（机械设计及理论专业论文）超声波自动反冲洗过滤器的设计与机理研究.pdf

摘要 摘要 在能源紧张的今天 石油行业的生产尤其重要 在石油的开采及加工过程中会产生 大量的污水 这些污水富含有机污染物 在自然界中很难降解 如果不加以处理便排放 到自然界中 会给环境造成巨大的破坏 因此必须用过滤器滤去污水中的悬浮固体颗粒 和油渍 处理后的污水不仅可以达到排放的标准 而且还可以重新利用于石油行业 石 油行业污水的杂质 悬浮物粒径非常小 常用过滤方法不能有效去除 尤其老式分离器 存在排污不彻底 杂物堵塞滤网等现象 滤芯的清洗效果不理想 频繁地更换滤芯不仅 影响了过滤的效率 而且造成了材料的浪费和成本的增加 因此急需设计一种过滤精度 高 清洗效果好的高效过滤器 针对这一工程需要 本文设计了一款结构形式合理 过 滤精度较高的新型超声波自动反冲洗过滤器 论文的主要工作包括超声波自动反冲洗过滤器的本体设计 电气控制系统的设计 过滤机理分析 流场动力学特性分析及过滤器结构优化四部分 本体设计采用超声波反 冲洗技术 使堵塞在罐内过滤元件上的污物微粒被振动脱落 并通过反清洗排渣系统排 污 保证每个过滤元件反冲洗彻底 使过滤元件性能恢复如初 电气控制系统采用p l c 控制 通过差压控制器监测浊水腔和清水腔的压力差 当压力差达到设定值时 差压控 制器输出信号 由电控柜控制反冲洗机构启动或关闭 利用超声波振动 清除深层沉积 杂质 实现自动反冲洗 以达西方程为基础分析了超声波反冲洗过滤器的过滤机理 采 用流体动力学软件f l u e n t 对过滤器内部的动力学特性进行了模拟和分析 从边界条 件和结构两方面研究了二者变化对流场的影响 根据分析结果提出了改进措施 明显地 提高了过滤效率和过滤稳定性 关键词 结构设计 超声波清洗 动力学特性 过滤器 大连交通大学工学硕上7 t 心 t i 佴 l 论文 i i i a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o no fp e t r o l e u mi n d u s t r yi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tw i mt o d a y se n e r g yc r i s i s m a s s i v ew a s t e w a t e ri sp r o d u c e di nt h ee x p l o i t a t i o na n dp r o c e s s i n go ft h ep e t r o l e u m a n dt h i s h n do fw a t e ri sr i c hi no r g a n i cp o l l u t a n t s w h i c ha r er e a l l yh a r dt od e g r a d e i ft h ew a s t ew a t e r i s d i s c h a r g e di n t o n a t u r eb e f o r et r e a t m e n t i tw i l l b r i n ge n o r m o u sd e s t r u c t i o nt oo u r e n v i r o m e m t h e r e f o r e i ti sn e e d e dt of i l t e rs o l i dp a r t i c l e sa n do i lo f ff r o mw a s t ew a t e r a f t e r t h et r e a t m e n tt h ew a s t ew a t e rc a l lm e e tt h ed i s c h a r g es t a n d a r da n dc a l lb er e u s e di np e t r o l e u m i n d u s t r y p a r t i c l es i z eo fi m p u r i t ya n ds u s p e n d e dm a t t e ri sv e r ys m a l l a n dn o r m a lf i l t e r i n g m e t h o dc a l ln o tw o r ke f f e c t i v e l y o l dt y p ef i l t e r sh a v em a n ys h o r t a g e ss u c ha si n c o m p l e t e n e s s o fp o l l u t i o nd i s c h a r g e b l o c k i n go ff i l t e rm a t e r i a lb yi m p u r i t y l o wc l e a n i n ge f f i c i e n c yo ff i l t e r c o r ea n ds oo n r e p l a c i n gf i l t e rc o r ef r e q u e n t l yn o to n l yi n f l u e n t st h e 矗l t r a t i o ne 街c i e n c yb u t a l s ol c a d st ow a s t eo fm a t e r i a la n di n c r e a s i n go fc o s t ae 伍c i e n tf i l t e rw h i c hh a sh i g h f i l t r a t i o np r e c i s i o na n dg o o dc l e a n i n gr e s u l ti su r g e n t l yn e e d e d a i m i n ga tt h i se n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t an e w u l t r a s o n i ca u t ob a c kw a s h i n gf i l t e rw h i c hp o s s e sr e a s o n a b l es t r u c t u r ea n d h i g hf i l t r a t i o np r e c i s i o ni sd e s i g n e di nt h i sp a p e r m a i nw o r ko ft h i s p a p e ri n c l u d e sp r o p e rd e s i g no ft h ef i l t e r c o n t r o ls y s t e md e s i g n a n a l y s i so ff i l t r a t i o nm e c h a n i s m d y n a m i ca n a l y s i so ff l o wf i e l da n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no f t h ef i l t e r i nt h ep r o c e s so fp r o p e rd e s i g n b yu s i n go fu l t r a s o n i cb a c kw a s h i n gt e c h n o l o g y s o l i dp a r t i c l e so nt h ef i l t r a t i o nm a t e r i a li sk n o c k e do f fa n di sd i s c h a r g e db yt h es l a gd i s c h a r g e s y s t e m w h i e he n s u r e st h a te v e r yf i l t e re l e m e n t si sc l e a n e dt h o r o u g h l ya n dh a sp e r f o r m a n c ea s i n i t i a l e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mu s e st h e c o n t r o lo fp l c d i f f e r e m i a lp r e s s u r ec o n t r o l l e ri s a p p l i e dt om o n i t o rt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nc l e a rw a t e ra n dd i r t yw a t e r m e l lt h e p r e s s u r ed i f f e r e n c er e a c h e st ot h es e tv a l u e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r ec o n t r o l l e ro u t p u ts i g n a la n d t h eb a c kw a s h i n gs y s t e mi ss t a r t e da n ds t o p p e db yp l co ro p e r a t i n gt h ec o n t r o lc a b i n e t t h e r e f o r e a u t ob a c kw a s h i n gf u n c t i o ni sr e a l i z e d n l ef i l t r a t i o nm e c h a n i s mo fu l t r a s o n i ca u t o b a c kw a s h i n gi sa n a l y z e db a s e do nt h ed a r c ye q u a t i o n t h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f n l ef i l t e ri ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n go fh y d r o m e c h a n i e a ls o f t w a r ef l u e n t a c c o r d i n gt ot h er e s u l t i m p r o v e m e mm e a s u r e si sp u tf o r w a r df r o mt w oa s p e c t so fb o u n d a r y c o n d i t i o na n ds t r u c t u r e a n dt h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t ya r ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y k 锣w o r d s s t r u c t u r a ld e s i g n u l t r a s o n i cw a s h i n g d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s f i l t e r 1 1 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留 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 知识产权单位属太整塞通太堂 本人保证毕业离校后 发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太董銮通太堂 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及其电子文档 允许论文被查 阅和借阅 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所 中国学位论文全文数据库 等相关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论 又 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者签名 话 蕊卿 日期 加莎年 月f 石日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 申 子信箱 撇名咩而兹 日期 刁删g 年d 月j 7 日 电话 邮编 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外 论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律效力 申请学位论文与资料若有不 实之 处 由本人承担一切相关责任 学位论文作者签名 诒 蕊面呷 日期 础萝年f 2 月f6 日 绪论 绪论 1 项目研究意义 油田在开发过程中会产生大量的油田采出水 洗井废水 钻井废水和井下作业废水 等采油废水 由于我国大部分油田均已进入中后期开发 且多采用注水开发的方式 采 出液含水率越来越高 采油废水量也逐年增加 受地层结构和其它条件的限制 部分采 油废水不得不外排 造成一定的环境污染 在水资源 能源紧张和环境污染日益严重的 今天 石油污水的处理具有非常重要的意义 用处理后的废水代替新水 最大程度减少 新水用量 可以缓解水资源的紧张状况 另外也可以最大限度的减少外排水量 把废水 对环境的污染降低至最小程度 因此 如何提高工业污水的质量已成为困惑石油行业的 一大难题 制约了企业的发展 但是 我国过滤与分离机械的技术落后 不论是大型化 高参数新产品的开发 节能型 多功能设备的研制 还是传统设备的机械化 自动化 智能化水平的提高与完善等方面 都与世界存在着十分明显的差距i l j 目前很多企业使用的仍然是传统的单向流通过滤器 这种过滤器在过滤持续过程 中 液体内的固相杂质被过滤元件截留在表面 逐步沉积 导致过滤元件两端压力差增 大 过滤的效率随之下降 这类传统的过滤器有以下几个缺点 1 过滤精度低 2 过滤方式管理十分繁琐 人员配备较多 自动化程度低 3 过滤元件失效后 必须更换新的滤芯 或者拆卸掉滤芯进行清洗 造成整个系 统停机 停产 这样既浪费人力又影响后续工作的正常进行 不能满足工业生产连续性 要求 而且排污困难 4 过滤设备占地较大 造成空间浪费 为了克服上述缺点 近年来国内外开发研制了具备自清洗功能的过滤器 这种过滤 器不仅占地面积小 而且可以在不打断过滤连续性的同时 对过滤元件进行清洗 自动 化程度较高 节省了人力资源 使过滤效率大大提高 自清洗过滤器根据清污方式分为 如下几种 吸污式自清洗过滤器 刷式自清洗过滤器 转臂式自清洗过滤器和刮盘式自 清洗过滤器 这些物理清洗方法在清洗过滤元件的同时 不可避免地对过滤元件造成了 伤害 会加速过滤元件的失效 超声波自动反冲洗过滤器是一种新型的自清洗过滤器 主要针对石油行业工业污水 的杂质 悬浮物粒径非常小 其它传统过滤方法均不能有效去除 尤其老式过滤器存在 大连交通大学t 学硕十学位论文 排污不彻底 杂物堵塞滤网等现象 对于型号较大的过滤器 排污清洗十分不便等问题 对传统过滤形式作了重大改进设计 设计了一款结构形式合理 精度较高的过滤器 2 过滤技术及过滤设备发展现状 1 过滤技术 过滤是将固液混合物分离的常用的操作之一 它是在压差的作用下 使固液混合物 流过过滤介质 固体颗粒被截留 而液体则通过过滤介质的孔隙 从而达到分离的目的 工农业 日常生活中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 所处理的悬浮液可能是浓稠的 稀释的 高温的 低温的 真 空下的以及加压的 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 一般而言 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 2 j 过滤操作的好坏 直接影响到产品的质量 成本和生产水平 因此它在工农业上 地位是十分重要的 实现固液分离操作除过滤外 还有沉降 水力旋分 离心分离和喷雾干燥等几种常 见的方法 一般说来 过滤比离心分离和喷雾干燥经济 但得到的固体产品湿含量高 沉降和水力旋分比过滤更为简便易行 但分离效率又不及过滤 对于细状颗粒悬浮液或 固体含量较少的悬浮液 都不宜采用离心分离 最好采用加压过滤 因此 在固液分离 技术中 总是首先考虑过滤 2 过滤设备发展现状 过滤设备起始于压滤 制作豆腐 榨取食油和酿酒均起源于我国 由于工业革命在 欧洲的兴起 1 9 世纪中叶 国外已有间歇板框压滤机问世 2 0 世纪初得到迅速发展 1 9 5 3 年日本栗田机械制作所开发了板框压滤机的滤板自动移动装置 1 9 5 8 年大阪国际 展览会展出了第一台自动压滤机 现在又有间歇压滤机的p l c 控制系统1 3 j 过滤设备总体分为真空和加压两类 真空类常用的有转筒 圆水平带型等 加压类 常用的有压滤 压力容器 压榨 动态过滤和旋转型等 随着能源短缺 资源贫化 水 资源和环保问题的日益突出 生物化工材料的迅速崛起 出现了复合力场过 压 滤机 真空过滤器 真空过滤器是利用真空泵抽真空产生的负压 有时也结合重力 作为过滤推动力 常用的类型有转筒过滤器 圆盘过滤器 水平带式真空过滤器 主要用于滤去混合相中 的液相 得到干燥的滤饼 2 绪论 压滤机 压滤机是对过滤机内施加压力 使过滤介质两侧产生压差 对混合相进行分离 主 要有板框 厢式压滤机 自动压滤机 罐式加压压滤机 微孔管压滤机 旋转压滤机 双筒叶滤机 压滤机多应用于对固液混合相进行分离以得到液相产物 过滤介质使用一 段时间后 会因滤饼堵塞导致其失效 需定期对过滤介质进行处理和清洗 复合力场过滤机 该类过滤机是利用其他力场如离心力 磁力 电场和重力场等作用对混合物进行分 离 主要有卧螺离心机 电场压滤机和离心过滤机 3 过滤器研发趋势 近年来 过滤技术应用领域不断扩大 固液分离粒级越来越细 总趋势是要求滤液 高澄清度和滤饼低含湿量 降低固液分离成本 进而促使固液分离工艺与设备围绕这个 技术问题展开 今后在研发 生产中应从以下几方面入手 以进一步挖掘过滤设备潜力 和提高效率 达到降低生产成本和提高经济效益的目的 4 研发高效过滤介质 过滤介质工作一段时间后 孔隙被固体颗粒堵塞 特别是进入过滤介质内部和镶嵌 在过滤介质细丝中间的颗粒 很难被清洗掉 过滤介质的透气性和透水性变差 严重影 响了过滤介质的工作效率 在压滤机中 过滤介质两侧要承受一定的压力差 压力差越 大 过滤速度就越大 但是过滤介质本身的强度又严重制约着其能承受的最大压力差 因此 研制过滤速度快 产能大的过滤介质 将进一步提高过滤设备产能和指标 开发多功能一体化元器件 增强密封性 无论哪种过滤设备 都与抽真空或加压有关 因此过滤设备的密封性显得尤为重要 随着机械 电器行业制造技术的 高 尖 精 细 化 原来由两个或更多元件组成的 部件 可考虑开发功能更多且集于一体的元器件 既解决了密封性和安装的方便 又降 低了制造和生产成本 发展复合过滤技术 随着真空 空压技术的日益精细化 过滤设备的研发应充分利用多门尖精技术 将 真空过滤 压滤等技术集于一台过滤设备 设备既可过滤也可发挥压滤功能 利于脱水 工艺流程配置 减少工艺管道 电机和辅助设施的配置 方便生产组织 降低生产成本 例如真空过滤机外加蒸汽加压过滤 一是加密封罩 向罩内通蒸汽活热空气以降低滤饼 水分 二是增加压榨机构 过滤加干燥二合一的釜式过滤机 过滤加洗涤加干燥三合一 的带式过滤机等 设备大型化 节能化和自动化 大连交通人学t 学硕十学位论文 设备大型化和节能化是机械制造业的未来发展趋势和市场竞争焦点 过滤设备更是 如此 好多固液分离效率较高的过滤设备因部分组件的技术瓶颈问题 存在的最大不足 是有效过滤面积太小或仅处于实验室阶段 严重制约了设备大型化 工业化和产业化 只有突破设备产能 才能充分体现出先进的过滤技术含量和获得经济社会效益 过滤设 备自动化既是设备本身的需要 更是工艺流程配置和提高劳动生产率之所求 设备的节 能化在资源 能源紧张的今天 其意义不言而喻 过滤介质的清洗效率 过滤介质失效后 需对其进行清洗 如若清洗不干净 会影响过滤介质的自身特性 影响过滤速度和效率 因此如何能对过滤介质进行充分清洗 使其性能恢复如初 实现 滤芯的循环使用 也是自清洗过滤设备的一个发展趋势 本文所设计的超声波反冲洗过滤器是一种新型的压滤过滤器 过滤介质采用梯形丝 缠绕滤芯 过滤精度高 强度大 反冲洗效果好 自清洗方式采用超声波清洗 对过滤 介质清洗彻底 能使滤芯的性能恢复如初 并且采用p l c 控制实现过滤和清洗的自动 化控制 3 自清洗过滤设备发展现状 1 起源及发展 自清洗过滤器与传统的过滤设备相比是一种新型的过滤设备 自清洗过滤器是将液 体中的颗粒在一定条件下自动地过滤清除的分离过滤装置 自清洗过滤器与传统的过滤 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问断供水 自清洗过滤器适用于工业 农业 市政 海水淡化过 程等的分离过滤 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 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并用于农业喷 灌 滴灌并逐渐发展到工业及各行各业 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 h 1 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 4 绪论 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 c f i l t e r s i n c 美国施罗德 s c h r o e d e r t 业公司和美国r p a 工艺流程技术公司 r p a p r o c e s st e c h n o l o g i e s 2 自清洗过滤器分类 自清洗过滤器根据清污方式分为如下几种 吸污式自清洗过滤器 刷 刮 式自清 洗过滤器和反冲洗式自清洗过滤器1 5 j 吸污式自清洗过滤器 清沈机构是作螺旋式上下运动的吸污器 它是空心的结构 在它的轴线上按一定距 离垂直均匀分布着若干个吸污管 吸污器与一个排污阀相通 在排污阀打开时 过滤器 内部水压与外部大气压之间形成的压差使吸污管产生强劲吸力 水流从滤网外向内反向 高速流动将杂质冲下来进入吸污器通过排污阀排出 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表面 这 个过程大约需要半分钟 在整个反清洗过程中 系统不断流 过滤器的整个运行过程由 p l c 来控制完成 吸污式自清洗过滤器具有如下优点 高效率 体积紧凑 机械结构可靠 不引起下 游流体供应的断流 吸污式自清洗方式的缺点是仅用于从里到外并且滤筒较大的过滤 器 刷式自清洗过滤器 刷式过滤器自清洗时 系统也不断流 相比吸污式所耗工艺流体较多 对下游流体 流量影响较大 刷式自清洗过滤器主要分两种形式 周向刮 刷 式 即长条状的刮刀 或刷子 围绕滤网轴线周向旋转来清除滤网内侧 污物 自清洗时 排污阀打开 由电机带动刮刀转动 杂质被刷下并从排污阀排出 轴向刮 刷 式 即圆盘状的刮盘 在圆柱滤网内上下运动来清除污物 自清洗时 由气缸驱动的刮盘 在滤网内部上下运动刮掉聚集在滤网内表面的滤渣 并驱至下部的 集渣室 通常在自清洗时 排污阀开启 滤渣很容易的被冲洗排放掉 该种过滤器由于 刮力强大 在配备专用的滤网后 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 近来开发出了无密封的磁力驱动过滤器 刷式自清洗方式的缺点是对过滤元件的伤害较大 会影响过滤精度并且降低过滤元 件的寿命 且耗水量大 反冲洗式自清洗过滤器 大连交通人学t 学硕十学位论文 反冲沈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简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 反冲洗式自清洗方式的缺点是 清洗效果不佳 且耗水量巨大 综合三种自清洗方式 吸污式和刮盘式均不适用于本文设计的烛形滤芯过滤器 反 冲洗自清洗方式可用 但是其除耗水量大外 清洗效果还有待进一步提高 而超声波清 洗方式适用于不论从里到外还是从里到外的过滤过程 耗水量很小 且清洗效果优异 4 超声波清洗技术 通常把频率在2 1 0 4 2 1 0 9 h z 的声波叫超声波 超声波与电磁波相似 可以被 聚集 反射和折射 但在传播时需要有弹性介质 在固体介质中超声波的纵向波和横向 波均可传播 而在气体和液体介质中只有纵向波可传播 超声波在传播过程中 能够引 起弹性介质中粒子产生振动并沿传播方向传递能量 从而产生机械效应 热效应和声空 化现象 超声波清洗技术是一种新型的物理清洗技术 与其他如化学或机械的清洗方法 相比 具有清洗速度快 效率高 成本低 对环境污染小 易于实现自动化 安全 可 靠等特点 显示出了很大的优越性 尤其适用于清洗人们难以接触到的内部结构及狭缝 处的污物 清洗的对象包括各种金属 陶瓷 塑料 玻璃制品等 被清洗物可以是普通 的油污 灰尘及各种特殊污物如氧化物 研磨膏等 1 超声波清沈技术的起源和发展 超声波清洗技术最早出现于2 0 世纪3 0 年代早期1 6 j 当时 位于美国新泽西州的美 国无线电公司的一个实验室中的技术人员尝试用自制的简陋超声波清洗系统清洗某些 物体 但试验未获成功 在此基础上 超声波清洗技术在2 0 世纪5 0 年代有了很大的发 展 当时使用的超声波工作频率在2 0 4 0 k h z 之间 该范围内的超声波被应用在数千种 不同的工作场合下 其中许多是别的清洗手段不能很好发挥作用的场合 超声波可以对 工件施加非常巨大的能量 尤其适用于清除牢固地附着在基底上的污垢 然而在某些情 况下 超声波强大的能量也会损伤粘有污垢而性质脆弱的基底材料 在过去的十几年中 超声波领域中出现了一些技术革新 提高了清除敏感基底上的污物的安全系数 在此期 间 超声波技术 特别是中高频超声波清洗技术有了新的发展 并成为行业的亮点 近 年来 人们发现用兆声波 根据超声波的频率不同 把4 0 k h z 及其以下的称为常规或低 频超声波 把1 0 0 0 k h z 以上的称为高频超声波 又称兆频超声波 简称兆声波 清洗可 6 以去除掉半导体材料表面上的超细污垢微粒 并且不会损伤基底材料的表面1 7 l 目前这 项技术已经得到了很快的普及 2 1 超声波清洗机理 超声波在清洗中的作用主要是源于空化作用 当空化气泡崩灭时 发生一个极短暂 的强压力脉冲 在崩灭点处形成寿命极短的局部热点 极短时间内在空化泡周围的极小 空 白j 里 产生5 0 0 0 k 以上的温度和大约5 x1 07 p a 的高压 温度变化高达1 0 9 k s 并伴 生强烈冲击和时速达4 0 0 k i n 的射流以及放电发光等瞬间过程 并促进 水相燃烧 空化作用受液体粘滞系数 表面张力 蒸汽压 温度 声波的频率和强度以及环境压力 等影响 为有效地产生空化作用 液体中超声频率一般应选在2 0 2 5 0 k h z 并采用较 低的温度f 4 5 5 0 1 和尽可能低的蒸汽压i 呻l 气泡崩溃时产生的冲击压力能够击碎不溶性污物而使它们散落到清洗液中 冲击压 力还可以驱使清洗液中的磨料粒子以极高的速度撞击工件表面 使表面的污物被侵蚀而 脱落 冲击压力的第三种作用是使工件表面的油污迅速分散而乳化 若固体粒子被油污 裹着而粘附在工件表面上 则当油污被乳化时 固体粒子随即脱落 气泡崩溃引起的温度上升会产生微热作用 而气泡振动引起的微冲流具有搅拌作 用 这两种作用都能够促进清洗液中的化学成份与污物的反应 微冲流的另一种作用是 对工件表面进行冲洗 振动的气泡本身也可以对工件进行擦洗 而钻入污物缝隙中的气 泡 则会因不断的振动而将污物撬落l q 除了空化效应外 对清洗起作用的还有辐射压和声流 辐射压是大振幅声波在介质 中传播时 对阻挡的物体产生的压力 声流则是由于声场的存在而引起的介质的流动 这两者都能够起到搅拌作用1 1 1 1 3 1 0 r 3 1 超声波清洗优点 超声波清洗是一种高效 适用面广 具有独特优点的清洗方式 与普通的清 洗方法相比 超声波清洗过滤器有以下 特点 用超声波清洗过滤器具有充分 彻底 无孔不入 清洗效果好的特点 用浸泡 毛刷等普通方法清洗 根本不 可能将附着在过滤器 芯 无数个微孔 小 到几微米级 中的杂质完全清洁出来 从 图i 空化作用 f i g 1c a v i t a t i o n e f f e c t 而也不可能做到清洗后再生 重复使用 而利用超声波强烈的空化作用 可使附着在过 大连交通大学工学硕 学佗论文 滤器 芯 微孔中的杂质完全分离出来 做到 无孔不入 达到彻底清洁过滤器 芯 的 目的 实现真正的清洗 再生 重复使用 因而 超声波清洗技术非常适用于具有无数 微孔的过滤器的清洁再生处理过程 超声波清洗过程对被清洗的过滤元件无损伤 采用毛刷或其它工具清洗方法 很难保证不对过滤器表面及结构造成损伤 用超声波清洗过滤器效率高 操作简单 对操作人员无伤害 清洗时可将数只 甚至数十只过滤器 视过滤器大小和超声波清洗槽尺寸大小来确定 同时放在清洗槽中进 行清洗 操作者只需设定好清洗时间 开启或关闭清洗机即可 这克服了人工清洗劳动 强度大 清洗溶液对操作者有伤害等缺点 一致 无论被清洗件是大是小 简单还是复杂 单件还是批量或在自动流水线 上 使用超声清洗都可以获得手工清洗无可比拟的均一的清洁度 另外 根据 关于消耗臭氧层蒙特利尔议定书 的要求 中国需在2 0 1 0 年前逐步 禁止使用o d s 臭氧消耗物质 目前 国际社会都在积极研究替代o d s 清洗技术和工 艺的新技术和新方法 因此从节能和环境保护方面考虑 超声清洗技术以其高效及利于 环境保护的独特优点在世界范围内备受重视 1 4 1 4 超声波清洗效果 从表1 各种清洗方法的清洗效果对比表中可以看出 超声波清洗方法清洗掉杂质的 效率可高达9 5 5 1 0 0 是其它清洗方法所不能比拟的 图2 反映出要达到同样的清 洗效果 超声波清洗所需的时间比其它机械类清洗方法所需要的时间缩短了近6 0 充 分体现了超声波清洗的优越性 清洗方法剩余残留物 吹式清洗 8 6 浸润式清洗 7 0 蒸汽式清洗 6 5 刷子清洗 8 超声波清洗 o 加 5 8 孚 v 嗣 凝 避 葵 清洗时间 n i n 图2 超声波清洗效果 f i g 2c l e a n i n ge f f e c to f u l t r a s o n i cw a v e 绪论 5 本文的研究工作和内容 在大量阅读文献 充分了解过滤器结构以及各种自清洗方式的基础上 结合国内外 过滤器技术发展趋势和国内过滤器发展的不足之处 本文意在设计一款针对石油污水处 理的超声波反冲洗过滤器 主要设计内容包括 1 超声波反冲洗过滤器的结构设计 采用三维设计软件p r o e 创建了超声波反冲 洗过滤器本体结构和零部件的结构 采用二维辅助设计软件a u t o c a d 绘制出了过滤器 的装配图和零部件图 2 超声波反冲洗过滤器的控制系统设计 采用p l c 控制 利用差压控制器来实现 自动反清洗 编写了p l c 控制图 超声波电气图 控制回路图 接线端子图和柜面板 图 3 根据过滤的原理 分析了超声波自动反冲洗过滤器的过滤机理 结合本设计所 用的过滤材料 污水特性以及操作条件提出了过滤介质和滤饼的压降模型 4 运用c f d 软件分析了单个滤芯的二维动力学特性和过滤器整体结构的三维动 力学特性 呈现了过滤过程中过滤器内的压强场和速度场的分布 对不利于过滤进行的 场内缺陷提出了有效的改进措施 提高了过滤效率 9 至 差塑耋些窒翌墨2 鎏兰兰矍墼銮篁堑丝兰生 第一章超声波自动反冲洗过滤器的本体结构设计 11 超声波自动反冲洗过滤器工作原理 工作原理 污水从过滤器入口进入后再通过横隔板进入滤芯 在压力的作用下 水 通过过滤材料的孔隙 而固体颗粒和油渍被截流在过滤介质表面上 简体内装有若干个 过滤元件同时工作 随着杂质在过滤元件表面的不断积累 滤芯两侧的压差不断增大 通过差压控制器检测浊水腔和清水腔的压力差 当压力差达到设定值时 差压控制器输 出信号 由电控柜控制反冲洗机构启动或关闭 利用筒体内的自身压力和超声波空化作 用 清除深层沉积杂质 实现自动反冲洗 逐个清洗过滤元件 未处于清洗状态的过滤 元件仍在继续工作 保证连续供水 不需拆下过滤元件 可实现清洗排渣自动化 7 亏水 良挠水 惰水 辩 幽1l 超声波自动反冲洗过滤器的上作原理 f i g 1 iw o r k i n g p r i n c i p l eo f u i c a s o n i ca u t o b a c k w a s h i n g f i l t e r 1 2 超声波自动反冲洗过滤器的本体结构设计 121 过滤元件选择 1 过滤介质分类 大连交通人学t 学硕十学位论文 允许非均相物系中的液体或气体通过 而固体被截留的可渗透性的材料通称为过滤 介质 它是过滤设备的关键部分 过滤介质的分类通常有下列三种 1 5 按过滤原理 可分为表面过滤介质和深层过滤介质 表面过滤介质表现为过滤时截留的固体颗粒沉积在介质的表面或在介质上流过 液 体渗入介质的孔隙 深层过滤介质表现为过滤时悬浮液中的固相微粒基本上都渗入介质 的孔隙内被截留 深层过滤介质的孔径比悬浮液的固相颗粒的尺寸大得多 悬浮液中固 相浓度低 颗粒难以在介质孔隙的入口处形成架桥 当固相颗粒渗入介质孔隙中时 受 到吸附 沉淀及阻滞作用而被截留 按材质分类 即制造材料可分为天然纤维 合成纤维 金属 玻璃 塑料及陶 瓷等 按结构分类 可分为柔性 刚性及松散性过滤介质 柔性介质可能是金属的 可能是非金属的 甚至还可能是二者的混合材料制成的 刚性介质是由粘性的固相颗粒制成的 松散性介质则是由非粘结的固相颗粒所构成 2 常用过滤介质 常用过滤介质有 滤布 滤布是在工业上品种最多 应用最广泛的过滤介质 其构成材料均为天然纤维或合 成纤维 滤布的过滤性能决定于材质 纤维织法及后处理加工 滤网 滤网也是编织过滤介质 其材质主要是金属 凡是可以拉丝的金属和合金 如不锈 钢 黄铜 镍铜合金 镍 银等都可以作为金属丝网的材质 近来也有采用塑料原丝织 成的滤网 滤网表面光滑 耐磨 耐腐蚀和耐高温 基本上不产生收缩 伸延现象 不 易被颗粒堵塞 易清洗 再生 使用寿命远较纤维滤布为长 只是一次性投资较贵 但 操作费用要比滤布低 滤毡 将合成纤维或羊毛纤维作无规则的密集排列 经过压实耐而制成不同厚度的毡 具 有防腐 防霉 颗粒截留性能好等优点 用途比毛毡广泛 过滤衬垫 过滤衬垫是以石棉和纤维素制成的过滤介质 主要用作精密过滤 处理含固量低且 颗粒细小的悬浮液 还有多孔塑料薄膜 以高分子材质 通过特定的工艺加工而成的薄 1 2 第一章超声波自动反冲洗过滤器的本体结构设计 膜 安装于专门的设备上 这种多孔过滤膜的过滤精度可达0 1 9 m 主要用于医药工业 及生物化学带菌污水处理等精密过滤场合 硬质 刚性 多孔介质 刚性多孔过滤介质包括多孔陶瓷 金属陶瓷 多孔烧结塑料 金属纤维烧结毡 多 层金属烧结网等 它们是通过陶瓷 金属及塑料的细粉在高温下烧结成型 通过对细粉 粒度 烧结温度 压力 时间及粘结剂品种 配方的控制来制得孔隙均匀 渗透性 孔 隙率和形状各异的过滤介质成品 厚度一般在2 0 m m 以上 烧结金属的厚度一般为 1 6 r a m 3 过滤材料的测试指标 过滤材料的测试指标是衡量过滤材料性能的标准 目前 这些测试指标还缺乏系统 的标准规范化 过滤材料的过滤性能指标 物理指标和化学指标相互作用 综合反映了 过滤材料的优劣 做好这些指标的分析对合理选用 开发过滤材料非常重要 过滤材料的过滤性能指标包括 过滤精度 纳污容量 孔径 介质迁移 透气性 压力损失 过滤精度 无论是液体过滤还是气体过滤 过滤精度值都是指某个尺寸以上的颗粒被滤除的效 率 效率9 5 9 9 或小数为几个 9 但没有1 0 0 某个尺寸 是确定精度的 值 精度值和效率是用颗粒计数仪分析计数而得到 在国外许多标准中 气体过滤效率都用 秤重法测得 该法虽然不计颗粒尺寸 但试验用粉末中颗粒分布是有一定比例的 大于 某尺寸的颗粒在总量中都有规定的百分比 从某种意义上讲 重量效率测定法也和颗粒 的个数计数有一定关系 因试验粉末是标准化物质 国外许多滤材测试方法标准与过滤 产品测试方法标准是一致的 纳污容量 纳污容量是指滤材能接受污物的最大限量 用秤重法测定使用的标准粉末重量 液 体过滤和气体过滤的测试方法大体相同 孔径 滤材和过滤产品都有孔径指标 以岬表示 称孔径尺寸 但孔径不代表过滤精度 孔径测试方法在国际上是统一的 介质迁移 滤材在制成滤器成品后 最严重的问题是在使用中介质脱落 介质脱落可造成过滤 精度下降 纳污量减少 脱落介质迁移到滤后物质中会成为有害污物 透气性 当耋至翌查兰三兰2 羔堡篓三 透气性直接影响滤器成品的流量阻力 压力损失 压力损失是指过滤前后的静压差值 即压力降 气体过滤压力降小 液体过滤压力 降大 4 1 过滤元件选择 不锈钢烧结网过滤柱 主要优点 高孔隙率和优良的渗透率 压力损失小 流量大 孔隙度可控制在 6 5 9 0 纳污容量大 周期长 纳污量为烧结金属粉末和陶瓷过滤器的4 至6 倍 耐 温耐腐蚀性能优良 在6 0 0 可长期使用 耐硝酸 碱 有机溶剂 药品的腐蚀 强度 高 不易变形 可折渡 以增加过滤面积 并可焊接加工 能够清洗再生 即使液体强 烈冲刷 强烈震动也不脱落 如图12 为不锈钢烧结网 闰l 2 不锈钢烧结网目1 3 梯形丝缠绕滤芯 p i g 12s t a i n l e s s s l e e ls i n t e r i n g n e tf i g i3l a d d e r w i r e w i n d i n g f i l t e r c o r e 梯形丝过滤柱 梯形丝滤芯采用截面为梯形的优质不锈钢丝缠绕而成 材质为3 0 4 3 1 6 等 梯形 丝承受内外压强高 不易变形 损坏 易清洗 反冲洗效果更好 使用寿命长 过滤精 度为o1 6 9 i n 在具各不锈钢烧结网过滤柱多数优点的基础上 成本比金属烧结网低很 多 反冲效果比金属烧结网更好 所以选择梯形丝滤芯 如图13 所示为梯形丝过滤柱 表 l 梯形丝滤芯型号表 t a b l e lt y p e o f i r a p e z o i d a l w i r e f i l t e r m 型号 l x t 外径m m0 5 0 0 6 00 8 0 o i o o k 度p r n 2 1 5 0 0 过滤精度m m 0 1 6 第一章超声波臼动反冲洗过滤器的本体结构设计 根据经验和本过滤器的结构尺寸选择外径为5 0 m m 长度为4 0 0 r a m 过滤精度为 0 6 r a m 的滤芯 梯形丝截面的尺寸为 上底2 5 m m 下底3 6 r n m 高2 5 m m 滤芯内侧 焊有8 根焊筋 1 2 2 过滤器水力设计 1 设计过滤流速的确定 水流通过滤网 净面积 时的速度称为过滤速度 m s 在过滤面积一定时 过滤速 度愈大 过滤器的过滤能力 流量 也愈大 但会使处理废水中的某些污物容易 挤过 滤网而进入清水侧管道 从而使过滤后的水质达不到使用要求 同时 也会产生较大的 水头损失 并使过滤网两面的压力差增大 进而可能损坏滤网 如果过滤速度过小 为 了达到一定的过滤能力 流量一定 则需要较大的滤网面积 这样会使过滤器的体积变 大 使造价升高 因此 过滤速度大小是设计过滤器的重要的参数之一 1 6 一般自清洗 过滤器的过滤速度都在0 5 m s 3 m s 之间 本文根据过滤器工作压力设计选择过滤速度 v 2 m s 2 有效过滤面积的确定 流量 有效过滤面积和过滤速度的关系 q 3 6 x 1 0 3 a x v 1 1 其中q 是过滤器的设计流量 m 3 伽 a 是过滤器的有效过滤面积 m 3 矿是过滤速 度 m s 本设计中 过滤器的设计流量为2 5 0 m 3 h 过滤速度在上节中已确定为2 m s 则 可以计算出过滤器的有效过滤面积为 彳 望 3 4 7 2 2 m m 2 3 6 1 0 v 3 滤芯数目确定 根据设计所选择的梯形丝滤芯 可以计算出滤芯的净面积系数厂 厂 瓣蒜淼 而0 36 0 0 7 8 9 5 缝隙宽度 梯形截面下底 0 2 3 再根据梯形丝滤芯的尺寸 计算出单个滤芯的过滤面积a 7 a7 r d l 兀x 5 0 4 0 0 6 2 8 0 0 m m 2 则滤芯的数目 7 为 力 生 堕 8 1 2 力 芍 i1 z l a7 f 6 2 8 0 0 0 0 7 8 5 7 因此 本设计所需要的滤芯数目为8 根 人连交通人学t 学硕十学位论文 1 2 3 过滤器主要部件设计 1 电机的选择 在这里选择步进电机 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制 元件 通过步进电机每转过一个角度 并在一个滤芯中停留 然后再转动角度到达另一 个滤芯 这样往复运动 便可达到清洗每一个滤芯的要求 在非超载的情况下 电机的 转速 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数 而不受负载变化的影响 即给电 机加一个脉冲信号 电机则转过一个步距角 这一线性关系的存在 加上步进电机只有 周期性的误差而无累积误差等特点 使得在速度 位置等用步进电机来控制变的非常的 简单 在这里选择电机转速n 3 9 0 r m i n 电机功率为1 2 k w 减速器与电机配套 选择 m f