多管式高效空气过滤器的设计优化

2009/7/5/16:10 来源：中国电子资讯网

摘要：在实验研究确立的多管式高效空气过滤器阻力的理论公式的基础上，以寿命期总费用为目标函数建立了该型过滤器的最优设计数学模型。采用序列二次规划法求解此约束优化模型，得到了该种过滤器在寿命期总费用最小时的最优化结构设计参数。并与按阻力最小化得到的结果进行了比较分析,指出基于寿命期总费用的最优设计更合理。

0 引言

多管式高效空气过滤器是一种新型结构的高效空气过滤器[1]，除具有性能好、能耗低的优点外，其结构简单、制作容易、价格低，因此在同样技术性能下有一定的经济性优势。空气过滤器的最优设计对充分发挥其技术和经济上的优势有很大意义。过滤器的最优设计一般主要考虑在保证技术性能的前提下以其阻力最小为目的，以便降低能耗和运行费用[2~3]。但就多管式高效空气过滤器而言，其结构、材料方面的特点决定了它的体积和维护量均较大，因而其费用增加不可忽略。由此可见，研究过滤器的技术经济性对最优设计结果的影响会有实际意义。近年来，越来越多的工程优化设计采用了寿命期总费用指标作为最优设计数学模型的目标函数，对问题进行技术经济分析。本文也采用这个方法，在大量实验研究得到的该型高效空气过滤器总阻力公式的基础上，建立了寿命期总费用最小的数学模型，并对问题进行了求解，以此作为该类空气过滤器设计的基础，并得到一些有实际意义的结论。

1 基于过滤器阻力的运行能耗及费用分析

1.1 多管式高效空气过滤器阻力

过滤器的阻力主要可分为两部分：滤料的阻力和过滤器的结构阻力。而过滤器的结构阻力又包括气流进出口的局部阻力和滤管内外的以及空气与过滤器外壳的摩擦阻力两部分，其中空气与过滤器外壳的摩擦阻力很小可忽略。所以，对于本文的过滤器而言，其全阻力可表达为[1]：

由于气流出气道处，滤管封闭端均呈扁形，所以实际滤管外侧出口截面与过滤器的断面很接近，且可认为是渐变到这个出口截面的，因此忽略滤管外侧气道出口局部阻力。过滤器出口截面大流速小，故出口局部阻力DP32可忽略[4]。由于气体过滤的存在，气流在滤管内的流速逐渐减小。根据过滤器实际情况，滤管外出气道截面与滤管内的截面大小相近，流动情况对称，流速逐渐增大，可以假定内外侧摩擦阻力相等，即DP21=DP22。在滤管内由于滤速低，气道内流动属于层流流动，所以其摩擦阻力可按下式计算：