切向流应用中有角度的吸附过滤介质设计制造技术

一种在空气净化或HVAC系统中模块化使用的介质设计，用于去除气相污染物。该设计实现了使用可变的介质长度、路径长度和接触时间来控制气体污染物的去除，以确保包含其中MTZ长度和低压降。在一个实施例中，该设计包括与气流成一角度的过滤器模块和安装在过滤器框架内的空气过滤器。所述过滤器模块包括穿过其中的通道，所述通道相对于气流以最佳角度定向，以为给定应用提供所需的停留时间和压降。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】切向流应用中有角度的吸附过滤介质设计
技术介绍
近年来，由于对建筑物居住者的健康影响，室内空气净化变得越来越普遍。EPA将室内空气质量(IAQ)定义为“建筑物和结构内部及周围的空气质量，尤其是与建筑物居住者的健康和舒适度有关的空气质量”。较差的IAQ可能与头痛，疲劳、注意力不集中以及眼睛、鼻子、喉咙和肺部过敏等症状有关。空气质量对于建筑物中的工艺流程和设备也至关重要。例如，数据中心的人员很少，但许多服务器对空气传播的污染物敏感。这些污染物可分为三大类：颗粒物、生物和气相污染物。尽管本文可能详细讨论了气相污染物，但是下面描述的过滤器的应用不限于此。类似地，尽管描述中提到了“空气流”和“空气过滤器”，但是可以使用本文讨论的过滤器过滤其他流体。气相污染物来自无数的室内和室外污染源，会对建筑物中的居住者和活动带来各种各样的有害影响。例如，室内空气中的挥发性有机化合物(VOC)可能来自涂料、地毯、复印机/打印机、层压板家具、木材防腐剂、涂料稀释剂、胶水、永久性记号笔、化妆品以及某些气溶胶和塑料。暴露于VOC可能会引发恶心和头痛症状，甚至损坏肝脏或肺。另外，建筑物中居住者会产生CO2，其也必须要稀释或除去。在室内空气中，还可以找到来自外部来源(例如废气、腐烂的植物、农产品燃烧、工业制造、水处理和化工厂)的种类繁多的气相污染物。从纸浆和造纸厂中的H2S、SO2和其他硫基化合物到发动机废气中的SO2、NOx和碳氢化合物，污染物的变化范围非常大。此外，在许多应用中，建筑物内的工艺流程或产品会产生气味和气相污染物，必须将其去除，然后才能将空气排到室外，例如，大麻温室和种植设备中的萜烯。为了将污染物保持在可接受的水平，可以去除气相污染物或用相对清洁的空气对其进行稀释。两者都对建筑物的运行和能源具有影响。由于是用于进行稀释，室外空气必须干净才行。许多城市地区的空气质量不足，必须清洁后才能使用。此外，即使空气足够干净，也必须先对其进行调节(加热、冷却和/或湿度控制)，然后才能将其引入建筑物。气相污染物清除系统庞大、昂贵、难以安装且维护成本高。通常通过使空气与吸附剂、吸收剂、化学吸附剂、光催化剂、催化剂或其他具有清除性质的材料(在本文中称为吸附剂)接触来实现气相污染物的清除。这些物质可以彼此结合或与其他材料结合使用，以形成有效的过滤介质。活性炭是IAQ中通常用于除去气相污染物的一种吸附剂，它有几种不同的物理结构，包括粉末状、颗粒状、球形、纸状和蜂窝状。活性炭可以由多种材料制成，包括煤、椰子壳和木材。起始材料和活化过程会影响最终活性炭产品的孔结构和孔体积。大多数吸附发生在中孔和微孔(直径小于50nm)中，因此，在考虑介质的整体性能时，尽管并不是唯一需要考虑的，但需要选择小于50nm的能最大化孔体积的活性炭。传质区(MTZ)质量传递是使用吸附剂介质从气流中去除气相污染物时可以使用的术语。MTZ的长度决定了介质的效率和寿命，而不是容量，但在工业中由于难于测量通常不使用MTZ长度，不仅费时且测量困难。极限容量和传质区(MTZ)长度是设计用于捕获气相污染物的吸附剂系统的两个相关因素。极限容量是指吸附剂可以吸附的给定污染物的总重量，是吸附剂重量的百分比(污染物重量/吸附剂重量)。极限容量通常在远高于应用浓度的升高浓度下测量的，并且每个污染物和吸附剂配对均有所不同。MTZ是吸附剂中发生主动吸附的部分，MTZ的长度取决于吸附剂(类型、数量、结构等)和吸附条件(表面速度、污染物、浓度等)。当在大多数应用中典型的或可用的相对较短的深度上使用吸附剂介质时，MTZ长度会成为一个更关键的设计因素。介质深度最短应等于MTZ，以提供100％的效率。如图1A所示，MTZ21在吸附剂柱的入口22处开始，并且随着吸附剂被消耗而移动通过介质的深度。MTZ上方的吸附剂被给定的试验气体23饱和了，并且不能再进行主动吸附。在MTZ下方是气体污染物尚未到达的新吸附剂25。当MTZ21移动通过整个吸附剂柱并且MTZ前缘2X到达吸附剂末端时，就会发生穿透，不再捕获气体污染物。MTZ的长度决定了给定深度的介质的效率和寿命而不是容量，但是大多数制造商出于设计目的会报告吸附剂介质的容量值；换句话说，高容量并不一定在所有情况下都等同于效率。进一步的空气过滤背景使用气相去除介质的另一个因素是抗气流或抗压降。空气净化通常用于建筑物的供暖、制冷和通风(HVAC)系统中。许多HVAC系统没有足够强力的风扇来提供额外的压降，从而限制了在现有系统中空气净化的应用。即使当风扇足够大和/或在原始设计中考虑了空气净化的需求时，高压降也会增加能量和运行成本。用于捕获气相污染物的吸附剂材料可以是颗粒形式。使用最广泛的商用碳过滤系统使用填充有碳粒的1-3英寸深的正方形或矩形24x24英寸穿孔的“托盘(tray)”。球粒tray盘模块对气流具有很高的抵抗力，这些系统需要强力的风扇。此外，碳粒系统会掉落碳粉尘，因而下游的颗粒过滤器是必需的，从而导致额外的压降以及额外的空间需求。球粒tray盘提供了随机的气流通道，流动的空气会寻找最短路径通过，从而使球粒tray盘的某些部分未被使用或使用不足。随着时间的经过，颗粒会经受温度和湿度的昼夜和季节性波动，以及会导致颗粒状残留物脱落的持续不断的振动。最终，残留物会堵塞筛网材料或离开模块并进入下游气流。振动还可能导致填充介质松动，从而形成通道或间隙，使未经处理的负载污染物的空气通过模块。为了克服这些问题和不确定的MTZ长度，用于关键应用的颗粒系统必须相当深，从而进一步增加压降。在典型应用中，球粒tray盘被布置成有角度的阵列，以增加表面积和降低压力。空气将通过最短的路径穿过球粒床，因此只有1-3英寸的介质路径长度，而这可能小于容纳MTZ所需的长度。另外，球粒的直径通常为2-4mm，这会使颗粒中心的吸附剂难以接触到，特别是在典型系统中使用的空气流量和接触时间下。施加颗粒状或小球状吸附剂材料(例如活性炭)的另一种形式是作为多层介质中的一层，其中吸附剂材料被夹在或固定在透气介质层之间。该介质将被充分封闭和/或吸附剂将被充分粘结在一起，以防止灰尘迁移到气流中。通常，该分层组件的总厚度在1/8英寸至1/4英寸之间，并压褶制成不同深度的组件。这是使合理质量的吸附剂进入气流的有效方法，但是由于空气将沿着最短的路径通过介质，因此很难获得容纳MTZ所需的深度，并且效率通常较低。替代球粒用于捕获VOC和其他气相污染物的一种材料是使用陶瓷结合的活性炭蜂窝。通常，它们具有正方形网格状的横截面，并且经过挤出、干燥、高温煅烧、切割成一定长度以及组装，形成多个模块。这些蜂窝具有某些优点：-与球粒tray盘模块相比，压降降低20-70％；-预估是球粒tray盘系统重量的一半；-快速有效的介质接触，速度高达传统颗粒碳床的六倍；-充分接触吸附剂，实现了更短的MTZ长度，效率更高并充分利用了介质；和-具有稳定结构的无尘介质，无需后期过滤。蜂窝模块可以是任意深度，但是对于典型的HVAC应用，由于空间和压降的考虑，它们通常排本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于流体过滤器中以过滤污染物的过滤介质模块，包括：/n过滤器框架；和/n过滤介质，其可拆卸地安装在过滤器框架内并限定穿过其中的最短路径，其中所述过滤介质包括穿过其中的通道，其中所述通道限定了比最短路径更长的通道路径长度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170718 US 62/533,8401.一种用于流体过滤器中以过滤污染物的过滤介质模块，包括：
过滤器框架；和
过滤介质，其可拆卸地安装在过滤器框架内并限定穿过其中的最短路径，其中所述过滤介质包括穿过其中的通道，其中所述通道限定了比最短路径更长的通道路径长度。


2.根据权利要求1所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述过滤介质包括过滤介质层。


3.根据权利要求2所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述过滤介质层由间隔物分隔开。


4.根据权利要求3所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述间隔物具有圆形形状。


5.根据权利要求3所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述间隔物具有细长形状。


6.根据权利要求3所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述间隔物是粘合剂。


7.根据权利要求6所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述粘合剂将各介质层连接起来。


8.根据权利要求6所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述粘合剂不散发VOC。


9.根据权利要求3所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述过滤介质的各层之间的间隔物形成所述通道。


10.根据权利要求2所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述介质包括活性炭材料。


11.根据权利要求10所述的用于空气过滤器的过滤介质模块，其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·C·怀泽，C·纳斯科，
申请(专利权)人：环境管理同盟公司，F·C·怀泽，
类型：发明
国别省市：美国;US