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

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20331 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, um modelo de queda de pressão foi desenvolvido por meio de simulação numérica e experimentação para otimizar o design 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 por meio de simulação numérica. Com base nisso, um modelo de queda de pressão durante o carregamento de poeira foi desenvolvido. O modelo sugere que sob a mesma massa de deposição de poeira por unidade de área (W), quanto maior a razão de pregas (α), maior a espessura da torta de poeira 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 modeladas são 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 filtragem superior do filtro em forma de U.

Filtros plissados ​​são comumente usados ​​nos campos de sistemas HVAC e purificadores de ar. Por meio de mídia filtrante plissada, 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 do plissado tem efeito limitado na eficiência da filtração8,9,10. Já a deformação por flexão induzida por pregas do meio filtrante resultará em alterações em sua permeabilidade e porosidade, aumentando a queda de pressão do filtro3,11,12,13. Enquanto isso, a geometria plissada causará variação no campo de fluxo de ar e deposição de poeira não uniforme e, portanto, a queda de pressão durante o carregamento de poeira é maior do que na filtração plana12,14,15,16,17,18. A geometria plissada tem um impacto significativo no desempenho do filtro. No entanto, 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, estudos estão sendo realizados para prever a queda de pressão de filtros com várias geometrias plissadas1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 desenvolveram um modelo de previsão de queda de pressão para filtros limpos em forma de V e U, dividindo a queda de pressão total em três componentes: diferença de pressão dentro do plissado devido a perdas por atrito e ganho dinâmico de pressão; 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 razão entre a queda de pressão causada pela geometria plissada e a queda de pressão total cresce à medida que a velocidade de filtração aumenta. Del Fabbro et al.26 estabeleceram um modelo adimensional semi-empírico 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 foram limitados a filtros limpos e não incluíram a previsão de queda de pressão durante o carregamento de poeira.

A previsão da queda de pressão de filtros com diferentes geometrias plissadas durante o carregamento 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 3 μm e 10 μm de tamanho, enquanto na realidade as partículas de poeira são em sua maioria polidispersas. Usando as expressões analíticas para os componentes xey do campo de velocidade dentro dos canais em forma de V e em forma de U, Saleh et al.27 deduziu um modelo seminumérico simples que pode ser aplicado para prever a queda de pressão de filtros plissados ​​durante poeira carregando. No entanto, o modelo não considera a deposição desigual de poeira na área plissada dos filtros.