Influence de la géométrie plissée sur la perte de charge des filtres lors du processus de chargement des poussières : étude expérimentale et de modélisation

Sep 13, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20331 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, un modèle de chute de pression a été développé par simulation numérique et expérimentation pour optimiser la conception de la structure plissée du média filtrant afin de prolonger la durée de vie du filtre et de réduire la consommation d'énergie de ventilation. L'effet du nombre de Stokes sur le dépôt de poussière sur le média filtrant plissé a été révélé par simulation numérique. Sur cette base, un modèle de chute de pression lors du chargement de poussière a été développé. Le modèle suggère que sous la même masse de dépôt de poussière par unité de surface (W), plus le rapport de plis (α) est élevé, plus l'épaisseur du gâteau de poussière et la vitesse de filtration effective dans la zone de filtration effective sont importantes. De plus, pour les filtres en forme de V et en forme de U, les écarts moyens relatifs entre les pertes de charge totales expérimentales et modélisées sont de 3,68 % et 4,82 %, respectivement. En d'autres termes, le modèle proposé prédit avec précision la chute de pression lors du chargement de poussière. De plus, sous les mêmes α et \(W\), la perte de charge totale du filtre en forme de U est inférieure à celle du filtre en forme de V, démontrant les performances de filtration supérieures du filtre en forme de U.

Les filtres plissés sont couramment utilisés dans les domaines des systèmes CVC et des purificateurs d'air. Grâce au média filtrant plissé, une plus grande surface de filtration et une vitesse de filtration plus faible peuvent être obtenues dans un espace limité, prolongeant la période de remplacement du filtre1,2,3,4,5,6,7. L'efficacité de la filtration et la chute de pression sont deux indicateurs importants de la performance du filtre. L'efficacité de la filtration est fortement influencée par le média filtrant et la vitesse de filtration. La géométrie des plis a un effet limité sur l'efficacité de la filtration8,9,10. La déformation en flexion induite par les plis du média filtrant, d'autre part, entraînera des changements dans sa perméabilité et sa porosité, augmentant la chute de pression du filtre3,11,12,13. Pendant ce temps, la géométrie plissée entraînera une variation du champ de flux d'air et un dépôt de poussière non uniforme, et donc la chute de pression pendant le chargement de poussière est supérieure à celle de la filtration à plat12,14,15,16,17,18. La géométrie plissée a un impact significatif sur les performances du filtre. Cependant, les recherches actuelles sur la prédiction de la chute de pression lors du chargement de poussière sont insuffisantes, et la majorité d'entre elles sont des études expérimentales19,20,21,22.

À l'heure actuelle, des études sont menées pour prédire la perte de charge des filtres avec différentes géométries plissées1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 ont développé un modèle de prédiction de chute de pression pour des filtres propres en forme de V et en forme de U, divisant la chute de pression totale en trois composantes : différence de pression à l'intérieur du pli due aux pertes par frottement et au gain de pression dynamique ; chute de pression due à la contraction et à la dilatation lorsque l'air entre et sort du système de plis ; et chute de pression lorsque l'air traverse le média filtrant. La vitesse de filtration dans leur étude varie de 1 à 10 m/s, et le rapport de la chute de pression causée par la géométrie plissée à la chute de pression totale augmente à mesure que la vitesse de filtration augmente. Del Fabbro et al.26 ont établi un modèle semi-empirique sans dimension qui prédit la chute de pression des filtres propres en fonction du type de média filtrant, de la géométrie plissée et du paramètre de débit. Cependant, les études précédentes se limitaient aux filtres propres et n'incluaient pas la prédiction de la chute de pression lors du chargement de poussière.

La prédiction de la chute de pression des filtres avec différentes géométries plissées pendant le chargement de poussière a rarement été rapportée jusqu'à présent. Fotovati et al.18 ont étudié le dépôt de poussière non uniforme sur des filtres en forme de V et de U et ont calculé la variation de chute de pression avec le dépôt de poussière. Néanmoins, les particules de poussière dans leur étude avaient une taille de 3 μm et 10 μm, alors qu'en réalité les particules de poussière sont pour la plupart polydispersées. En utilisant les expressions analytiques pour les composantes x et y du champ de vitesse à l'intérieur des canaux en forme de V et en forme de U, Saleh et al.27 ont déduit un modèle semi-numérique simple qui peut être appliqué pour prédire la chute de pression des filtres plissés pendant chargement. Cependant, le modèle ne tient pas compte du dépôt inégal de poussière sur la zone plissée des filtres.

En étudiant les champs de flux d'air et le dépôt de PM10 des filtres en forme de V et en forme de U, un modèle de chute de pression pendant le chargement de poussière a été établi dans cette étude, qui peut être utilisé pour optimiser la conception de la structure plissée du filtre afin de réduire la résistance, prolongeant ainsi la durée de vie des filtres et réduisant la consommation d'énergie de ventilation.

La microfibre de polypropylène (Henan Aklly Filter Engineering Co., Ltd., Xinxiang, Chine) a été sélectionnée comme média filtrant, qui a un grade de filtre E10 (classé selon EN 1822-1-201928), une épaisseur de 0,5 mm, et un grammage de 110 g/m2. L'image SEM (VEGA, TESCAN, tchèque) du média filtrant est présentée à la Fig. 1, et la structure de la fibre montre un réseau spatial désordonné en trois dimensions. Selon le calcul statistique du diamètre de la fibre dans l'image, le diamètre moyen de la fibre du filtre était d'environ 4,6 ± 0,3 μm.

Image SEM du média filtrant sous le grossissement de 1000.

Les filtres plissés utilisés dans l'expérience ont été fabriqués à la main. Un anneau transparent en polyméthacrylate de méthyle d'un diamètre extérieur de 150 mm, d'un diamètre intérieur de 140 mm et d'une hauteur de 25 mm servait de cadre extérieur. Les géométries des filtres en forme de V et en forme de U sont illustrées à la Fig. 2. Le nombre de plis du filtre artisanal était de 5, 10, 15, 20 et 25, respectivement, et la hauteur des plis était de 20 mm. Un adhésif thermofusible a été utilisé pour fixer le média filtrant au cadre extérieur. Les zones plissées devaient être simplifiées avec une certaine épaisseur de média filtrant. La zone plissée dans le filtre en forme de V était un arc avec un rayon égal à l'épaisseur du média filtrant (\(T_{F}\)) dans la partie extérieure du coin plissé. La zone plissée dans le filtre en forme de U était considérée comme un angle droit. L'emplacement central du média filtrant a été utilisé pour calculer les paramètres des filtres avec différentes géométries (la ligne pointillée sur la Fig. 2).

Filtres avec différentes géométries.

La recherche du filtre en forme de V a été menée sur un pli individuel.

où θ est l'angle du pli (°), \(P_{W}\) est le pas du pli (m), \(T_{F}\) est l'épaisseur du média filtrant (m) et \(P_{H }\) est la hauteur de pli (m). En conséquence, les valeurs de θ sous divers rapports de plis (α) peuvent être calculées. La surface de filtration théorique par unité de longueur d'un pli individuel peut être exprimée comme suit :

où \(s_{Vt}\) est la surface de filtration théorique par unité de longueur d'un pli individuel en forme de V (m2) ; \(s_{Vt1}\) est la surface de l'arc par unité de longueur de coin de pli (m2) ; et \(s_{Vt2}\) est la surface du plan incliné par unité de longueur du pli (m2). Lorsque le filtre est circulaire avec un diamètre (D) de 140 mm et N plis, la surface de filtration théorique (\(S_{V}\)) est donnée par :

Dans le cas d'un pli individuel, la surface de filtration théorique par unité de longueur pour le filtre en U est

La surface théorique de filtration d'un filtre circulaire de diamètre (D) 140 mm s'exprime par :

L'angle de pli θ dans le filtre en forme de V est obtenu par Eq. (1), et la zone de filtration théorique des filtres de différentes géométries peut être obtenue par les équations. (3) et (5). Les paramètres spécifiques sont répertoriés dans le tableau 1, où le taux de pli du filtre plat est de 0.

Cette expérience a utilisé des cendres volantes de 400 mesh avec une densité de 620 kg/m3 qui ont été séchées à 100 °C pendant 5 h. Un analyseur de taille de particules laser (Winner2000, Jinan Winner Particle Instrument Stock Co., Ltd., Jinan, Chine) a été utilisé pour mesurer la distribution granulométrique, comme présenté à la Fig. 3. La taille moyenne des particules et la taille médiane des particules de les particules de poussière sont respectivement de 2,39 μm et 1,98 μm.

Répartition granulométrique des poussières.

Une simulation numérique bidimensionnelle a été adoptée dans cette étude pour explorer l'effet de la géométrie plissée sur le champ d'écoulement d'air et la trajectoire du mouvement des particules de poussière, et la région de calcul et les conditions aux limites sont représentées à la Fig. 4. La région de calcul est divisée en trois zones : la zone de média filtrant plissé, la zone de champ de vitesse amont du filtre et la zone de champ de vitesse aval du filtre (Fig. 4). Parmi ces trois zones, la zone de média filtrant plissé est une zone de média poreux isotrope où les performances de la zone de flexion du média filtrant sont ignorées. Les zones de champ de vitesse amont et aval du filtre ont chacune une longueur de 100 mm. L'entrée de vitesse et la sortie de pression se trouvent respectivement sur les côtés gauche et droit, et les côtés supérieur et inférieur sont des limites périodiques qui servent à réduire l'influence de la couche limite sur le champ de vitesse. La région de calcul est soumise à un maillage non structuré, avec des tailles de maille de 0,05 mm et 0,2 mm pour la zone de milieu poreux et les autres zones, respectivement. Sur cette base, les domaines de calcul des filtres en forme de V et en forme de U sous différentes valeurs α sont maillés. Les chutes de pression et la distribution des vitesses dans les maillages plus fins sont essentiellement les mêmes que les valeurs obtenues ici, ce qui indique que le maillage dans cette étude est raisonnable.

Région de calcul de simulation numérique.

Dans cette étude, le logiciel ANSYS Fluent 19.0 a été utilisé pour la simulation numérique des filtres en forme de V et en forme de U avec des valeurs α variables. Les vitesses d'air d'entrée des filtres en forme de V et en forme de U sous différentes valeurs α lorsque la vitesse de filtration est de 4 cm/s sont représentées (tableau 2). Comme le nombre de Reynolds est petit, une simulation laminaire est appliquée. Les valeurs des paramètres dans la simulation numérique sont les suivantes : la densité de l'air est de 1,2 kg/m3, la viscosité dynamique est de 1,8156 × 10−5 Pa·s, la perméabilité est de 9,5810 × 10−12 m2 et la porosité est de 0,84 . La pression manométrique est fixée à 0 Pa en sortie et le couplage pression-vitesse est réalisé à l'aide de l'algorithme SIMPLEC.

Le système expérimental de filtration de la poussière, tel qu'illustré à la Fig. 5, est composé de trois parties : l'unité de génération de poussière, l'unité de filtration et l'unité de surveillance. Un compresseur d'air, un tube sécheur, un détendeur, une vanne de régulation de débit R1, un débitmètre F1, un alimentateur de poudre (Générateur de particules solides 9309, TSI, USA), un bac de dépoussiérage et un ventilateur centrifuge C1 constituent l'unité de génération de poussière. La procédure de génération de poussière est décrite comme suit : premièrement, l'air à haute pression du compresseur d'air a été ajusté à un débit d'air à basse pression constante via le tube de séchage et la vanne de réduction de pression ; le débit d'air était alors ajusté via la vanne de régulation de débit R1 pour contrôler l'alimentation du doseur de poudre ; le ventilateur centrifuge C1 fournit alors un débit d'air constant pour diluer la poussière dans le conteneur de mélange de poussière et maintenir sa concentration constante. Un filtre à air, un tube filtrant, une vanne de régulation de débit R2, un ventilateur centrifuge C2 et un débitmètre F2 faisaient partie du système de filtration. Le tube filtrant était composé de deux sections de tuyaux d'une longueur de 400 mm, d'un diamètre extérieur de 150 mm et d'un diamètre intérieur de 140 mm. Les deux sections de tuyaux ont serré le filtre à travers le dispositif de connexion. L'unité de surveillance comprenait un manomètre différentiel (AP800, TSI, États-Unis) et un moniteur environnemental DustTrak (8543, TSI, États-Unis) pour mesurer la chute de pression du filtre et la concentration de poussière. La mesure maximale du manomètre est de 15 inH2O avec une résolution de 0,001 inH2O et une erreur inférieure à 1 %. Le moniteur environnemental DustTrak 8543 peut surveiller les concentrations de PM1,0, PM2,5 et de poussière totale.

Schéma de principe du système expérimental.

Les expériences ont été menées à la fois dans un environnement sans poussière et dans un environnement contenant de la poussière. La vitesse de filtration dans le flux d'air propre a été fixée à 4 cm/s et le débit a été ajusté à l'aide de la vanne de régulation de débit R2. Les données de débit spécifiques sont répertoriées dans le tableau 3. La variation de la chute de pression du filtre avec un débit sous différentes valeurs α a été mesurée. L'apport de poussière dans l'environnement contenant de la poussière a été ajusté en contrôlant le chargeur de poudre, qui a maintenu la concentration de poussière dans le récipient de mélange de poussière stable à 800 ± 50 mg/m3. La procédure expérimentale spécifique est la suivante : la vanne de régulation R2 a d'abord été ajustée pour modifier le débit de filtration afin que le débit moyen de filtration se stabilise à 4 cm/s ; après cela, la durée de filtration a été contrôlée jusqu'à ce que la masse de dépôt de poussière par unité de surface atteigne 5 mg/cm2, 10 mg/cm2, 15 mg/cm2, 20 mg/cm2, 25 mg/cm2 et 30 mg/cm2, et la chute de pression a été enregistrée ; enfin, le filtre a été pesé avant et après chaque expérience, et la masse de dépôt de poussière par unité de surface a été calculée. L'erreur devait être maintenue en dessous de 5% ou l'expérience devait être relancée. L'expérience ci-dessus a été répétée trois fois pour assurer sa répétabilité.

Selon la méthode décrite dans la section "Simulation", les champs d'écoulement d'air des filtres en forme de V et en forme de U sous différents α à la vitesse de filtration de 4 cm/s ont été obtenus à l'aide d'une simulation numérique. Il a été constaté que la vitesse de l'air circulant à travers le média filtrant présente la même tendance de variation, c'est-à-dire que la vitesse du flux d'air du média filtrant dans la zone plissée est faible, tandis que celle des autres zones est essentiellement la même. Les champs d'écoulement d'air sous des valeurs α de 2,14 et 3,57 sont illustrés à la Fig. 6. La perméabilité du média filtrant utilisé dans la simulation numérique est supposée constante. Étant donné que la déformation en flexion du média filtrant peut limiter la perméabilité, la vitesse réelle du flux d'air du média filtrant dans la zone plissée est inférieure à celle de la simulation numérique. De plus, certains chercheurs14,16,17 ont rapporté que la vitesse du flux d'air des médias filtrants dans la zone plissée est incroyablement faible, et la chute de pression simulée obtenue par un traitement de non-perméabilité est plus précise que celle acquise par des expériences. Par conséquent, la zone plissée est considérée comme une zone de filtration non perméable et inefficace dans cette étude.

Champs de flux d'air à la vitesse de filtration de 4 cm/s.

Selon les résultats des recherches actuelles, le dépôt de poussière sur le média filtrant est étroitement corrélé au nombre de Stokes (\(S_{tk}\))27,29,30. Le nombre de Stokes peut être exprimé comme

où \(\tau\) est le temps de relaxation de la particule (s), \(u_{0}\) est la vitesse des particules traversant les obstacles (m/s), \(L_{0}\) est la caractéristique quantité d'obstacles (m), \(\rho_{p}\) est la densité des particules (kg/m3), \(d_{p}\) est le diamètre des particules (m), et \(\mu\) est la viscosité dynamique de l'air (Pa·s). L'équation (6) montre que plus la vitesse est élevée et la taille des particules de poussière est grande, plus le \(S_{tk}\) est grand. Pour les filtres en forme de V et en forme de U, \(L_{0}\) peut être \(P_{W}\) et \(0,5\;P_{W}\), respectivement. Sous la même vitesse de filtration, \(S_{tk}\) atteint sa valeur maximale lorsque α vaut 3,57.

En utilisant le modèle à phase discrète, les trajectoires de mouvement des particules de 1 μm, 5 μm et 10 μm ont été simulées numériquement. Il a été constaté que le dépôt de poussière sur le média filtrant change dans la même tendance avec la variation du \(S_{tk}\). Le dépôt de particules de poussière de différentes tailles sur les filtres en forme de V et en forme de U sous les valeurs α de 2,14 et 3,57 est présenté à la Fig. 7. À l'exception de la zone plissée, le dépôt de poussière sur le média filtrant pour le V en forme de filtre est essentiellement uniforme et ne change pas avec le \(S_{tk}\) (voir Fig. 7a,c). Peu de particules de poussière se déposent sur la zone plissée du filtre en forme de U. De plus, en dehors de la zone plissée, le dépôt de poussière sur le média filtrant varie avec le \(S_{tk}\), et plus le \(S_{tk}\ est grand), plus le dépôt de poussière est irrégulier (voir Fig. 7b, d). Ce résultat est cohérent avec le résultat rapporté par Saleh et al. que pour le filtre en forme de U, le dépôt de poussière peut être traité comme uniforme lorsque \(S_{tk}\) est inférieur à 0,1, tandis que lorsque \(S_{tk}\) est supérieur à 0,1, l'épaisseur du gâteau de poussière augmente de manière linéaire avec la profondeur de pli27,29. On en conclut qu'avec l'augmentation de \(S_{tk}\), la zone où les particules de poussière ne peuvent pas atteindre s'étend (voir Fig. 7b,d). Par exemple, lorsque \(d_{p}\) est de 5 μm, la zone sur le média filtrant où les particules de poussière ne peuvent pas atteindre est minuscule, mais lorsque \(d_{p}\) est de 10 μm, la zone représente près d'un tiers de la surface du filtre (voir Fig. 7d). Étant donné qu'environ 97 % des particules de poussière sont inférieures à 5 μm et que le pourcentage de celles supérieures à 10 μm est inférieur à 1 % (voir Fig. 3), on peut en déduire grossièrement que les particules de poussière se déposent uniformément sur la surface de filtrage efficace de le filtre en forme de U.

Trajectoires de mouvement de particules de poussière de différentes tailles.

Selon les résultats de la simulation dans la section "Simulation numérique de différentes géométries de plis", le coin de pli en forme de V peut être considéré comme une zone de filtration inefficace, comme indiqué dans la partie noire de la Fig. 8a. Les zones restantes sont des zones de filtration efficaces avec les mêmes vitesses de filtration efficaces, où reçoivent un dépôt uniforme de particules de poussière. Au fur et à mesure que l'épaisseur du gâteau de poussière augmente en raison du dépôt de poussière dans le coin plissé inférieur (Fig. 8b), la zone de filtration inefficace s'agrandit.

Dépôt de poussière sur le filtre en forme de V.

Selon l'éq. (2), \(s_{Vt} = 2(s_{Vt1} + s_{Vt2} )\), la masse de dépôt de poussière par unité de longueur d'un pli individuel en forme de V peut être exprimée comme :

où \(m_{V0}\) est la masse de dépôt de poussière (kg), \(T_{C0}\) est l'épaisseur moyenne du gâteau de poussière (m), \(\rho\) est la densité apparente de la poussière ( kg/m3), et \(W\) est la masse de dépôt de poussière par unité de surface (kg/m2). Lorsque le coin plissé du filtre en forme de V est inefficace, la masse de dépôt de poussière est :

où \(m_{V}\) est la masse de dépoussiérage (kg) et \(T_{C}\) est l'épaisseur de dépoussiérage sur la surface de filtration effective (m). \(m_{V}\) est égal à \(m_{V0}\). Selon les Éqs. (7) et (8),

L'épaisseur de poussière du filtre en V sur la surface de filtration effective peut être obtenue :

Avec l'augmentation de la masse de dépoussiérage, la surface de filtration effective diminue et la vitesse de filtration effective augmente (Fig. 8). La vitesse de filtration effective (\(\nu_{f}\)) peut être calculée à l'aide du volume d'air du filtre invariant.

où \(\nu\) est la vitesse de filtration (4 cm/s). Certains chercheurs ont divisé la chute de pression totale en deux parties, à savoir la chute de pression causée par la structure plissée et la chute de pression causée par le média filtrant et le gâteau de poussière2,15,23. Certaines études ont ignoré la chute de pression des structures plissées, principalement parce que la résistance structurelle est beaucoup plus faible que la résistance de filtration à faible vitesse de filtration27,31,32,33. En raison de la faible vitesse de filtration, la résistance de la structure peut être ignorée dans cette étude. Par conséquent, la chute de pression causée par le média filtrant et le gâteau de poussière est considérée comme la chute de pression totale et peut être calculée à l'aide de la loi de Darcy31,32,33,34.

où \(\Delta P_{T}\) est la chute de pression totale du filtre (Pa), \(\Delta P_{F}\) est la chute de pression causée par le média filtrant (Pa), \(\Delta P_{C}\) est la chute de pression causée par le gâteau de poussière (Pa), \(K_{F}\) est le coefficient de perméabilité du média filtrant (m2), \(K_{C}\) est la perméabilité du gâteau de poussière (m2), et \(\nu_{f}\) est la vitesse de filtration effective (m/s).

Conformément à la méthode de traitement de la géométrie en V décrite dans la section "Modèle de chute de pression du filtre en V lors du chargement de poussière", la zone plissée est considérée comme une zone de filtration inefficace, comme illustré dans la partie noire de la Fig. 9a. A l'exception de la zone de filtration inefficace, toutes les autres zones sont des zones de filtration efficaces avec les mêmes vitesses de filtration effectives. Les particules de poussière se déposent uniformément sur la zone de filtration effective. Le dépôt au niveau de la zone plissée inférieure provoque l'augmentation de l'épaisseur du gâteau de poussière, élargissant la zone de filtration inefficace (voir Fig. 9b).

dépôt de poussière sur le filtre en forme de U.

D'après l'éq. (4), la surface de filtration théorique par unité de longueur d'un pli individuel en forme de U peut être exprimée comme \(s_{Ut} = 2P_{H} + P_{W}\), ainsi la masse de dépôt de poussière peut être exprimée comme:

Lorsque la zone plissée du filtre en forme de U est inefficace, la masse de dépôt de poussière est

\(m_{V}\) est égal à \(m_{V0}\). Selon les Éqs. (13) et (14),

L'épaisseur du gâteau de poussière du filtre en U sur la surface de filtration effective peut être obtenue :

Avec l'augmentation de la masse de dépôt de poussière, la surface de filtration effective diminue et la vitesse de filtration effective augmente. Selon le volume d'air du filtre invariant, la vitesse de filtration effective (\(\nu_{f}\)) peut être obtenue.

La perte de charge totale du filtre en forme de U peut être calculée par Eq. (12).

Le changement enregistré expérimentalement de la chute de pression totale et de l'efficacité de dépoussiérage avec la masse de dépôt de poussière par unité de surface \(W\) pendant la filtration plane est illustré à la Fig. 10. La concentration de poussière et la vitesse de filtration ont été fixées à 800 ± 50 mg /m3 et 4 cm/s, respectivement. Comme présenté sur la figure 10a, la chute de pression totale augmente à mesure que \(W\) augmente ; en outre, le taux d'augmentation augmente d'abord puis diminue en raison des changements dans les caractéristiques de dépôt de poussière. Song, Tanabe et Li et al.31,33,35 ont découvert que la variation de la chute de pression avec le dépôt de poussière peut être divisée en trois étapes : filtration en profondeur, transition et filtration en surface. La filtration en profondeur se produit au stade initial de la filtration. A ce stade, les grosses particules se déposent à la surface du média filtrant, tandis que les particules fines pénètrent dans le média filtrant et sont piégées, entraînant une porosité plus faible du média filtrant, et donc une augmentation lente mais accélérée de la perte de charge, ainsi que meilleure efficacité de filtration. Selon la figure 10b, l'efficacité de dépoussiérage passe rapidement de 99,9 à 100 %. Ensuite, il entre dans la phase de transition, au cours de laquelle un gâteau de poussière se forme à la surface du média filtrant, indiquant que la filtration en profondeur a été remplacée par une filtration en surface, c'est-à-dire que la troisième phase a commencé. La filtration en surface domine la troisième étape, où la chute de pression augmente linéairement et l'efficacité de filtration atteint son maximum. Lorsque W dépasse 15 mg/cm2, la perte de charge totale augmente approximativement linéairement, ce qui est une marque de filtration de surface ; en revanche, lorsque W est inférieur à 15 mg/cm2, on est dans les phases de filtration en profondeur et de transition (cf. Fig. 10a). Dans cette étude, les particules de poussière sont supposées se déposer simplement sur la surface du média filtrant. Dans une telle hypothèse, le coefficient de perméabilité du gâteau de poussière peut être calculé.

Changements de la perte de charge totale et de l'efficacité de dépoussiérage avec \(W\) pendant la filtration plane (a) changement de la perte de charge totale avec \(W\), (b) changements de la concentration de poussière et de l'efficacité de dépoussiérage avec \(W\) après filtration.

Lors d'une filtration à plat, la perte de charge totale se compose de deux parties. c'est-à-dire la chute de pression causée par le média filtrant et la chute de pression causée par le gâteau de poussière. Lorsque \(W\) vaut 0, le coefficient de perméabilité du média filtrant peut être calculé par Eq. (12).

D'après les conditions expérimentales et les résultats, \(\Delta P_{F}\) vaut 37,9 ± 1,2 Pa, \(\mu\) vaut 1,8156 × 10−5 Pa·s, \(T_{F}\) vaut 0,0005 m, \(\nu\) vaut 0,04 m/s et \(K_{F}\) vaut 9,5810 × 10–12 m2. Lorsque des particules de poussière sont déposées, \(K_{C}\) peut être exprimé comme

où \(\rho\) est la masse volumique apparente de la poussière (620 kg/m3). La variation du coefficient de perméabilité du gâteau de poussière avec \(W\) est représentée sur la Fig. 11.

Changement du coefficient de perméabilité du gâteau de poussière avec \(W\) pendant la filtration à plat.

Lorsque \(W\) est de 5, 10, 15, 20, 25 et 30 mg/cm2, respectivement, les épaisseurs de gâteau de poussière déposées sur la surface de filtration effective et les vitesses de filtration effectives pour les filtres en V et en U sous différents α peut être calculé par les équations. (10), (11), (16) et (17) (voir Figs. 12 et 13). Les épaisseurs de gâteau de poussière pour les filtres plissés obtenues par le modèle sont plus grandes que celles pour la filtration à plat, et les épaisseurs croissent avec les augmentations de α et \(W\) (voir Fig. 12). Les vitesses effectives de filtration des filtres plissés obtenues par le modèle sont supérieures aux vitesses de filtration théoriques, et les vitesses augmentent également avec α et \(W\) (voir Fig. 13). Cela est dû à l'existence d'une zone de filtration inefficace dans la géométrie plissée, et plus α et \(W\) sont grands, plus la zone de filtration inefficace est grande, plus l'épaisseur du gâteau de poussière et la vitesse de filtration effective dans la zone de filtration effective sont importantes. La comparaison entre les Fig. 12a,b indique que sous le même W, l'épaisseur du gâteau de poussière et la vitesse de filtration effective dans la zone de filtration effective du filtre en forme de V avec différents α diffèrent de manière significative, alors que celles du filtre en forme de U diffèrent de manière insignifiante. . Cela est dû à l'expansion rapide de la zone de filtration inefficace causée par le dépôt de poussière au coin du pli du filtre en forme de V.

Épaisseurs du gâteau de poussière obtenues par le modèle (a) en forme de V, (b) en forme de U.

Vitesses effectives de filtration obtenues par le modèle (a) en forme de V, (b) en forme de U.

Sous un même \(W\), par rapport à la filtration à plat, la filtration plissée entraîne des augmentations de l'épaisseur du gâteau de poussière déposé sur la surface de filtration effective et de la vitesse de filtration effective, altérant inévitablement le coefficient de perméabilité du gâteau de poussière. Cependant, il est difficile de mesurer le coefficient de perméabilité du gâteau de poussière lorsque les médias filtrants sont plissés. Pour calculer la perte de charge totale par le modèle, on peut considérer que sous un même \(W\), le coefficient de perméabilité du gâteau de poussière lors de la filtration plissée est le même que lors de la filtration à plat. De cette manière, la chute de pression totale du modèle peut être calculée à travers l'épaisseur du gâteau de poussière et la vitesse de filtration effective obtenue par l'Eq. (12). Les variations des chutes de pression totales expérimentales et modélisées avec \(W\) sous différents α pour les filtres en forme de V et en forme de U sont présentées dans les Fig. 14 et 15, respectivement. Dans l'expérience de chargement de poussière, la concentration de poussière est de 800 ± 50 mg/m3 et la vitesse de filtration théorique est de 4 cm/s. On peut voir que les pertes de charge totales expérimentales et modélisées pour les filtres en V et en U présentent la même tendance de variation, les deux augmentant avec les augmentations de α et \(W\). Leurs erreurs relatives vont de − 8,17 à 5,15 % et de − 6,72 à 9,42 %, et leurs écarts moyens relatifs sont respectivement de 3,68 % et 4,82 %. En conclusion, le modèle de prédiction proposé peut prédire avec précision les chutes de pression totales des filtres avec différentes géométries plissées lors du chargement de poussière. Cela implique également qu'il est raisonnable d'effectuer un traitement de non perméabilité pour les zones plissées et de faire en sorte que les particules de poussière se déposent uniformément sur la zone de filtration effective. Les données révèlent également que sous les mêmes α et \(W\), la perte de charge totale du filtre en forme de U est inférieure à celle du filtre en forme de V, démontrant les performances de filtration supérieures du filtre en forme de U.

Variations des pertes de charge totales expérimentales et modélisées avec \(W\) pour le filtre en V (a) α = 0,71, (b) α = 1,43, (c) α = 2,14, (d) α = 2,86, (e) a = 3,57.

Changements des pertes de charge totales expérimentales et modélisées avec \(W\) pour le filtre en forme de U (a) α = 0,71, (b) α = 1,43, (c) α = 2,14, (d) α = 2,86, (e) a = 3,57.

Dans la section "Simulation numérique de différentes géométries de plis", le média filtrant plissé propre est divisé en zone de filtration efficace et zone de filtration inefficace en fonction de la vitesse de l'air circulant à travers le média filtrant, condition préalable à la dérivation du modèle. Cependant, étant donné que la charge de poussière modifie le champ d'écoulement d'air, le modèle n'est applicable que lorsque l'épaisseur du gâteau de poussière est faible. Cette étude a étudié la taille des particules avec des diamètres inférieurs à 10 μm. Les résultats expérimentaux montrent que le modèle peut prédire avec précision la chute de pression lorsque \(W\) ≤ 30 mg/cm2, et l'épaisseur moyenne correspondante du gâteau de poussière \(T_{C0}\) est ≤ 0,48 mm. Dans la pratique, les particules de poussière se déposent de manière inégale sur le média filtrant plissé. Dans cette étude, il n'y a pas de particules de poussière déposées sur la zone de filtration inefficace, et les particules de poussière sont uniformément déposées sur la zone de filtration efficace, ce qui est un traitement simplifié lorsque \(S_{tk}\) est petit. Pour déterminer la valeur maximale de \(S_{tk}\) applicable au modèle, les trajectoires de mouvement des particules sous différents \(S_{tk}\) ont été explorées plus avant par simulation numérique (voir Fig. 16). On peut voir que plus le \(S_{tk}\) est grand, plus le dépôt de poussière sur la surface de filtration effective est irrégulier. Lorsque \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3, les particules de poussière peuvent être considérées comme étant uniformément déposées sur la surface de filtration effective. Par conséquent, ce modèle est applicable lorsque la taille des particules est inférieure à 10 μm, \(S_{tk}\) ≤ 3 × 10−3 et \(T_{C0}\) ≤ 0,48 mm.

Trajectoires de mouvement de particules à différents \(S_{tk}\).

Grâce à la simulation numérique, l'influence du nombre de Stokes sur le dépôt de poussière sur le média filtrant plissé a été révélée. Le dépôt de particules de poussière sur la zone de filtration efficace du filtre en forme de V est essentiellement uniforme. En revanche, pour le filtre en forme de U, plus le \(S_{tk}\) est grand, plus le dépôt de poussière sur la surface de filtration effective est irrégulier.

Un modèle de chute de pression capable de prédire avec précision la chute de pression des filtres en forme de V et de U pendant le chargement de poussière a été proposé, qui peut être utilisé pour prédire la durée de vie des filtres. Pour les filtres en V et en U, les écarts moyens relatifs entre les pertes de charge totales expérimentales et modélisées sont respectivement de 3,68 % et 4,82 %.

Sous les mêmes α et \(W\), la perte de charge totale du filtre en forme de U est inférieure à celle du filtre en forme de V, démontrant les performances de filtration supérieures du filtre en forme de U.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles sur demande raisonnable de l'auteur correspondant.

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Cette étude a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 52074279, 51904291), les fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (n° 2020XGYJ08), le programme de recherche fondamentale de la province du Jiangsu (n° BK20190638) et la province du Hunan. Département de l'éducation (n° 17C0429).

École d'ingénierie de la sécurité, Université chinoise des mines et de la technologie, Xuzhou, 221116, Chine

Guangping Teng, Guoqing Shi et Jintuo Zhu

École d'ingénierie de la sécurité et de la gestion, Institut de technologie du Hunan, Hengyang, 421002, Chine

Guangping Teng

State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Université chinoise des mines et de la technologie, Xuzhou, 221116, Chine

Guoqing Shi

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Concepts et design : GT, GS et JZ ; études expérimentales/analyse de données : GT ; préparation du manuscrit : GT et JZ ; édition de manuscrits : GT et GS ; Tous les auteurs ont révisé et approuvé de manière critique la version finale du manuscrit.

Correspondance à Guoqing Shi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Teng, G., Shi, G. & Zhu, J. Influence de la géométrie plissée sur la chute de pression des filtres pendant le processus de chargement de poussière : étude expérimentale et de modélisation. Sci Rep 12, 20331 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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Reçu : 24 septembre 2022

Accepté : 21 novembre 2022

Publié: 25 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-24838-7

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