船用发动机过滤系统国外品牌 | 除雾效率计算
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潮湿的大气环境易滋生霉菌、病菌，这些霉菌、病菌通过通风系统的快速传播，会影响整个居住环境，甚至诱发“菌团病”，还会导致金属设备发生腐蚀；海上环境中，液态颗粒中还含有高腐蚀性物质——盐份，加速了内部金属设备的腐蚀速度。部分工业环境中含尘量较高，比如地处沙尘暴区域、需要装卸矿砂、沥青等颗粒物质船舶等，此类有害物质有必要在机械通风的进气系统中采用进气过滤系统，将气流中夹带的固态、液态颗粒分离并过滤，只让洁净的气流进入室内。从而提高设备的使用寿命、改善居住环境。常规空气过滤系统为在机械通风的进气口或进气风管内部设置适当的分离器，用以达到去除水雾等颗粒物质的目的。
叶片式分离器（Vane）
叶片式分离器是各类气液分离器中的基本款，其带有钩状包的弧形或折半型叶片可以有效去除进气中的水雾等颗粒物质。几种叶片式分离器实物如图1所示。
图1 几种叶片式分离器实物
1、叶片式分离器工作原理
当气流以一定的速度流经分离器叶片时，由于雾沫与气体的惯性力不同，雾沫碰撞到除雾叶片而被捕集；附着于除雾叶片上的雾沫由于扩散和重力作用凝聚成较大的液滴，随着碰撞到叶片的雾沫越来越多，形成的液滴逐渐增大，当液滴重力超过气体上升浮力和液体表面张力的合力时，液滴就会从叶片表面分离。此技术运用气流在冲向档板后急速转向，使液滴运动轨迹与气流不同而达到分离目的。其钩状包存在的意义可使得细小颗粒的分离、捕捉和排出。分离直径大于10微米的液滴,分离效率达到99%, 压降可以控制在50—100Pa。典型叶片式分离器的叶片如图2所示。
图2 典型的叶片式分离器叶片
2、叶片式分离器性能
叶片式分离器性能参数主要由处理量、除雾效率和进出口压降组成。
处理量由二次携带现象决定，叶片式分离器允许的气流速度越高，分离器的处理量就越大。气流速度过小会导致液滴的跟随性变好，导致液滴较难从气流中分离出来，因此需要提高气流速度来提高除雾效率，但是气流速度增大则会出现二次携带现象，即已经分离出来的液滴会再次随着气流从分离器出口逃逸，导致分离器的分离效率降低。叶片式分离器处理量的大小通常根据允许的最大气流速度计算，其计算公式如下：
式中：νmax——最大气流速度（m/s）；
K——液体符合常数；
ρl——液体密度（kg/m3）；
ρg——气体密度（kg/m3）；
K值与液体的黏度、表面张力、分离器的比表面积以及气体中雾沫的含液量等因素有关，对于标准型丝网，K值可取0.116，对于叶片式分离器，K只可取0.4～1.1，两者比较而言，叶片式分离器的临界气流速度较大。
除雾效率是指单位时间内分离器分离的液滴总量与进入分离器的液滴总量之比。确定除雾效率的试验测试方法有冲击膜片法、Mg2 示踪法和水平衡法。影响除雾效率的因素很多，主要有叶片间距、叶片形式、叶片材质、气流速度、雾沫直径、气流中含有杂质等。
进出口压降是指分离器进出口的压力损失，是衡量分离器能耗的高低的参数。压降损失越大，表示系统需要更大的动力来满足工艺要求，生产成本增加。影响进出口压降的因素与影响除雾效率的因素大体相同，主要有叶片间距、叶片形式、叶片材质、气流速度、雾沫直径、气流中含有杂质等。
叶片式分离器的影响因素有气流速度、液滴直径、叶片类型及叶片间距等。气流速度过高或过低均不利于分离器的运行，过低不利于气液分离，过高则容易形成二次携带现象，同时也会增大进出口压降，影响除雾效率。因此，气流速度通常选取在临界流速附近。叶片式除雾器的叶片类型主要有流线型、流线型带倒钩、三角折线型、梯形折线型、折线型带单集液槽及折线形带双集液槽等形式。不同的叶片间距其除雾效率及进出口压降不同，虽然较小的叶片间距有利于除雾效率的提高，但是会增大压降，且叶片间距越小，导致叶片数量增多，生产成本增大。因此叶片间距的选取需根据生产要求综合考虑气体含液量、气流速度及经济性等原因。
经过半个多世纪的发展，弧形叶片和折板型叶片的除雾效率相近，但弧形叶片的压降明显小于折板形，所以弧形叶片分离器的综合性能更好。而结合前人经验，并应用CFD软件，对气液分离器叶片的线型研究升级，根据不同领域的应用需求，平衡除雾效率、压降损失、载水量和噪音的关系，是此款产品的核新技术，也是此技术发展研究的主要方向。不同的设计会对产品最终的性能体现、安装效果以及最终客户的使用体验和维护成本产生重要影响。
3、叶片式分离器材质及适用领域
叶片式分离器通常可适用于：复杂环境中的新风进气口、陆用项目新风进气口、船舶海工机舱和空调进气口、风电机组冷却进气口、燃煤电厂烟气脱硫和船用洗涤塔内分离器、空调箱内挡水板等场所。其材质通常可由不锈钢、防腐铝及工程塑料等不同组合而成，不同的材质组合其适用的环境因素和应用场所不同，表1为气液分离器的材质及适用领域推荐表。
表1 叶片式分离器的材质及适用领域推荐表
介质分离器（Filter）
介质分离器也称过滤器（实物如图3所示），通过过滤介质将气体中的液态和固态颗粒分离出来，其核心部件是滤芯，材质以金属丝网或玻璃纤维为主。该类过滤器具备高效分离小粒子的优点，对液态和固态颗粒都具有良好的捕捉效果，是捕捉海洋环境中细小的干盐颗粒的必备武器。在气流速度过大时，夹带量增加，就起不到良好的分离作用了。故选择合适的气流速度，对过滤器的过滤效率影响巨大。由于滤芯在潮湿后，过滤效果显著降低，阻力明显上升，滤芯使用寿命缩短，所以船用过滤器通常会和气液分离器组合使用，将过滤器布置在气液分离器的下游，可大大延长过滤器的使用寿命。
图3 某过滤器实物图
为了实时监测过滤器的使用状况，通常会在过滤器内安装压差显示仪，测量过滤器进出口的压力差，用以监测介质分离器的阻力变化，当压差显示仪显示压力到达一定数值时，则意味着需更换或清洗过滤器滤芯。压差显示仪可设置为本地压差显示，也可设置为远程压差显示并输出报警信号的型式。典型压差显示仪如图4所示。
图4 压差显示仪
过滤器的过滤等级及过滤效率可根据不同标准进行划分，中国标准等级与欧洲EN799标准等级的划分对应关系如表2所示。
表2 过滤器的过滤等级划分
不同过滤等级的过滤器，其过滤精度及过滤效率如表3所示。
表3 过滤器过滤等级与过滤精度、效率对应表
在船用领域，推荐的船用过滤器为袋式过滤器（G3,G4）和密褶式过滤器（M5,M6,F7），根据实际情况，也可采用板式过滤器（G3,G4），丝网过滤器和玻璃棉毡。
带电加热分离器（Heating-Type）
当外界温度在零摄氏度左右（-8℃到 2℃区间），而空气中的相对湿度又比较高（大于50%）的情况下，进气口就会由于结冰而堵塞。一旦冰堵现象发生，流通面积会迅速减少，阻力显著上升，迎面风速加快，进气口会在短时间内完全封冻而无法进气。对于船舶机舱、空调等关键部位的进气口和燃气轮机的空气进气口，由于冰堵而导致的缺气，其后果是非常严重的。
采用带电加热型式分离器可以避免冰堵现象的发生。带电加热型式分离器采用在叶片内嵌入加热电缆的方式，对进气口进行融冰或防结冰保护。嵌入式加热电缆是受到叶片的封闭保护的，其安全性远超缠绕式设计。典型的带电加热分离器如图5所示。
图5 典型的带电加热分离器
带电加热分离器可按其融冰、防冻和除雪的不同进行区分。
防冻：进气口防冻功能是在电加热开启情况下，确保通过额定风量，冷热交换的叶片表面温度始终处于零度以上，防止叶片结冰现象产生，可持续进风。防冻功能所需要的热量较大，但控制模式相对简单。根据湿焓图可知空气温度越低，空气中的含水量也越少，通常在-20度以下的环境中，不含液态颗粒的气流结冰的概率很小。在对进气口的位置布置时，应避免附近有水源、热蒸汽等工况。
融冰：进气口融冰功能是在进气口已被冰堵后，在气流被切断情况下，对叶片进行加热，让叶片上的冰层迅速融化。融冰功能所需要的热量较小，但由于有冰堵现象存在，所以一套系统要预备两个进气口，一备一用，同时还要配合使用调风门。
除雪：雪后随风飘散的“吹雪”是进气口最难过滤的颗粒。由于“吹雪”颗粒粒直径小、重量轻，需要一定的风速才能过滤下来，而风速的提高又增加了单位面积的热交换，使冰堵风险上升，所以这对矛盾很难调和。针对除雪，最好的办法是在进气口外加防雪罩。某典型防雪罩实物图如图6所示。
图6 典型防雪罩实物图
旋风分离器（Spin）
旋风分离器主要用于大容量除尘，其应用离心分离的原理，离心分离也称旋流分离，是利用离心力来分离气流中的液态或固态颗粒的方式。
旋风分离器的过滤模块通常由工程塑料（聚丙烯）根据设计尺寸要求堆叠而成。过滤模块由前套和后套以圆柱轴为中心线对接。气流从前套进入后，在特殊设计“旋风子”的导流下呈螺旋向前流动并产生离心力。密度比空气大的固态颗粒，在离心力的作用下被甩到前套边缘区域并从前、后套结合的缝隙处排出。干净气流在管套中间区域穿过后套管进入室内。为了避免管套外的灰尘过多并堆积在设备下部，应在组合设计中用金属框架划分区域并对每个区域预留“储尘空间”。在“储尘空间”中的颗粒物质经由抽风机排放到设备外。其过滤步骤及成品图如图7、图8所示。
图7 旋风分离器过滤步骤
图8 典型旋风分离器成品图
旋风过滤器虽然没有过滤分离效率高，但因其具有存留时间短、不易堵塞、维护方便等特点，成为高含尘量的应用环境中的最佳推荐。其适用场合有地处沙尘暴区域的开放进气口，需要装卸矿砂、沥青等颗粒物质船舶的进气口等。
进气口的过滤功能会消耗能量。通常情况下，要求的过滤效率越高，消耗的能量也越大，即通过进气系统的阻力越大。如果风机的风压不足以克服进气系统的风阻，达不到额定风量，会使室内环境过热，造成整个通风系统的设计失败，所以在做初步设计时，就要根据环境工况和室内要求制定适合的过滤效率，找到过滤效率和风阻之间的平衡点。
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