Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Influence of Structural Characteristics on Liquid Aerosol Filtration in Multilayer Nonwoven Fabrics of the Spunlace Type

Jankowski T.

Fibres & Textiles in Eastern Europe

|

2009

|

Vol. 17, no. 4 (75)

87--92

EN

Multilayer nonwoven fabrics are an important part of fibrous filters used in ventilation systems. The run of the filtration process depends on the structure of the fabric system, the aerosol particle deposition mechanisms and the aerosol flow conditions. This article discusses, in terms of theoretical models, the results of investigation of flow resistance and the efficiency at the initial stage of aerosol filtration – in which the dispersed phase consisted of liquid particles – through multilayer nonwoven fabric systems with different structural parameters. Research results indicate the functional dependence of filtering properties on the structural parameters of the fibres studied (primarily the thickness and porosity) and aerosol flow parameters, such as the liquid aerosol flow rate. Results of research on multilayer systems of “spunlace” type nonwoven fabrics with particular focus on the analysis of pore fraction distribution may be of crucial importance in forecasting the use of multilayer nonwoven fabrics as filtering media for a given process of liquid aerosol filtration, considering the maintenance of the most advantageous filtration conditions.

PL

Warstwowe układy włóknin stanowią znaczącą pozycję wśród materiałów filtracyjnych stosowanych w systemach wentylacyjnych. Przebieg filtracji jest uzależniony od struktury układu włóknin, mechanizmów depozycji cząstek aerozolu, jak i warunków przepływu aerozolu. W artykule omówiono, w aspekcie modeli teoretycznych, wyniki badania oporów przepływu i skuteczności filtracji aerozolu w jej początkowym etapie w którym fazę rozproszoną stanowiły cząstki ciekłe, przez warstwowe układy włóknin o różnych parametrach strukturalnych. Wyniki badań wskazują na funkcyjną zależność właściwości filtracyjnych od parametrów strukturalnych badanych włóknin (głównie grubości i porowatości) i parametrów przepływu aerozolu (prędkość przepływu). Wyniki badań warstwowych układów włóknin typu „spun-lace”, ze szczególnym uwzględnieniem analizy rozkładu frakcyjnego porów mogą mieć istotne znaczenie podczas prognozowania zastosowania warstwowych układów włóknin jako materiałów filtracyjnych dla danego procesu filtracji aerozoli cieczy, przy zachowaniu najkorzystniejszych warunków filtracji.

2

On the transport, deposition and filtration of aerosol particles in fibrous filters: selected problems

Podgórski A.

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

|

2002

|

Vol. 28, z. 1

3-207

EN

Aerosol filtration in fibrous filters is one of the principal methods of accurate removal of micrometer and submicrometer sized particles from a gas. A mathematical description of the depth filtration of aerosols is extremely difficult and existing models have many drawbacks due to the very complicated internal geometrical structure of fibrous filters, the complexity of the aerosol transport and deposition in a filter and the unsteady character of the process. In addition, there are no criteria available in the literature for the realistic evaluation of the filters quality and for the optimisation of their use. The aim of this work is a critical analysis of existing theory and an attempt to eliminate its major limitations. The additional goals are to develop new quality factors for a reliable comparison of various filters under real, unsteady state conditions, the optimisation of a filter structure to enlarge its dust holding capacity and the determination of an optimal service life of a filter on the basis of economic criteria. For this purpose, all essential assumptions of the "classical theory" of depth filtration were assembled and discussed first. Then, existing models of gas flow past a fibre in a fibrous filter were critically reviewed. Lagrangian and Eulerian approaches to describe the transport of aerosol particles were discussed in detail. Using the standard Brownian dynamics (BD) method, the inappropriateness of the classical, commonly used assumption of the independence of stochastic and deterministic mechanisms of deposition was demonstrated. A new, generalised Brownian dynamics algorithm was developed. It allows a local variation of the friction coefficients to be taken into account for a particle moving near a fibre as a consequence of the hydrodynamic interactions particle-wall. Simple correctional functions to the Stokes law were developed in order to include these hydrodynamic interactions in the generalised BD algorithm. Using this newly formulated BD algorithm, and additionally taking into account van der Waals forces, the inappropriateness of the commonly used Levich-Smoluchowski approximation (neglect of short-range interactions) was demonstrated. A simple model of particle rebound during a collision with a fibre was formulated and the results of numerical simulations were compared withthe existing empirical formulae for adhesion efficiency. The effect of fibre inclination with respect to flow on the deposition efficiency was studied. The extended theory of single fibre efficiency (accounting for short-range interactions, fibre inclination and particle rebound) was compared with the experimental data. The applicability of the classical theory based on the assumption of a constant single fibre efficiency were then examined by analysing the transport of the aerosol particles in uneven fibrous filter media. The very strong influence of the local inhomogeneity of the filter structure (measured by the standard deviation of the local filter packing density) on the pressure drop and penetration of aerosol particles through the filter was demonstrated. These results questioned the basic assumption of the classical theory of identical efficiencies for all fibres. The correlations between pressure drop, aerosol penetration, particle residence time in a filter and the standard deviation of local packing density were presented graphically. In the following chapter, the basic transport equations for fibrous, deformable aerosol particles are derived. The adverse health effect of fibrous aerosols is briefly discussed, and results of numerical simulations, indicating enhanced abilities of penetration of fibrous particles compared to the compact ones, are presented. The work ends with an analysis of the unsteady-state conditions of aerosol filtration in fibrous filters. Microscopic and macroscopic models of a filter loading developed by the author are described and the experimental verification of the macroscopic model is presented. A general method for the design of graded filter media having an enhanced dust-holding capacity is developed. Sample experimental results of the loading of fibrous filters with solid aerosols are presented for single homogeneous filters as well as for the case of two various filters connected in series. The role of a cheap prefilter is emphasised. New, economically motivated criteria for comparing various filters are proposed and the optimal service life of a filter is determined.

PL

Filtracja aerozoli w filtrach włókninowych jest jedną z podstawowych metod dokładnego usuwania mikronowych i submikronowych cząstek z gazu. Z uwagi na niezmiernie skomplikowaną wewnętrzną strukturę geometryczną filtrów włókninowych, złożoność zjawisk transportu i depozycji cząstek w filtrze oraz nieustalony charakter procesu, opis matematyczny filtracji wgłębnej jest wyjątkowo trudny zaś istniejące modele obdarzone są wieloma wadami. Ponadto, brak jest w literaturze realistycznych kryteriów oceny jakości filtrów i optymalizacji warunków ich użytkowania. Celem niniejszej pracy jest krytyczna analiza istniejącej teorii oraz próba usunięcia jej głównych ograniczeń. Dodatkowym zamierzeniem jest opracowanie nowych wskaźników jakości dla realistycznego porównania różnych filtrów w rzeczywistych warunkach pracy w stanie nieustalonym, optymalizacja struktury filtra w celu zwiększenia jego pyłochłon-ności oraz wyznaczenie optymalnego czasu użytkowania filtra w oparciu o kryteria ekonomiczne. W tym celu zestawiono wpierw i przeanalizowano wszystkie kluczowe założenia "klasycznej teorii" filtracji wgłębnej. Następnie przedstawiono krytyczny przegląd istniejących modeli opływu włókna w filtrze. Przedyskutowano szczegółowo podejście Lagrange'a i Eulera do opisu transportu cząstek aerozolowych. Wykorzystując standardową metodę dynamiki brownowskiej (DB) wykazano bezzasadność klasycznego, powszechnie stosowanego założenia o niezależności stochastycznych i deterministycznych mechanizmów depozycji. Sformułowano nowy, uogólniony algorytm dynamiki brownowskiej. Umożliwia on uwzględnienie lokalnych zmian współczynników oporu dla cząstki poruszającej się w pobliżu włókna w wyniku oddziaływań hydrodynamicznych cząstka-ścianka. Zaproponowano proste funkcje poprawkowe do prawa Stokesa w celu uwzględnienia tych oddziaływań hydrodynamicznych w uogólnionym algorytmie DB. Wykorzystując nowo sformułowany algorytm DB, i uwzględniając dodatkowo siły van der Waalsa, wykazano bezzasadność powszechnie stosowanego przybliżenia Lewicza-Smoluchows-kiego (pominięcie oddziaływań krótkiego zasięgu). Sformułowano prosty model odbicia cząstki w momencie jej zderzenia z włóknem i przedstawiono porównanie wyników obliczeń numerycznych z dostępnymi korelacjami empirycznymi. Przeanalizowano wpływ nachylenia włókna w stosunku do kierunku przepływu gazu na sprawność depozycji. Rozszerzoną teorię depozycji na pojedynczym włóknie (uwzględniającą oddziaływania krótkiego zasięgu, nachylenie włókna i odbicie cząstki) porównano z danymi doświadczalnymi. Stosowalność klasycznej teorii, bazującej na założeniu stałej sprawności pojedynczego włókna, przebadano analizując transport cząstek aerozolowych w niejednorodnych strukturach filtracyjnych. Stwierdzono bardzo silny wpływ lokalnych niehomogeniczności struktury filtra (mierzonych odchyleniem standardowym lokalnej gęstości upakowania filtra) na spadek ciśnienia w filtrze i penetrację cząstek aerozolowych. Uzyskane wyniki poddają w wątpliwość podstawowe założenie klasycznej teorii o jednakowej sprawności wszystkich włókien w filtrze. Przedstawiono w formie graficznej zależności łączące spadek ciśnienia w filtrze, penetrację cząstek aerozolowych i ich czas przebywania w filtrze z odchyleniem standardowym lokalnej gęstości upakowania. W kolejnym rozdziale wyprowadzono podstawowe równania transportowe dla odkształcanych, włókninowych cząstek aerozolowych. Zaprezentowano zwięzłą dyskusję szkodliwego wpływu cząstek włókninowych na zdrowie oraz przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych wskazujące na zwiększone zdolności penetracyjne aerozoli włókninowych w porównaniu z cząstkami zwartymi. Pracę kończy analiza filtracji aerozoli w filtrach włókninowych w warunkach nieustalonych. Opisano mikroskopowe i makroskopowe modele obładowania filtra sformułowane przez autora oraz przedstawiono weryfikację doświadczalną modelu makroskopowego. Rozwinięto ogólną metodę projektowania gradientowych filtrów o zwiększonej pyłochłonności. Zaprezentowano przykładowe wyniki badań doświadczalnych obładowania filtrów stałymi aerozolami zarówno dla pojedynczych, homogenicznych filtrów, jak i dla dwóch różnych filtrów połączonych szeregowo. Podkreślono znaczenie taniego filtra wstępnego. Zaproponowano nowe, ekonomicznie uzasadnione kryteria do porównania różnych filtrów i wyznaczono optymalny czas użytkowania filtra.

3

Otrzymywanie i własności gradientowych struktur włókninowych do filtracji płynów

Gradoń L., Podgórski A.

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

|

2001

|

T. 22, z. 3B

451--456

PL

Dla dopuszczalnej wartości skuteczności filtracji aerozoli w filtrach włókninowych wytwarzano struktury wielowarstwowe, zapewniające możliwie największe wartości pyłochłonności. Na podstawie modelu teoretycznego filtracji wgłębnej określono optymalny układ filtracyjny.

EN

The multilayer fiber structures were manufactured for achieving possibly high values of dust capacity at accepted value of the filtration efficiency of aerosol particles in fibrous filters. Basing on the theoretical model the optimal filtration system was determined.

4

Symulacja powstawania dendrytów podczas filtracji aerozolu na pojedynczym włóknie

Moskal A., Konopka R.

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

|

2000

|

Vol. 26, z. 1

115-125

PL

Opracowano model dwuwymiarowej symulacji powstawania dendrytów podczas filtracji na pojedynczym włóknie i wykonano jego numeryczną implementację. Dokonano kilku symulacji dla zmiennych wartości ładunku elektrycznego zgromadzonego na włóknie i dla różnych średnic deponowanych cząstek. Dla cząstek o średnicy mniejszej od l urn uwzględniono wpływ ruchów Browna na trajektorię ruchu. Oszacowano wymiar fraktalny powstałych układów geometrycznych.

EN

A simple 2-D model of dendrite formation on a single fibre is presented in this paper. A numerical simulation of this process for various conditions was performed. For particles less than l [urn] the Brownian diffusion was taken into account. The fractal dimension of the geometrical structures was calculated.

5

Badanie nieustalonej filtracji stałych aerozoli polidyspersyjnych w filtrach włókninowych

Grzybowski P., Podgórski A., Mordas H.

Prace Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej

|

2000

|

Vol. 26, z. 1

53-72

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalnych nieustalonej filtracji stałych, polidyspersyjnych aerozoli w filtrach włókninowych. Wyznaczono zmiany czasowe oporów przepływu oraz sprawności filtracji dla trzech próbek, różniących się porowatością struktury filtracyjnej lub prędkością przepływu gazu. Przedstawiono przykłady zmian przedziałowej skuteczności filtracji oraz wskaźnika jakości filtra w czasie. Wyznaczono także zmiany całkowitej penetracji masowej cząstek aerozolu polidyspesyjnego w funkcji czasu filtracji. Na bazie wyników doświadczalnych dokonano weryfikacji zaproponowanego wcześniej dla filtracji aerozoli monodyspersyjnych modelu kinetyki obładowania filtra. Wykazano, że model ten poprawnie oddaje przebieg czasowy penetracji aerozolu przez filtr włókninowy również dla filtracji układów polidyspersyjnych.

EN

The paper reports the results of experimental investigations on the nonsteady-state filtration of solid, polydispersed aerosol particles in fibrous filters. The time-dependence of the pressure drop and filtration efficiency was determined for three samples of various porosity of the filter structure or for the various aerosol flowrates. Some examples of the time-variation of the fractional filtration efficiency and the filter quality factor are shown. The change of the total mass filter penetration during the process was also determined. The model of kinetics of the filter loading, proposed previously for monodispersed aerosols, was verified with the experimental data obtained. It has been demonstrated that this model accurately describes the pattern of the time-dependent penetration in fibrous filters also in the case of polydispersed aerosols.