壓載水過濾器濾網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）

壓載水過濾器濾網自身的壓降直接反映濾網的過流能力。對于不同類型濾網運用不同的經驗公式對濾網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種主濾網的過流能力進行試驗對比，結果顯示理論計算結果與實際試驗結果基本一致，對過濾器主濾網選擇有一定指導意義。

濾網壓降；理論計算；試驗對比

為符合壓載水公約的規定，壓載水系統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組合，包括骨架層、保護層、主濾網。濾芯壓降由濾網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]研究表明濾網孔隙率＜0.55時，濾網阻力其主要作用。所以本文研究中不計算濾餅壓降。由于其他層網孔尺寸較大，濾芯內外壓降由主濾網的濾網壓降體現。本文比較各型濾芯壓降差異時，僅計算主濾網的濾網壓降。

現階段工業水處理過濾器濾網主要采用方孔網和密紋網兩種，不同濾網的過流效率有較大差異。考慮到壓載水處理系統化學處理單元性能參數TRO濃度，本文針對方孔網、密紋網分別選擇一種進行研究。首先采用經驗公式進行理論計算，初步判定兩種濾網的過流能力，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的過流能力進行驗證分析，為過濾器主濾網的選擇提供一種方法。

1 濾網壓降計算

本文以處理量100m3·h-1的過濾器為例進行研究，兩種濾網規格參數如下表1所示，濾網內徑為239mm，濾網長度為546mm。

1.1 濾網1方孔網壓降計算公式

通過方孔篩網的流動可看作是流過很多并聯的小孔或噴嘴。這樣，濾網的壓力降或液頭損失可以由孔口型的公式計算。根據《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的壓降計算公式:

?=(/2)((1-2)/2)(2/(2g)) （1）

式中：?—壓降，m；

—串聯的濾網數，無因次，本文中主濾網是單層濾網，所以=1；

—濾網排出系數，無因次；

—濾網自由投影面積分率，無因次；

—濾網前的表面速度；

g—9.8，有因次常數，m·s-2。

濾網排出系數可由圖1查得，是濾網雷諾數的函數N=()/，其中=網孔寬度，=流體密度，=流體黏度。

圖1 普通方孔網排出系數[4]

網孔寬度D=0.05 mm，參數g=9.8 m·s-2，參數=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。

濾網前的表面速度:

=/。

=100/(3 600×239×546×0.25×π×10-6)

=0.27 m·s-1。

雷諾數:

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2密紋網的壓力降計算

密紋網的編織方式不同于方孔網，所以密紋網的壓降計算公式選用也和方孔網不同。密紋網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，濾網有效截面率= 0.135，濾網平均絲徑為=0.18 mm。

濾網前的表面速度：

=/

=100/(3 600×239×546×0.135×π×10-6)

=0.5 m·s-1。

雷諾數：

=10/

=(10×0.5×0.18×10-3)/(1.056 5×10-6)

= 851.86＞400。

所以局部壓降系數=1.3（1-）+（1-）2=1.873。壓降：

?2=（2/2）

=1.873×（0.52/2）×1 045=244.5 Pa。

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

2 TSS懸浮物含量與反沖洗時間間隔的試驗

2.1 試驗內容

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的額定流量下，用“濾網兩側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，并依據數據自動采集系統對過濾器運行的關鍵參數進行采集，確保數據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，其主濾網參數和表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下記錄運行數據，在某一水質條件下，額定流量運行時的濾網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節為相同后，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 試驗數據和結果

試驗數據如表1所示。

表1 懸浮物TSS濃度下的反沖洗平均間隔時間

將表格內數據進行連點成線處理，如圖3所示。圖中呈現出濾網2過流能力優于濾網1，所以濾網2較適合做主濾網。

3 結論

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

圖3 濾網過流能力曲線

1）兩種濾網壓降理論計算結果顯示濾網1方孔網壓降＞濾網2密紋網壓降。試驗數據曲線結果顯示濾網1方孔網過流能力較差。理論計算和試驗結果都表明濾網2密紋網更適合做主濾網。

2）本文結果對于濾網選擇有一定指導意義，但理論計算結果和試驗數據還有一些差異，計算公式仍需進一步優化。

3）基于本文研究的后續工作，隨著化學處理單元參數TRO濃度進一步降低，過濾器主濾網仍選用密紋網，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狀的調查與分析[J]. 海洋開發與管理, 2014, 80：78-83.

［2］宋全利，楊洪飛，劉貞姬，等. 網式過濾器濾網堵塞成因分析與壓降計算[J]. 農業機械學報, 2017, 6:10.

［3］孫東坡. 流道濾網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年畢業于華東理工大學化工過程機械專業，研究方向：船舶用壓載水過濾器。

TQ028.5+3

A

1004-0935（2020）09-1069-03