自清洗叠片过滤器的设计与研究毕业论文.doc

自清洗叠片过滤器的设计与研究

自清洗叠片过滤器的设计与研究
摘要
自清洗叠片过滤器利用压差过滤原理对物料进行固液分离，具有 结构简单、连续操作、精确过滤、高效反洗、运行可靠、占地面积小、 安装简便、维护成本低、使用寿命长等优点，能广泛的运用于各个行 业的固液分离和脱水，特别是冶金、化工、石油、造纸、城市给水、 海水淡化等行业。
本论文设计的自清洗叠片过滤器机型是国内首创，与现有的自清 洗叠片过滤器相比，在结构上作了若千改进设计，包括过滤单元结构 和间隔装置的设计。对过滤单元的改进设计之处包括：叠片、锥形阀 座、锥形阀、活塞组件、支撑杆件和外壳。另外，为了克服自重的影 响，对过滤单元设置了多种间隔方式，并且对各种间隔方式进行了对 比。
本论文采用混合多相流模型、标准的ZC-e湍流模型和SIMPLE 算法，应用计算流体力学软件Fluent对过滤头相邻叠片间的流场进行 分析。通过数值模拟，可以得出A型叠片最合适的开口角度、深层 过滤时同一过滤精度下不同类型叠片间的过滤液速度矢量，压力分布 情况，以及同种类型不同的过滤精度叠片间过滤液的速度矢量和压力 分布情况。由模拟结果可知过滤头的结构改进满足设计要求，本方案 有利于提高过滤效率和降低过滤过程中的压力损失，从而降低了过滤 器的成本，有一定的工业实用价值。在没有成熟设计理论的背景下，
ABSTRACT

关键词自清洗叠片过滤器，叠片，过滤芯，计算流体力学，数值模 拟，过滤效率
DESIGN AND RESEARCH OF SELF-CLEANING
DISCS-TYPE FILTER
ABSTRACT
Self-cleaning discs-type filter uses pressure difference filtrated principle to separate the solid and liquid materials, its advantages include: simple structure、continuous operation、accurate filter、effective return rinsing、stably operation、small floor area、easy installation、low maintance cost、long service life and so on. It can be widely used in solid-liquid separation and dehydration of every industry, especially in metallurgy、chemical industry、papermaking industry、city water supply industry、seawater desalination industry and so on.
The self-cleaning discs-type filter designed by this thesis is firstly witnessed at home. Compared with existing self-cleaning discs-type filter, it has structure improvement; it includes the design of filter unit structure and interval device. The improved design of filter unit includes: disc> conical valve seat、conical valve、piston assembly、filter core、bearing element and shell. Furthermore, it sets many kinds of interval modes in order to overcome the deadweight and to contrast every kinds of interval mode.
The thesis is based on a multi-phase flow modaK the standard K-s turbulence modle and SIMPLE algorithm > the computational fluid
北京化工大学硕士学位论文

dynamics software has been used to analyze the flow field of the discs adjacent to the filter head. By mumerical simulation, it can be darawn： the most suitable placket angle of A type disc、the velocity vector and pressure distribution situation between adjacent discs of different types in the same filtering precision and the velocity vector and pressure distribution situation between adjacent discs of different filtering precision of the same type disc. The simulation results show that all the design requirements are satisfied, and the program helps to improve filtration efficiency and reduce the pressure loss during the filtration process. This thereby reduces the cost of the filter and brings certain industry practical valve. The simulations described provide a basis of a design in the absence of a mature theory.
KEY WORDS: self-cleaning, disc, filter core, CFD, numerical simulation, iltration efficiency
#

符号说明
流体通过过滤介质的压降，AT*m_2
流体通过床层的平均线速度
过滤介质的渗透系数
流体粘度，尺
过滤介质的空袭度
过滤介质比表面积
柯兹尼常数
颗粒物料的比表面积
流体密度，％ •m_3
颗粒直径
过滤介质厚度
雷诺数
质量力
由流体所引起的应力张力 湍流脉动所引起的应力张量 湍动能
揣动能耗散率 雷诺应力 模型常数 粘性常数
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第一章绪论

第一章绪论
I. 1本课研究的背景
水资源是人类所不可替代的自然资源，水污染已是当今世界各国共同关心的 环境问题之一。随着水污染的日益严重，我国污水处理行业得到了长足的发展。 直至2006年，我国的污水处理率已经达到了 56%。2001年至2007年，我国的 城市污水处理量已经由120亿吨增加到了 227亿吨，每年复合增长率约为
II. 21%,同时城市的污水处理率也已经由36.43%提高到了 62.8%。尽管如此， 中国的污水处理行业和发达国家相比较，仍然存在着较大的差距。污水处理设施 不完备和污水处理率偏低都是我国目前所面临的问题。就污水处理率来说，欧美 等发达国家都是在80%以上的，美国、荷兰等国家的污水处理率甚至已经超过了 卯％。根据国家建设部估计，“十一五”期间，在污水处理方面我国的投资将会 达到3000亿元[1]。根据国家建设部预测，到2010年我国的城市污水排放总量将 为1050亿m3,我们预计需要新建污水处理厂1000余座[2]。国务院在2006年所 制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中指出，现在我国经济增长已经 过度依赖能源资源消耗，从而导致环境污染严重，国家决定在2020年之前将发 展能源、环境保护技术和水资源放在科技发展的战略重点首位[3]。
我国的水资源分布十分不均衡，日益匮乏，且水污染比较严重，废水的综合 治理已经成为当务之急。针对我国水资源的短缺、工业高速发展、环境恶化的现 状，开发节能、低耗、环保以及资源的综合有效利用水处理设备已经越来越迫切。 循环用水，用处理以后的污水替代代替新水，减少新水的使用量，通过过滤技术 减少污物处理和排放，从而减少对人类生存环境的污染，污水的过滤与分离技术 可以很好的解决这些问题[4]。
虽然过滤设备在国内已经有了一定程度的发展，但是由于在我国过滤设备起 步比较晚，目前过滤设备的理论研究和制造与国外还有着一定的差距，这种差距 大于通用设备与国外的差距，所以想要提高我国的水工业产业化水平，当务之急 就是发展水工业设备，尤其是高水平的水工业专用机械设备[5]。
在这样的情况下，自清洗过滤器应运而生，它与传统的过滤器相比有以下的 特点：自动化程度比较高；压力损失很小；不必进行人工清除滤渣。大多数的自 清洗过滤器可以在清洗时不间断供水。自清洗过滤器应用前景十分广阔，能适用 于工业、农业、市政、海水淡化过程等的分离过滤[6]。
本课题研究目的就是希望通过追踪国际最新自清洗过滤器的开发以及理论研 究技术，可以为国内自清洗过滤器的设计开发以及实际应用提供一些有价值的参 考。本课题的研究具有一定经济价值和社会价值。
1.2固液过滤技术与设备简介
1.2.1固液过滤技术
固液过滤是从流体中分离出固体颗粒的过程。基本原理为：在压强差的作用 下，迫使固、流两相混合物通过多孔介质，使固体颗粒截留在介质上，从而可以 达到固液分离的目的[7]。
在工业上过滤涉及的范围很广。从简单的粗滤到高精到复杂的过滤，流体可 以是气体，也可以是液体；固体颗粒可以是粗的、坚硬的、细的、球形的、可塑 的、长条的、分散的和聚集的；所处理的悬浮物可能是稀释的、浓稠的、高温的、 低温的、真空下的和加压的[8]。
过滤最终的目的有的是为了获得固体产品，有的是为了获得液体产品，有的 二者兼要，而有的则是为了要将过滤分离后所得到的液体和固体分别作进一步的 处理。就一般而言，要求得到滤饼为产品的过滤操作要比要求得到滤液为产品的 过滤操作更难实现。一般来说，过滤要比离心分离和喷雾干燥经济的多，但是所 得到的固体产品的湿含量比较高；沉降和水利旋分比过滤要比较简单易行，但是 它的分离效率又没有过滤的好。对于细粒悬浮液或者是固体含量比较少的悬浮 液，不是很适合采用离心分离，最好还是采用加压过滤。因此，在固液分离技术 中，总是会首先考虑过滤操作[9]。
过滤的过程一般可分为以下几种类型：
1、 介质过滤。在介质过滤时，由于颗粒的直径微粒大于过滤介质的微孔， 它们就被直接截留在微孔外面。此时，过滤器起的是筛网的作用。通常，在过滤 比较粗大的颗粒时，人们才会考虑这种稀有装置[91。
2、 深层过滤。在介质表面不形成滤饼的时候，固相粒子被留于介质内部的 孔隙内部。深层过滤通常应用于料浆浓度极稀、固体粒子的粒径特别小的场合[1<)]。
3、 滤饼过滤。滤饼过滤时，固体物质会聚集在介质的表面上，经过一段很 短的初始期后就通过沉积的固体层进行过滤。这个过程一直会持续到滤饼两侧的 压降超过技术所允许的最大值，或填满了有效的间隙[11]。
实际的过滤过程是很复杂的——若干的或全部的过滤机理同时或相继发生。 例如，在介质过滤时，介质的表面出现了初始沉积层形成滤饼，接着开始滤饼过 滤；在深层过滤时，介质中的微孔在不断的缩小，一直到出现介质过滤才接着滤 饼过滤[12]»
1.2.2过滤设备概述
过滤的目的是去除污水中的悬浮物、胶体杂质等，从而可以降低水的浊度 和色度。工业上一般把原水的水质分为四类：很差水质、较差水质、一般水质和 优良水质，针对不同的水质，应该要要采用不同的过滤手段和设备[13]。
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1958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主[9][14]。
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[15][16][17]。
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[18][19][2<)][21]。
1.3自清洗过滤器的发展及应用
1.3.1自清洗过滤器概述
在通用的过滤机械中，随着过滤过程的进行，液体内的颗粒杂质会截留在过 滤介质的表面，从而会引起压力降增加，过滤阻力会进一步增大，从而会使过滤 效率下降。通用的过滤机在清洗时需中断过滤操作，从而可以更换过滤元件或取 出过滤元件清洗，这样会既费时又费事，影响处理效率，而且不能达到自动化连 续作业的要求。自动清洗过滤机很好地解决了这个问题，过滤机具有连续过滤、 自动反冲洗排污、结构紧凑、运转平稳可靠、处理量大、运行费用低、使用寿命 长等优点[22]。过滤机的清洗、排污过程是在设备运行过程中自动进行的，在反冲 洗排污的同时，仍能进行过滤操作，不影响正常供液[23]。
1.3.2国内外自清洗过滤器现状
自清洗过滤器在当今还是一种比较先进的设备，主要由外国厂家生产。现 在国内的自清洗过滤器主要有徐州生产的TSL型自清洗过滤器、杭州华丰纸业有 限公司生产的自动循环反冲洗式过滤器和合肥通用机械研究所开发的全自动反 冲洗过滤器[24][25][26]。国外以色列有许多家自清洗过滤器生产厂，规模最大的公 司有两家：以色列Amiad公司和以色列Arkal公司。以色列的自清洗过滤器在世界 80多个国家和地区得到了广泛的应用。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。
美国依靠其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Orival公司、美国AUTOMATIC FILTERS,INC美国schroeder工业公司。
德国SAB,西班牙AZUD，日本大同工机也开发了许多的比较先进的自清洗
过滤器。
1.3.3几种自清洗过滤器简介
自清洗过滤器是指利用水压自我清洗，并且同时还可以连续过滤的过滤器。 自清洗过滤器有很多种，根据各种分类可以分为：内滤式、外滤式；立式、卧式； 多联式、多单元式。
下面介绍几种国外比较先进的自清洗过滤器：
(1) 吸污式自清洗过滤器
吸污式自清洗过滤器，是指通过滤网内部的吸嘴吸除滤网表层的污物的过滤 器。
典型的吸污式过滤器形式，如图1-1为美国TEKLEEN过滤器，图1-2为以 色列AMIAD过滤器。
过滤过程：污水从过滤器进口进入后从里向外通过滤网，比网孔开孔大的杂 质被拦截下来并累积在滤网的内表面从而形成滤饼，这些滤饼同时能够捕捉到水 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，用PLC自动控制自清洗循 环的过程。当压差值到达设定值的时候，排污阀会打开，滤网内部与外界的压差 会使吸管产生强劲吸力将杂质排出，滤网外侧的压力会使反冲洗一直进行下去
P7]
〇

图1-1美151 TEKLEEN过滤器 Fig.1-1 TEKLEEN filter .USA

这两种过滤器的区别在于：
笑国TEKLEEN过滤器的吸污器主要是依靠其本身的液力驱动，反冲洗水在 经过液压马达时会带动污物收集器转动，吸嘴形状为长口矩形，不需要上下运动, 吸污器只需要周向旋转。
以色列AMIAD过滤器的吸污器是由一个连有丝杆装贾的双向电机所驱动， 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，自淸洗过程耗水较少。
最新的专利成果，功能更强化^同时结构更简单*例如：
专利US5632903A1中介绍的即是一种电机驱动、多联带反冲洗过滤器。滤 网外侧会接入专门的管道通入高压水，加强反洗效果[28匕
专利US6267879B1与US2006043014A1中介绍的即是一种滤网外侧加有反 洗喷嘴与滤网内侧吸嘴同步嫘旋运动的自淸洗过滤器，这种过滤器的喷嘴增强了 去污的能力[291[3ei。
专利US2004238435A1中介绍的即是一种仅依靠自身液力驱动吸污器作螺 旋运动的过滤器[311,
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第一章绪论

图1-2以色列AM1AD过滤器 Fig.1-2 AM1AD filter. Israel

(2) 加压转鼓过滤机
在19世纪50年代初期，Fest博士向专利局注册登记了一种连续式运转的转 鼓过滤机，该机器在加压或负压状态下操作运行。以此为基础，形成了 BHS加 压转鼓过滤机的专利技术。随后，约900台机器被广泛应用于世界各地，其中有 不少至今己运行了几十年其设备外形图如图丨-3所示。
BHS加压转鼓过滤机该滤器的新颖之处在于过滤转鼓的单元转鼓在其面 上被分隔成一系列同等大小、类似于漏斗的单元室。其所相邻的单元室用条形挡 板和接合环分隔。在每个单元室底部与转鼓横切面平行的位置都安装有一块过滤 插件*过滤插件上方覆盖一层过滤网，下方与滤液排放系统紧密连接。单元室内 滤网的上层空间是滤饼的堆积场所，它的高度可以通过调整过滤插件的位贾來调 节。转鼓连续地旋转于一个圆柱体形状的机架内，柱体是由内外两层构成的环形 夹层结构，是由密封套或类似材料在两端密封联结而成的。在柱体壁上安装有一 系列平行于转轴的分离隔板，将柱体夹层空间分隔成一个个密闭的独立腔室，悬 浮液、洗涤液和干燥气体分别通过不同的独立腔室进入单元室内操作|321。
9

图1-3 BHS加压转鼓过滤机
Fig. 1-3 BHS rotary pressure filter
BHS加压转鼓过滤机的工作流程图如所示。
洗涤液

图1*4 BHS加压转鼓过滤工作流程图 Fig. 1-4 Work flow chart of BHS rotary pressure filter

第一步：通过物料泵直接输入悬浮液，排出滤液。
第二步：输入来自下一级洗涤工序的洗涤滤液，排出高浓度的洗涤滤液。
第三步：输入纯净的洗涤液，排出轻度污染的洗涤滤液，供给上一级洗涤用。 第四步：利用压缩气体进行干燥。吹出的洗涤液成分经冷凝后输入到第一级洗涤 工序使用，排出的气体进入洗气装置处理。
第五步：过滤后的滤饼用刮刀卸料，洗涤液反冲洗滤布[33]。
(3) 叠片过滤器
二战中，为满足空中堡垒B-17轰炸机液压油过滤的需要，英国人为波音公 司发明了叠片过滤器，并取得了专利。最初的叠片是由不锈钢和铜制成，叠片的 两面机械加工出细小的沟槽，一组叠片叠加起来后形成中空的圆柱体便组成滤 芯，上个世纪60年代，一个以色列公司得到了这项专利，并且开始生产叠片过 滤器用以保护灌溉系统。为了降低造价并便于现场维护，他们开始使用塑料叠片。 这样一来，一个战时航空用过滤器便被转变为灌溉用过滤器应用于世界各地[34]。
这种叠片过滤器具有结构简单、连续操作、精确过滤、高效反洗、运行可靠、 占地面积小、安装简便、维护成本低、使用寿命长等$点，但是它具有叠片开孔 方式单一、受自重影响比较大等缺点。本论文主要就是设计一种可以克服传统叠 片过滤器缺点的一种新型的自清洗叠片过滤器[34]。
随着工业的发展，全世界的工业界就如何节省能源和有效利用资源、怎样去 加强环境保护的认识越来越深刻，污水处理工业的规模也将会越来越大，更多更 新的处理技术和方法一定会被开发和研制出来或者在不断的改造改进中。从总体 情况来看，过滤与分离机械正朝着如下的几个趋势发展：1.机械化、自动化、 智能化；2.增加过滤分离的推动力；3.节能型复合型；4.大型化，高参数， 单机能力增强；5.采用新型过滤介质[34]。
1.4本课题的主要内容
本课题对自清洗过滤器的发展历程以及现状做了比较全面的调研，分析了已 经出现的几种自清洗过滤器的设计特点，并且提出了一种可以克服传统叠片过滤 器开孔方式比较单一、受自重影响比较大等缺点的自清洗叠片过滤器的设计方 案。本课题所开发的自清洗叠片过滤器继承了以往叠片过滤器设计中的一些优 点，也对以往叠片过滤器设计中的一些不足之处做了一定程度的技术改进。
本课题不仅对新型自清洗叠片过滤器进行了设计，还对过滤器过滤头的结构 进行了详细的设计和结构改进，同时利用计算流体力学软件FLUENT对过滤头 相邻叠片间的流场进行了分析。在现在还没有成熟的自清洗叠片过滤器的设计理
论的背景下，这些研究工作为课题中所进行的结构设计提供了强有力的依据。 本论文的具体内容包括如下几个方面：
1. 新型自清洗过滤器的结构设计。总的来说，包括过滤器各零部件的设计、 过滤头各零部件的设计、各种间隔方案以及对比。在论文中将会详细的描述以上 的具体的设计内容，并且会详细的说明本课题对以往设计的继承和改进。
2. 自清洗叠片过滤器相邻的叠片间的流场分析。通过数值模拟选出过滤效果 最佳的A型叠片开口角度。对比相同类型不同精度的过滤叠片的速度、压力和 湍动能分布情况，对比相同精度不同类型的过滤叠片的速度、压力和湍动能分布 情况。
1.5本课题的研究方法
1.5.1有限体积法
有限体积法又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域划分为一系 列不重复的控制体积，并且使每个网格点的周围都有一个控制体积；然后 将待解的微分方程对每一个控制体积积分，这样就可以得出一组离散方程。 其中未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须 假定未知数在网格点之间的变化规律，即假设值分段的分布剖面[351。
从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域 法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。 简而言之，子区域法是有限体积法的基本方法[36]。
有限体积法的基本思路比较容易理解，并能够得出直接的物理解释。 离散方程的物理意义就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如 同微分方程是表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体 积法所得出的离散方程，要求因变量的积分守恒必须对任意一组控制体积 都得到满足，这样对整个计算区域自然也会得到满足。这是有限体积法最 吸引人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时， 离散方程才可以满足积分守恒；而有限体积法即使在比较粗网格情况下， 也可以显示出准确的积分守恒[37]。
就离散方法而言，有限体积法可看作是有限单元法和有限差分法的中 间产物。有限体积法只是寻求节点值，这和有限差分法是比较类似的；但 是有限体积法在寻求控制体积的积分时还是必须假定值在网格点之间的 分布规律，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只是用
第一章绪论

于计算控制体积的积分，在得出离散方程之后，就能够忘掉插值函数；如 果需要的话，能够对微分方程中不同的项采取不同的插值函数[38]。
1.5.2 FLUENT软件介绍
在CFD (计算流体力学）软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、 最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计是基于CFD计算机软件群的概 念，针对每一种流动的物理问题的特点，可以采用适合于它的数值解法在 计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳[39]。
FLUENT软件具有以下特点：
(1) FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，并且具 有基于网格单元和网格节点的梯度算法；
(2) FLUENT软件包含三种算法：耦合显式算法、非耦合隐式算法、 耦合隐式算法，是商用软件中最多的；
(3) FLUENT软件中具有十分强大的网格支持能力，支持界面不连续 的网格、混合网格、变形网格以及滑动网格等。
(4) LUENT软件包含了丰富而先进的物理模型，使得用户能够很精确 地模拟无粘流、层流和湍流。
(5) 用于牛顿流体、非牛顿流体；
(6) 高效率的并行计算功能，可以提供多种自动或者手动分区算法； 内置MPI并行机制可以大幅度提高并行效率。
(7) 定常/非定常流动模拟，而且新增了快速非定常模拟功能；
(8) 高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI 并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能， 确保全局高效并行计算；
(9) FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发 接口（UDF);
(10) FLUENT软件可以采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算 机内存的利用率_[41][42]。
1.6本课题研究的意义
本课题研究的意义可以概括为以下三点：
(1) 收集整理国内外水处理行业的现状和过滤机械的现状，详细的介绍各种
自清洗过滤器的特点，明确研发并推广自清洗叠片过滤器的可行性和必要性。
(2) 详细设计一种结构简单、连续操作、精确过滤、高效反洗、运行可靠、 占地面积小、安装简便、维护成本低、使用寿命长的自清洗叠片过滤器。
(3) 对上述自清洗叠片过滤器相邻叠片间的流场进行了分析，不仅为本课题 的设计方案的可行性提供了依据，而且对自清洗过滤器的进一步研究和改进具有 很高的参考价值。

第二章自清洗叠片过滤器的设计

第二章自清洗叠片过滤机的设计 2.1自清洗叠片过滤机概述
随着水资源匮乏和水污染日益严重，人们对生活环境与质量要求越来越高， 废水的处理与回收日益成为工业生产与居民生活的重要组成部分。自动反冲洗过 滤机能很好地解决废水处理与重复利用问题，实现良好的经济效益和社会效益。 该过滤器是上世纪70年代发展起来的一种新型过滤器，近年来，国内外出现了 几种结构上经过改进的自动反冲洗过滤器。但是，目前已面世的自动反冲洗过滤 器仍存在着占地面积大、过滤单元开孔方式单一、自重对过滤过程有影响等不足 之处，在结构设计上还存在若干可以改进的地方。另外，到现在为止，仍没有关 于自动反冲洗过滤器的成熟的设计理论，各种具体设计方案的可靠性还有待验 证。因此，开发一种连续的、可靠性好的且能自动反冲洗的过滤器是非常必要且 很有市场的[43]。
2.1.1过滤基本理论
流体通过均匀和不可压缩的固体床层的流动规律是研究过滤过程的基础。比 较复杂的滤饼过滤和理论公式的推导，大部分都是从这个基础出发的，最早的研 究成果达西经验公式得出：一是流速与压降成线性关系，因此流体经过床层的流 动属于层流；二是通过颗粒床层的流体线速度与压强差成正比，与床层厚度成反 比。达西的经验公式后来陆续被人们所证实[44]。
过滤过程理论研究最初源于毫根一泊肃叶（Hogen-Poiseuille)方程，表述流 体在圆管做层流运动时流速与压降间的关系。设想颗粒床层由若千毛细通道组 成，即可用毫根一泊肃叶方程用于解决过滤中的实际问题，柯兹尼和卡门对此进 行研究，奠定了过滤过程的理论基础。鲁斯从达西的经验公式出发，导出了不可 压缩滤饼的过滤微分方程。上世纪50年代，提勒等人修正了鲁斯方程，提出 新的过滤理论，将过滤理论扩展到可压缩滤饼的过滤。现在化工原理中推导的公 式有康采尼（Kozeny)方程及欧根（Ergun)方程。欧根方程包括了床层是层流 与湍流的情况[11]。
近年来，借助扫描电镜和自动图像处理技术发展，使滤饼内部结构的测试成 为可能。20世纪70年代发展起来的分形几何理论为描述滤饼结构以及滤饼形成 的动态过程提供了一种新方法[7]。
多孔介质中颗粒的形状、孔隙率和渗透率之间的关系，也有很多的学者进行 了理论与实验研究，对具体的应用提出了不同的（拟合）计算公式，通常参考的
计算公式具有限定的条件范围，同时其中的影响因素做了理想化假设[1'
(1) 达西(Darcy)在1856年提出的经验公式： 式中：
V 时间t内通过床层的流体体积(m3);
A 床层的截面积(m2);
u——流体通过床层的平均线速度(m^1);
Ap一流体通过床层的压强差(N_m_2 ):
L 床层厚度(m);
K—与床层及流体物性有关的常数。
(2) 流体的粘度在滞流运动中有突出的影响。考虑该因素，修正的达西公式如 下••
(2-2)
式中：
u 流体通过过滤介质的平均线速度(mi1);
K'—过滤介质的渗透系数；
Ap 流体通过过滤介质的压降(Nth-2);
tj——流体粘度(Pa_s);
L 过滤介质厚度(m);
(3) 对于不同的介质形状，柯兹尼一卡门方程给出渗透系数柯兹尼常数 滤饼平均体积比阻间的的关系：
(2-3)
式中：
s——过滤介质的孔隙度，定义为流体可以通过的体积部分；
S0—过滤介质的比表面积，定义为过滤介质单位体积内的表面积； Kx——柯兹尼常数。
由式2-2, 2-3可得：
(2-4)
a_ utjL _ utjL ut]H}-e)2KxSI
4p=^7"=ZlZ?Z= ?
KXS20 (\-e)2
(4) 欧根(Ergun)方程:
L € 8
(2-5)
(2-6)
或
^ = 15〇(Ll£)l^ + i.75^^
L f3 d] dae3
式中：
a——颗粒物料的比表面积； da——颗粒直径5 p——流体密度。
欧根方程，实验范围为床层雷诺数尺=0.17〜420。当'<3时，等式右边 第二项可以略去；尽>100时，右方第一项可以略去。
由欧根公式可以看出，影响床层压降的变量有三类：操作变量I/、流体物性 "和P以及床层特性£•和。
2.1. 2自清洗叠片过滤器工作原理
本课题的开发、研究工作是在査阅了大量有关自清洗叠片过滤器的文献资料 的基础上做出的。本课题仔细分析总结了前人对自清洗叠片过滤器的开发和研究 成果，综合考虑前人成果的优点和不足，设计了一种全新的自清洗叠片过滤器， 在继承并发展前人成果优点的同时，也有针对性的对前人的不足之处作了一些必 要的改进设计。
自清洗叠片过滤器是由过滤头、两位三通阀、管道和连接件所组成的。 自清洗叠片过滤器过滤器采用程序模块化设计，可单个使用，或按单元进行多种 组合使用。液体由进水口进入管道，经过反冲洗阀进入过滤头，过滤头的滤芯 和叠片为杂质处理载体，它由一组双面带不同方向沟槽的塑料盘片相叠加 构成，其相邻面上的沟槽便形成许许多多的交叉点，这些交叉点构成了大 量的空腔和不规则的通路。过滤时，这些通路导致水的紊流，最终促使水 中的杂质被拦截在各个交叉点上。如把盘片叠加安装在过滤芯骨架上，在 弹簧和进水的压力作用下就形成了一个外松内紧的过滤单元。每个过滤单 元中被弹簧和水压压紧的叠片便形成了无数道杂质颗粒无法通过的滤网， 叠片材质为优质工程塑料，耐磨性极高。辅以不锈钢弹簧支撑，结构坚固。 当到达一定的压差或者时间时，系统会自动进入反冲洗状态，控制器控制两位三 通反冲洗阀改变水流的方向，反冲洗水会进入过滤头内的喷嘴通道，和喷嘴通道 相连接的活塞腔的水压上升，活塞向上运动，克服弹簧对叠片的压力，并在弹簧组的顶部释放一定的空间•同时，反冲水从喷嘴管上面的喷嘴沿叠片内壁切 线方向自内向外冲洗叠片表面粘附的各种杂质，叠片在反冲洗水流的作用 下作旋转，保证所有污物均被有效洗净并排出。可使用时NN隔和压力差 控制反冲洗的所有步骤•一旦设定完毕，即可长期使用。自动反冲洗过滤 器在不中断工作的情况下在数秒内完成整个自动反冲洗过程•采用这种过 滤原理的过滤器在过滤和反冲洗时*片间隙动态可变，对提高过滤性能、 过滤水质非常有利，又可大大减少反洗用水虽，通常自耗水S约为
0. 25%。盘片上沟槽的不同深浅和数S确定了过滤单元的过滤精度.同时导 通排污管道，污水从排污口排出。
2. 2叠片间隔装置的设计
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由调研可知：当过滤头被垂直放置时叠片自重的积累会对过滤头产生影响。 传统的自清洗叠片过滤器的效率会随着过滤盘直径的增大而减小，随着过滤盘数 适的增多效率会降低的更多。这个现象被认为是传统叠片自淸洗过滤器最大的缺 点|451。
图2-1过滤叠片不均匀分布现象图
Fig.2-1 Illustration of the uneven distribution phenomenon of the discs
图2-丨解释了这个现象：在过滤阶段，过滤金片D被弹簧式活塞P和固定 支架紧密的压缩在一起形成了过滤盘组。在反冲洗阶段，活塞被还原升起，使得
第二章自清洗叠片过滤器的设计

过滤盘彼此分开以形成反冲洗水流过的缝隙。但是，如图2-1所示，由于叠片自 重作用的积累，位于过滤盘组底部离固定支架一定距离的过滤盘组无法形成空 隙，从而使自清洗效率降低很多
为了克服这种传统自清洗叠片过滤器的缺点，控制自重因数以消除它的不 良影响，在一定数目的过滤盘间设计了一种将过滤圆盘划分为几个小组的间隔装 置。在反冲洗阶段，每个小组就被其中的一个分隔装置支持，从而可以消除位于 其上部的那个小组的重力的影响。合理的分隔装置使活塞在过滤盘分开方向上的 移动首先传递给离活塞比较近的分隔环，而不是传递给离活塞更远或者其他地方 的分隔环。
下面分别就所设计的各种分隔装置的安装方式方案进行说明。
方案一：
一系列的间隔杆悬挂在活塞上面，在过滤盘组向下平行延伸。根据过滤 叠片数量的多