（化工过程机械专业论文）吸污式自清洗过滤器的开发与理论研究.pdf

摘要 吸污式自清洗过滤器的开发与理论研究 摘要 吸污式自清洗过滤器是一种新型的过滤设备，它具有结构简单、自动 化程度高、清洗时不间断供水、连续生产、高效等优点。广泛适用于工业、 农业、市政等的过滤分离。 本论文立足于吸污式自清洗过滤器的开发，以及过滤机理的研究和流 场的优化分析，完成了本自清洗过滤器的优化设计。 吸污式自清洗过滤器主要包括过滤部件与传动部件。过滤部件包括受 压筒体、滤网及吸污器。为满足工艺要求，简体开有大孔，因此利用有限 元软件a n s y s ，按照分析设计法校核其应力强度与刚度，验证结构设计 的合理性。楔形过滤网，易于反冲洗污泥等杂质，由于其结构特殊，因此 本文对其采用a n s y s 分析校核。 论文研究了自清洗过滤器的过滤机理。以达西定律为基础，分别研究 了过滤介质和滤饼的压降。以沉降原理研究了过滤器反冲洗时所能携带的 最大固体颗粒尺寸。使用计算流体动力学( c f d ) 分析软件c f x 进行了 一定的对比分析。 吸污器是过滤器的重要部件，本文运用计算流体动力学( c f d ) 分析 软件c f x ，研究了自清洗过滤器各部件内部的流场状况，得到压力分布、 速度分布等流体力学特性。分析吸污器流场后，进而对排污管变径、吸管 不等径、吸嘴不等径几种结构形式进行了流场的优化分析。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：自清洗过滤器，过滤机理，流场分析，吸污器，有限元分析 i i a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n dt h eo r e t i c a lr e s e a r c h o fs u c t i o nf i l t e r a b s t r a c t s u c t i o nf i l t e ri san e wt y p eo ff i l t r a t i o na n ds e p a r a t i o nm a c h i n e i t s f e a t u r e sa r es i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲a u t o m a t i o n ，n oi n t e r r u p t i o no fd o w n s t r e a m f l o wd u r i n gn u s h i n g ，c o n t i n u o u sn u s h i n ga n dh i 曲e e i c i e n c y i tc a nb eu s e d i ni n d u s t i h i g a t i o na n dm u n i c i p a l i t i e s t h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do ns t m c t l l r a ld e s i g n ，f i l t e r i n gm e c h a n i s m s s t u d ya n da n a l y s i so ff l o wf i e l d ，t h eo v e r a l ls n r l l c n l r eo f t h es u c t i o nf i l t e ri s f i g u r e do u t t h es u c t i o nf i l t e ri n c l u d e sf l l t r a t i o np a i r ta n dt r a n s m i s s i o np a r t t h e f i l t r a t i o np a ni n c l u d e sp r e s s u r ev e s s e l ， f i l t e r c y l i n d e r ， s u c t i o n s c a n n e r ： r e q u i r e db yc h e m i c a lp r o c e s s ，t h e r ea r el a r g eo p e n i n g so nt h e s h e l lo ft h e p r e s s u r e v e s s e l ，s oi ti s i m p o r t a l l t t o a n a l y z e t h es t r e s s i n t e n s i t ya n d d e f o r m a t i o no ft h ep r e s s u r ev e s s e lw i t ha n s y sa n dm e t h o do fa n a l y s is d e s i g n t h ee c h e l o n s h a p e dw i r eo f f i l t e rc y l i n d e ri se a s yt ob a c kw a s h i n g ，b u t h a sc o m p l i c a t e ds t m c t u r e ，s ou s i n ga n s y st oa n a l y z ei t t h ef 1 1 t e r i n gm e c h a n i s mo fs u c t i o nf i l t e rh a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s b a s eo nt h e d a r c yc l a s s i c a l f o r m u l aa b o u tf i l t r a t i o n ， p r e s s u r e d e c l i n e p r o d u c e db yf l l t r a t i n gm e d i u ma n ds o l i dp a i r t i c l ed u r i n gf i l t r a t i o nise s t i m a t e d a c c o r d i n gt h es e d i m e n t a t i o nt h e o t h ea b i l i 够f o rc a q i n g s 0 1 i dp a r t i c l e si s 北京化工大学硕士学位论文 a l s os t u d i e d 、h e nb a c kw a s h i n g t h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h ec f d s i m u l a t i o nb yc f xs o r w a r e s u c t i o ns c a i 】i 】e ri sa ni n l p o r t a n tp a r to fs e l fc l e a n i n gf i l t e r b yu s i n gc f x ， s i m u l a t e sm en o wf i e l do ft h em e d i u mi n s i d et h es u c t i o nf i l t e r ，t h e na n a l y s e s t h ed i s 证b u t i o no ft h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t y a st h es e v e r a lc h a n g i n go f s t r u c t u r ef o r m ，s t u d i e st h ev a r i e t yo ft h ef l o wf i e l di nt h es u c t i o ns c a n n e r ，t h e n o p t i m i z et h ed e s i g no ft h es u c t i o ns c a n n e r - k e yw o r d s ：s e l fc l e a n i n g6 l t e r ，f i l t e r i n gm e c h a n i s m ，a n a l y s i so fn o w f i e l d ，s u c t i o ns c a ：n n e r ，f l n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 符号说叨 符号说明 一次应力，a 一次总体薄膜应力，m p a 一次弯曲应力，m p a 一次局部薄膜应力，m p a 二次应力，m p a 峰值应力，m p a 材料屈服强度，m p a 材料抗拉强度，m p a 材料设计应力强度，m p a 载荷组合系数 许用应力，m p a 。 螺栓许用应力，m p a 填料密封与转轴间的摩擦力，n 键联结工作面的挤压应力强度，m p a 键的许用应力强度，m p a 扭转切应力，m p a 许用扭转切应力，m p a 抗扭截面系数，m m 3 疲劳极限，m p a 扭转剪切疲劳极限的综合影响系数 循环应力的应力幅，m p a 循环应力的平均应力，m p a 试件受循环弯曲应力时的材料特性 剪切面面积，m m 2 受挤压的工作面面积，m m 2 传递的扭矩，m m 许用弯曲应力，m p a 螺纹自升角 当量摩擦角 摩擦系数 螺纹危险截面的计算应力，m p a 螺杆稳定性的计算安全系数 x i 尸只只尼q f q k hp嘲。孵k靠q 4丸丁吼力 纯厂& 北京化工大学硕士学位论文 s s 五 q c k | k 珏 r e p ，r t 卸 d o c d a p 螺杆稳定性安全系数 螺杆的柔度 螺杆的临界载荷，n 渗透系数 柯兹尼常数 流体粘度，见s 过滤介质的孔隙度 过滤介质的比表面积，m m 雷诺数 压差，p a 颗粒直径，m m 阻力系数 颗粒在流动方向上的投影面积，m m 2 沉降终速脚s _ x i i 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：至坠鱼日期：型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期： 日期： 孵s 工7 第一章绪论 1 1 本文研究意义 第一章绪论 十六大以来，中国政府越来越重视环境保护以及资源的有效利用，不断加大对环 保资金的投入，加强政策引导。国务院在2 0 0 6 年制定的国家中长期科学和技术发 展规划纲要中指出，我国经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重，在2 0 2 0 年之前将发展能源、水资源和环境保护技术放在科技发展的战略重点首位。 水资源是不可替代的自然资源，水污染已成为当今世界各国共同关心的重大环境 问题之一。我国水资源分布不均衡，日益匮乏，且污染比较严重，废水综合治理成为 当务之急。针对我国水资源的紧缺、工业的高速发展、环境的恶化，开发节能低耗、 环保以及资源综合有效利用的水处理设备越来越迫切。循环用水，用处理后的污水代 替新水，减少新水用量，通过过滤减少污物处理与排放，从而减少对环境的污染，污 水的过滤与分离技术能很好的解决这些方面的问题心1 。 虽然过滤设备在国内有了一定程度的发展，但是由于我国的过滤设备起步较晚， 目前水工业设备的理论研究和制造与国外有一定的差距，大于通用设备与国外的差 距，所以要提高我国水工业产业化的水平，当务之急是发展水工业设备，特别是高水 平的水工业专用机械设备1 。 自清洗过滤器应运而生，与传统的过滤器相比有如下特点：自动化程度高；压力 损失小；不必进行人工清除滤渣。多数自清洗过滤器在清洗时可以不间断供水。自清 洗过滤器应用前景广阔，适用于工业、农业、市政、海水淡化过程等的分离过滤。 本课题的研究目的就是通过开展对自清洗过滤器的开发与理论研究，追踪国际最 新技术，为国内自清洗过滤器的设计开发和实际应用提供有价值的参考。本课题的研 究具有一定经济价值和社会价值。 1 2 过滤分离的概述 过滤是从流体中分离固体颗粒的过程。基本原理是：在压强差的作用下，迫使流、 固两项混合物通过多孔介质( 过滤介质) ，固体颗粒则截留于介质上，从而达到流体 与固体分离的目的h 1 。 工业上过滤涉及的范围很广。从简单的粗滤到高精、复杂的分离；流体可以是液 体，也可以是气体；固体颗粒可能是粗的、细的、坚硬的、可塑的、球形的、长条的、 分散的以及聚集的；所处理的悬浮物可能是浓稠的、稀释的、高温的、低温的、真空 下的以及加压的 。 北京化工大学硕士学位论文 过滤最终目的有的是为了获得液体产品，有的是为了获得固体产品，有的二者兼 要，而有的则是为了将过滤分离所得的液体和固体分别作进一步的处理。就一般而论， 要求得到滤液为产品的过滤操作，比要求得到滤饼为产品的过滤操作易于实现。一般 说来，过滤比离心分离和喷雾干燥更经济，但所得到的固体产品湿含量高；沉降和水 利旋分比过滤更为简单易行，但分离效率又不及过滤。对于细粒悬浮液或固体含量较 少的悬浮液，不宜采用离心分离，最好采用加压过滤。因此，在液固分离技术中，总 是首先考虑过滤操作，。 过滤的过程一般可分为以下几种类型： 1 、介质过滤。介质过滤时，由于微粒大于过滤介质的微孔，它们就被截留。此 时，过滤器起了一种筛网的作用。通常，在筛滤粗大颗粒时，人们才考虑这种比较稀 有的装置；但对于膜滤器和编织的金属织物，它们适用于截留细小的微粒。 2 、深层过滤。在介质表面不形成滤饼，固相粒子被留于介质内部的孔隙。深层 过滤通常应用于料浆浓度极稀( 体积浓度低于o 1 ) 、固体粒子粒径极小的场合。 3 、滤饼过滤。滤饼过滤时，固体物质聚集在介质的表面，这样，经过一段很短 的初始期，就通过沉积的固体层进行过滤。这个过程一直继续到滤饼两侧的压降超过 经济或技术允许的最大值，或填满有效的间隙。这种过滤方法广泛的应用于加工业， 并且特别适用于过滤浓缩的悬浮体和回收大量的固体。滤饼对流动所产生的阻力远大 于过滤介质的阻力。 实际的过滤过程是复合式的若干或全部的过滤机理同时或相继发生。例如， 在介质过滤时，很重要的初始沉积层出现在介质的表面，形成滤饼，接着开始滤饼过 滤；而深层过滤时，介质中的微孔不断缩小，直至出现介质过滤以及接着滤饼过滤 5 】【7 8 儿9 】 o 过滤分离技术在国民经济各部门中应用很广。从人们的同常生活，资源、能源的 开发利用，国防尖端到保护环境、防止公害等方面，都离不开过滤分离技术。 1 3 过滤设备的综述 1 3 1 过滤介质 过滤介质的主要作用是用最少的能量消耗将固体颗粒从流动的液体中分离出来。 成功的过滤操作很大程度上取决于选择合适的过滤介质。过滤介质材料的范围很宽， 有织造过滤织物，聚合材料制造的编织非编织滤布、金属丝布、金属缝隙过滤元件、 金属烧结纤维、陶瓷和浸渍纤维等，其他过滤介质有深层砂滤器和助滤剂及膜介质等。 过滤介质的技术特性包括：截留能力、渗透性、抗堵塞能力。其中以前两个特性 最为重要。当过滤介质的制作和组装固定也考虑在内时，密封性、化学和生物学方面 2 第一章绪论 的稳定性、强度、磨损、阻力等因素在设备使用中都要予以考虑h 儿习。 ( 1 ) 截留能力。对于成功的过滤来说，介质对颗粒的截留能力具有头等重要的意 义。截留能力就是各种介质所能截留的最小颗粒的尺寸。而介质截留多细的颗粒，决 定于介质孔隙的大小及分布情况。 ( 2 ) 渗透性。过滤介质的渗透性，反应了它对滤液流动的阻力，而介质的流动阻 力，则影响过滤机的生产率。 常用过滤介质有： ( 1 ) 滤布。编织滤布品种最多，用途最广。其材质有棉、毛、丝、麻等天然纤维 及各种合成纤维。滤布的过滤性能决定于其材质、织法、温度以及滤浆的成分。 ( 2 ) 滤网。能够拉丝的金属和合金都可作为金属丝滤网的材质。金属丝滤网具有 耐磨性、耐高温和耐腐蚀性，使用寿命长。工作中不易产生收缩、伸延现象。金属丝 网表面光滑，不易发生堵塞。 ( 3 ) 非织造纤维介质。该种介质是将纤维无规则地混杂在一起，做成片状或板状， 纤维之间的孔隙用于过滤。材料如：滤纸、过滤衬垫、毛毡、非织造滤布等。非织造 纤维介质孔隙细小，适用于高澄清度的过滤，但容易堵塞，强度弱，不耐用。 ( 4 ) 刚性多孔介质。刚性多孔介质是将陶瓷、塑料及金属等粉末烧结而成。适用 于精密过滤，具有寿命长、耐腐蚀及容易卸料等特点。但是，进入其孔隙的微粒很难 清洗。 过滤器介质的选用具有多样性，主要在于过滤问题的复杂性。过滤工况条件中考 虑的问题有流体的腐蚀性强弱、粘度的高低、悬浮液微粒尺寸：形成滤饼的过滤性和 压缩性、固体粒子的密度等因素。选用合适的滤布或者过滤介质有如下优点：得到纯 净滤液，没有因颗粒渗漏或穿透过滤介质引起的损失；容易卸除滤饼；经济的过滤时 间；不因过滤介质突然或逐渐地堵塞、延展和起褶皱等因素引起过滤介质作用恶化； 滤布使用寿命足够长，通过对过滤介质的反冲洗可使其再生儿“。 金属滤网具有耐磨性、耐高温和耐腐蚀性，使用寿命长等优良特性。金属滤网一 般有孔板网与编织网两种。孔板网按开孔形状，可分圆孔、方孔、长孔、鱼鳞孔板网 等；按照材质，可分低碳钢、不锈钢、合金钢板等。如果金属孔板网是冲压孔板网、 电蚀孔板网或电铸孔板网，则孔板厚度有限，使用寿命较短；若由激光打孔生产筛网， 则其生产成本很高。编织网一般强度不高，寿命短，截留的污物相对难于反冲洗。 本文根据所开发的自清洗过滤器的使用工况，选用了一种新型滤网不锈钢焊 接楔形筛网，它由不锈钢楔形丝与自动弧焊机焊接而成。楔形筛网楔形丝与支撑条由 不锈钢丝冷轧成型，有很高的强度、刚度和承载能力n 引。不锈钢焊接楔形筛网具有如 下特点：高开孔率，无阻塞表面，筛缝可小至o 0 5 舳，高机械性能，自支撑结构，维 护费用低，成本低，寿命长。综合各种过滤介质的性能特点与应用场合，不锈钢焊接 楔形筛网优于其它过滤介质，适用于本文所设计的过滤器。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 2 过滤设备概述 世界上最早出现的过滤机是压滤机、叶滤机和旋转过滤机。到了近代，过滤机的 发展更为迅速。例如：在加压式转鼓过滤机基础上发展起来的带卸料式真空转鼓过滤 机，现在已面目一新；在一向是间歇操作的叶滤机方面，已经出现了多性能的连续叶 滤机；一度被认为是落后、笨重的压滤机，已于1 9 5 8 年实现了全自动运转，并可以通 过计算机实行多台控制，成为成熟而又完善的过滤机种。在工业化的影响下，连续真 空过滤机在上世纪初开始出现，它产率较高而得以蓬勃的发展，现在圆筒外滤式、内 滤式、盘式、水平带式等真空过滤机广泛在各工业部门使用，尤以矿山和化工企业为 一【鄙n l 】 土。 当前常用的固液分离设备有：真空过滤机和压滤机；过滤和沉降离心机；普通沉 降浓缩机( 强化和高效浓缩机) ；普通澄清机；有预涂层的过滤机：压滤机和深层床 过滤机等。固液分离技术则有：筛分、水力旋流器、磁分离、泡沫浮选、凝聚和絮凝、 助滤剂、洗涤与微滤膜滤等瞄1 2 3 。 过滤机的分类方法有很多种，其中有按过滤推动力和重力的相对方向来分类的， 也有按过滤推动力的类别来分类的，又或者根据设备的结构形状进行分类，按照卸料 方式的不同又可进行细分。 过滤机的种类繁多，常见的过滤分离机械有：板框压滤机；带式、盘式、转鼓型 的压滤机与真空过滤机。该类机械通常属于间歇式，或存在“跑、冒、滴、漏”现象， 不能连续生产，因而生产效率较低，同时过滤介质必须定期清洗，设备比较复杂笨重， 制造、操作、维修费用较高n 4 m 碰1 6 3 。 1 4 自清洗过滤器概述 1 4 1 国外自清洗过滤器的发展现状 以色列有多家自清洗过滤器生产厂，规模最大的公司有两家：以色列阿米亚德 ( a m i a d ) 公司和以色列阿科( 加k a l ) 公司。以色列福特马特( f i l t o m a t ) 过滤有 限公司也是一个有名的公司，但现在已成为以色列阿米亚德( a m i a d ) 公司的一个子 公司。以色列的自清洗过滤器目前已在世界8 0 多个国家和地区广泛应用。以色列政府 对水工业的重视促进了以色列自清洗过滤器的发展。 美国依靠先进的科学技术也发展了多种自清洗过滤器，有影响的公司有：美国欧 锐( o r i v a l ) 公司、美国全自动过滤器公司( a u t o m a t i cf l l t e r s ，c ) 、美国施 罗德( s c l l r o e d e r ) 工业公司和美国r p a 工艺流程技术公司( r p ap r o c e s st e c h n o l o g i e s ) 。 德国s a b ，西班牙a z u d ，日本大同工机也开发了比较先进的自清洗过滤器。 4 第一章绪论 1 4 2 几种自清洗过滤器简介 自清洗过滤器即利用水压自我清洗，同时连续过滤的过滤器。自清洗过滤器的形 式很多，可以是立式、卧式；内滤式、外滤式；多联式、多单元式。多联过滤器，指 多个过滤器并联，其中的某一过滤器在白清洗时，而其它的过滤器仍进行过滤；多单 元指一个过滤器内具有多个滤芯( 滤网) ，滤芯逐一清洗。 各类自清洗过滤器的过滤过程为同一原理( 污物流经滤网被截留，发生表面过滤、 滤饼过滤或深层过滤) ，区别在于自清洗方式，依据自清洗方式可将自清洗过滤器分 为：吸污式、刷式( 刮式) 、反冲洗式。以上三种自清洗方式的组合也可能应用在一 个过滤器中。 自清洗过滤器的各种形式也来自结构部件的不同，分类汇总如表1 1 。 表1 1 自清洗过滤器结构部件分类 1 a b l e1 1t h es t m c t u r es o n so f s e l f c l e a n i n g6 l t e r s 自清洗清洁元件 方式 清洁元件驱动( 及运动方式) 滤芯( 滤网) 运动方式 吸污器。 周向旋转 本身液力( 旋转) ： 按吸嘴形式可分：电机( 旋转) ； 常j = j ： 吸污式运动； 气缸( 直线运动) ；矩形口式：圆形口式； 螺旋运动； 磁力( 直线、旋转运动) ； 楔形网； 吸盘式；带反冲洗式； 轴线上下 ( 加丝杠后，旋转运动可 冲孔网 刷式刷子；刮板； 运动；金属编织滤网： 及刮式刮刀；刮盘； 转为螺旋运动) 盘片式 电磁阀； 反冲洗式液体反向流动 纤维式 机械切换( 例如转臂式) 表1 1 需要说明的是：在一个过滤器中，清洁元件与驱动方式可能是表中的单一 形式或组合形式；对于吸盘、刮盘式的清洁元件，其运动方式为轴线上下运动；盘片 式、纤维式滤芯的过滤器是属于反冲洗式的过滤器样式。 下面本文对自清洗过滤器的三种分类，吸污式、刷式( 刮式) 及反冲洗式一一介 绍。 ( 1 ) 吸污式自清洗过滤器n 7 吸污式自清洗过滤器，即以滤网内部的吸嘴吸除滤网表层的污物。自清洗时，排 污阀打开，吸嘴与排污管连通，排污管与外界的压差使吸嘴产生强劲吸力。 吸污式自清洗过滤器具有如下特点：高效率，体积紧凑：机械结构可靠；最小的 冲洗流速要求，滤网压力低时仍能保证清洗效果；自清洗过程所需水量少，并且不引 起下游流体供应的间断。 典型的吸污式过滤器形式，如图1 1 美国t e k l e e n 过滤器，图1 2 以色列a m i a d 北京化工大学硕士学位论文 过滤器。 过滤过程：污水从过滤器进口进 入，然后从里向外通过滤网，比网孔大 的杂质被拦截下来并累积在滤网的内 表面形成滤饼，这些滤饼同时能够捕捉 水中的一些更细小的杂质。 自清洗过程：通过持续检测滤网内 外的压差值，以p l c 自动控制自清洗 循环。打开排污阀，滤网内部与外界的 压差使吸管产生强劲吸力将杂质排出， 滤网外侧的压力，带来一定的反冲洗效 果。自清洗过程中，系统不断流。 这两种过滤器的区别在于： 美国t e k l e e n 过滤器的吸污器 靠本身的液力驱动，反冲洗水经过液压 马达时带动污物收集器转动，吸嘴为长 ，舞麓网 f 静承一7 添 黼 秀钫牧条 l ： ij 蠢，i ：j 巨自， f k 方j t 图1 。1 美国t e k l e e n 过滤器 f i g 1 1t e k l e e nf i i t e r u s a 口矩形，无需上下运动，吸污器只需周向旋转。 以色列a m i a d 过滤器的吸污器由一个连有丝杆装置的双向电机驱动，按照固定 的转速作螺旋式的运动，这样多个吸嘴就能吸遍整个滤网内表面。吸管较小，因此吸 力较强，自清洗过程耗水较少。 图1 2以色列a m l a d 过滤器 f i g 1 2a m i a df i l t e r i s r a e l 以上两种过滤器均包括粗滤与精滤单元，粗滤网用于截留少量的大杂质，以保护 清洗机构，不起主要过滤作用，视同需要，可以只包含一个过滤单元，不必做成一体。 6 攀章绪论 搬据嚷嘴彩式和嫒污器盼运动方式可以衍生出多种形式的吸污过滤器，铹如： 采用矩形吸嘴，电机驱动吸。污器旋转，丽不轴向运动；或仅以液力驱动吸污器律螺旋 运动，轴上的特殊丝杠装鼍，使轴既旋转运动同时又上下运动。 最新的专利成果，功鼹更强他，或者结构更简单。例如： 专利鼍j i 嬲6 耋匆a l 强曲询妇酩剥翻蛔i 馥i 鹕搦瓣中介绍的印是一种，电瓤驱 动。、多联带反冲洗避蜷器。滤瞬外侧接a 专门的管道通入高压承，加强反洗娥蒙鬈 专剥u s 融鳓瓣9 鼙1 e 鳓翩峨l i _ q 试d 嫩奴白曜印辨例蠲w 蠹mm 出蛳3 主i 匿翘e d 蠡l 鳜趣端馥鞠霪嘲。与醵髭嘲饵3 0 王锻l ( s d 赛稍鞠n 豇毽m e c 场疵瓤甄莹t 缔 中介绍的鄹蹙 一种澹网姊侧。翩霄反洗喷嘴与滤网内测吸嘴同步螺旋运动的自清洗过滤器，喷嘴增强 去污麓力n 溯静 专利u s 霪镧嘲帮褐5 a l 鳓陆醴a n d 嗣童嚣醴e 鞠i 】嗡印p 曩蹦鹳a n d 埘锨醐赫吾攮6 幽中 ，介绍的即是一辩仅依靠自身液为驱动吸污器作螺旋运动的过滤器协1 。 2 刷式自清洗过滤器 刷式过滤器自清洗时，蓉统也不断流，槽比吸污式所耗工艺流体较多，对下游流 体流量影响较大。剧式自清洗过滤器主要分两种形式，周向与轴向运动刮刷。 厨向刷式自清洗过滤器如图1 3 ；轴向刷式( 盘式) 自清洗过滤器如图1 4 。 图l 每周向刷式过滤器 f i 昏l 毒e i i 驾精n gb n l 蛹。妇船r 闺l o 盘式过滤器 蟹皤1 4d i 幽b 鲫捌t e r 图1 3 所示豹周向刷式售清洗过滤器适甩予恶劣环境，对子不同韵使用要求可配 备3 5 0 0 微米- 2 微米的滤网。过滤嚣的清洗过程由一个时刻监测过滤网两侧压差的 压差开关来肩动，通常情况下压差开关的预设值是晓氐慨。当过滤器滤网两侧压差 7 北京化工大学硕士学位论文 达到预设值时，过滤器将开始自清洗过程，整个自清洗过程包含两个步骤：打开位于 过滤器端盖上的排污阀；电机带动滤网内的不锈钢刷转动，被滤网所捕捉的杂质被钢 刷刷下并从排污阀排出口2 1 。 图1 4 所示的盘式自清洗过滤器的自清洗过程如下：由气缸驱动清洗圆盘，在滤 网内部上下运动，清洗圆盘来刷掉聚集在滤网内表面的滤渣。在清洗圆盘下行过程中， 任何残留的滤渣都被驱至集渣室；在清洗圆盘上行过程中，滤渣从滤网表面被去除， 系统工艺流体( 带压) 携带滤渣穿过清洗圆盘，将其冲至集渣室。通常，刷除滤渣的 过程中，排污阀开启，集渣室的滤渣很容易被排放掉。由于刮力强大，该种过滤器配 备专用的滤网后，可用于粘性流体的过滤。对于剧毒、易燃、易爆的危险液体过滤， 近来开发出了无需动密封的磁力驱动过滤器洲。 ( 3 ) 反冲洗式自清洗过滤器 反冲洗式即在自清洗过程中，使系统内的流体反向流动，将滤渣从滤网表面冲洗 剥离，然后排放掉，在滤网内通常无其它装置。该类过滤器要实现连续过滤，一种方 式是并联多个过滤器( 多联式) 逐一清洗；另一种是在一个过滤器筒体中装有多个过 滤单元( 多单元式) 逐一清洗，该种过滤器结构紧凑、集约化。 图1 5 所示为一种并联式反冲洗过滤器；图1 6 所示为一种转臂式反冲洗过滤器。 图1 5 管式反冲洗过滤器 f i g 1 5t u b u l a rb a c k w a s h i n gf i i t e r 净 & l 承 口 阀 图1 6 转臂式反冲洗过滤器 f i g 1 6r o t a t i n ga m lb a c k w 弱h i n gn l t e r 图1 5 所示的反冲洗过滤器滤筒内装有圆柱滤网，过滤时，工艺流体自滤网由内 至外流动，滤液经出口阀排放。当出口与入口处压差达一定值时，说明滤网过滤能力 下降，此时进行反冲洗。反冲洗时，三通阀动作，将入口阀、出口阀关闭，反冲洗的 8 第一章绪论 清水入口阀、排放阀打开，流体经由滤网自外而内，将滤渣冲掉排出。 图1 6 所示的转臂式反冲洗过滤器是一种集约化的过滤器，多个滤筒安装于一个 过滤器筒体内，结构紧凑。转臂式自清洗过滤器用于去除低粘度介质中的固体颗粒。 需过滤的介质从内向外流过过滤器的楔形网滤筒，固体颗粒截留在滤筒内侧。随着污 物的增多，过滤器污水侧与清洁侧之间的压差增大。若压差达到设置的触发压差便开 始自动反冲洗。反冲洗时，齿轮电动机转动反冲洗臂至欲清洗的滤筒下面，进入反冲 洗状态的滤筒的原料液流被中断。反冲洗阀开启后，反冲洗管路内的压降将一小部分 滤液逆向冲入欲清洗的滤筒。聚积在滤筒内侧的污染颗粒物被冲洗掉并通过反冲洗臂 流入反冲洗管路。每个滤筒的反冲洗时间一过，反冲洗阀立即关闭。这样依次清洗所 有滤筒后，反冲洗循环结束疆4 1 。 依照反冲洗过滤器的结构形式，反冲洗水可以是：专门管道接入的反冲洗水、过 滤前的原液及过滤后的清液。反冲洗式与刷式过滤器自清洗时的耗水量一般比吸污式 大，反冲洗式的反洗耗水量一般也大于刷式过滤器。 1 4 3 白清洗过滤器的应用前景展望 自清洗过滤器在工业方面可应用于：水源水过滤、冷却水过滤、工艺水过滤及废 水处理等。自清洗过滤器的应用可提高换热装置的效率，可延长轧钢设备的寿命，可 保护膜分离设备的分离膜等。 在农业方面可应用于：农业灌溉、草地灌溉、园艺灌溉，对各种灌溉设备( 喷头， 滴灌管、雾化喷头等) 提供完善保护。 自清洗过滤器的发源地是以色列，源于以色列属于极度缺水的国家。以色列被迫 开发了多样化的水资源管理技术和节水新技术。他们首先发明自清洗过滤器用于农业 喷灌、滴灌并逐渐应用到工业及各行各业。 我国同样面临水资源短缺的问题。以海河流域为例：海河流域人口密集，大中城 市众多，流域内有北京、天津，以及石家庄、唐山，海河流域3 0 多万平方公罩，是 1 1 个以色列面积，人均水资源与以色列相当。 石油、化工、钢铁业的高速发展，对实行清洁生产也提出了更高的要求。自清洗 过滤器在石油、化工、钢铁、电力有很多应用，是清洁生产的重要装备。随着我国水 资源的紧缺、工业的高速发展、环境的恶化，自清洗过滤器必将获得越来越多的重视。 前联合国秘书长德奎利亚尔曾讲到：“过去人类最可怕的是战争，未来人类最可怕的 是淡水资源的紧缺”。我国的工业水重复利用和再生利用程度较低，用水工艺比较落 后，用水效率较低。这些都预示着自清洗过滤器应在我国有较快的发展。 9 北京化工大学硕士学位论文 1 5 论文研究的方法 1 5 1 有限元数值分析方法简介 对于许多工程分析问题，人们已经总结了他们遵循的基本方程( 常微分方程或偏 微分方程) 和相应的定解条件，但能用解析法求出精确解的只是少数方程性质比较简 单，且几何形状相当规则的问题，而对于物体的几何形状较复杂或者问题的某些特征 是非线性的问题则很少有解析解。这类问题的解决途径通常有两种。一是将方程和几 何边界进行简化假设，从而得到问题在简化状态下的解答。但是这种方法只是在有限 的情况下才是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。因此人们 多年来发展了另一种求解途径和方法数值解法。 数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前在工程技术领域 内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界单元法、离散单元法和有限差分法，但 就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。 有限单元法的基本思想是将求解的域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连 接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元的 形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式。从而使一个连续的 无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。随着单元数目的增加，也即单元尺寸的 缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。 如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 近三十年来，有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展，已经由 弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动 力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体 力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。数值模拟技术通过计算机程序在 工程中得到广泛的应用。到8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的通用程序已达 上百种，由于这些通用程序使用方便、计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品 设计和性能分析的可靠依据。以a n s y s 为代表的工程数值模拟软件，不断吸取计算 方法和计算机技术的最新发展，将数值模拟方法、计算机图形学和优化技术相结合， 己成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具瞄羽瞄3 1 。 1 5 2a n s y s 有限元软件简介 a n s y s 是融结构、热、流体、电磁、声场和耦合场于一体的大型通用有限元分 析软件，第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证。随着a n s y s 的发展与版本的不断升级，该 程序又添加了许多特殊的强大功能，这些功能使a n s y s 在解决各种领域的多方面复 l o 第一章绪论 杂问题中更加迅速有效。 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前 处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算 结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明 及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲 线形式显示或输出。 a n s y s 软件是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 、美国宇 航局( n a s a ) 、中国铁路机车车辆工业总公司、全国压力容器标准化技术委员会 ( c n s c p v ) 等近二十种专业技术协会认可的标准分析软件，已成为国际公认的工程 仿真及校验工具。1 9 9 5 年1 0 月，该软件已通过全国压力容器标准化技术委员会的测 试，并被认可为按压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 2 1 9 9 5 ) 进行压力容器分析设计的 有限元分析软件。截至到2 0 0 8 年5 月份止，a n s y s 的最新版本是a n s y s1 1 o 。3 。 1 5 3c f x 分析软件介绍 c f x 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，由英国a e a t e c l i l o l o g y 公司开发。2 0 0 3 年，c f x 加入了全球最大的c a e 仿真软件a n s y s 的大 家庭中。c f x 的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在 内的多物理场及多场耦合整体解决方案。 c f x 是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个c f d 传统瓶径问题上均获得 重大突破的商业c f d 软件。和大多数c f d 软件不同的是，c f x 用了基于有限元的有 限体积法，在保证了在有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确 性。c f x 是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这种求解技 术避免了传统算法需要“假设压力项一求解一修正压力项”的反复迭代过程，而同时求 解动量方程和连续方程，加上其采用的多网格技术，c f x 的计算速度和稳定性较传统 方法提高了1 2 个数量级。 诞生于工业应用背景中的c f x 一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大 的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着c f d 技术的不断发展。经过近3 0 年的发展，c f x 拥有包括流体流动、传热、辐射、多相 流、化学反应、燃烧等问题的丰富的通用物理模型；还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、 多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的 实用模型。目前，c f x 的应用已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械 北京化工大学硕士学位论文 制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域m m 6 m 钉。 1 6 论文研究的主要内容 本课题立足于自清洗过滤器的总体设计，包括自清洗过滤器的结构设计，机理研 究，流场分析。参考国内外过滤设备最新的研究，完成了本白清洗过滤器的总体设计。 论文研究的主要内容有： ( 1 ) 研究本过滤器的过滤机理及结构特点，参考当代国内外最先进的过滤设备的研 究，结合美国专利，完成本过滤器各个部件的结构设计。 ( 2 ) 筒体属于大开孔结构，采用压力容器的分析设计法校核，通过a n s y s 有限元 分析软件，建立其有限元模型，进行强度和刚度分析，最终验证设计结构的合理性。 楔形过滤网属于一种新型过滤网，易于反冲洗污泥等杂质，由于其结构特殊，因此本 文对其进行a n s y s 有限元分析校核。根据过滤器的工况确定传动部件的转速及功率， 从而确定减速机及丝杠的选型，进而进行理论校核。 ( 3 ) 研究自清洗过滤器的过滤机理，以达西定律为基础，研究了过滤介质和滤饼压 降。以沉降原理研究了过滤器反冲洗时所能携带的最大固体颗粒尺寸。 ( 4 ) 运用计算流体动力学( c f d ) 分析软件c f x ，研究白清洗过滤器部件内部的流 场状况，得到压力分布、速度分布等流体力学特性。通过对吸污器几种结构形式的改 变，研究其内部流场的变化，进行优化设计。 1 2 第二章吸污式自清洗过滤器的结构设计 第二章吸污式自清洗过滤器的结构设计 2 1 过滤器结构 根据自清洗过滤器的工作原理，参 照国外技术，本文自行研制了一种大流 量全自动自清洗过滤器，基本结构示意 图见图2 1 。 ( 1 ) 过滤器的性能特点如下： 高效率、结构紧凑； 处理量大，达8 0 0 m 3 l l ； 过滤面积为l o 0 0 0c m 2 ； 冲洗水损失小，少于1 ； 最小工作压力o 15 m p a ； 时间或持续压差检测控制； 可连续冲洗； 全自动智能控制，故障报警。 ( 2 ) 过滤器的结构材料 为使过滤器坚固耐用，防锈防腐。 筒体和法兰盖采用1 6 m 1 1 r ，按要求也 可使用不锈钢3 1 6 ，滤网采用不锈钢材 料。具体尺寸见图纸。 2 2 过滤器筒体设计 2 2 1 分析设计方法 图2 1 吸污式臼清洗过滤器基本结构 f i g 2 一lb a s i cs t r u c t u r eo fs u c t i o nf i l t e r 目前压力容器常用的设计方法有两种。一是常规设计，以板壳薄膜理论为基础， 方法简单易行，偏向于经验设计，是目前最常用的设计方法，但其不足之处也是显而 易见的。二是分析设计，以弹性应力分析、塑性失效准则和弹塑性失效准则理论为基 础，详细地计算了容器的各种应力并予以分类和控制，使设计方法更具科学性与安全 性，但其过程复杂而费时。目前我国关于该设计的标准为j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器 一分析设计标准。 ( 1 ) 分析设计法的应力分类 北京化工大学硕士学位论文 分析设计法将容器应力分为三大类：一次应力、二次应力、峰值应力。 一次应力( 尸) ：为平衡压力与其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力。对理 想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的，即当结构内的塑性区扩展 到使之变成几何可变的结构时，达到极限状态，即使载荷不再增加，仍产生不可限制 的塑性流动，直至破坏。 一次应力分为如下三种： 一次总体薄膜应力( ) ：这是指在容器总体范围内存在的一次薄膜应力。在塑 性流动过程中一次总体薄膜应力不会发生重新分布，它将直接导致结构破坏。 一次弯曲应力( 只) ：是由内压或其它机械载荷作用产生的沿壁厚成线性分布的 应力。这种应力不像总体薄膜应力那样容易使壳体失效，允许有较高的许用应力。对 一次弯曲应力可以用极限分析方法作强度校核。 一次局部薄膜应力( 只) ：这是指由内压或其它机械载荷在结构不连续区产生的薄 膜应力( 一次的) 和结构不连续效应产生的薄膜应力( 二次的) 的统称，从保守考虑将此 种应力划为一次局部薄膜应力。 二次应力( q ) 二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的法向应力或剪 应力，其基本特征是具有自限性。 峰值应力( f ) 峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应 力的应力增量。峰值应力的特征是同时具有自限性与局部性，它不会引起明显的变形； 其危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂。 ( 2 ) 分析设计法的应力强度限制条件： 按照j b 4 7 3 2 。9 5 钢制压力容器一分析设计标准的规定，分析设计法采用最大 剪应力理论来描述物体的应力状态。