金屬絲網(wǎng)過濾器詳細(xì)說明
金屬絲網(wǎng)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(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)備的開發(fā)應(yīng)用， 已被列入國家“九五”重點(diǎn)科技成果推廣項(xiàng)目。分析過濾器性能的影響因素， 對(duì)于降低過濾成本、優(yōu)化過濾器的設(shè)計(jì)、延長過濾器的壽命均有指導(dǎo)意義。
１ 金屬絲網(wǎng)過濾機(jī)理
金屬絲網(wǎng)的過濾過程主要包括以下 ４ 個(gè)階段［１］：
（１）過濾起始階段， 雜質(zhì)顆粒隨流體經(jīng)過絲網(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)還沒有形成連續(xù)的顆粒層， 壓降損失較小。
（２） 過濾中間階段， 逐漸形成連續(xù)的過濾層， 即濾餅。此時(shí)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(wěn)定階段， 此階段主要靠濾餅的過濾篩分作用， 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)過濾周期。
金屬絲網(wǎng)過濾器的性能評(píng)估包括三個(gè)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(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)， 過濾器需要清洗再生。殘余壓降是由于過濾和再生循環(huán)之后過濾介質(zhì)內(nèi)一些沉積的顆粒無法移除干凈而產(chǎn)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(huì)對(duì)過濾器的壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。壓降高導(dǎo)致過濾運(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)過濾過程由于壓力損失過高以及循環(huán)時(shí)間過短而變得不經(jīng)濟(jì)， 此時(shí)需要更換過濾介質(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 過濾效率的影響因素
金屬絲網(wǎng)的過濾效率可用下式計(jì)算：
其中， Ｎｄｏｗｎ 為過濾器出口的雜質(zhì)顆粒數(shù)目； Ｎｕｐ 為過濾器入口的雜質(zhì)顆粒數(shù)目。
過濾效率主要與過濾介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)， 即雜質(zhì)粒徑與過濾介質(zhì)孔徑之比［２］。同時(shí)還包括過濾介質(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，過濾器出口的雜質(zhì)數(shù)量越低， 過濾效率越高。很重要的一點(diǎn)是， 單獨(dú)考慮粒徑或孔徑并不能表征過濾效率。此外， 孔隙率增加時(shí)， 雜質(zhì)透過絲網(wǎng)的幾率也增加， 過濾效率相應(yīng)較高。
此外， 過濾效率隨著過濾循環(huán)次數(shù)的增加而升高這是因?yàn)椋?nbsp;過濾器在清洗再生過程結(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濾過程中， 起到新的過濾介質(zhì)的作用［３］。
３ 壓降的影響因素
整個(gè)過濾介質(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�。� 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為過濾介質(zhì)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(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(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)過濾效率的影響不大， 隨著濾速的增加， 燒結(jié)金屬絲網(wǎng)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(huì)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?yàn)闈舛鹊奶岣撸?nbsp;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(xiàn)［５］指出， 對(duì)于金屬過濾器， 壓降與過濾流體的溫度有關(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， 壓降增長得越快。因?yàn)楣腆w顆粒粒徑越小， 越容易進(jìn)入過濾介質(zhì)內(nèi)部， 堵塞濾芯內(nèi)的孔隙， 過濾通道減小， 導(dǎo)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(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， 有利于過濾過程的進(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(dǎo)致的， 所以增長速度變緩。
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(zhì)內(nèi)部深處無法徹底清除的雜質(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(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)過濾再生循環(huán)之后，殘余壓降升高非�？臁�
文獻(xiàn)［６］中利用圖 ２ 分析了殘余壓降的變化機(jī)理。其中， 過濾介質(zhì)被分為兩層， Ｌａｙｅｒ Ｉ 和 Ｌａｙｅｒ ＩＩ。Ｌａｙｅｒ Ｉ代表過濾介質(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)的顆粒將增加過濾器的殘余壓降。
過濾初始階段，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�？�。
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， 并可通過其比值預(yù)測(cè)殘余壓降的變化。
４．２ 最大允許壓降△Ｐｍａｘ
過濾過程結(jié)束之后， 過濾器需要再生時(shí)的壓降即為最大允許壓降△Ｐｍａｘ。最大允許壓降較高時(shí)， 過濾時(shí)間相對(duì)較長， 形成的濾餅更厚。
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