摘要：针对目前自动反冲洗过滤器过滤过程不连续、占地面积大和自重对过滤过程有影响的问题开发了一种全新的自动反冲洗过滤器。采用混合多相流模型、标准的k-e湍流模型和SIMPLEC算法,应用计算流体力学软件Flu-ent对过滤头相邻叠片间的流场进行分析。通过数值模拟,可以很清楚的显示出深层过滤时叠片间过滤液的过滤过程以及过滤液的速度矢量分布情况。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,有很高的经济价值。在没有成熟设计理论的背景下,为设计方案可行性提供了依据。
关键词：开发;反冲洗;过滤头;结构改进;计算流体力学
中图分类号：TQ051·8
引 言
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过程不连续和占地面积大、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[1]。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。
本文针对自重对过滤过程有影响等问题对自动反冲洗过滤器进行了改进,提出了一种新的自动反冲洗过滤器。该自动反冲洗过滤器完全靠滤液压力提供自清洗动力,在运行过程中无须停车清洗过滤元件,整机体积较小,精度可调节。适用于低黏度液体中固体物质的过滤,能广泛用于冶金、化工、造纸、城市给水等领域。它是一种精确过滤、高效反洗、运行可靠、维护简单、使用寿命长的全自动过滤器。在使用中,既可以做旁路过滤器,也可以做主过滤器[2]。
1 过滤系统的工作原理
1·1 自动反冲洗过滤器的工作原理
自动反冲洗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。可根据压差、时间或两者组合对过滤器进行全面控制[1]。其原理见图1。液体由进水口进入管道,经过反冲洗阀进入过滤头,过滤后的液体从出水口流出。当到达一定的压差或者时间时,系统自动进入反洗状态,控制器控制两位三通反冲洗阀改变水流方向,同时导通排污管道,污水从排污口排出。
1·2 过滤头的工作原理
过滤头是自动反冲洗过滤器中最主要的部件,液体的过滤主要是在过滤头内完成[2-3]。其结构剖视图见图2。
过滤头中的滤芯上有一组或多组双面带不同方向沟槽的塑料叠片,其相邻面上的沟槽棱边便形成许多交叉点,这些交叉点形成了大量的空腔和由外向里的通路。
过滤时,过滤液给活塞一定的压力,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。当固体颗粒大于沟槽时,颗粒直接被截留在叠片外侧;当固体颗粒小于沟槽时,颗粒进入叠片间的通道,在通道中由于上沟槽的存在,导致水出现紊流,致使大部分颗粒被拦截在通道的上壁沟槽内,只有很少一部分颗粒随滤液从通道下部流出,从而提高了过滤效率。由于下沟槽内几乎没有颗粒附着,所以叠片内外的压力损失很小。
反冲洗时,反冲洗水压拉升弹簧使叠片被松开,位于喷嘴管上的喷嘴沿切线喷射,使叠片旋转,将截留在叠片上的杂质冲洗甩出。
2 过滤器的结构改进和可行性分析
2·1 过滤芯的连接方式和出口结构改进
将两个过滤芯并联连接,两个过滤芯的配件采用相同的尺寸,可以替换使用。过滤芯并联连接可以提高过滤效率,节省材料,有一定的经济价值。过滤液出口处和左右两个支座单元相连接,保证出口处的液体全部从出口处流出。所有内部的部件是通过塑料注射一次成型的。过滤液从过滤头的进口进入,过滤后从出口流出。过滤头的技术参数见表1。
2·2 过滤头放置方式的改进
将过滤头由竖直放置改为水平放置。由于自重的作用,竖直放置时过滤头中位于过滤盘组底部的离固定支架一定距离的过滤盘在反冲洗的时候无法形成空隙[4],如图3所示。
改为水平放置后就可以避免这种分布不均匀的现象。同时,反冲洗的时候由于过滤液有一定的重力势能,所以只需要很小的反冲洗压力,不再需要外源泵给反冲洗压力,过滤液自身的重力势能就可以满足反冲洗的压力。
3 过滤器改进后叠片间的流场分析
在过滤器的设计当中,过滤头是其中最主要的部件,滤液的深层过滤主要是通过过滤头内相邻的叠片沟槽交叉所组成的通路导致水的紊流所实现的。由于相邻叠片内的流体流动和过滤液的固液分离过程十分复杂,所以选择计算流体力学CFD分析软件Fluent对叠片间的流场进行数值模拟和分析。
3·1 计算模型
本文所研究的相邻叠片间总共有100条相同的过滤通道,选取其中一条作为研究对象。每一条通道有125个交点,为节省时间,选取其中的1/25作为研究对象,简化以后的模型如图4所示。
网格划分对数值模拟的结果有着很重要的影响。考虑到在满足网格足够细密的基础上,尽量减少网格数量以减少计算量,提高收敛的稳定性[5]。因此,本模型采用四边形非结构网格,只划分了6636个四边形网格。
3·2 计算方法
3·2·1 边界条件
入口边界条件:过滤液从周围均匀流入。过滤液中液相密度为1000kg/m3,黏度为0·001Pa·s;固相颗粒的密度是2000kg/m3,黏度是0·000015Pa·s。液相的入口速度是3m/s,固相的入口速度是3m/s,体积分数是0·05。
出口边界条件:过滤后的水从出口流出,出口压力为101000Pa。
壁面边界条件:采用标准壁面处理。
3·2·2 计算模型及收敛精度
Fluent中描述多相流的常用模型有流体模型、混合模型和欧拉模型。由于所分析的流体流动过程中各相间有一定的速度差别和离散相的分布比较广,所以采用混合模型。采用标准k-e湍流计算模型,基于有限容积法,将混合相的连续方程、动量方程和能量方程、固体的体积分数方程进行离散求解。其中方程的压力-速度耦合采用算法SIMPLEC方法耦合。
设定的计算模型常数如表2所示,收敛因子如表3所示,迭代精度设为10-3,由残差收敛图可知达到收敛时各项精度都达到了10-4。
3·3 计算结果及分析
选用5/6求解器,将生成的网格导入Fluent中,检查网格质量,定义流体的物理性质,然后设定操作和边界条件,模拟计算后得到的结果为
(1)图5为过滤过程中固体颗粒的体积分数图。从图5看出随着过滤过程的进行,固体颗粒集中在上壁的三角槽处,过滤后的水从中间流出。上壁处的固体颗粒体积分数为5%左右,中间通道的固体体积分数为0。该结果很直观的反映了过滤器过滤过程中滤液经过相邻叠片时固液分离的过程。在没有成熟的设计理论的背景下,该模拟结果为设计方案的可行性提供了很好的的依据。
(2)图6为过滤器相邻叠片间过滤过程中水的速度分布图。从图6看出固体颗粒的集中分布使得上壁处水的速度比较低,最低为0·0018m/s,在中间通道内水流的速度比较高,最高为4m/s。由该模拟结果可以看出滤液中的固体颗粒淤积在上壁处,使得过滤通道不易被进入过滤通道内的滤渣阻塞。该结果为设计方案可以减小过滤过程中的压力损失和提高过滤效率提供了很好的依据。
(3)图7为过滤器相邻叠片间过滤过程中水的湍流动能图。从图7看出在过滤整个过程中都存在一定的湍流动能。刚开始的时候湍流动能比较小,湍流动能值在0·003 J左右。随着过滤过程的进行,湍流动能分布比较均匀,湍流动能值主要分布在0·00163 J左右。由该模拟结果可以很看出湍动能区域比较大,湍流动能值比较小,分布比较均匀,叠片的磨损很小。该模拟结果为过滤器过滤过程稳定和设计方案有很高的经济价值提供了很好的依据。
4 结论
本文提出了一种自动反冲洗过滤器的设计方案。Fluent计算流体力学分析软件对过滤头内相邻叠片间的流场的分析结果表明:该全自动过滤器经过改进后,过滤效率有了很大的提高,大大节省了制造成本。在没有成熟设计理论的背景下,模拟结果为设计方案可行性提供了依据,为今后产品的研发提供了一些有价值的参考。
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