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金屬絲網過濾器詳細說明

金屬絲網過濾器是一種新型的多孔功能材料， 它具有理想均勻的孔徑分布和優異的流體滲透性能， 強度高、能較好地承受熱應力及沖擊、可進行機械加工、焊接、清洗再生， 尤其適用于高潔凈度、高安全性的凈化系統。目前， 以剛性燒結金屬絲網材料為核心的凈化分離技術與設備的開發應用， 已被列入國家“九五”重點科技成果推廣項目。分析過濾器性能的影響因素， 對于降低過濾成本、優化過濾器的設計、延長過濾器的壽命均有指導意義。

    １ 金屬絲網過濾機理

     金屬絲網的過濾過程主要包括以下 ４ 個階段［１］：

   （１）過濾起始階段， 雜質顆粒隨流體經過絲網介質時沉積于潔凈絲網表面， 此時主要靠攔截和擴散機理。此時還沒有形成連續的顆粒層， 壓降損失較小。

    （２） 過濾中間階段， 逐漸形成連續的過濾層， 即濾餅。此時過濾孔徑縮小， 粉塵的攔截沉積作用大幅提高， 過濾效率急劇升高， 壓差迅速升高。

    （３）過濾穩定階段， 此階段主要靠濾餅的過濾篩分作用， 絲網起著形成濾餅和支撐加強作用， 這時的過濾機理主要為篩分。這時的壓差變化緩慢， 相對中間階段近似不變。

    （４） 過濾反吹階段， 隨著濾餅的不斷增厚， 需要進行在線清洗， 實現過濾器的循環再生。此時除塵效率略有下降， 至此完成一個過濾周期。

    金屬絲網過濾器的性能評估包括三個方面， 即過濾效率、壓降和殘余壓降。過濾效率為過濾器出口與過濾器入口的雜質量之比。壓降是由于絲網表面的顆粒沉積產生的， 壓降達到預先設定的最大值時， 過濾器需要清洗再生。殘余壓降是由于過濾和再生循環之后過濾介質內一些沉積的顆粒無法移除干凈而產生的。

    過濾效率高說明顆粒被攔截的比例大， 所得流體純度高。但單純追求過濾效率， 會對過濾器的壽命產生負面影響。壓降高導致過濾運行成本高。清洗再生效果不理想會導致殘余壓降升高， 當升高至某極限時過濾過程由于壓力損失過高以及循環時間過短而變得不經濟， 此時需要更換過濾介質。這種情況需要盡量避免。圖 １ 為典型的壓降與殘余壓降變化曲線。

               

    ２ 過濾效率的影響因素

      金屬絲網的過濾效率可用下式計算：

     

      其中， Ｎｄｏｗｎ 為過濾器出口的雜質顆粒數目； Ｎｕｐ 為過濾器入口的雜質顆粒數目。

      過濾效率主要與過濾介質的結構有關， 即雜質粒徑與過濾介質孔徑之比［２］。同時還包括過濾介質的孔隙率。粒徑與孔徑之比越大， 雜質被攔截的幾率也越大，過濾器出口的雜質數量越低， 過濾效率越高。很重要的一點是， 單獨考慮粒徑或孔徑并不能表征過濾效率。此外， 孔隙率增加時， 雜質透過絲網的幾率也增加， 過濾效率相應較高。

   此外， 過濾效率隨著過濾循環次數的增加而升高這是因為， 過濾器在清洗再生過程結束之后， 其表面仍殘留有部分未被清洗干凈的顆粒， 這些顆粒在之后的過濾過程中， 起到新的過濾介質的作用［３］。

    ３ 壓降的影響因素

    整個過濾介質的壓降由 ３ 部分組成： 流體在純流體區的壓降、在絲網介質中的壓降以及在濾餅中的壓降。流體區的壓降變化很小， 相對與其他兩項壓降損失相比所占比例��； 絲網介質中的壓降符合達西定律：

           

      其中， △Ｐ 為多孔介質內的總壓降， δ為多孔介質的厚度， ｕ 為多孔介質內的平均速度， μ為流體粘度， ｋ為過濾介質滲透率。隨著濾餅的不斷形成， 除了濾餅厚度增長外， 孔隙率不斷減小， 共同的作用結果使壓降快速升高。壓降的影響因素具體分析如下：

     ３．１ 過濾速度

    隨著過濾流速的增加， 壓降增加的速度也逐漸加快。這是由于提高流速在過濾初始濾餅形成階段， 會有更多的顆粒堵塞濾芯的孔隙， 直到濾餅形成時壓降已經很高了。所以提高過濾速度要以壓降的急劇升高為代價。

    文獻［４］指出： 常溫下， 濾速對燒結金屬絲網過濾效率的影響不大， 隨著濾速的增加， 燒結金屬絲網過濾效率略有提高。因此， 適合于在高濾速下工作， 濾速的增加不會帶來過濾效率的降低。

    ３．２ 流體濃度

    在同一流速下， 流體濃度越大， 壓差升高得越快。因為濃度的提高， 在相同的過濾速度下， 顆粒堵塞孔隙的幾率越大， 造成過濾壓差增加變快。

    ３．３ 流體溫度

   文獻［５］指出， 對于金屬過濾器， 壓降與過濾流體的溫度有關。溫度高時， 由于熱脹冷縮， 導致孔徑增大， 壓降降低。

    ３．４ 顆粒粒徑

    對于粒徑越小的顆粒， 壓降增長得越快。因為固體顆粒粒徑越小， 越容易進入過濾介質內部， 堵塞濾芯內的孔隙， 過濾通道減小， 導致過濾壓降升高。相反， 粒徑較大的顆粒， 越容易在濾芯表面形成架橋， 而阻止小顆粒進入介質內部形成絕對的堵塞。壓差增加得比較緩慢， 有利于過濾過程的進行。

    ３．５ 濾餅的可壓縮性

    對于不可壓縮濾餅， 壓降在過濾初始階段增加的比較快， 之后隨著濾餅厚度的增加而線性增加。這是因為金屬絲網在過濾初始的濾餅形成階段， 由于顆粒直接堵塞濾芯內部的孔隙， 而導致壓差增長很快。在濾餅形成后， 壓差的增長主要是由于濾餅的不斷增厚而導致的， 所以增長速度變緩。

    對于可壓縮濾餅， 壓降則呈指數增加， 并很快達到最大允許壓降， 而且循環周期非常短， 過濾器壽命也短。

    ４ 殘余壓降的影響因素

     殘余壓降是由于過濾器再生之后， 殘留在過濾介質內部深處無法徹底清除的雜質顆粒引起的。濾餅的可壓縮性是殘余壓降的主要影響因素， 此外還包括最大允許壓降、過濾速度等。

     ４．１ 濾餅的可壓縮性

     可壓縮濾餅的過濾行為比不可壓縮濾餅要復雜得多。對于不可壓縮濾餅， 殘余壓降一般保持在一個較低值， 且在循環過程中基本恒定。而對于可壓縮濾餅， 由于粒子間的作用力相對較小， 幾個過濾再生循環之后，殘余壓降升高非�？�。

     文獻［６］中利用圖 ２ 分析了殘余壓降的變化機理。其中， 過濾介質被分為兩層， Ｌａｙｅｒ Ｉ 和 Ｌａｙｅｒ ＩＩ。Ｌａｙｅｒ Ｉ代表過濾介質的上部區域， 該區域內的雜質顆粒能被完全清除。Ｌａｙｅｒ ＩＩ 代表過濾介質的下部區域， 該區域內的雜質顆粒不能被清除， 即 Ｌａｙｅｒ ＩＩ 層內的顆粒將增加過濾器的殘余壓降。

                 

     過濾初始階段，ＬａｙｅｒＩ內為空，粒子可滲透Ｌａｙｅｒ而進入ＬａｙｅｒＩＩ，并被攔截在ＬａｙｅｒＩＩ的上半部分，如圖 ２ 所示的灰色區域。若濾餅層足以承受壓力， 即濾餅為不可壓縮性的， 粒子將在 Ｌａｙｅｒ Ｉ 層內被捕捉， 并被清除干凈。若濾餅為可壓縮性的， 則越來越多的粒子將進入更深的區域 Ｌａｙｅｒ ＩＩ， 此時殘余壓降將增加得非�？�。

    進一步分析指出， 濾餅的壓縮性取決于壓縮應力△Ｐｋ 與可承受應力 ｆ 之比， 并可通過其比值預測殘余壓降的變化。

    ４．２ 最大允許壓降△Ｐｍａｘ

     過濾過程結束之后， 過濾器需要再生時的壓降即為最大允許壓降△Ｐｍａｘ。最大允許壓降較高時， 過濾時間相對較長， 形成的濾餅更厚，&nbs