液氮流过烧结金属过滤器的压降特性研究

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液氮流过烧结金属过滤器的压降特性研究

资讯类型：行业新闻加入时间：2008年9月27日15:36

                          液氮流过烧结金属过滤器的压降特性研究
                              谢伟　李娟　石玉美　汪荣顺
          （上海交通大学制冷与低温工程研究所　上海　２００２４０）　　
    摘要：以液氮作为需要净化的低温液体，以二氧化碳为液氮的杂质进行了过滤试验。搭建了试验台，进行了过滤实验。在试验中测试了过滤过程中压降变化和被过滤流体流量等参数，对试验结果进行了分析，得到了过滤器压降与工况参数之间的关系。同时应用基于达西定律的烧结金属过滤器的压降计算模型，对实验工况的过滤器的压降进行预测。并将模型计算值与实验数据进行比较得出，结果表明模型较好的预测了液氮在烧结金属过滤器中流动的压力损失情况，同时指出了该模型的不足之处和以后的改进方向。
    关键词：烧结金属过滤器　液氮　压降计算　过滤
    中图分类号：ＴＢ６５７，ＴＢ６６３　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１０００  ６５１６（２００７）０３  ００４０  ０４
    １　引　言
    低温液体通常运用于许多大型和复杂的工程项目，在这些工程项目中有些对低温液体的纯度有特殊要求。为了实现工业低温液体的纯化，应用烧结金属过滤器的过滤技术为在低温环境下将固态杂质颗粒从低温液体里分离提供可能。
    目前广泛运用的其他过滤器如膜过滤器、塑料过滤器、纤维过滤器和陶瓷过滤器等，都不能或者不适合在低温环境下运用。而烧结金属过滤器特殊性能使其在低温环境下运用却十分适合。
    烧结金属过滤器所使用的过滤介质就是烧结金属多孔材料，是一种被广泛运用的刚性过滤介质。这种多孔材料是利用金属在高温条件下烧结形成的，可以制成多孔的滤板或者滤管，其板厚或管壁厚一般为２～３ｍｍ；也可以利用金属丝网与金属粉末一起在高温下烧结制得。可以通过控制金属粉末的粒度和金属丝的直径来控制过滤的孔隙。随着时代的进步和技术的发展，目前的真空烧结技术，能将以前不适合制成过滤介质的高温易氧化金属材料烧结为工业需要的滤材。
    本研究搭建了低温过滤器试验台，并进行了低温液体的过滤试验，试验中以液氮作为需要净化的低温液体，以二氧化碳作为杂质。在试验中测试了流体流入过滤器前后的压力，流体的流量等参数，并对试验结果进行了分析和比较。
    ２　过滤器试验
    ２．１　实验台介绍
    为了进行低温液体的过滤试验，搭建了低温过滤器试验台。
    试验台由过滤器单元、液氮输送系统、杂质气体充注系统、气体分析系统、过滤器再生系统、真空绝热系统、混合系统、测量系统、安全保护系统组成，各子系统的组分为：过滤器单元由过滤器芯、过滤器再生通道及外壳组成；液氮输送系统由带输送阀的液氮容器及管路、加压系统组成；杂质气体充注系统由二氧化碳钢瓶、气体流量计管路与阀门组成。气体分析系统由二氧化碳浓度分析仪、取样管道及阀门组成；过l滤器再生系统由氮气钢瓶、管路、阀门组成；测量系统由氮、二氧化碳流量计、温度计及压力传感器组成；安全系统包括爆破片和安全阀等装置；真空绝热系统由真空容器、真空泵机组、真空测量仪表组成。
    ２．２　实验用烧结金属过滤器
    实验中所使用的烧结金属过滤器见图２。其基本参数为：过滤器孔的平均尺寸０．５μｍ，过滤层厚度３ｍｍ，过滤层长度２１４ｍｍ，圆柱形过滤器，圆柱外径３５ｍｍ。子，沿管路流向过滤器。经过滤器过滤掉液氮中固体ＣＯ２杂质粒子后，流出过滤器的液氮经汽化器汽化成常温下的氮气后，流经出口处的流量计和ＣＯ２浓度分析仪。
    整个过滤过程中，流体流过过滤器后产生的压降由通过测试安装在过滤器前后两端的压力传感器Ｐ１和Ｐ２得到；液氮流量由出口处的流量计Ｇ１测试，通入ＣＯ２的流量由Ｇ２测试。过滤器的过滤效果通过出口气体端的ＣＯ２浓度分析仪进行测试。
    ３　烧结金属过滤器压降计算模型［１］
    流体流经过滤器，将产生压力降。压降计算是过滤器非常关键的一项特性数据计算。计算压力降常用的方法是将颗粒层内的实际流动过程简化为等效的可用数学方程式描述的物理模型。常见的模型有流道模型和阻力模型，前者适合于高填充率（低孔隙率）的情况，后者适合于低填充率的场合。对于流道模型，多孔过虑介质被看成一系列性质相同且平行的导管，每个导管拥有不同的截面积。而阻力模型，则将多孔过虑介质看作许多颗粒组成的颗粒层集合，流动过程的压降通过加和所有介质颗粒的压降而得。本次研究采用流道模型来预测液氮流经烧结金属过滤器所产生的压降。要计算烧结金属过滤器的压降，首先要知道该过滤器的空隙率。
    ３．１　空隙率
    颗粒堆积床层内所含固体颗粒的多少显然具有决定性意义。固体颗粒数目越多，液体流经的内部表面积越大，固液两相间的摩擦越大，压力降就越高。颗粒床层内液体能够流过的孔隙总体积的比例为孔隙率，定义如下：

    式中：Ｍ为过滤器总质量，ｋｇ；Ｖ为过滤器体积，ｍ３；ρ为烧结金属过滤介质的密度，ｋｇ／ｍ３。
    ３．２　渗透率
    烧结金属多孔介质被看作一系列带有水力半径的复杂横截面的导管的集合。由此渗透率Ｋ被定义为：

    式中：Ｒｈ为水力半径为导管横截面积与湿润周长之比。
    水力半径可以通过用来制作烧结金属过滤介质的颗粒直径和渗透率来表示。Ｂｉｒｄ等（１９６０）得到了下面关于渗透率Ｋ的表达形式：

    式中：Ｄｐ为颗粒平均直径。
    同时上式表示渗透率Ｋ是只是过滤介质的函数。因此过虑介质的渗透率可以通过计算ε和Ｄｐ或者Ｒｈ来求得。
    ３．３　过滤器压降模型［２］
    通过式（１）～式（３）确定过滤器的渗透率Ｋ后，就可以运用描述流体流过多孔过滤介质时压力降与被过滤流体关系的达西定律来计算和预测将会产生的压降。

    式中：Δｐ为流体流经过滤器产生的压降，Ｐａ；Ｌ为过虑介质层厚度，ｍ；μ为被过滤流体粘度，ｐａ·ｓ；ｑ为被过滤流体体积流量，ｍ３／ｓ；Ａ为过滤介质层表面积，ｍ２。
    任何情况下，只要存在流体流动，就会存在流动阻力［３］。阻力无非来自两个方面：一个是与粘性相关的表明摩擦（黏性阻力）；一个是与几何障碍相关的形状阻力。前者导致在固体颗粒表面形成了一层液体静止层。因此，固体颗粒和液体表面之间的摩擦、速度不同流层之间的摩擦，就形成了流动阻力或压力损失。后者则反映了除摩擦阻力以外的，流速较高是由于强烈的湍流和方向变化等造成的湍流漩涡引起的压力损失。如果这种损失所占比例较大，会破坏流速和压力降之间的线性关系。从修正雷诺数可以区别流动类型，并判断何种阻力占优。大多少情况下，被过滤流体通过多孔介质的流动是低速的，可以假设是层流状态［４］，本次研究也属于这种情况，形状阻力可以忽略不计。达西定律也是建立在层流的基础之上的。
    ４　试验研究及分析讨论
    应用２．１中介绍的实验系统，进行液氮流过烧结金属过滤器的压降特性实验。实验过程中，通过压力传感器Ｐ１、Ｐ２记录过滤器前后两端的压力，温度传感器Ｔ１、Ｔ２记录过滤前和过滤后液氮的温度。通过ＣＯ２浓度分析仪分析被过滤液氮中ＣＯ２的浓度，从而确定该烧结金属的过滤器。在某一确定过滤工工况下，稳定过滤４ｈ后转至另一过滤器工况继续过滤实验。以下是实验数据处理。
    过滤器的实际压降有过滤器前后两端的压力ｐ１与ｐ２之差而得：
                △ｐ＝ｐ１－ｐ２          （５）
    式中：ｐ１为过滤器前端Ｐ１压力传感器所测定的压力；ｐ２为过滤器后端Ｐ２压力传感器所测定的压力。
    被过滤流体流经过滤器得平均流速，为流经过滤器的液氮流量与过滤器过滤面积之比［５］：
               ν＝ｑ／Ａ                 （６）
    式中：ｑ为流经烧结金属过滤器的液氮流量，通过出口处流量Ｇ１记录的常温氮气流量经过换算而得；Ａ为过滤介质层表面积，ｍ２。
    过滤器压降的预测值Δｐ′有压降模型计算式（４）计算而得，不同实验工况条件下过滤器实际压降Δｐ与预测值Δｐ′之间的比较见图３和图４。图３表示该烧结金属过滤器在过滤压力为６．８６×１０４Ｐａ（即过滤器前端，压力传感器Ｐ１所测的压力）的情况下，液氮流过过滤器所产生的压降同流过过滤器的平均流速之间的关系。同时从图３可以看出，在该过滤压力下用压降模型（４）计算此时过滤器的压降是合理的。实验数据结果和（４）的理论计算预测非常吻合，最大误差为５％，平均误差为２％。
     在改变过滤压力后，过滤器压降随流速变化的情况。当增加过滤压力为８．９７×１０４Ｐａ（即过滤器前端，压力传感器Ｐ１所测的压力）后，过滤器两端的压降随平均过滤速度的变化仍然同于图３所示的情况。实验数据结果和压降模型（４）的理论计算预测非常吻合，最大误差为８％，平均误差为３％。
    从压降计算结果和实验数据的对比不难发现，压降模型仍然适用于过滤压力增大后的情况［６］。
    但是，从图３和图４中也可以看出，在平均过滤速度较大时，压降计算模型的计算值却比实验值偏低。其原因是，过滤开始阶段平均过滤速度较低，与压降计算的达西定律是针对流动形式为层流的情况下适用［７］。当过滤速度增加后，非层流效应逐渐增加，此时用达西定律形式的压降计算模型来预测过滤器的压降可能导致预测值比试验值低的情况出现。　
    ５　结论
    通过搭建实验台并对液氮进行实际的过滤实验，论证了烧结金属过滤器应用与实际低温液体纯化的科学性和可行性，同时研究了过滤过程中的关键参数，即过滤器压降与被过滤流体流动工况的关系，得出了以下结论：
    （１）对于低温流体液氮，在用烧结金属过滤器对其进行过滤时，应用达西定律对其进行压降计算的预测是合理的。
    （２）当液氮流过烧结过滤器的平均流速增大到一定程度以后，使用达西定律的压降计算模型可能导致预测值比实验值偏低的情况出现。

文章来自：中国过滤器网

文章作者：网络管理员

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