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

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 pour une 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 élevées. De plus, pour les filtres en forme de V et en forme de U, les écarts moyens relatifs entre les chutes de pression totales expérimentales et modélisées sont respectivement de 3,68 % et 4,82 %. 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 chute de pression 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 zone de filtration plus grande et une vitesse de filtration plus faible peuvent être obtenues dans un espace limité, prolongeant ainsi 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 par flexion du média filtrant induite par les plis entraînera en revanche des modifications de sa perméabilité et de sa porosité, augmentant ainsi la chute de pression du filtre3,11,12,13. Parallèlement, 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 lors du chargement de poussière est supérieure à celle d'une filtration plate12,14,15,16,17,18. La géométrie plissée a un impact significatif sur les performances du filtre. Cependant, les recherches actuelles sur la prévision des chutes de pression lors du chargement de poussières 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 chute de pression de filtres présentant diverses géométries plissées1,11,14,15,16,23,24,25,26. Caesar et al.15 ont développé un modèle de prévision des chutes de pression pour les filtres propres en forme de V et en forme de U, divisant la chute de pression totale en trois composantes : la différence de pression à l'intérieur du pli due aux pertes par friction et au gain de pression dynamique ; chute de pression due à la contraction et à l'expansion lorsque l'air entre et sort du système de plis ; et chute de pression lorsque l'air circule à travers le média filtrant. La vitesse de filtration dans leur étude varie de 1 à 10 m/s, et le rapport entre la chute de pression provoquée par la géométrie plissée et 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 prévision de la chute de pression lors du chargement de poussière.

La prévision de la chute de pression de filtres présentant différentes géométries plissées lors du chargement de poussière a rarement été rapportée jusqu'à présent. Fotovati et al.18 ont étudié les dépôts de poussière non uniformes sur des filtres en forme de V et en U et ont calculé la variation de chute de pression en fonction du dépôt de poussière. Néanmoins, les particules de poussière dans leur étude mesuraient 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 lors de la poussière. chargement. Cependant, le modèle ne prend pas en compte le dépôt inégal de poussière sur la zone plissée des filtres.