Influência da geometria plissada na queda de pressão de filtros durante o processo de carregamento de pó: estudo experimental e de modelagem

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20331 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, um modelo de queda de pressão foi desenvolvido através de simulação numérica e experimentação para otimizar o projeto da estrutura plissada do meio filtrante para prolongar a vida útil do filtro e reduzir o consumo de energia de ventilação. O efeito do número de Stokes na deposição de poeira no meio filtrante plissado foi revelado através de simulação numérica. Com base nisso, foi desenvolvido um modelo de queda de pressão durante o carregamento de poeira. O modelo sugere que sob a mesma massa de deposição de pó por unidade de área (W), quanto maior a razão de pregas (α), maior será a espessura da torta de pó e a velocidade efetiva de filtração na área efetiva de filtração. Além disso, para filtros em forma de V e em forma de U, os desvios médios relativos entre as quedas de pressão totais experimentais e de modelagem são de 3,68% e 4,82%, respectivamente. Em outras palavras, o modelo proposto prevê com precisão a queda de pressão durante o carregamento de poeira. Além disso, sob o mesmo α e \(W\), a queda de pressão total do filtro em forma de U é menor do que a do filtro em forma de V, demonstrando o desempenho de filtração superior do filtro em forma de U.

Filtros plissados ​​são comumente usados ​​nas áreas de sistemas HVAC e purificadores de ar. Através do meio filtrante plissado, uma área de filtração maior e menor velocidade de filtração podem ser alcançadas em espaço limitado, estendendo o período de substituição do filtro1,2,3,4,5,6,7. A eficiência da filtragem e a queda de pressão são dois indicadores importantes do desempenho do filtro. A eficiência da filtração é fortemente influenciada pelo meio filtrante e pela velocidade de filtração. A geometria da prega tem efeito limitado na eficiência da filtração8,9,10. A deformação por flexão do meio filtrante induzida por pregas, por outro lado, resultará em alterações em sua permeabilidade e porosidade, aumentando a queda de pressão do filtro3,11,12,13. Enquanto isso, a geometria pregueada causará variação no campo de fluxo de ar e deposição não uniforme de poeira e, portanto, a queda de pressão durante o carregamento de poeira será maior do que a da filtração plana12,14,15,16,17,18. A geometria pregueada tem um impacto significativo no desempenho do filtro. Contudo, as pesquisas atuais sobre previsão de queda de pressão durante o carregamento de poeira são insuficientes, e a maioria delas são estudos experimentais19,20,21,22.

Atualmente, estão sendo realizados estudos para prever a queda de pressão de filtros com diversas geometrias pregueadas1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 desenvolveram um modelo de previsão de queda de pressão para filtros limpos em formato de V e U, dividindo a queda de pressão total em três componentes: diferença de pressão dentro da prega devido a perdas por atrito e ganho de pressão dinâmico; queda de pressão devido à contração e expansão quando o ar entra e sai do sistema de pregas; e queda de pressão quando o ar flui através do meio filtrante. A velocidade de filtração em seu estudo varia de 1 a 10 m/s, e a relação entre a queda de pressão causada pela geometria pregueada e a queda de pressão total aumenta à medida que a velocidade de filtração aumenta. Del Fabbro et al.26 estabeleceram um modelo semi-empírico adimensional que previu a queda de pressão de filtros limpos com base no tipo de meio filtrante, geometria plissada e parâmetro de fluxo. No entanto, os estudos anteriores limitaram-se a filtros limpos e não incluíram a previsão de queda de pressão durante a carga de poeira.

A previsão da queda de pressão de filtros com diferentes geometrias plissadas durante a carga de poeira raramente foi relatada até agora. Fotovati et al.18 investigaram a deposição não uniforme de poeira em filtros em forma de V e U e calcularam a variação da queda de pressão com a deposição de poeira. No entanto, as partículas de poeira em seu estudo tinham tamanhos de 3 μm e 10 μm, enquanto na realidade as partículas de poeira são em sua maioria polidispersas. Usando as expressões analíticas para os componentes x e y do campo de velocidade dentro de canais em forma de V e em forma de U, Saleh et al.27 deduziram um modelo seminumérico simples que pode ser aplicado para prever a queda de pressão de filtros plissados ​​durante a formação de poeira. carregando. Porém, o modelo não considera a deposição irregular de poeira na área plissada dos filtros.