny
o zmiennej gĊstoĞci upakowania, a takĪe záoĪa z nanowáókien. Spotyka siĊ jeszcze przegrody
filtracyjne wykonane jako nieregularne záoĪe ze sprasowanego drutu metalowego lub tworzywa
sztucznego nawilĪonego olejem.
3
QG
1
c)
StrumieĔ powietrza
zanieczyszczonego pyáem
oczyszczonego w cyklonie
Q0
b)
a)
D
D
D
odsysanego ejekcyjnie
wraz z pyáem
QS
2
Rys. 1. Schemat dwustopniowego filtru powietrza: 1 – multicyklon (pierwszy stopieĔ filtracji), 2 – osadnik pyáu
3 – przegroda porowata (drugi stopieĔ filtracji); a – cyklon zwrotny z wlotem stycznym, b – z wlotem osiowym
c – cyklon przelotowy
Fig. 1. The scheme of the two-stage air filter: 1 – multicyclone (first stage filtration), 2 - dust settler, 3 – porous
barrier (second stage filtration), a – returnable cyclone with tangential inlet, b – with axial inlet, c – passage cyclone
116
The Research of Air Filtration Process on Paper Partition in the “Cyclone – Porous Partition” System
Do silnika pojazdu gąsienicowego T-72 eksploatowanego ze Ğrednią prĊdkoĞcią v=20 km/h po
drogach poligonowych o stĊĪeniu zapylenia s=1g/m3 dostaje siĊ wraz z powietrzem w ciągu 1000
km przebiegu ponad 170 kg pyáu, z czego multicyklon o skutecznoĞci Mm = 96% zatrzymuje
163,2 kg pyáu. JeĪeli II-gim stopniem filtracji jest przegroda z papieru o skutecznoĞci Mp = 99,5%,
to zatrzymuje ona kolejne 6,76 kg pyáu. Zaprojektowanie filtru powietrza, a w tym przegrody
porowatej do zatrzymania takiej masy pyáu jest duĪym problemem, szczególnie gdy dotyczy to
pojazdu wojskowego, w którym miejsce na filtr powietrza jest ograniczone.
Zatrzymany w cyklonach multicyklonu pyá gromadzi siĊ w wspólnym osadniku 1 - rys. 1.
Magazynowanie w osadniku tak duĪej masy pyáu nie jest wskazane ze wzglĊdu na brak miejsca
jak i niepotrzebne obciąĪanie konstrukcji filtru, a przede wszystkim ze wzglĊdu na wystĊpowanie
powtórnego zassania pyáu podczas wstrząsów pojazdu. Z tego wzglĊdu w pojazdach specjalnych,
w tym wojskowych pojazdach gąsienicowych, eksploatowanych w warunkach duĪego zapylenia
powietrza pyá z osadnika filtru powietrza usuwa siĊ na bieĪąco (poprzez jego ejekcyjne odsysanie)
dodatkowym strumieniem powietrza QS bĊdącego czĊĞcią strumienia wlotowego do filtru.
Multicyklon jest zespoáem kilkudziesiĊciu, a nawet kilkuset cyklonów zwrotnych z wlotem
stycznym lub osiowym jak i cyklonów przelotowych (rys. 1a, b, c) o Ğrednicach D
nieprzekraczających 40 mm, rozmieszczonych równolegle obok siebie, koĔcami zamocowanych w
páytach prostokątnych lub koáowych, charakteryzujący siĊ:
x zdolnoĞcią odseparowania z duĪych (np.: czoág T-72 – ponad 3400 m3/h) strumieni
powietrza znacznej masy pyáu,
x staáym w eksploatacji oraz maáym (2-3 kPa) oporem przepáywu,
x skutecznoĞcią do 96% [1, 3, 5, 7],
x dokáadnoĞcią zatrzymywania ziaren powyĪej 20 - 35 Pm [1, 2, 6],
x bezobsáugowoĞcią – samoczynne usuwanie pyáu z osadnika.
WáaĞciwoĞci filtru powietrza okreĞlają nastĊpujące powszechnie stosowane charakterystyki:
x skutecznoĞü filtracji - iloraz masy pyáu mZF zatrzymanego przez filtr i masy mDF
dostarczonego do filtru:
M
m ZF
m DF
,
(1)
x opór przepáywu – róĪnica ciĞnieĔ p1 przed i p2 za filtrem:
'pf = p1 p2 ,
(2)
x dokáadnoĞü filtracji - maksymalny dzmax rozmiar ziarna pyáu w powietrzu za filtrem,
x cháonnoĞü - masa pyáu 'm zatrzymanego do chwili osiągniĊcia przez filtr okreĞlonej wartoĞci
oporu przepáywu, najczĊĞciej wartoĞci oporu dopuszczalnego 'pfdop.
Od filtrów powietrza wlotowego silników wymaga siĊ:
x wysokiej (99,9%) skutecznoĞci filtracji,
x duĪej (powyĪej 5 Pm) dokáadnoĞci filtracji,
x dáugich okresów miĊdzyobsáugowych,
x maáych przyrostów oporów przepáywu w czasie,
x dopuszczalnego oporu przepáywu nie przekraczającego wiĊcej niĪ 6-7 kPa, a tylko
wyjątkowo w wozach bojowych 12kPa.
Wymagania te są przeciwstawne, a wiĊc trudne do speánienia.
Filtracja w filtrze dwustopniowym (multicyklon-przegroda) obejmuje:
x zasysanie powietrza zanieczyszczonego pyáem o rozmiarach ziaren do 100Pm,
x zatrzymywanie w cyklonach ziaren pyáu powyĪej 15 - 30Pm oraz ich magazynowanie
w osadniku,
x usuwanie pyáu z osadnika,
x napáyw na przegrodĊ porowatą ziaren pyáu poniĪej 15 - 25Pm,
117
T. Dziupak
zatrzymywanie na przegrodzie porowatej ziaren pyáu (powyĪej 5Pm), co powoduje wzrost
oporu przepáywu 'p aĪ do osiągniĊcia oporu dopuszczalnego 'pfdop bĊdącego kryterium
zakoĔczenia eksploatacji filtru powietrza.
Czas pracy filtru do uzyskania 'pdop, którego wartoĞü okreĞlana jest przez konstruktora
i wynika z 3% spadku mocy silnika, zaleĪy nie tylko od warunków eksploatacji (zapylenia
powietrza), ale i od cháonnoĞci 'm przegrody filtracyjnej oraz od skáadu granulometrycznego pyáu,
który na nią napáywa – rys. 2. Czas pracy W filtru powietrza moĪna okreĞliü podczas badaĔ
eksploatacyjnych lub laboratoryjnych. Są to jednak przedsiĊwziĊcia kosztowne i pracocháonne,
szczególnie w stosunku do filtrów dwustopniowych.
x
' pf
Mf
Mf
Q = const.
s = const.
1
2
' pf = ' pfdop
'pf 0
' pf
' m1 < ' m 2
m p1
W1
W2
Masa zatrzymanego pyáu, m p
Czas pracy filtru powietrza,W
m p2
Rys. 2. Charakterystyki skutecznoĞci filtracji Mf = f(mp) i oporu przepáywu 'pf = f(mp) filtru dla róĪnej cháonnoĞci 'm
przegrody porowatej
Fig. 2. Filtration efficiency Mf = f(mp) and flow drag 'pf = f(mp) characteristics for different absorbing capacity 'm of
porous barrier
Z danych literaturowych wynika, Īe czas pracy W dwustopniowego filtru powietrza moĪna
okreĞliü z zaleĪnoĞci empirycznej [1, 10].
FC ˜ k m ˜ kC
Wp
,
(3)
Qmax ˜ s ˜ (1 M M ) ˜ M p
gdzie:
FC - powierzchnia papieru filtracyjnego II-go stopnia filtracji,
km - wspóáczynnik cháonnoĞci papieru filtracyjnego dla przyjĊtej wartoĞci 'pdop,
kC - wspóáczynnik uwzglĊdniający róĪnicĊ miĊdzy parametrami zanieczyszczeĔ testowych
a rzeczywistych,
Qmax - nominalne zapotrzebowanie powietrza przez silnik, s – stĊĪenie zapylenia powietrza
zasysanego do filtru,
– skutecznoĞü wkáadu
ijM - skutecznoĞü pierwszego stopnia filtracji (multicyklonu), ijP
filtracyjnego.
Problemem poprawnoĞci stosowania tego wzoru jest znajomoĞü wartoĞci wspóáczynnika
cháonnoĞci pyáu km papieru pracującego w systemie "multicyklon - przegroda porowata",
zdefiniowanego zaleĪnoĞcią:
mCW
km
g/m2,
(4)
FW
gdzie:
mCW - masa zatrzymanego pyáu przez wkáad filtracyjny dla przyjĊtej wartoĞci oporu
dopuszczalnego 'pdop,
FW - powierzchnia czynna papieru filtracyjnego.
118
The Research of Air Filtration Process on Paper Partition in the “Cyclone – Porous Partition” System
Papiery filtracyjne produkowane są w wielu gatunkach przez wyspecjalizowane firmy. Producenci
papierów filtracyjnych podają tylko dane opisujące ich strukturĊ jak na przykáad: gruboĞü,
wymiary porów, gramatura, wytrzymaáoĞü mechaniczna, opór przepáywu (przepuszczalnoĞü),
gĊstoĞü. Brak jest danych okreĞlających wáaĞciwoĞci filtracyjne produkowanych papierów.
Dlatego relacje miĊdzy strukturą papieru filtracyjnego i jego charakterystykami filtracyjnymi są
ustalane eksperymentalnie. Dla potrzeb poprawnego projektowania filtru dwustopniowego
wspóáczynnik cháonnoĞci km naleĪy okreĞliü doĞwiadczalnie, co wymaga opracowania
odpowiedniej metodyki.
3. Metodyka badaĔ papierów filtracyjnych
Wyznaczenie wspóáczynnika cháonnoĞci pyáu km wymaga okreĞlenia masy pyáu mCW
zatrzymanego na powierzchni 1 m2 papieru filtracyjnego dla przyjĊtej wartoĞci oporu
dopuszczalnego 'pdop. Opracowana metodyka i zbudowano stanowisko (rys 3) umoĪliwiają
wyznaczenie wspóáczynnika km oraz podstawowych charakterystyk wycinka papieru filtracyjnego
przewidywanego do zastosowania na II-gi stopieĔ filtru powietrza pracującego w systemie
„multicyklon – wkáad papierowy”. Gáównym elementem stanowiska jest segment filtracyjny
skáadający siĊ z pojedynczego cyklonu bĊdącym elementem multicyklonu projektowanego filtru
powietrza i szeregowo ustawionego za nim wkáadu filtracyjnego o cylindrycznym ksztaácie,
wykonanego z badanego papieru filtracyjnego.
PowierzchniĊ papieru FW badanego wkáadu naleĪy dobraü tak, aby dla maksymalnej wartoĞci
strumienia powietrza wypáywającego z pojedynczego cyklonu QGmax, a wynikającego
z maksymalnego zapotrzebowania powietrza QSilmax przez silnik, dla którego projektowany jest
filtr, speániony byá warunek dopuszczalnej (maksymalnej) prĊdkoĞci filtracji XFdop d 0,06 m/s.
Zatrzymany przez cyklon pyá osiada w osadniku skąd usuwany jest ejekcyjnie strumieniem
odsysania QS o stanowiącego 20% strumienia wylotowego z cyklonu QG.
Stanowisko wyposaĪono w licznik cząstek umoĪliwiający rejestracjĊ liczby i rozmiarów ziaren
pyáu w strumieniu powietrza za cyklonem lub badawczym wkáadem filtracyjnym w zakresie 0,7 100 Pm w i = 32 przedziaáach pomiarowych, bĊdących zakresami ograniczonymi Ğrednicami
(dzimin - dzimax).
Charakterystyki badanego papieru filtracyjnego naleĪy okreĞlaü metodą wagową w kolejnych
cyklach pomiarowych o okreĞlonym czasie trwania (czas równomiernego dozowania pyáu
testowego) stosując stĊĪenie zapylenia powietrza na wlocie do cyklonu (w zakresie do s = 3 g/m3)
oraz pyá testowy PTC-D.
4. Badania eksperymentalne
Celem badaĔ byáo zweryfikowanie zaproponowanej metody badaĔ papierowej przegrody
filtracyjnej – II-go stopnia filtracji w systemie „cyklon-przegroda porowata”.
Przedmiotem badaĔ byáy wkáady filtracyjne wykonane z dwóch róĪniących siĊ parametrami
struktury papierów filtracyjnych firmy J.C. BINZER o symbolach 796/1 VH 186 (Nr1) i 844 VH
86/4 (Nr2) - tabela 1. Zakres badaĔ obejmowaá badania wstĊpne i zasadnicze.
Badania wstĊpne:
1) OkreĞlenie charakterystyk skáadu frakcyjnego pyáu w powietrzu wlotowym i wylotowym z
cyklonu Up = f(dz) jako udziaá liczby Ni ziaren pyáu z przedziaáu Ğrednic (dzimin y dzimax) do
caákowitej liczby ziaren N.
N
Upi = i 100% .
(5)
N
Badania wykonano dla dwóch wartoĞci strumienia powietrza: QGmin = 22 m3/h i QGmax = 34
m3/h wynikających z zapotrzebowania powietrza przez silnik czoágu T-72 w zakresie
eksploatacyjnej prĊdkoĞci obrotowej 1600 - 2000 obr/min i liczby cyklonów w multicyklonie.
119
T. Dziupak
4
3
QG
mWF
m AG
7
9
5
5
Licznik
cząstek
8
Qo
mD
mAS
6
8
QS
pyá
1
2
m ZOS
StrumieĔ powietrza
oczyszczonego
zanieczyszczonego pyáem
odsysanego wraz z pyáem
Rys. 3. Schemat funkcjonalny stanowiska do badaĔ papierów filtracyjnych w systemie „cyklon – przegroda
porowata”: 1 – cyklon, 2 – osadnik pyáu, 3 – filtracyjny wkáad papierowy, 4 – manometr wodny typu U-rurka
5 – sonda pyáowa licznika cząstek, 6, 7 – filtry absolutne, 8 – rotametry, 9 – wentylator ssawny
Fig. 3. The scheme of the stand to test filter papers operating in “cyclone – porous barrier” system: 1 – cyclone,
2 – dust settler, 3 – filtration paper pack, 4 – manometer, 5 – dust probe of a particles counter, 6, 7 – absolute filters
8 – rotameters, 9 – suction fan
Badania zasadnicze:
1. okreĞlenie dla dwóch prĊdkoĞci filtracji (XFmin = 0,035 m/s i XFmax = 0,06 m/s) charakterystyk
wkáadu filtracyjnego (II-gi stopieĔ filtracji powietrza), na który trafia pyá PTC-D o skáadzie
frakcyjnym zmienionym w cyklonie:
x skutecznoĞci filtracji Mw = f(km),
x dokáadnoĞci filtracji dzmax= f(km),
x oporów przepáywu 'pw = f(km).
2) OkreĞlenie charakterystyk papieru filtracyjnego Nr1 (I-szy stopieĔ filtracji powietrza), na
który dozowany jest pyá PTC-D o skáadzie standardowym.
Tabela 1. Parametry badanych papierów filtracyjnych firmy J.C. BINZER Papierfabrik
Table 1. Parameters of tested filtration papers from the J.C. BINZER Papierfabrik
Lp.
1
2
3
4
6
8
Parametry
Gramatura
GruboĞü - obciąĪenie 2 N/cm2
Opór przepáywu przy 400 cm3/s, A = 10 cm2
WytrzymaáoĞü na rozrywanie
ZawartoĞü Īywicy
WartoĞü Ğrednia Ğrednicy por
Jednostki
g/m2
mm
mbar
kPa
%
Pm
Oznaczenie papieru
796/1 VH 186 (Nr 1)
204
0,9
6,7
385
18,8
42
844 VH 86/4 (Nr 2)
108
0,67
1,04
212
17
76
Warunki badaĔ:
x strumieĔ powietrza QG = 22 m3/h, QG = 34 m3/h,
x stopieĔ ejekcyjnego odsysania pyáu z osadnika cyklonu m0 = 8%,
x stĊĪenie zapylenia powietrza na wlocie do cyklonu s = 1 g/m3,
x pyá testowy PTC-D,
x zakres mierzonych rozmiarów ziaren pyáu dz = 0,7 - 100 Pm,
x liczba przedziaáów pomiarowych - 32,
x wartoĞü zakresu przedziaáu Ğrednic (dzimin - dzimax) – 0,8 Pm.
4. Analiza wyników badaĔ
Skáad frakcyjny pyáu Up = f(dz) w powietrzu za cyklonem D-40 dla róĪnych wartoĞci
strumienia QG oraz w powietrzu wlotowym do cyklonu pokazano na rys. 4.
120
The Research of Air Filtration Process on Paper Partition in the “Cyclone – Porous Partition” System
Dla staáej wartoĞci strumienia QG oraz stopnia odsysania m0 obserwuje siĊ wraz ze wzrostem
rozmiarów ziaren pyáu systematyczny spadek liczby ziaren pyáu w powietrzu za cyklonem, a tym
samym ich udziaáy liczbowe Up są coraz mniejsze aĪ do osiągniĊcia wartoĞci minimalnej (rys 4),
która okreĞla udziaá pojedynczego ziarna pyáu o maksymalnym rozmiarze dzmax w ogólnej liczbie
ziaren pyáu N. Dla strumienia powietrza QG = 22 m3/h oraz QG = 34 m3/h rozmiar maksymalnego
ziarna ma odpowiednio wartoĞü dzmax = 11,9 Pm, dzmax = 15,9 Pm. Na papier filtracyjny dostają siĊ
wiĊc ziarna pyáu poniĪej tych rozmiarów.
40
StrumieĔ powietrza QG, m3/h
Udziaá liczbowy ziaren pyáu
w powietrzu za cyklonem Up, %
35
22
30
34
25
Warunki badaĔ:
Pyá testowy PTC-D - dzmax = 80 Pm
20
StĊĪenie zapylenia s = 1 g/m3
StopieĔ odsysania m0 = 8 %
dzmax = 11,9 Pm
15
dzmax = 15,9 Pm
10
Przed cyklonem
5
0
0
6,4
12,8
19,2
25,6
32
38,4
44,8
51,2
57,6
Rozmiar ziaren pyáu w powietrzu za cyklonem dla kolejnych
przedziaáów pomiarowych 'dzi = (dzimin - dzimax), Pm
Rys. 4. Skáad frakcyjny pyáu Up = f(dz) w powietrzu za cyklonem D-40 dla róĪnych wartoĞci strumienia QG oraz
w powietrzu wlotowym do cyklonu
Fig. 4. The dust fractional composition Up = f(dz) in air after a cyclone D-40 for different values of air flow QG and in
the inlet air of cyclone
Wraz ze wzrostem masy zatrzymanego przez wkáad filtracyjny pyáu (wspóáczynnika
cháonnoĞci pyáu km) skutecznoĞü filtracji Mw oraz opór przepáywu ǻpw papierów pracujących
w systemie „cyklon-przegroda porowata” caáy czas systematycznie rosną, przy czym
w początkowym okresie filtracji wzrost skutecznoĞci jest gwaátowny, co ma niewątpliwie związek
ze zmniejszaniem siĊ rozmiarów ziaren maksymalnych od dzmax = 13,8Pm do dzmax = 5Pm. Wtedy
skutecznoĞü filtracji papieru stabilizuje siĊ na poziomie MW = 99,5 - 99,9 % - rys. 5.
16
Papier Nr 2 - II stopieĔ
100
Rozmiar ziaren dzmax, Pm
Mw
12
skutecznoĞü filtracji
rozmiar ziaren max.
opór przepáywu
80
60
'pw
8
dzmax
40
4
20
0
0
20
40
3
XF = 0,06 m/s, s = 1 g/m , m0 = 8 %
Pyá testowy -PTC-D (na wlocie do cyklonu) 0
60
80
100
Opór przepáywu 'pw, kPa
SkutecznoĞü filtracji wkáaduMw, %
120
120
2
Wspóáczynnik cháonnoĞci papieru filtracyjnego km, g/m
Rys. 5. Charakterystyka skutecznoĞci filtracji ijw = f(km), oporu przepáywu ǻpw = f(km) i dokáadnoĞci filtracji
dzmax = f(km) papieru filtracyjnego Nr 2 w funkcji wspóáczynnika cháonnoĞci pyáu km.
Fig. 5. Filtration efficiency ijw = f(km) and flow drag ǻpw = f(km) and filtration thoroughness dzmax = f(km)
characteristics of filtration paper Nr 2 as a function of dust absorptiveness coefficient km
121
T. Dziupak
Dla staáej wartoĞci strumienia QG w powietrzu przefiltrowanym liczba ziaren pyáu Ni maleje
wraz ze wzrostem ich rozmiarów dz aĪ do osiągniĊcia liczby Nmin = 1. Jest to ziarno pyáu o
najwiĊkszym rozmiarze dz = dzmax i charakteryzuje dokáadnoĞü filtracji papieru.
Wraz ze wzrostem zatrzymanej przez papier masy pyáu w powietrzu przefiltrowanym maleje
liczba ziaren (rys. 6) oraz rozmiar maksymalnego ziarna dzmax, co Ğwiadczy o wzroĞcie
dokáadnoĞci filtracji. Stabilizacja dokáadnoĞci filtracji na poziomie 2,3 – 5.1Pm nastĊpuje po
osiągniĊciu przez papier wspóáczynnika cháonnoĞci km = 5,684g/m3 i ma Ğcisáy związek
z stabilizacją skutecznoĞci filtracji.
100000
Liczba ziaren pyáu w powietrzu za wkáadem
filtracyjnym Nzp
Wspóáczynnik cháonnoĞci pyáu
km, g/m2
k = 20,167
222 0,809
Serie3
1,004
Serie4
1,576
Serie5
1,835
Serie6
2,332
Serie7
2,782
3,199
Serie8
4,508
Serie9
5,684
Serie10
10000
Papier filtracyjny Nr 2
1000
100
10
1
0,7
2,3
3,9
5,5
7,1
8,7
10,3
11,9
13,5
15,1
Rozmiar ziaren pyáu dZ, Pm
Rys. 6. Liczba ziaren pyáu w powietrzu oczyszczonym (za wkáadem filtracyjnym Nr 2) w funkcji rozmiaru ziaren pyáu
dla róĪnych wartoĞci wspóáczynnika cháonnoĞci km
Fig. 6. Dust grain number in purified air (after filter pack Nr 2) as a function grain dust size for different values of
dust absorptiveness coefficient km
Niska skutecznoĞü papieru filtracyjnego (ij= 55 %) oraz obecnoĞü duĪych ziaren pyáu (do
dz=14 Pm) w powietrzu oczyszczonym w początkowym okresie pracy ma miejsce po wymianie
zanieczyszczonego wkáadu filtracyjnego na nowy moĪe mieü wpáyw na przyĞpieszone zuĪycie
gáównie skojarzenia T-P-C. NajwiĊkszą skutecznoĞü filtracji na poziomie ij= 99,9% oraz duĪą
dokáadnoĞü osiąga filtr w koĔcowym okresie pracy - przed wymianą wkáadu.
Zmiana prĊdkoĞci filtracji na mniejszą (z XFmax = 0,06 m/s na XFmin = 0,035 m/s) przy
zachowaniu pozostaáych warunków badaĔ, nie powoduje zasadniczych zmian charakterystyk
skutecznoĞci ijw = f(km) i dokáadnoĞci filtracji dzmax = f(km), natomiast wystĊpuje mniejsza
intensywnoĞü wzrostu oporu przepáywu'pW = f(km) bĊdąca gáównie efektem mniejszej masy pyáu
dozowanej na wkáad filtracyjny – rys. 7.
Dla papieru filtracyjnego Nr 1 charakteryzującego siĊ innymi wartoĞciami parametrów
struktury niĪ papier Nr 2 zasadniczej zmianie ulega przebieg charakterystyk oporów przepáywu
Dla tej samej wartoĞci prĊdkoĞci filtracji (XFmax = 0,06 m/s) opór przepáywu wkáadu przyjmuje
wartoĞci tym wiĊksze im Ğrednice porów papieru są mniejsze - rys. 7.
W przypadku gdy na wkáad filtracyjny wykonany z tego samego papieru Nr 2 dozowany jest
pyá PTC-D o skáadzie standardowym (dz < 80 Pm) zasadniczej zmianie ulega przede wszystkim
przebieg charakterystyki oporów przepáywu 'pW = f(km). Obserwuje siĊ znacznie mniejszą
intensywnoĞü wzrostu oporu przepáywu papieru zanieczyszczanego pyáem standardowym niĪ
pyáem, którego skáad granulometryczny zostaá zmieniony w cyklonie.
Dla tej samej wartoĞci oporu dopuszczalnego 'pdop = 6 kPa papier filtracyjny, na który
dozowany byá pyá, którego skáad frakcyjny zostaá zmieniony w cyklonie (rozmiary ziaren nie
przekraczają dz = 17 Pm) osiąga wspóáczynnik cháonnoĞci czterokrotnie mniejszy niĪ papier, na
122
The Research of Air Filtration Process on Paper Partition in the “Cyclone – Porous Partition” System
który dozowany byá bezpoĞrednio pyá o skáadzie standardowym. Dla papieru Nr 1 w chwili
osiągniĊcia 'pdop = 6 kPa wspóáczynniki cháonnoĞci mają odpowiednio wartoĞci km = 52 g/m2
i km= 220 g/m2. W rzeczywistoĞci czas pracy filtru dwustopniowego, którego wkáad filtracyjny
zostaá zaprojektowany na podstawie znajomoĞci wartoĞci wspóáczynnika cháonnoĞci km
standardowych papierów filtracyjnych, co praktycznie jest stosowane, bĊdzie czterokrotnie
krótszy.
10
Opór przepáywu wkáadu 'pw, kPa
8
'pdop = 6 kPa
6
4
Nr1 v=0,035 m/s - ukáad
Nr1 v=0,06 m/s - ukáad
Nr3 v=0,06 m/s - ukáad
Nr1 v=0,06 m/s pojedynczo
km = 76 g/m2
2
km = 52 g/m2
km = 105 g/m2
km = 220 g/m2
0
0
60
120
180
240
300
Wspóáczynnik cháonnoĞci pyáu km ,g/m2
Rys. 7. Charakterystyka oporu przepáywu ǻpW = f(km) wkáadów z papieru filtracyjnego Nr1 i Nr2 dla róĪnych
prĊdkoĞci filtracji w systemie: cyklon-wkáad i bez cyklonu
Fig. 7. Flow drag ǻpw = f(km) characteristics of filtration paper packs Nr1 i Nr2 for different values of filtration
velocity in cyclone – pack system and without a cyclone
Wyniki badaĔ eksperymentalnych oporu przepáywu 'pW aproksymowano liniowymi
równaniami regresji metodą najmniejszych kwadratów za pomocą oprogramowania komputera.
Uzyskano bardzo dobrą zgodnoĞü opisu wyników taką funkcją, o czy Ğwiadczy wartoĞü
wspóáczynnika regresji R2 – tabela 2.
Tab. 2. Równania regresji oporu przepáywu 'pW wkáadów filtracyjnych w ukáadzie „cyklon – przegroda porowata”
Tab. 2. Regression equations of flow drag 'pW filtration packs in “cyclone – porous barrier” system
Lp.
1
Warunki badaĔ
Postaü równania
R2
papier Nr 1
'pw = 0,0529 km + 0,3894
0,9974
'pw = 0,1048 km + 0,7699
0,9923
'pw = 0,795 km + 0,0237
0,9983
XF = 0,035 m/s
2
papier Nr 1
XF = 0,06 m/s
3
papier Nr 2
XF = 0,06 m/s
Liniowy związek miedzy oporem przepáywu 'pW papieru filtracyjnego a wspóáczynnikiem
cháonnoĞci km uáatwia znacznie metodĊ wyznaczania wartoĞci km papierów filtracyjnych
przewidywanych do pracy w systemie „multicyklon-przegroda porowata”.
5. Podsumowanie
Opracowana i zweryfikowana metodyka badaĔ wáaĞciwoĞci materiaáów filtracyjnych
w zbliĪonych do rzeczywistych warunków pracy II-go stopnia filtru (wkáadu filtracyjnego), bĊdąca
123
T. Dziupak
oryginalnym osiągniĊciem autora umoĪliwia wyznaczenie wspóáczynnika cháonnoĞci km oraz
innych parametrów niezbĊdnych do wáaĞciwego zaprojektowania wkáadu filtracyjnego filtru
dwustopniowego.
Wyznaczenie wspóáczynnika cháonnoĞci km papieru filtracyjnego na podstawie badaĔ segmentu
filtracyjnego zbudowanego z pojedynczego cyklonu i papierowego wkáadu badawczego uáatwia
znacznie proces projektowania filtru powietrza oraz obniĪa koszty. Niska (ij= 55 - 77 %)
skutecznoĞü papieru filtracyjnego oraz obecnoĞü duĪych (do dz = 14 Pm) ziaren pyáu w powietrzu
oczyszczonym w początkowym, ale krótkim okresie pracy moĪe mieü wpáyw na przyĞpieszone
zuĪycie gáównie skojarzenia T-P-C. W rzeczywistych warunkach taki stan pracy filtru powietrza
wystĊpuje po wymianie zanieczyszczonego wkáadu filtracyjnego na nowy.
Papiery filtracyjne w systemie „multicyklon-przegroda porowata” osiągają wspóáczynnik
cháonnoĞci czterokrotnie mniejszy niĪ te same papiery pracujące w jednostopniowym systemie
filtracji, na co niewątpliwie ma wpáyw skáad granulometryczny pyáu. Ma to bezpoĞredni wpáyw na
czas pracy filtru do chwili osiągniĊcia oporu dopuszczalnego, a tym samym na przebieg pojazdu.
Badania w zakresie okreĞlenia charakterystyk skutecznoĞci MW = f(km), dokáadnoĞci filtracji
dzmax= f(km) oraz oporów przepáywu 'pW = f(km) powtórzono na drugim egzemplarzu wkáadu
filtracyjnego wykonanego z papieru Nr1 i Nr2. PowtarzalnoĞü otrzymanych wyników jest
podstawą do stwierdzenia, Īe opracowana metodyka jest prawidáowa, a uzyskane wyniki
wiarygodne.
6. Literatura
Baczewski, K., Hebda, M., Filtracja páynów eksploatacyjnych, MCNEMT, Radom
1991/1992.
[2] Cenrtisep Air Cleaner, Materiaáy informacyjne firmy PALL Corporation, USA 2004.
[3] Diesel Engine Air Filtration, Materiaáy informacyjne firmy PALL Corporation. USA, 2004.
[4] Durst, M., Klein, G., Moser, N., Filtration in Fahrzeugen, Materiaáy informacyjne firmy
Mann+Hummel GMBH. Ludwigsburg, Niemcy 2005.
[5] DzierĪanowski, P., KordziĔski, W, OtyĞ, J., SzczeciĔski, S., Wiatrek, R., NapĊdy lotnicze.
Turbinowe silniki Ğmigáowe i Ğmigáowcowe, WKà, Warszawa 1985.
[6] Dziubak, T., MoĪliwoĞci modyfikacji konstrukcji cyklonu zwrotnego z wlotem stycznym,
Biuletyn WAT, LV, 2 (642), 2006.
[7] Dziubak, T., Problemy filtracji powietrza w silnikach spalinowych pojazdów
eksploatowanych w warunkach duĪego zapylenia powietrza, Zagadnienia Eksploatacji
Maszyn PAN, Z. 4 (124), 2000.
[8] Erdmannsdörfer, H., Trocklenluftfilter für Fahrzeugmotoren-Auslegungs - und
Leistungsdaten, MTZ, 43, (1982), No 7/8 1982.
[9] Jaroszczyk, T., Problemy filtracji powietrza w silnikach spalinowych eksploatowanych
w ciĊĪkich warunkach, Silniki Spalinowe, Nr 2, 1978.
[10] Melzer, H., Brox, W., Ansauggerauschdampfer und Luftfilter für BMW 524 td, MTZ, 45
(1984), No 5 1984.
[11] Schaeffer, J. W., Olson, L. M., Air Filtration Media for Transportation Applications,
Filtration & Separation, Vol. 35, No 2, 1998.
[12] Taufkirch, G., Papierluftfilter in der Einsatzpraxis von Nutzfahrzeugen, MTZ, 58, No 4,
1997.
[1]
124