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金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器詳細(xì)說(shuō)明

金屬絲網(wǎng)過(guò)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(yōu)異的流體滲透性能， 強(qiáng)度高、能較好地承受熱應(yīng)力及沖擊、可進(jìn)行機(jī)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(tǒng)。目前， 以剛性燒結(jié)金屬絲網(wǎng)材料為核心的凈化分離技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)應(yīng)用， 已被列入國(guó)家“九五”重點(diǎn)科技成果推廣項(xiàng)目。分析過(guò)濾器性能的影響因素， 對(duì)于降低過(guò)濾成本、優(yōu)化過(guò)濾器的設(shè)計(jì)、延長(zhǎng)過(guò)濾器的壽命均有指導(dǎo)意義。

    １ 金屬絲網(wǎng)過(guò)濾機(jī)理

     金屬絲網(wǎng)的過(guò)濾過(guò)程主要包括以下 ４ 個(gè)階段［１］：

   （１）過(guò)濾起始階段， 雜質(zhì)顆粒隨流體經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)介質(zhì)時(shí)沉積于潔凈絲網(wǎng)表面， 此時(shí)主要靠攔截和擴(kuò)散機(jī)理。此時(shí)還沒(méi)有形成連續(xù)的顆粒層， 壓降損失較小。

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

    （３）過(guò)濾穩(wěn)定階段， 此階段主要靠濾餅的過(guò)濾篩分作用， 絲網(wǎng)起著形成濾餅和支撐加強(qiáng)作用， 這時(shí)的過(guò)濾機(jī)理主要為篩分。這時(shí)的壓差變化緩慢， 相對(duì)中間階段近似不變。

    （４） 過(guò)濾反吹階段， 隨著濾餅的不斷增厚， 需要進(jìn)行在線清洗， 實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器的循環(huán)再生。此時(shí)除塵效率略有下降， 至此完成一個(gè)過(guò)濾周期。

    金屬絲網(wǎng)過(guò)濾器的性能評(píng)估包括三個(gè)方面， 即過(guò)濾效率、壓降和殘余壓降。過(guò)濾效率為過(guò)濾器出口與過(guò)濾器入口的雜質(zhì)量之比。壓降是由于絲網(wǎng)表面的顆粒沉積產(chǎn)生的， 壓降達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大值時(shí)， 過(guò)濾器需要清洗再生。殘余壓降是由于過(guò)濾和再生循環(huán)之后過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)一些沉積的顆粒無(wú)法移除干凈而產(chǎn)生的。

    過(guò)濾效率高說(shuō)明顆粒被攔截的比例大， 所得流體純度高。但單純追求過(guò)濾效率， 會(huì)對(duì)過(guò)濾器的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。壓降高導(dǎo)致過(guò)濾運(yùn)行成本高。清洗再生效果不理想會(huì)導(dǎo)致殘余壓降升高， 當(dāng)升高至某極限時(shí)過(guò)濾過(guò)程由于壓力損失過(guò)高以及循環(huán)時(shí)間過(guò)短而變得不經(jīng)濟(jì)， 此時(shí)需要更換過(guò)濾介質(zhì)。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(guò)濾效率的影響因素

      金屬絲網(wǎng)的過(guò)濾效率可用下式計(jì)算：

     

      其中， Ｎｄｏｗｎ 為過(guò)濾器出口的雜質(zhì)顆粒數(shù)目； Ｎｕｐ 為過(guò)濾器入口的雜質(zhì)顆粒數(shù)目。

      過(guò)濾效率主要與過(guò)濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)， 即雜質(zhì)粒徑與過(guò)濾介質(zhì)孔徑之比［２］。同時(shí)還包括過(guò)濾介質(zhì)的孔隙率。粒徑與孔徑之比越大， 雜質(zhì)被攔截的幾率也越大，過(guò)濾器出口的雜質(zhì)數(shù)量越低， 過(guò)濾效率越高。很重要的一點(diǎn)是， 單獨(dú)考慮粒徑或孔徑并不能表征過(guò)濾效率。此外， 孔隙率增加時(shí)， 雜質(zhì)透過(guò)絲網(wǎng)的幾率也增加， 過(guò)濾效率相應(yīng)較高。

   此外， 過(guò)濾效率隨著過(guò)濾循環(huán)次數(shù)的增加而升高這是因?yàn)椋?nbsp;過(guò)濾器在清洗再生過(guò)程結(jié)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(guò)濾過(guò)程中， 起到新的過(guò)濾介質(zhì)的作用［３］。

    ３ 壓降的影響因素

    整個(gè)過(guò)濾介質(zhì)的壓降由 ３ 部分組成： 流體在純流體區(qū)的壓降、在絲網(wǎng)介質(zhì)中的壓降以及在濾餅中的壓降。流體區(qū)的壓降變化很小， 相對(duì)與其他兩項(xiàng)壓降損失相比所占比例小； 絲網(wǎng)介質(zhì)中的壓降符合達(dá)西定律：

           

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

     ３．１ 過(guò)濾速度

    隨著過(guò)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(guò)濾初始濾餅形成階段， 會(huì)有更多的顆粒堵塞濾芯的孔隙， 直到濾餅形成時(shí)壓降已經(jīng)很高了。所以提高過(guò)濾速度要以壓降的急劇升高為代價(jià)。

    文獻(xiàn)［４］指出： 常溫下， 濾速對(duì)燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過(guò)濾效率的影響不大， 隨著濾速的增加， 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過(guò)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(huì)帶來(lái)過(guò)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?yàn)闈舛鹊奶岣撸?nbsp;在相同的過(guò)濾速度下， 顆粒堵塞孔隙的幾率越大， 造成過(guò)濾壓差增加變快。

    ３．３ 流體溫度

   文獻(xiàn)［５］指出， 對(duì)于金屬過(guò)濾器， 壓降與過(guò)濾流體的溫度有關(guān)。溫度高時(shí)， 由于熱脹冷縮， 導(dǎo)致孔徑增大， 壓降降低。

    ３．４ 顆粒粒徑

    對(duì)于粒徑越小的顆粒， 壓降增長(zhǎng)得越快。因?yàn)楣腆w顆粒粒徑越小， 越容易進(jìn)入過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部， 堵塞濾芯內(nèi)的孔隙， 過(guò)濾通道減小， 導(dǎo)致過(guò)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(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部形成絕對(duì)的堵塞。壓差增加得比較緩慢， 有利于過(guò)濾過(guò)程的進(jìn)行。

    ３．５ 濾餅的可壓縮性

    對(duì)于不可壓縮濾餅， 壓降在過(guò)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?yàn)榻饘俳z網(wǎng)在過(guò)濾初始的濾餅形成階段， 由于顆粒直接堵塞濾芯內(nèi)部的孔隙， 而導(dǎo)致壓差增長(zhǎng)很快。在濾餅形成后， 壓差的增長(zhǎng)主要是由于濾餅的不斷增厚而導(dǎo)致的， 所以增長(zhǎng)速度變緩。

    對(duì)于可壓縮濾餅， 壓降則呈指數(shù)增加， 并很快達(dá)到最大允許壓降， 而且循環(huán)周期非常短， 過(guò)濾器壽命也短。

    ４ 殘余壓降的影響因素

     殘余壓降是由于過(guò)濾器再生之后， 殘留在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部深處無(wú)法徹底清除的雜質(zhì)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(guò)濾速度等。

     ４．１ 濾餅的可壓縮性

     可壓縮濾餅的過(guò)濾行為比不可壓縮濾餅要復(fù)雜得多。對(duì)于不可壓縮濾餅， 殘余壓降一般保持在一個(gè)較低值， 且在循環(huán)過(guò)程中基本恒定。而對(duì)于可壓縮濾餅， 由于粒子間的作用力相對(duì)較小， 幾個(gè)過(guò)濾再生循環(huán)之后，殘余壓降升高非常快。

     文獻(xiàn)［６］中利用圖 ２ 分析了殘余壓降的變化機(jī)理。其中， 過(guò)濾介質(zhì)被分為兩層， Ｌａｙｅｒ Ｉ 和 Ｌａｙｅｒ ＩＩ。Ｌａｙｅｒ Ｉ代表過(guò)濾介質(zhì)的上部區(qū)域， 該區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)顆粒能被完全清除。Ｌａｙｅｒ ＩＩ 代表過(guò)濾介質(zhì)的下部區(qū)域， 該區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)顆粒不能被清除， 即 Ｌａｙｅｒ ＩＩ 層內(nèi)的顆粒將增加過(guò)濾器的殘余壓降。

                 

     過(guò)濾初始階段，ＬａｙｅｒＩ內(nèi)為空，粒子可滲透Ｌａｙｅｒ而進(jìn)入ＬａｙｅｒＩＩ，并被攔截在ＬａｙｅｒＩＩ的上半部分，如圖 ２ 所示的灰色區(qū)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(nèi)被捕捉， 并被清除干凈。若濾餅為可壓縮性的， 則越來(lái)越多的粒子將進(jìn)入更深的區(qū)域 Ｌａｙｅｒ ＩＩ， 此時(shí)殘余壓降將增加得非常快。

    進(jìn)一步分析指出， 濾餅的壓縮性取決于壓縮應(yīng)力△Ｐｋ 與可承受應(yīng)力 ｆ 之比， 并可通過(guò)其比值預(yù)測(cè)殘余壓降的變化。

    ４．２ 最大允許壓降△Ｐｍａｘ

     過(guò)濾過(guò)程結(jié)束之后， 過(guò)濾器需要再生時(shí)的壓降即為最大允許壓降△Ｐｍａｘ。最大允許壓降較高時(shí)， 過(guò)濾時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)， 形成的濾餅更厚，&nbs