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摘 要 压缩空气储能被认为是最有发展前景的大规模储能技术之一，压缩机作为压缩空气储能系统的关键部件，对系统的整体性能有重要影响。压缩机进气过滤系统是压缩机的重要部件，过滤器作为其核心元件，可以有效避免空气中固体颗粒、液体水和油污等杂质对压缩机的安全稳定运行造成不良影响，获得了国内外学者的广泛关注。压缩机进气过滤系统的研究虽然取得了一定的进展，但是相关领域的文献综述方面却显得相对匮乏。本文通过归纳国内外学者对压缩机进气过滤系统的研究，依照过滤原理进行分类，总结了机械过滤、吸附过滤、静电过滤原理的研究进展，并归纳了过滤器的过滤性能评价指标以及优化方法，通过分析发现：相比于吸附式过滤器，机械式和静电式应用更广泛，具有过滤效率高、压降小等优势；进气过滤系统评价指标主要有过滤效率、压降、容尘量和抗湿性，滤材种类、过滤器结构和工况会影响过滤性能，且过滤性能之间会互相影响；通过采用过滤性能更好的纳米纤维复合滤材、优化滤芯和流道结构，可以对进气过滤系统进行优化。

关键词 压缩机；过滤效率；压降；容尘量

压缩空气储能技术具有储能容量大、安全性高、寿命长、经济环保、建设周期短等优势，被认为是最具发展潜能的大规模储能技术之一，是未来储能重点布局的方向。压缩空气储能系统(CAES)中的压缩机对于入口空气的质量有严格要求，空气中的杂质(如灰尘、湿气、油雾等)会影响压缩机的性能和寿命，并可能导致储存空气的品质下降。因此CAES系统对空气过滤技术有一些特殊要求：①与其他压缩机相比，CAES压缩机具有压比高、流量大的运行特征，为了防止颗粒物对高速旋转的叶片造成冲击磨损，CAES系统的压缩机入口通常需要配备高效的空气过滤器。②过高的空气湿度会导致压缩空气在储存过程中产生冷凝水，影响储能效率并对储气罐设备造成腐蚀，CAES系统通常需要在入口空气过滤系统中增加干燥设备(如冷冻干燥器或吸附式干燥器)。③由于CAES系统的运行周期长，空气过滤器需要具备良好的耐久性和较长的换滤周期，以降低维护频率和成本。压缩机进气过滤系统主要有两种结构：常规三级过滤装置(图1)和脉冲自清洁装置(图2)。

图 1   常规三级过滤装置

图 2   脉冲自清洁装置

过滤器是压缩机进气过滤系统的重要组成部分，过滤机理主要有五种：惯性效应、扩散效应、拦截效应、吸附作用和静电效应。过滤器的选择主要基于其过滤性能，而过滤性能又可以由过滤效率、压降、容尘量和抗湿性决定。

根据不同的过滤原理，过滤器可以分为机械式、吸附式和静电式三种：①机械过滤器是一种常见的过滤装置，主要通过物理滤除固体颗粒来实现过滤效果。机械式过滤器具有过滤效率高、能承受较高的过滤压力和大量的固体颗粒负荷、易于操作和维护等优点。②吸附式过滤器是利用吸附剂的吸附作用，去除空气中的杂质。常用的吸附剂包括活性炭、分子筛等。吸附式过滤器具有净化效果好、适用范围广等优点，但吸附剂的饱和问题缩短了其使用周期，需要定期更换。③静电式过滤器是通过给空气施加电场，使空气中的颗粒物带上电荷，在电场的作用下发生偏移，从而实现颗粒物的分离。静电式过滤器具有高效、低阻、能耗低等优点，特别适用于去除微小颗粒物。然而，静电式过滤器也存在易产生臭氧、维护成本高等问题。

本文将详细阐述过滤器的过滤原理以及过滤性能，并且针对过滤性能的优化方式进行深入分析，以期为高效低阻过滤系统的发展提供有价值的指导。

1 过滤原理

压缩机过滤原理多样，主要可归纳为机械过滤原理、吸附过滤原理和静电过滤原理三大类。压缩机过滤原理的多样性为不同应用场景提供了灵活的选择，无论是机械过滤的直接拦截、吸附过滤的选择性去除，还是静电过滤的高效净化，都能满足不同系统对流体纯净度的需求。

1.1 机械过滤原理

机械过滤机制主要源于颗粒与纤维周围流线的相对偏差，其中最具代表性的过滤机理有：惯性、拦截、扩散。国内外在过滤器理论研究侧重点上存在一些差异，国内研究者更关注实际应用和工程实践，而国外研究者更多关注基础理论和数学模型。

惯性效应、拦截效应、扩散效应在普通纤维过滤材料和过滤器中起主要作用(图3)。惯性效应用于去除大于1 μm的粒子，依赖颗粒的惯性，当空气流经过滤材料时遇到障碍物，空气中的颗粒脱离流线，与过滤材料的纤维表面碰撞沉积。斯托克斯数Stk是惯性撞击过滤效率的重要参数，可以用来表征颗粒相对于障碍物大小的持久性。其计算表达式如式(1)和式(2)所示：

图 3   四种类型的颗粒过滤机制

式中，ρP是颗粒的密度；dP是颗粒直径；Cc指Cunningham校正因子；U是气流的速率；μa是空气黏度；df是纤维直径；Ku是流体动力学因子；α是纤维堆积密度；R是拦截参数。

扩散效应通过布朗运动去除小于0.5 μm的粒子，当粒子之间发生相互作用，在纤维附近移动，碰撞并被捕获。粒子扩散对布朗运动的依赖性使得这种捕获方法依赖于Peclet数(Pe)。

式中，D是粒子扩散系数。Pe反映了平流与扩散传输的比率。经典理论指出，这种机制的过滤效率ED可以表示如下：

拦截和筛选是针对中等大小的颗粒，当颗粒与过滤纤维碰撞时会被捕获。拦截机制取决于颗粒和纤维的大小，特别是颗粒和纤维直径的比值，称为拦截参数R(dp/df)。拦截机制可以分离大多数亚微米级颗粒，该机制的过滤效率ER的经典表达式如下：

当颗粒沉积在过滤器上时，总压降为穿过清洁过滤器的压降和穿过沉积颗粒压降之和。Bao等开发了一个模型来预测粉尘载荷下的渗透率，其表达式如式(6)所示：

式中，C表示过滤器的收集效率的增长率，g-1；λ表示收集效率提高系数，m3/kg；A表示过滤面积，m2；PM和P0分别表示有灰尘负载的过滤器和原始过滤器(无量纲)的渗透率；M表示载尘质量，g。

值得注意的是，颗粒分离也会影响过滤效率，一旦沉积在过滤器上，颗粒会受到四种不同的力，包括黏附力、升力、阻力和摩擦力。沉积颗粒通过黏附力(如范德华力、静电力)黏附在纤维表面，摩擦力可以通过将黏附力和摩擦系数相乘来估算。如果黏附力大于升力或摩擦力大于阻力，则颗粒仍附着在纤维上。否则，颗粒会从纤维表面分离并返回气流。

1.2 吸附过滤原理

吸附式过滤原理主要依赖于多孔性固体物质对空气中污染物的吸附作用，从而达到净化的目的。这种方法利用固体吸附剂的物理吸附和化学吸附性能，去除空气中的多种污染物。吸附法主要有物理吸附、化学吸附两种类型。

物理吸附主要依靠吸附剂与吸附质之间的分子间引力，这种吸附过程是放热的，且不涉及化学反应。物理吸附没有特定的选择性，因此同一种吸附剂可以吸附多种吸附质。物理吸附可以是单分子层吸附，也可以是多分子层吸附，其强度相对较弱，当系统温度升高时，被吸附的物质可能会因分子的热运动而脱离吸附剂表面。

化学吸附则涉及介质与吸附剂发生化学反应，形成牢固的化学键和表面络合物，这种吸附过程有选择性，即一种吸附剂通常只能对特定的吸附质发生作用。化学吸附过程相当于化学反应，需要活化能，且通常是单分子层吸附。

1.3 静电过滤原理

静电吸引依赖于颗粒和过滤介质之间的静电荷。颗粒物被静电捕获主要靠两种类型的静电力，库仑和介电泳力，具体取决于纤维和颗粒的带电状态。尽管学者们已经提出了许多静电过滤的理论模型，但由于难以量化微观水平上的电荷分布，因此仍然难以通过静电吸引力精确预测捕获行为。但纤维和颗粒的介电常数在静电机制确定电荷分布和粒子捕获效率方面，仍起着重要作用。

当过滤介质、颗粒或两者具有净电荷时，可以感应到静电力，增强这种力的典型方法有：①采用具有高表面电位的驻极体材料；②施加外部能源以产生强电场。驻极体是电活化材料，本身会产生准永久电场。驻极体滤波器是通过将电荷嵌入材料中或通过在介电材料内对齐电偶极子来制造的。制备驻极体材料的代表性方法是感应充电、摩擦充电和电晕充电。由于表面电位的大小及其衰减模式因材料成分和生产方法而异，因此许多研究工作旨在通过提高表面电位和延缓电性能的退化来改进空气过滤器。但驻极材料仍然不可避免地会随着时间的推移而耗散电荷，因此延缓电荷耗散，研究持续产生电荷的驻极材料是静电过滤器未来的发展趋势。

1.4 小结

机械式过滤器过滤效率高，结构简单，成本较低，但是存在过滤效果受过滤网孔径大小的限制，对于细小的颗粒物的过滤效果较差的弊端。吸附式过滤器净化效果好、适用范围广等优点，但吸附材料寿命有限、可能产生二次污染等问题，在压缩机进气系统中的使用不广泛。静电式过滤器具有过滤效率高、阻力低、对于微小颗粒物的去除效果显著，但存在维护成本高、对气流均匀性要求高的弊端。

依赖机械过滤的经典方法在提高过滤性能方面受到限制，因为提高过滤效率不可避免地会加剧流动阻力。因此，利用静电力似乎是缓解过滤效率和压降之间权衡的绝佳策略。将机械过滤和静电过滤结合来提高过滤性能，是未来压缩机进气过滤系统的发展趋势。

2 性能评估

压缩机进气系统的核心需求是高效低阻，过滤效率高可以保证进入压缩机的空气的清洁度，避免颗粒物、液滴和油污，对压缩机叶片和流道产生磨损、腐蚀、堵塞和结垢等，低阻可以提高压缩机的运行效率。由于CAES系统的运行寿命通常在20年以上，对进气过滤系统的寿命有较高要求，需要进气过滤系统在压降达到某一特定值或达到过滤器的维护周期内有较大的容尘量。

过滤性能直接关系到过滤效果，过滤性能主要包括：过滤效率、压降与流动均匀性、容尘量和抗湿性。这些标准可以在一定条件下对空气过滤器滤芯的性能进行良好的评估。

2.1 过滤效率

过滤效率是指进入过滤器的颗粒的质量、体积、表面积和数量与过滤器捕获的颗粒的比例。相应地，存在计重效率、体积效率、表积效率和计数效率。

计数效率以计数浓度表示为：

式中，为计数效率；N1、n1分别为过滤器进、出口气流中的尘粒浓度，粒/L。

可以用来分析纤维层的效率公式有：

式中，(1-ɛ)为纤维层填充率，%；ɛ为纤维层孔隙率，%；L为纤维层厚度，m；Df为纤维圆柱直径，m；ηε为单根纤维的捕集效率，%。
国内外学者对影响进气系统过滤效率的因素进行了充分的研究，主要分三方面，过滤器的结构(纤维直径、纤维排列、填充率等)、环境因素(杂质浓度、湿度等)和工况条件(流速、出口压力等)。
Li等研究了不同纤维排列、纤维直径、面流速和粒径下的压降和过滤效率。研究发现：对于不同粒径过滤效率随表面速度的增大而增大(如图4所示)。此外，对比相同纤维直径和总固体浓度(SVF)的层状结构，发现在所有模拟颗粒尺寸下，密集-稀疏结构在高压降的情况下具有最高的过滤效率。

图 4   不同条件下平行、交错纤维结构的过滤效率和压降变化

研究者发现提高过滤效率往往会增加系统的阻力。多孔膜过滤器[如图5(a)所示]是通过在固体基材上的孔隙制成的，它的孔径非常小，孔隙率低于0.3。因此它的过滤效率很高，但是它的局限性在于压降很大。相比之下，纤维状空气过滤器，它通过厚物理屏障和黏附力来捕获颗粒物颗粒[如图5(b)所示]。它的孔隙率高于0.7，由直径从几微米到几十微米不等的多层厚纤维制成。为了获得高效率，这种类型的过滤器通常很厚。

图5   多种过滤器微观结构

常见过滤效率是基于惯性冲击、拦截和扩散三种主要机制，没有考虑粒子与纤维的相互作用，即粒子的反弹和再夹带。Maddineni等为了解决这个问题，用惯性冲击、拦截和扩散产生的收集效率之和乘以黏附效应产生的收集效率作为过滤效率。Bulejko等用数学模型来预测纤维过滤器和毛细管孔膜(CPM)在中空纤维膜(HFM)孔结构上的空气过滤效率。对比了纤维过滤器和CPM，HFM孔隙结构由平均直径约为90 nm的纵向片段组成，类似于纤维过滤器的纤维，但是HFMs具有非常高的固体度(0.48)，而纤维过滤器的固体度通常在0.01~0.3。

2.2 气动性能

2.2.1 压降

进气压差是指各级进气系统的出口静压与大气压力的差值，压缩机进气压差主要由过滤压差和管道流动压差组成。进气过滤系统过滤污染物的同时，产生了压降，导致压缩机的进口压力下降。随着运行时间增加，进气过滤系统纤维孔隙中积累杂质颗粒，进气压差随着容尘量的增加而增大。品质因数(QF)与过滤效率和压降的关系如下：

其中，ΔP是过滤器上的压降；η是过滤效率。

压气机进气过滤系统中进气压差监测和控制对保证压气机机组安全和运行的经济性有重要影响，国内外学者对影响进气系统压降的因素进行了充分的研究，主要分三方面，过滤器和流道的结构(过滤器厚度、填充率、褶皱数、进气管道尺寸等)、环境因素(杂质浓度、湿度等)和工况条件(流速、出口压力等)。

Zhang等对9F燃气轮机研究，发现满负荷运行时，进气压差每增加100 Pa，功率下降0.16%，热耗率增加0.06%。马启新等研究了船用燃气轮机进气系统中过滤装置数值模拟方法的准确性和适用性，采用Fan边界条件和多孔介质模型对过滤装置(百叶窗和过滤器)的复杂结构进行了建模，通过对比发现多孔介质模型，有整流作用且对系统总压损失的预测更精准。

国内外学者对压差建模进行研究，建立了流动压差模型，但是未充分考虑过滤压差。Velali等在微观尺度对过滤压差进行建模，考虑了滤材、褶皱结构和间隙大小。Eker等在不同容尘阶段对过滤压差进行建模，研究了容尘量和压差对压气机性能的影响。Abdul-Wahab等基于模糊逻辑模型，提出了过滤压差的建模与预测方法。但这些研究并未考虑压气机进气过滤系统对压气机整体的气动影响。

Zhao等研究发现在过滤效率大致相同水平(44%~45%)下，随纤维直径的减小，可以看到三种不同的压降变化模式(见图6和图7)：线性快速下降区域(平均纤维直径df从168 nm变为71 nm)、缓慢上升区域(平均纤维直径df从71 nm减小到60 nm)、快速上升区域(平均纤维直径df从60 nm变为53 nm)。

图 6   单根纤维在5.3 cm/s处的模拟压降：(a) 168，(b) 108，(c) 71，(d) 60 和 (e) 53 nmFig. 6   Simulated pressure drop of a single fiber at 5.3 cm/s: (a) 168, (b) 108, (c) 71, (d) 60, and (e) 53 nm

图7   多根纤维在5.3 cm/s处的模拟压降：(a) 168，(b) 108，(c) 71，(d) 60 和 (e) 53 nmFig. 7   Simulated pressure drop of multiple fibers at 5.3 cm/s: (a) 168, (b) 108, (c) 71, (d) 60, and (e) 53 nm

Fotovat等研究了过滤器压降与颗粒物沉积的关系，发现过滤器都存在最佳褶皱数，使压降达到最小值；颗粒沉积后，压降的增加速率随着褶皱数量的增加而降低。Joubert等研究了在潮湿条件下，HEPA过滤器压降的主要影响因素是颗粒层与湿空气是否达到平衡。

王忠义等发现随着流通面积的增加，平均流速和总压损失会随之减小。增加过滤器的流通面积比会减少总压损失，但对布置环境的要求更高。王瑞探究了不同工况对压降的影响规律，改变流速、出口压力、孔隙率、黏性等条件。发现随流速增加，压降急剧增加；随出口压力增加，压降先增加，当出口压力达到1.5 MPa后，压降趋于稳定；随孔隙率增加，压降先减小后增大；随黏性增大，压降成正比例增加。

2.2.2 均匀性

目前使用的无隔板高效过滤器，在滤料入口存在流速不均匀的现象，不均匀度最高可达60%。流速不均导致流量不均使得滤料不能得到最佳利用，在流量大的地方，滤料载荷大，长期运行会导致过滤效率降低，因此缩短了过滤器的整体使用寿命。

采用相对标准差定义速度不均匀度为：

其中，CV为速度不均匀度；为第i点的统计速度，m/s；为n点的速度均值，m/s。

通过理论计算和实验验证，发现褶式过滤器中存在显著的速度不均匀度，并建立了速度不均匀度和过滤效率的模型，研究发现流动越均匀，过滤效率越高。此外还发现，流动不均匀，会造成涡流现象，从而造成较大的压力损失。查文娟结合计算流体力学方法及实验数据，发现滤芯的结构参数与运行条件不仅直接影响过滤效率，还与其褶上气流分布的均匀性变化趋势高度一致。综上所述，确保流动均匀性在过滤器设计中占据着举足轻重的地位，不容忽视。

为了提升压缩机进口流场的均匀性、降低进口总压损，征建生等建立了不同的过滤结构，采用数值模拟的方法，发现两侧分布式过滤器改变了流动方向，改善了压缩机进口流场，速度不均匀度降低到原模型的4.91%。

谈锋等研究了七个不同转折角的进气道模型，发现在转折角从-30°~30°区间内，局部不均匀度最大值均小于10%，在转折角为-10°和30°时，不均匀度最小为7.2%。

2.3 容尘量

过滤器在使用过程中对颗粒进行捕集，当压降达到某一特定值或时间达到过滤器的维护周期，此时过滤器所捕集的颗粒质量为容尘量。过滤器的过滤面积影响过滤器的容尘量，容尘量的大小直接关系到过滤器的使用寿命和过滤效率。当空气滤清器过滤粉尘时，压降演变分为三个阶段：深层粉尘堆积、过渡性粉尘堆积和表面粉尘堆积(图8)。

图8   不同容尘阶段的压降

Shi等研究空气过滤器，并提出了褶皱过滤材料的平均容尘量(K)的方程：

由于纤维过滤介质厚度、纤维直径、纤维填充密度等参数不容易测量，测量结果的准确性难以保证，限制了现有模型预测过滤器粉尘负荷质量和压降之间关系的应用，进而限制了评价现有过滤器系统的有效使用寿命的应用。为了解决这个问题，Qiang等建立了个基于实验数据的经验方程模型，该模型不需要输入纤维直径、过滤器厚度和填料密度，该模型以预测一般通风空气过滤器的压降作为空气流量和粉尘负荷质量的函数，并通过实验数据验证该模型的准确性和可靠性。

Qiang等通过对比ASHRAE试验粉尘的粒径小于A2细试验粉尘发现，较小的颗粒具有较大的比表面积，且由于纤维表面的覆盖范围与累积颗粒的投影面积有关，因此较小的颗粒明显具有较大的阻塞效应。小颗粒会增加阻力，从而使压降迅速增加。当空气过滤器装有小颗粒时，小颗粒沉积在介质中，然后在过滤器表面形成更密集的尘饼。

何维浪等研究三种不同滤材制成的滤筒，随着过滤器的容尘量增加，流道会堵塞，导致湍流现象，有效过滤面积减少。因此筒形过滤器的单位面积的容尘量远低于过滤材料的容尘量。

2.4 抗湿性

抗湿性能够反映过滤器在一定湿度和水雾的胁迫下的耐受性。当空气湿度过大导致系统过滤器运行阻力急剧增大的现象叫作“湿堵”，这一问题在海上或者沿海地区的压缩机中尤为突出。

选择抗湿性能好的滤纸对过滤器压降、过滤效率和寿命的提升都有帮助，关于滤芯在加湿后，过滤性能的变化，仅有少部分学者从滤材、结构的角度分析滤芯压降和过滤效率的变化。

李超等在实验中发现液滴随空气进入滤芯时，一些液滴会留在滤料中导致滤芯堵塞，压降增大。当空气温度降低时会发生节流效应，一些液滴会在滤料纤维中凝结。特别是对于即将达到使用寿命的滤芯，滤芯的压降保持在相对较高的水平，湿度对其影响更大。Wilcox等的研究表明潮湿环境下过滤效率下降的原因之一是水雾对滤材的静电效应有一定削弱，但滤芯结构的变化才是主要原因。通过用扫描电镜观察了滤芯迎风面的微观结构(如图9)：滤芯a的纤维结构发生了显著变化，纳米纤维聚集并紧紧黏附在基材上，一些纳米纤维断裂。复合过滤材料中的纳米纤维决定了过滤材料的过滤精度，表明水雾对过滤元件造成了不可逆的结构损伤。通过扫描电子显微镜对现场故障滤芯的取样显示，滤芯的故障也是由于表面纳米纤维的断裂造成的，这也验证了为什么滤芯在细水雾环境中寿命很短。

图9   滤芯a迎风面滤材微观形貌图

3 性能优化

压缩机进气过滤系统的核心需求是高效低阻，容尘量大，使用寿命长等。其中过滤器的主要性能指标一般包括压降、效率(包括计数效率和电阻)、容尘量和抗湿性。进气系统的性能直接关系到压缩机的整体性能，对进气过滤系统进行优化设计是提升过滤性能的关键，过滤性能取决于滤材的种类、滤芯结构(如填料密度、纤维直径、褶形)和过滤器流道结构等。

3.1 材料优化

影响滤材性能的因素有很多，如滤材种类，涂层方式和加工工艺等，这些因素会影响滤材的厚度、孔隙率、抗张强度、挺度等物理性能，进而影响过滤效率、压降等。

常用的空气过滤材料按材料可以分为纤维素，化学纤维滤材，化学纤维复合滤材，纳米纤维复合滤材，可根据实际需求选择合适的材料。纤维素强度高，过滤面积大，但纤维直径大，对10 μm以下的颗粒过滤效果较差。纤维素含有大量亲水基团，容易吸水膨胀，堵塞孔隙，降低过滤效率。化学纤维滤材由化学纤维组成，与纤维素相比，挺度低，纤维直径小，过滤性能良好，而且抗湿性强，被广泛运用在中粗效板式和袋式过滤器中。聚酯纤维应用早，技术成熟，生产成本不高。玻璃纤维空气过滤器的过滤效率和容尘能力较强，不过空气阻力依旧较大，使得能耗偏高。玻璃纤维有着显著的优点和明显的缺陷，正在被其他性能更优的过滤材料所替代。

化学纤维复合滤料能够弥补单一纤维的不足，它主要由植物纤维构成，并混合化学纤维及化学添加剂，通过干法或湿法造纸技术生产。化学纤维的加入提升了滤料的过滤精度，并且在湿润环境下保持了出色的稳定性。

纳米纤维复合滤材是指将纳米纤维整合到过滤材料中的复合材料。这些纤维的直径介于1~100 nm，能够有效捕获过滤材料表面的颗粒，可以提供优秀的过滤效果。纳米纤维的表面复合有助于脉冲反吹，从而延长过滤材料的使用寿命。常见的纳米纤维类型包括静电纺纳米纤维和熔喷纳米纤维。静电纺纳米纤维直径较小，表面结构紧密，便于进行反吹操作。而熔喷纳米纤维则具有较大的直径、不同长度的纤维、更松散的表面结构和更高的容尘能力。

为了解决提高过滤效率会增加压降的问题，新型聚合物纳米纤维过滤器应运而生，其具有高过滤效率、良好的光学透明度、低气流阻力和轻质量等特性(如图10所示)。当空气过滤器的表面化学成分被优化以匹配颗粒物的表面化学成分时，单纤维捕获能力将大大超过现有的纤维颗粒。因此，空气过滤器中的材料使用量减少，便于空气流通。此外，当纤维直径减小到纳米级时，在相同的堆积密度下，由于表面积大，颗粒捕获的可能性大大增加，这也确保了更薄的空气过滤器可以进行有效的颗粒捕获。

图10   新型聚合物纳米纤维过滤器

新型聚合物纳米纤维因其具有亚微米直径的纤维，其在过滤效率、最穿透粒径(MPPS)和滑移效应等各个方面优于其他纤维，展现出更佳的过滤性能，是未来进气过滤材料的发展方向。

3.2 滤芯结构优化

滤芯的结构设计也会影响到过滤系统的性能，滤材的结构因素包括：表面形态、折褶方式、厚度。合理的滤芯结构可以增加过滤面积、减小阻力、延长使用寿命，提高过滤效率。通过对滤芯材料的研究和改进，可以提高过滤系统的性能。改善滤芯的过滤精度、增加表面处理技术、优化结构设计等措施都可以提高过滤系统的效率和稳定性。

Bian等在经典气溶胶动力学理论和测量数据的基础上，建立了一个半经验模型来预测PM2.5去除效率，作为纤维直径、过滤器厚度、填充密度和面速度的函数。该模型可用于识别使PM2.5去除效率最大化的过滤器参数的组合。

目前滤芯的结构主要有两种方式，胶线式和压花式，如图11所示。胶线式是用热熔胶线将折褶固定起来，工艺简单，保证了折褶间距的均匀性;压花式是对滤纸打褶处进行按压，形成凸起，褶与褶之间的凸起使形成的楔形通道稳定。

图11   (a) 胶线式褶形和 (b) 压花式褶形

过滤器中的折褶滤芯有V形和U形两种折褶方式，如图12所示。折褶滤芯最重要的结构是褶，褶的结构和数量影响滤芯的过滤性能。

图12   V 形折褶与 U 形折褶的结构参数

相较U形褶，V形褶可以增加过滤器的过滤面积，降低过滤速度，从而降低过滤器的阻力。国内外学者采用仿真和实验相结合的方法对过滤器的结构(如填料密度、纤维直径、褶形)和颗粒沉积等方面的机理进行了深入研究。研究方向多集中在褶间距和纤维排列对过滤器压降的影响上，其中褶皱过多会导致气流分布不均匀，增加滤料褶皱之间楔形通道内部的摩擦阻力，进而增加过滤压降。

随着过滤器厚度和质量的增加，过滤器表面积更大，颗粒滞留时间更长，其过滤效率通常会提高。较长的纤维纺丝时间可以通过在给定的时间范围内沉积更多的纤维来产生更厚、更重的过滤层。滤材厚度可以用千分尺测量得到，滤材凸起的部分构成瓦楞结构，瓦楞的存在可以提高滤纸的强度，并且凸起的瓦楞增大了滤纸的过滤面积，提高了过滤效率，如图13所示。

图13   滤纸厚度说明

然而，这种方法制备的过滤器不可避免地产生较差的结构性能，由于新纺的纤维阻塞了成型的空气通道，堆积物过于密集和孔隙极小，压降大，并且由于较大的颗粒经常堵塞狭窄的孔隙，使用寿命很短。为解决这个问题，通常会将多个过滤层堆叠到一个过滤单元中，实现理想的填料密度和孔径，同时增加过滤器的厚度和质量，从而获得更好的QF和使用寿命，是未来的研究方向。多层堆叠的过滤器结构复杂、运行和维护的成本较高是未来亟需解决的问题。

Leung等采用多层堆叠的方式评估了纳米纤维堆积密度和层厚对空气过滤器整体特性的影响。通过调整静电纺丝的持续时间，制备了纤维直径相同但质量和堆积密度不同的过滤层。Zhang等提出了从具有多层过滤器的过滤器中多级物理筛分的概念，其中每层都具有与目标空气传播颗粒大小相匹配的特定孔径。

3.3 流道结构优化

当流体流经通道或管道时，流体与固体壁之间的摩擦会导致压降或黏性消散。通过适当设计通道形状或流动系统配置来有效减少这种黏性耗散的方式即流道结构优化。

Wang等提出了一种启发式最优性准则算法，以优化低Re数流体流经直角弯头和会聚T形结的通道形状设计(图14)。启发式算法避免了敏感性分析，更重要的是给出了合理的流道最优设计。

图14   Re=40时时间步长与流场的关系

流体流动形状设计的启发式算法被用于流道结构优化，在该算法中，使用晶格玻尔兹曼法(LBM)来计算分为单元的流体域的流场。发现在流向急剧变化的区域，存在耗散较大的机械能，尤其是对于高Re数流动。通过虚拟体积力，来减少黏性耗散。通过优化，最终形状的总压降比初始形状降低了68.8%。

袁长龙对进气系统流道进行优化。通过对气垫船进气系统使用Isight进行多级优化，将进气系统划分为三个部分：进气滤清器、空间Z形弯管和压缩机进气道部分，分别对其进行寻优，使得进气阻力下降，达到了优化目的。

气流流经压缩机进气室时，摩擦损失、流动分离及尾迹损失等导致总压降低。通常压缩机设计时会考虑到进气流场的均匀性，而进气室出口处的气流畸变会导致叶轮进口流场不均，影响级的性能。为此，陈宗华等对离心压缩机的进气室子午型线进行优化，改善了进气室内部的流动情况，优化了级的性能。

Chen等采用实验和数值方法揭示了压缩机L形进气管(CLID)的流体动力学，将典型参数的影响作为宽度、深度、基底深度和锥体直径研究了压降和总压损失系数。发现CLID宽度和深度越大，收缩处的f低分离度越大，总压降和总压损失系数越小；基底深度对流动分离和湍流强度较小；锥体直径越大，压降和总压力损失系数越大。在此基础上，找到了压降和进气损失较小的CLID的结构参数。提出了CLID的概念设计。

4 结论与展望

本文回顾了压缩机进气过滤系统研究发展，对常见的进气系统过滤器结构与过滤性能的影响因素进行了总结，并详细分析了现有进气过滤系统优化方法与过程。针对压缩机进气过滤系统目前研究现状，得出以下结论：

（1）对于目前常用过滤系统而言，依赖机械过滤的经典方法在提高过滤性能时会不可避免地加剧流动阻力。利用静电力可以缓解过滤效率和压降之间矛盾，因而，解决静电过滤器的电极退化，将机械过滤和静电过滤结合来提高过滤性能，将会是未来压缩机进气过滤系统的发展趋势。

（2）对进气过滤系统进行优化设计是提升过滤性能的关键，过滤性能取决于滤材的种类、滤芯结构和过滤器流道结构。具有更高过滤效率、更强耐腐蚀性和更长寿命高的覆膜滤材、纳米纤维滤材未来会成为研究重点；多层堆叠的过滤效率高，相对同等效率的单层过滤器压降更小、厚度更薄，但是其运行和维护成本高的问题亟待解决。

（3）未来，可以通过实时监测进气过滤系统的运行状态和过滤效果，自动调整过滤参数，优化过滤过程，提高过滤效率和稳定性，实现远程监控和故障诊断，提高系统的可靠性和维护性。