壓載水過濾器濾網(wǎng)壓降計算和試驗研究

曲瑞波，楊志鋒，王要偉

壓載水過濾器濾網(wǎng)壓降計算和試驗研究

曲瑞波，楊志鋒，王要偉

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

壓載水過濾器濾網(wǎng)自身的壓降直接反映濾網(wǎng)的過流能力。對于不同類型濾網(wǎng)運用不同的經(jīng)驗公式對濾網(wǎng)的壓降進行了理論計算，然后又通過TSS懸浮物含量與反沖洗時間間隔的試驗方法對2種主濾網(wǎng)的過流能力進行試驗對比，結(jié)果顯示理論計算結(jié)果與實際試驗結(jié)果基本一致，對過濾器主濾網(wǎng)選擇有一定指導意義。

濾網(wǎng)壓降；理論計算；試驗對比

為符合壓載水公約的規(guī)定，壓載水系統(tǒng)廠家采用的一般方法就是先用過濾器對50 μm以上的微生物進行有效過濾[1]。過濾器所用濾芯一般是多層濾網(wǎng)組合，包括骨架層、保護層、主濾網(wǎng)。濾芯壓降由濾網(wǎng)壓降和濾餅壓降組成，文獻[2]研究表明濾餅壓降約為濾芯總壓降10%，文獻[3]研究表明濾網(wǎng)孔隙率＜0.55時，濾網(wǎng)阻力其主要作用。所以本文研究中不計算濾餅壓降。由于其他層網(wǎng)孔尺寸較大，濾芯內(nèi)外壓降由主濾網(wǎng)的濾網(wǎng)壓降體現(xiàn)。本文比較各型濾芯壓降差異時，僅計算主濾網(wǎng)的濾網(wǎng)壓降。

現(xiàn)階段工業(yè)水處理過濾器濾網(wǎng)主要采用方孔網(wǎng)和密紋網(wǎng)兩種，不同濾網(wǎng)的過流效率有較大差異?？紤]到壓載水處理系統(tǒng)化學處理單元性能參數(shù)TRO濃度，本文針對方孔網(wǎng)、密紋網(wǎng)分別選擇一種進行研究。首先采用經(jīng)驗公式進行理論計算，初步判定兩種濾網(wǎng)的過流能力，然后通過TSS懸浮物含量與反沖洗時間間隔的試驗方法對兩種濾網(wǎng)的過流能力進行驗證分析，為過濾器主濾網(wǎng)的選擇提供一種方法。

1 濾網(wǎng)壓降計算

本文以處理量100m3·h-1的過濾器為例進行研究，兩種濾網(wǎng)規(guī)格參數(shù)如下表1所示，濾網(wǎng)內(nèi)徑為239mm，濾網(wǎng)長度為546mm。

1.1 濾網(wǎng)1方孔網(wǎng)壓降計算公式

通過方孔篩網(wǎng)的流動可看作是流過很多并聯(lián)的小孔或噴嘴。這樣，濾網(wǎng)的壓力降或液頭損失可以由孔口型的公式計算。根據(jù)《Perry' s化學工程手冊》（《 Perry's Chemical Engineer's Handbook》）[4]，其中第五章提出的關于篩網(wǎng)的壓降計算公式:

?=(/2)((1-2)/2)(2/(2g)) （1）

式中：?—壓降，m；

—串聯(lián)的濾網(wǎng)數(shù)，無因次，本文中主濾網(wǎng)是單層濾網(wǎng)，所以=1；

—濾網(wǎng)排出系數(shù)，無因次；

—濾網(wǎng)自由投影面積分率，無因次；

—濾網(wǎng)前的表面速度；

g—9.8，有因次常數(shù)，m·s-2。

濾網(wǎng)排出系數(shù)可由圖1查得，是濾網(wǎng)雷諾數(shù)的函數(shù)N=()/，其中=網(wǎng)孔寬度，=流體密度，=流體黏度。

圖1 普通方孔網(wǎng)排出系數(shù)[4]

網(wǎng)孔寬度D=0.05 mm，參數(shù)g=9.8 m·s-2，參數(shù)=0.25；

20 ℃時，海水運動黏度=1.056 5×10-6m2·s-1,密度為=1 045 kg·m-3。

濾網(wǎng)前的表面速度:

=/。

=100/(3 600×239×546×0.25×π×10-6)

=0.27 m·s-1。

雷諾數(shù):

N= (·V)/

= (0.05×10-3×0.27)/(0.25×1.056 5×10-6)

=51.11。

從圖1查得=0.64。

壓降:

Δ1=(/2)( (1-2)/2)(2/(2g))×9.8×1 045

=(1/0.642) ×((1-0.252)/

0.252) ×(0.272/(2×9.8))×9.8×1045

=1 395 Pa。

1.2 濾網(wǎng)2密紋網(wǎng)的壓力降計算

密紋網(wǎng)的編織方式不同于方孔網(wǎng)，所以密紋網(wǎng)的壓降計算公式選用也和方孔網(wǎng)不同。密紋網(wǎng)的濾芯壓降計算公式參考HB 6779—1993《航空液壓過濾器設計指南》。壓降計算公式為：

?=（2/2）。

其中，濾網(wǎng)有效截面率= 0.135，濾網(wǎng)平均絲徑為=0.18 mm。

濾網(wǎng)前的表面速度：

=/

=100/(3 600×239×546×0.135×π×10-6)

=0.5 m·s-1。

雷諾數(shù)：

=10/

=(10×0.5×0.18×10-3)/(1.056 5×10-6)

= 851.86＞400。

所以局部壓降系數(shù)=1.3（1-）+（1-）2=1.873。壓降：

?2=（2/2）

=1.873×（0.52/2）×1 045=244.5 Pa。

由理論計算結(jié)果可知，?1＞?2，則濾網(wǎng)1方孔網(wǎng)壓降＞濾網(wǎng)2密紋網(wǎng)壓降，那么相較于濾網(wǎng)1，濾網(wǎng)2更適合做主濾網(wǎng)。

2 TSS懸浮物含量與反沖洗時間間隔的試驗

2.1 試驗內(nèi)容

評價濾芯過濾性能的關鍵指標是過流效率，過流效率用保證過濾精度且在某一水質(zhì)的額定流量下，用“濾網(wǎng)兩側(cè)壓差從初始值達到某一設定值時所用的時間”來表征。實驗平臺流程圖如圖2所示，并依據(jù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對過濾器運行的關鍵參數(shù)進行采集，確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性。

圖2 試驗平臺工藝流程圖

TSS懸浮物實驗指的是按照IMO和USCG要求進行配水，采用亞利桑那粉末土和自來水配制成試驗用的原水，并在實驗過程中不停攪拌，以使粉末均勻分布。

2.2 試驗方法

本次試驗中制造兩種孔徑濾芯，其主濾網(wǎng)參數(shù)和表1一致。試驗方法為從TSS=50 μg·g-1開始，遞加步進為25，在每個TSS下記錄運行數(shù)據(jù)，在某一水質(zhì)條件下，額定流量運行時的濾網(wǎng)從初始壓差值達到設定壓差值時所消耗的時間。針對兩組濾芯試驗，將每次的運行條件調(diào)節(jié)為相同后，來比較它們在不同TSS濃度值時對應的反沖洗平均間隔時間。試驗輸出結(jié)果為采集在各懸浮物TSS濃度下的反沖洗平均間隔時間。

2.3 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 懸浮物TSS濃度下的反沖洗平均間隔時間

將表格內(nèi)數(shù)據(jù)進行連點成線處理，如圖3所示。圖中呈現(xiàn)出濾網(wǎng)2過流能力優(yōu)于濾網(wǎng)1，所以濾網(wǎng)2較適合做主濾網(wǎng)。

3 結(jié)論

主濾網(wǎng)的選擇是要與壓載水管理系統(tǒng)配套確定的，與網(wǎng)孔大小關系并不絕對。濾網(wǎng)選擇時既要參考已實船驗證成功的網(wǎng)型，也要注意盡量選擇孔徑相對較小的濾網(wǎng)以攔截更多的顆粒物及活體生物。本文的研究結(jié)果表明：

圖3 濾網(wǎng)過流能力曲線

1）兩種濾網(wǎng)壓降理論計算結(jié)果顯示濾網(wǎng)1方孔網(wǎng)壓降＞濾網(wǎng)2密紋網(wǎng)壓降。試驗數(shù)據(jù)曲線結(jié)果顯示濾網(wǎng)1方孔網(wǎng)過流能力較差。理論計算和試驗結(jié)果都表明濾網(wǎng)2密紋網(wǎng)更適合做主濾網(wǎng)。

2）本文結(jié)果對于濾網(wǎng)選擇有一定指導意義，但理論計算結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)還有一些差異，計算公式仍需進一步優(yōu)化。

3）基于本文研究的后續(xù)工作，隨著化學處理單元參數(shù)TRO濃度進一步降低，過濾器主濾網(wǎng)仍選用密紋網(wǎng)，但孔徑選擇上仍需深入研究和試驗。

［1］]魏勇，汪亭玉.關于船舶壓載水管理現(xiàn)狀的調(diào)查與分析[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2014, 80：78-83.

［2］宋全利，楊洪飛，劉貞姬，等. 網(wǎng)式過濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析與壓降計算[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2017, 6:10.

［3］孫東坡. 流道濾網(wǎng)微觀阻力機理試驗研究及應用[J]. 水動力學研究與進展，2010,11: 756.

［4］PerryPH. PERRY，化學工程手冊[M] .北京:化學工業(yè)出版社, 1992.

Pressure Drop Calculation and Experimental Research of Ballast Water Filter Screen

（China Shipbuilding Industry Corporation 725th Research Institute, Luoyang Henan 471000, China）

The pressure drop of the ballast water filter screen itself directly reflects the flow capacity of the filter screen. In this paper, different empirical formulas were used to calculate the pressure drop of different type filter screen, and then the flow capacity of the two main filter screens was tested and compared by the test method of TSS suspended matter content and backwash time interval. In contrast, the result of the theoretical calculation was basically consistent with the actual test result. The paper has certain guiding significance for the selection of the main filter screen of the filter.

Filter pressure drop; Theoretical calculation; Experimental comparison

2020-07-28

曲瑞波（1985-），男，河南省洛陽市人，工程師，碩士研究生，2011年畢業(yè)于華東理工大學化工過程機械專業(yè)，研究方向：船舶用壓載水過濾器。

TQ028.5+3

A

1004-0935（2020）09-1069-03