먼지 로딩 과정 중 필터의 압력 강하에 대한 주름 형상의 영향: 실험 및 모델링 연구

Sep 13, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20331(2022) 이 기사 인용

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본 연구에서는 필터의 수명을 연장하고 환기에너지 소비를 줄이기 위해 필터 여재의 주름구조 설계를 최적화하기 위한 수치모사 및 실험을 통해 압력강하 모델을 개발하였다. 주름진 필터 매체의 먼지 침착에 대한 스톡스 수의 영향은 수치 시뮬레이션을 통해 밝혀졌습니다. 이를 바탕으로 먼지 적재 중 압력 강하 모델이 개발되었습니다. 모델은 단위 면적당 먼지 퇴적 질량(W)이 동일할 때 주름 비율(α)이 클수록 먼지 케이크 두께가 커지고 유효 여과 면적에서 유효 여과 속도가 커짐을 시사합니다. 또한 V자형 필터와 U자형 필터의 경우 실험 및 모델링 전체 압력 강하 간의 상대 평균 편차는 각각 3.68% 및 4.82%입니다. 즉, 제안된 모델은 먼지 적재 시 압력 강하를 정확하게 예측합니다. 또한 동일한 α 및 \(W\) 하에서 U자형 필터의 전체 압력 강하가 V자형 필터보다 낮아 U자형 필터의 우수한 여과 성능을 나타냅니다.

주름형 필터는 HVAC 시스템 및 공기 청정기 분야에서 일반적으로 사용됩니다. 주름형 필터 매체를 통해 제한된 공간에서 더 큰 여과 면적과 더 낮은 여과 속도를 달성할 수 있어 필터 교체 기간이 연장됩니다1,2,3,4,5,6,7. 여과 효율과 압력 강하는 필터 성능을 나타내는 두 가지 중요한 지표입니다. 여과 효율은 필터 매체와 여과 속도에 크게 영향을 받습니다. 주름 형상은 여과 효율성8,9,10에 제한된 영향을 미칩니다. 반면, 필터 매체의 주름으로 인한 굽힘 변형은 투과성과 다공성에 변화를 가져오고 필터의 압력 강하를 증가시킵니다3,11,12,13. 한편, 주름진 형상은 기류 장의 변화와 불균일한 먼지 침착을 유발하므로 먼지 적재 중 압력 강하는 평면 여과12,14,15,16,17,18보다 큽니다. 주름진 형상은 필터 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 그러나 현재 분진 적재 시 압력 강하 예측에 관한 연구는 미흡하며, 대부분이 실험적 연구이다19,20,21,22.

현재 다양한 주름 형상1,11,14,15,16,23,24,25,26을 갖는 필터의 압력 강하를 예측하기 위한 연구가 진행되고 있습니다. Caesar 등은15 깨끗한 V자형 및 U자형 필터에 대한 압력 강하 예측 모델을 개발하여 총 압력 강하를 세 가지 구성 요소로 나눴습니다. 마찰 손실과 동적 압력 증가로 인한 주름 내부의 압력 차이; 공기가 주름 시스템에 들어오고 나갈 때 수축 및 팽창으로 인한 압력 강하; 공기가 필터 매체를 통해 흐를 때의 압력 강하. 연구에서 여과 속도 범위는 1~10m/s이며 주름 형상으로 인한 압력 강하 대 총 압력 강하의 비율은 여과 속도가 증가함에 따라 커집니다. Del Fabbro et al.26은 필터 매체 유형, 주름 형상 및 흐름 매개변수를 기반으로 깨끗한 필터의 압력 강하를 예측하는 반경험적 무차원 모델을 확립했습니다. 그러나 이전 연구는 깨끗한 필터에 국한되었으며 먼지 로딩 중 압력 강하 예측을 포함하지 않았습니다.

먼지 로딩 중 다양한 주름 형상을 가진 필터의 압력 강하 예측은 지금까지 거의 보고되지 않았습니다. Fotovati et al.18은 V자형 및 U자형 필터의 불균일한 먼지 침착을 조사하고 먼지 침착에 따른 압력 강하 변화를 계산했습니다. 그럼에도 불구하고, 연구에서 먼지 입자의 크기는 3μm와 10μm인 반면, 실제로 먼지 입자는 대부분 다분산되어 있습니다. Saleh et al.27은 V자형 및 U자형 채널 내부 속도장의 x 및 y 구성 요소에 대한 분석적 표현을 사용하여 먼지 발생 시 주름진 필터의 압력 강하를 예측하는 데 적용할 수 있는 간단한 반수치 모델을 추론했습니다. 로딩. 그러나 모델은 필터의 주름진 부분에 먼지가 고르지 않게 쌓이는 것을 고려하지 않습니다.