ART_005_009_Filtry i Filtracja -2- _KAISER.indd

klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
(2)
mgr inż. Krzysztof KAISER
FILTRACJA.
MECHANIZMY FILTRACJI
Filtracja powietrza polega na oddzielaniu cząstek zawieszonych, będących zanieczyszczeniami, przez powierzchnię
filtracyjną ze strumienia przepływającego powietrza. Zanieczyszczenia te mogą być bardzo różnej wielkości i dlatego
też sam proces oczyszczania powietrza jest najczęściej procesem złożonym, wykorzystującym różne zjawiska fizyczne.
Do zjawisk fizycznych najczęściej wykorzystywanych w procesach filtracji zalicza się: zjawisko dyfuzji, zjawisko bariery, zjawisko sita i zjawisko oddziaływań elektrostatycznych,
a w procesie filtracji mogą brać udział m. in. siły: grawitacji, bezwładności, odśrodkowe i oddziaływania elektrostatycznego. Zanieczyszczenia gazowe najczęściej oddziela
się chemicznymi lub fizycznymi metodami sorpcji, w których
substancje szkodliwe wiążą się z sorbentami.
Powietrze to aerozol, który składa się z: gazowej fazy ciągłej, jaką jest czyste powietrze oraz fazy rozproszonej,
którą najczęściej są ciała stałe lub ciecz w postaci kropel.
Zanieczyszczeniami mogą być zarówno ciała stałe, jak i
krople. Kształt i rozmiar cząstek (zanieczyszczeń) zawartych w powietrzu jest bardzo zróżnicowany. Fazę rozproszoną mogą stanowić układy jednofrakcyjne – rys. 1a, czyli
zbiory jednakowych lub prawie jednakowych cząstek lub
wielofrakcyjne – rys. 1b, czyli zbiory cząstek o różnych
wymiarach. W normalnych warunkach układy jednofrakcyjne nigdy nie występują. O kształcie zbliżonym do kuli
występują przeważnie krople. Kształt cząstek nie ulega na
ogół zmianie podczas przepływu, poza przypadkiem wymiany masy, jednak krople zazwyczaj podlegają znacznym
deformacjom, np. w wyniku odparowania i łączenia się.
Z tego względu oczyszczanie powietrza z zanieczyszczeń
w postaci kropel jest znacznie trudniejsze. Istnieje również
możliwość przesączu wychwyconej kropli przez materiał
filtracyjny. Natomiast materia ożywiona zachowuje się
często jak cząstka stała, ale niekiedy również jak kropla.
Niektóre materiały zmieniają swoje wymiary liniowe i
objętość na skutek wchłaniania lub utraty wody. Głównie zachowują się tak substancje mające właściwości higroskopijne np. drewno. Martwe szczątki świata roślin i
zwierząt rozkładają się do postaci pyłu, czego przykładem
jest wysuszony liść, który łatwo można pokruszyć. Nale-
202
ży też mieć na uwadze, że nie tylko mikroorganizmy żywe
mogą być szkodliwe, ale również ich martwe komórki, np.
wchłonięte przez człowieka szczątki ścian komórkowych
bakterii. Zatrzymywanie zanieczyszczeń to pierwszy etap
uzyskiwania określonej jakości powietrza. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę z tego, że materiał filtracyjny
w sprzyjających warunkach może stać się podłożem dla
niektórych rodzajów mikroorganizmów oraz z faktu, że w
wyniku jego degradacji sam może stać się zanieczyszczeniem. Do określenia wielkości cząstki (zanieczyszczenia)
najczęściej stosuje się pojęcie średnicy zastępczej (równoważnej) – rys.2. Znajomość rozmiarów cząstek jest ważna
dla określenia wielkości prześwitów lub porów przegrody
filtracyjnej, uniemożliwiających ich przenikanie.
Wśród średnic geometrycznych należy wyróżnić:
średnicę objętościową, czyli średnicę kuli o tej samej powierzchni co cząstka, oraz średnicę powierzchniową, czyli
średnicę kuli o tej samej powierzchni co cząstka. Średnica
sitowa jest rozmiarem szczególnym, który określa się na
podstawie przesiewania.
Rys.1 Układy dyspersyjne: a) jednofrakcyjne, b) wielofrakcyjne
Rys. 2 Równoważność cząstki dowolnej i kulistej: a) pod względem powierzchni, b) pod względem objętości
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 5/2007
klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
Poszczególne fazy aerozolu można oddzielać różnymi
metodami. Najczęstszą jednak metodą filtrowania jest
metoda, w której o wielkości
oddzielanych z powietrza zanieczyszczeń decyduje rodzaj
stosowanej przegrody filtracyjnej. Przegroda filtracyjna może być włóknista bądź
ziarnista, luźna bądź zwarta.
Ilość zanieczyszczeń i wykorzystywany mechanizm filtracji decydują o tym, czy na
przegrodzie zachodzi filtracja powierzchniowa, czy też Rys. 3 Filtracja: a) powierzchniowa, b) wgłębna (objętościowa)
wgłębna. Znaczenie mają tutaj
również rozmiary cząstek oraz prześwitów w przegrodzie włóknie jest możliwe tylko wtedy, gdy przebywa ona dość
filtracyjnej lub porów, jeżeli jest to ośrodek porowaty. Fil- długo i dość blisko w pobliżu włókna.
tracja powierzchniowa (rys.3a) zachodzi w przypadku
Zjawisko bezwładności, którym interesowali się uczeni
znacznej ilości zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych, od stuleci m. in. Galileusz i Newton, okazuje się, że również
zawartych w filtrowanym powietrzu. Na przegrodzie po- ma zastosowanie w filtracji. W wyniku tego zjawiska możwstaje wówczas warstwa osadu (zanieczyszczeń), która na- liwe jest osadzanie cząstki na włóknie, pod warunkiem, że
stępnie bierze udział w procesie filtracji. Z biegiem czasu cząstka ma określone wymiary i nie może z tego powodu
warstwa ta rośnie, rośnie również opór przepływu. Filtra- poruszać się wzdłuż linii przepływu oraz, gdy znajduje się
cja wgłębna (rys.3b), zwana też objętościową, zachodzi ona wewnątrz krytycznego przedziału odległości od linii
natomiast w przypadku małej ilości cząstek stałych, któ- symetrii [1]. Oznacza to, że cząstka nie nadąża za zmiare albo są zatrzymywane na przegrodzie filtracyjnej, albo ną kierunku linii przepływu, wypada z niej i dochodzi do
wnikają do niej. Nie można wówczas wyróżnić wyraźnej zderzenia z włóknem. Pęd cząstki musi być dostatecznie
warstwy osadu. W klimatyzacji i wentylacji znacznie częś- duży. Zanieczyszczenie może również w wyniku zaczepieciej spotykana jest filtracja wgłębna. Jednak na niektórych nia (łagodne zderzenie) osiąść na włóknie poruszając się
filtrach, głównie wyciągowych oraz filtrach z odciągów po linii prądu. Ten mechanizm dotyczy głównie cząstek
miejscowych pomieszczeń znacznie zanieczyszczonych o niewielkiej gęstości, poruszających się z małymi prędlub pomieszczeń, w których emitowane są cząstki dość kościami. Zatrzymywanie cząstek w wyniku zaczepienia
znacznych rozmiarów, zauważa się też filtrację powierzch- wzrasta ze zwiększaniem się ich wymiarów. Zastosowanie
niową.
na filtry materiałów włóknistych o różnej gęstości włókien
W urządzeniach do oczyszczania powietrza z zanie- zwiększa efektywność filtracji wykorzystującej efekt zaczyszczeń stosowane są zazwyczaj następujące metody czepienia.
filtrowania:
Zjawisko bariery występuje wtedy, gdy cząstka porusza
• mechaniczna, polegająca na zatrzymywaniu zanie- się wzdłuż linii przepływu, której odległość od włókna w
czyszczeń na różnych materiałach filtracyjnych tzw. miejscu opływania jest mniejsza niż pół średnicy cząstki [1].
przegrodach;
Oddziaływanie elektrostatyczne cząstek małych roz• energetyczna, polegająca na oddzielaniu zanieczysz- miarów, posiadających ładunek elektryczny jest bardzo
czeń za pomocą pola magnetycznego, elektrycznego, silne. Np. dwa oddziałujące na siebie protony zgodnie z
grawitacyjnego, odśrodkowego itp.;
prawem Coulomba działają na siebie elektrycznymi siłami
• mechaniczno – energetyczna.
odpychania 1,24 x 1036 razy większymi niż siłami grawitacyjnymi. Zarówno cząstki, jak i powierzchnia filtracyjna
Najbardziej znanym przez człowieka zjawiskiem wyko- mogą być naładowane dodatnio, ujemnie lub obojętnie. W
rzystywanym w filtracji jest zjawisko sita. Sito służyło warunkach naturalnych istnieje pewna równowaga pomięludziom w gospodarstwach domowych do przesiewania dzy cząstkami zawieszonymi w powietrzu. Jednak w wyniróżnych materiałów sypkich już od niepamiętnych czasów. ku np. tarcia o powierzchnię, czy styczności z naładowaną
Wykorzystanie tego zjawiska jest jednak możliwe tylko do cząstką może nastąpić przesunięcie ładunku i jego konmomentu, gdy cząstki zanieczyszczeń mają większą śred- centracja w pewnych obszarach. Zjawisko oddziaływania
nicę, niż swobodny przekrój między włóknami.
elektrostatycznego ciał wykorzystuje się np. w elektrofilZjawisko dyfuzji jest następstwem molekularnych ru- trach, w których zanieczyszczenia zostają naelektryzowane
chów Browna i z tego względu ma znaczenie tylko dla bar- i przyciągane do powierzchni o odmiennym ładunku elekdzo małych cząstek (poniżej 1μm). Osiadanie cząstki na trycznym.
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 5/2007
203
klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
klimatyzacja i wentylacja
Tak więc podstawowymi mechanizmami wykorzystywanymi w procesach filtracji powietrza są:
• dyfuzja,
• zaczepienie,
• osadzanie grawitacyjne,
• zderzenie bezwładnościowe,
• oddziaływanie elektrostatyczne,
• efekt sita,
a sam mechanizm oddzielania na warstwie filtrującej można schematycznie przedstawić dla pojedynczego włókna, jak to obrazuje rysunek 4.
Zatrzymywanie cząstek na powierzchniach włókien powodują siły elektrostatyczne - siły van der
Waalsa.
Czynny mechanizm oddzielania przez pojedyncze
włókno zależy od:
• średnicy włókna,
• średnicy cząstek,
• prędkości przepływu,
• rozkładu cząstek przed włóknem,
a także od materiału cząstki i materiału włókien
oraz od stanu powierzchni włókien.
Rys. 4 Podstawowe mechanizmy filtracji
Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń na powierzchni filtracyjnej zmienia
się w zależności od mechanizmu oddzielania i od
średnicy zanieczyszczeń, jak to przedstawiono na
rysunku 5.
W wysokoskutecznej filtracji powietrza działają przede wszystkim dwa mechanizmy oddzielania zanieczyszczeń: dyfuzja i zaczepienie. Dla
cząstek większych od 1 μm najistotniejszym
mechanizmem wytrącania zanieczyszczeń jest
mechanizm bezwładności. Mechanizm osadzania grawitacyjnego ma znaczenie głównie dla
cząstek dużych. Niektóre rozwiązania techniczne, odpylacze mokre, płuczki, skrubery, cyklony
mokre, umożliwiają usuwanie zanieczyszczeń
przy użyciu kropel wody, które wtryskiwane w
strumień przepływającego powietrza zderzają
się z zanieczyszczeniami w nim zawartymi. W Rys. 5 Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń powietrza na
wyniku związania się zanieczyszczenia z kroplą powierzchni filtracyjnej w zależności od mechanizmu oddzielania i wielkości
wody zwiększa się ich masa i dzięki temu moż- cząstek na podstawie [1, 2]
liwe jest wykorzystanie sił grawitacyjnych i odśrodkowych.
W zależności od konieczności uzyskania końcowej, LITERATURA
wymaganej czystości powietrza, w praktyce często wprowadza się odpowiednie stopniowanie filtracji, a są to:
[1] Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.
• filtracja zgrubna, inaczej wstępna,
R.: Ogrzewanie + Klimatyzacja. Poradnik. Wydanie 1.
• filtracja dokładna,
EWFE, Gdańsk 1994
• filtracja bardzo dokładna,
[2] Lee KW, Liu BYH: On the minimum efficiency and the
• filtracja aerozoli koloidalnych.
most penetrating particle size for fibrous filters. J Air
Pollut Control Assoc 30: 377-381
Instalacje klimatyzacji i wentylacji posiadają najczęściej
od jednego do kilku stopni filtracji.
cdn ...
204
technika chłodnicza i klimatyzacyjna 5/2007