Zalety i wady plisowanych wkładów filtracyjnych z powłoką wstępną

Autor: Mark Belcher, menedżer działu inżynierii filtracji firmy Donaldson Torit

Wstępne powlekanie filtrów to praktyka polegająca na celowym ładowaniu porowatej warstwy cząstek stałych na materiał filtracyjny w kolektorze pyłu w celu poprawy niektórych aspektów działania. Z powodów omówionych poniżej, wstępne powlekanie jest czasami uważane za korzystne w przypadku plisowanych filtrów z wkładem, ale może nie być najlepszym wyborem dla wielu zastosowań.

Istnieją dwie podstawowe przyczyny, dla których należy rozważyć wstępne powlekanie nowych czystych mediów filtracyjnych. Przed rozważeniem ewentualnego zastosowania powłoki wstępnej należy zrozumieć jej różnice i wpływ, w tym sposób, w jaki pojedyncze zastosowanie powłoki wstępnej może być rozwiązaniem tylko tymczasowym.

Powłoka wstępna dla wyższej skuteczności początkowej

Wstępne powlekanie jest często sugerowane jako sposób na zwiększenie początkowej skuteczności mediów filtracyjnych o niższej wydajności. Nowe, nieużywane filtry z celulozy lub mieszanki celulozowo-syntetycznej często oferują początkową skuteczność wynoszącą zaledwie 30% dla cząstek submikronowych (na podstawie testu ASHRAE 52.2). Skuteczność filtracji poprawia się stopniowo w miarę osadzania się pyłu na medium (podczas jego obciążania), ale ten wzrost skuteczności można przyspieszyć za pomocą wstępnego powlekania. Gdy powłoka wstępna tworzy warstwę cząstek stałych na powierzchni medium filtracyjnego, działa ona jako filtr wstępny, wychwytując cząstki submikronowe i inne ze strumienia powietrza, zanim wnikną one do medium filtracyjnego, dzięki czemu poprawia się ogólna skuteczność filtra.

Dostawcy powłok wstępnych często sugerują nakładanie materiału do wstępnego powlekania w ilości od zaledwie 0,5 funta (lub 227 gramów) powłoki wstępnej na filtr z wkładem do 2,5 funta (lub 1134 gramów) powłoki wstępnej na filtr. Warto zauważyć, że chociaż dodanie powłoki wstępnej do filtra może zwiększyć skuteczność początkową, oznacza to również zwiększenie ograniczenia przepływu powietrza przez filtr. W zależności od rodzaju i ilości powłoki wstępnej ten wzrost ograniczenia przepływu przez filtr może stać się bardzo znaczący, a wzrost spadku ciśnienia będzie wymagał więcej energii do przemieszczania powietrza. Ponadto występują koszty związane z nakładaniem powłoki wstępnej, a także z usuwaniem wtórnego strumienia odpadów.

Wstępnie powlekane media filtracyjne dla zwiększenia wydajności filtracji to rozwiązanie tylko tymczasowe. Kolektory z wkładem zwykle wydłużają żywotność filtra za pomocą impulsów czyszczących sprężonym powietrzem, aby okresowo usuwać nagromadzone „bryły pyłu” z powierzchni mediów filtracyjnych. Kiedy wkłady są czyszczone impulsowo, z powierzchni mediów wybijane i usuwane są znaczne ilości zebranych cząstek stałych i materiałów do powlekania wstępnego. Media uprzednio pokryte powłoką wstępną zaczynają się zachowywać bardziej jak niepoddane obróbce media filtracyjne. Skuteczność dostosowuje się odpowiednio, ponieważ media filtracyjne są narażone na drobne cząsteczki, które mogą wnikać do medium i przechodzić przez nie.

Powłoka wstępna dla dłuższej żywotności

Koniec okresu eksploatacji mediów filtracyjnych ma miejsce, gdy spadek ciśnienia w mediach filtracyjnych staje się na tyle wystarczająco wysoki, aby znacznie ograniczyć przepływ powietrza lub wzrost kosztów energii w celu zasilania wentylatora dla pokonania zwiększonego oporu osiąga taki poziom, że kontynuowanie pracy wentylatora z zatkanymi filtrami staje się niepraktyczne. Ogólna logika uzasadniająca twierdzenie o przedłużaniu żywotności filtra przez wstępne powlekanie zależy od założenia, że wstępne powlekanie minimalizuje ilość małych cząstek wnikających w głębokość medium filtracyjnego (minimalizując szybkość zatykania się mediów). Założenie to może być uzasadnione bezpośrednio po nałożeniu materiału do powlekania wstępnego, ponieważ materiał do powlekania wstępnego działa jak bariera dla mniejszych cząstek przedostających się do rzeczywistych mediów. Jednak, jak omówiono wcześniej, każde impulsowe czyszczenie medium filtracyjnego przerywa tę barierę, a ponieważ wstępna powłoka jest usuwana przy każdym czyszczeniu impulsowym, jej zalety są również usuwane. Po zakłóceniu i utracie powłoki wstępnej podczas czyszczenia impulsowego filtry zaczynają się obciążać tak jak filtry niepoddane obróbce, a spadek ciśnienia roboczego ponownie zaczyna odpowiednio wzrastać, gdy media zaczynają się zatykać — patrz rysunek 1.

Media filtracyjne wysokiej klasy mogą zapewniać ulepszone właściwości filtracyjne zapowiadane przez wstępne powlekanie bez potencjalnej utraty wydajności filtracji, która występuje w przypadku utraty materiałów do wstępnego powlekania podczas czyszczenia impulsowego. Możliwość zwiększenia wydajności została wyjaśniona poniżej.

Lepsze rozwiązanie

Aby uniknąć wad powlekania wstępnego, użytkownicy mogą zamiast tego stosować filtry najwyższej klasy. Filtry najwyższej klasy zapewniają zazwyczaj pewną formę trwałej obróbki powierzchni, która gromadzi cząstki stałe na powierzchni mediów i chroni podłoże przed obciążeniem pyłem. Najczęstsze rodzaje obróbki powierzchni obejmują bezpośrednio nakładane nanowłókna, warstwy typu melt-blown lub warstwy z PTFE. Filtry najwyższej klasy powlekane warstwami typu melt-blown zapewniają skuteczność, ale ich czyszczenie impulsowe nie jest skuteczne, ponieważ cząsteczki submikronowe są często wychwytywane w głębi warstwy melt-blown. Powoduje to krótszy całkowity okres eksploatacji filtra. Filtry pokryte PTFE są zwykle również skuteczne i w większości sytuacji ich czyszczenie impulsowe jest także skuteczne, ale zazwyczaj działają przy wyższym oporze powietrza lub spadku ciśnienia (i zużywają więcej energii). Zazwyczaj są one również znacznie droższe niż inne filtry najwyższej klasy. Filtry z bezpośrednio nałożoną warstwą powierzchniową z nanowłókien zapewniają doskonałą skuteczność i efektywne czyszczenie impulsowe, a ponadto działają przy stosunkowo niskich spadkach ciśnienia i ogólnie są bardzo ekonomiczne — patrz rysunek 2.

Spośród filtrów najwyższej klasy filtry z nanowłókien stanowią w większości przypadków najlepszą opcję. Media dla najwyższej klasy filtrów z nanowłóknami składają się z podłoża (często podobnego do ogólnych wkładów celulozowych) ze stałą warstwą powierzchniową z drobnych włókien. Ta warstwa ma często grubość mniejszą niż jeden mikron, więc zatykanie lub obciążanie wgłębne w tej warstwie nie stanowi problemu. Wysokiej klasy drobnymi włóknami na wysokiej jakości wkładach z nanowłókien będą nanowłókna, zwykle o średnicy 0,3 mikrona lub mniejszej, które będą tworzyć trwałą matrycę małych porów na powierzchni medium filtracyjnego. Ponieważ włókna w warstwie powierzchniowej są tak małe, nie zwiększają one zauważalnie oporu powietrza, a zatem początkowy spadek ciśnienia pozostaje niższy.

Jeżeli użytkownik potrzebuje wyższej skuteczności początkowej, doskonałą opcją są filtry z nanowłókien. Skuteczność czystego i nowego wkładu z nanowłókien będzie znacznie wyższa niż wkładu ogólnego; skuteczność typowych wkładów z nanowłókien wynosi co najmniej 65% dla cząstek submikronowych, podczas gdy filtr ogólny może mieć trudności z uzyskaniem 30% skuteczności początkowej, a skuteczność robocza filtra z nanowłókien bardzo szybko wzrośnie. Testy ASHRAE 52.2 wykazują, że po wprowadzeniu jednej uncji (lub 28,35 gramów) cząstek do wkładu z nanowłókien jego skuteczność submikronowa może łatwo przekroczyć 90%.

Użytkownicy poszukujący również dłuższej żywotności wkładu filtra skorzystają na zastosowaniu najwyższej jakości filtrów z nanowłókien. Podczas pracy pył osadza się na powierzchni medium z nanowłókien. Gdy media są czyszczone impulsowo, większość pyłu jest wyrzucana z mediów i usuwana z filtra. Warstwa nanowłókien pozostaje jednak nienaruszona i nadal chroni podłoże przed obciążeniem wgłębnym i zatkaniem. Ponieważ obciążenie wgłębne przestaje być istotne, media z nanowłókien stale czyści się do niższego spadku ciśnienia roboczego niż jakiekolwiek inne medium i zapewniają one znacznie dłuższą żywotność — patrz rysunek 3.

Na koniec zwiększona wydajność czyszczenia impulsowego wysokiej jakości mediów z nanowłókien powoduje mniej częste zapotrzebowanie na czyszczenie i niższy średni opór przepływu powietrza (spadek ciśnienia) przez filtry, ponieważ podłoże nie jest obciążone wgłębnie tak jak w ogólnym medium filtracyjnym. Niższe zapotrzebowanie na czyszczenie impulsowe oszczędza sprężone powietrze, a ponieważ najwyższej klasy filtry z nanowłókien działają przy niższym średnim spadku ciśnienia roboczego, wkłady z mediów z nanowłókien oszczędzają moc podczas pracy wentylatora. Połączenie zaoszczędzonej mocy i oszczędności na sprężonym powietrzu może przynieść znaczne oszczędności energii w całym okresie użytkowania.

Wydłużona żywotność, poprawiona skuteczność i oszczędność energii zapewniane przez najwyższej jakości wkłady z nanowłókien oznaczają, że są one na ogół rozwiązaniem bardziej ekonomicznym niż powlekanie wstępne.