滤面水力连续再生装置技术原理与设计研究整理后

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1、滤面水力连续再生装置技术原理与设计研究 哈尔滨工业大学 张承虎，潘亚文，庄兆意，孙德兴 摘 要：滤面水力连续再生装置是新型城市污水源热泵系统的关键设备，介绍了装置的技术原理，分析 了其技术特点，并以滤面堵塞系数作为过滤和再生过程中滤面状态的定量描述，分别建立了针对滤面的 动态模型和针对位置的稳态模型，结合试验数据分析确定了分区角度比、转速范围，以及平均堵塞系数、 单位角度滤面面积的计算方法，为滤面水力连续再生装置的设计与优化提供了理论依据。 关键词：污水；过滤模型；连续再生；设计1 引言 城市原生污水是热泵不可多得的优良冷热源，但是由于其含有大量的固体污物，能在几十秒钟之 内完全堵塞换热器，因

2、此必须对其进行粗效过滤处理。在暖通空调经常要用到过滤技术，例如通风除 尘器、新风过滤器、Y 型过滤器等，容易发现这些设备中的滤面在工作时静止不动，污物在其上过滤、 截留、积累，直至失效后才把滤面（料）取出，将污物从滤面上分离清除，这一滤面再生是一个周期 性的间歇过程，因此传统的过滤技术具有静态积累、分离式间歇再生的特点。传统过滤技术由于下述 原因而无法被采用：（1） 、污水污物含量太大，滤面将在几十秒内瘫痪，无法保证滤面及时再生； （2） 、分离清除下来的污物将污染空气、机房等，造成二次污染。哈尔滨工业大学针对城市污水的特 点和传统过滤技术的缺点，提出了具有动态平衡，还原式连续再生特点的滤面水

3、力连续再生技术1-3， 并开发出系列产品将之成功的应用于多个大规模的城市污水源热泵供热空调工程中。本文从一般过滤 理论入手，全面地介绍了滤面水力连续再生技术的原理、数学模型、关键参数确定、简化设计方法等 内容，为城市原生污水源热泵的污水前置处理提供理论指导。 2 滤面水力连续再生技术原理 滤面水力连续再生技术的基本思路是将滤面分成两部分，如图 1 所示，A 部分滤面进行过滤的同时 B 部分滤面进行再生，这一再生过程是靠水力反冲滤面来实现的，被冲除的污物同时被水流带走（即污 物还原） 。为保证滤面的及时再生并向过滤区供应充足的“清洁滤面”，要求整个滤面作旋转运动，这样 一来，再生后的“清洁滤面”

4、将连续地进入过滤区进行工作，而堵塞后的“密死滤面”也将连续地进入再生 区进行再生。这一动态的过滤与再生过程将达到一种平衡，例如图中 p 点位置的滤面虽然在不断的更 换，但处于这一位置的滤面的堵塞状态都是相同的。这种动态平衡保证了过滤区滤面始终处于一种“渐 变的非完全堵塞状态”，达到装置稳定工作的目的。图 1 滤面水力连续再生技术原理示意图 不难看出，滤面水力连续再生技术具有如下特点：（1） 、整个滤面被划分为过滤区和再生区两部 分；（2） 、整个滤面连续旋转，保证两部分滤面连续更替，实现连续再生；（3） 、过滤区滤面达到动 态平衡，各位置的堵塞情况是稳态的，实现流量稳定；（4） 、滤面上附着的

5、污物依靠反冲洗来清除， 实现水力再生；（5） 、清除下来的污物由水流带走回到污水干渠，实现还原过程。为了实现滤面的绕 轴旋转，滤面的形状只有两种，即圆板式和圆筒式，二者只存在结构上的差异。 3 针对滤面的动态数学模型 为了建立过滤过程的数学模型，我们作如下定义和假设： （1）滤面截面系数：滤面的网眼总面积（即过水面积）与滤面总面积之比，以符号表示。AA（2）滤面完全失效：滤面滤眼完全被堵死，过流能力为零时，则称滤面已完全失效。 （3）滤面污物密度：滤面上单位过水面积覆盖的污物质量，单位为 kg/m2，以符号表示。 （4）滤面失效污物密度：滤面完全失效时，单位过水面积覆盖的污物质量，单位为 kg

6、/m 2，以符号表示。m（5）滤面堵塞系数：滤面上已覆盖的污物质量与完全失效时所能覆盖的最大污物质量之比，以符 号表示，也即，。不难看出，若滤面面积为，则未被覆盖的滤面面积为m 01A，因此堵塞系数也可以定义为滤面已被堵塞的面积与滤面面积之比。1A（6）假设污水中大于网眼直径的污物（其体积浓度用表示，kg/m3）在流经滤面时，全部被截wC留覆盖在滤面上，造成滤面堵塞4。 （7）假设滤面的堵塞过程是一个连续的渐变过程，堵塞程度与覆盖的污物质量程正比，因此滤面 的失效与再生的过程完全可以用堵塞系数来表达。 （8）滤面厚度很薄时，假设滤眼的局部阻力系数不变5，只要滤面两边的压差不变，则滤眼的流 速不

7、随堵塞情况而变，是一常数。u 在图 1 中，虽然整个滤面是动态的，但是针对 p 点滤面而言，在其进入过滤区到走出过滤区这段 时间内，p 点滤面处于一个静态的污物积累过程。针对具体滤面，可以建立其静态积累的数学模型。0在时段的某一位微元时间内，p 点滤面堵塞系数的变化量为：0d（1）1wmuAC ddA初始条件，解得00（2） 1 expwmuC 定义时滤面就已完全失效。一般城市污水4mm 的污物浓度6为，经实验0.9531.1/wCkg m测得的7，当过滤流速时，滤面完全失效的时间为21.2/mkg m0.5/um s（3）ln 1 0.95m n wuC 计算得 6.54s，可见滤面的完全失

8、效时间很短，也说明了传统的间歇再生周期必须在 6.54s 左右， 这是很难达到的。 如图 1 所示，滤面的旋转角速度为（转速） ，过滤区所占角度为，再生区所占角度为N 。则 p 点滤面在过滤区的存留时间2（4）02 N如果，则滤面旋转较慢（电机减速成本也会增加） ，而且在时间内滤面处于非工作状0n0n态下，因此要求，于是可以得到滤面的转速关系为0n（5）2nN 4 针对位置的稳态数学模型 针对过滤区（或再生区）内的某一位置而言，虽然经过它的滤面时刻在变化，但是这些滤面的堵 塞状态都是一样，因为它们在到达该位置之前所经历的过滤（再生）时间都是一样，根据（2）式可知它们的堵塞系数都相同。定义单位角

9、度的滤面面积为，单位，对于圆板式滤面A2/mrad（为圆板半径） ；对于圆筒式滤面（为圆筒直径，为圆筒长度） 。如图 122ARR/2ADLDL所示，用角度来表示过滤区内的位置，顺着滤面旋转的方向，过滤区内的第一块分区隔板的角度为 0。 当角度增加微元量时，对于位置和，它们的堵塞系数增量为d（6） expwwmmuCuCddd 又由于，故有2dddN（7） exp22wwmmuCuCddNN 边界条件，解得00（8） 1 exp2wmuC N 可见，过滤区的堵塞状态仅是位置坐标的函数，呈指数分布。过滤区总的过水流量为（9） 0211 exp2mwwmNAuCVuA dCN &过滤区可能的最大流

10、量为，过滤区平均的堵塞系数为：mVu A&（10） 0211 exp2mmwmwmdVVNuC Vu CN & &于是简化的流量计算式为（11）11mVVu A&假设滤面再生时，滤面上污物的去除也是一个连续过程，污物的去除量与通过滤面的累积过水量 呈正比，则滤面的再生过程完全可被视为滤面失效过程的逆过程， （2） （8） （9） （10）经过一些代换和 变化即可得到再生过程的堵塞系数、流量等计算公式，这里不再做冗述。以再生区的过水流量为例，如果反冲再生流量与过滤流量的关系为，则，并且假设滤面旋转至位置时，VV & wwCC 0滤面恰好再生完全，则有再生区总过水流量为：0 （11）21exp2m

11、wwmNAu CVCN &5 滤面水力连续再生装置的关键参数 由（9） （10）式可以看出，滤面水力连续再生装置的相关参数有结构参数：截面系数，单位角度滤面面积，过滤区角度（或再生区角度） ；运行参数：过滤流速，反冲流速，流量，AuuV&转速，流量比；工况参数：，。NmwC为了便于滤网加工，且尽可能增大截面系数，污水滤网的滤眼一般采用正三角形分布，圆眼滤孔， 直径为，孔心距为 ，截面系数为dl（12）2 0.907d l 例如网眼直径 4mm，孔心距 6mm 的滤面截面系数为。0.403一般情况下，取完热量之后的污水全部用来反冲再生，则，而且通过试验发现附着污物的脱1 离需要由流速来提供一定剪

12、切破坏应力，因此反冲流速是有要求的，试验结果7指出，u/2.5uu 考虑设备制造简单、外形美观，一般取，此时由（9）和（12）式不难发现，。于/3.0uu/3是，。3 /2/2由（9）式还可以看出，当装置结构参数、工况参数及流速确定后，装置的处理流量是转速的V&N单调增函数，用洛必达法则可知。limmNVVu A &图 2 为某板式装置（=0.403，=0.5m/s，=3/2，D=0.4m，A=0.08m2/rad）的流量和平均堵u塞系数与转速的变化关系图。可以看出，转速越大时，转速的增加对流量的增加作用就越小（是转速的剧减函数） 。转速增加所带来的问题是能耗（为转速的二次方函数）和磨损急剧增

13、dV dN&加，密封件更换周期和设备寿命急剧变短，噪音增大等等，实验推荐值是，半径较20 30 /minNr 大时取较小值。由（5）式可知，因此滤面的转速范围是 6.930 r/min，0.115 /6.9 /minNr sr 一般设计和运行可取 N=15 r/min，此时滤面平均堵塞系数=0.457，堵塞较为严重。至此，滤面水力连续再生装置的关键结构参数和运行参数都已经能够确定了。N平均堵塞系数转速 N（r/s）流量 V （m3/h）V&图 2 流量、堵塞系数的变化规律 6 设计实例滤面水力连续再生装置的设计主要是在确定了污水处理流量和工况参数、的条件下，根V&mwC据（9）或（10）式来确

14、定装置的单位角度滤面面积 A（即直径和筒长）和阻力。由于滤面网眼太RL 小，在 4mm 厚的平板（或筒壁）上打钻几十万个网眼难度非常大，目前的做法是先在平板（或筒壁） 上钻直径 30mm 的大孔形成骨架，再在骨架上绑架 4mm 甚至更小网眼的不锈钢薄板钢网，因此总的截 面系数为骨架和钢网的截面系数乘积。由于摩擦力矩是直径的二次方函数，为了减少磨损和能耗，滤 面直径不宜太大，在保证加工简单，外形美观前提下，圆筒式装置的直径一般与其长度相同，即 。DL 举例说明该装置的设计过程如下： （1）已知设备要求处理能力 200m3/h（0.0556m3/s） ，粗效去除 2mm 以上污物，污水中2mm 污

15、物浓度6，滤面失效污物密度。31.7/wCkg m21.5/mkg m（2）设计骨架孔眼直径 30mm，孔心距 36mm（由骨架强度决定） ，截面系数；钢网网10.63眼直径 2.0mm，孔心距 3.0mm（由过滤要求决定） ，局部阻力系数，截面系数。滤3.520.403面总的截面系数。120.254 （3）过滤区与再生区面积比为 3:1，即，过滤流速，反冲流速3 /20.8/um s ，过滤阻力，反冲阻力，装置总阻力损失2.4/um s 120.114HmH O121.029HmH O（可见过滤流速不宜过大，否则设备阻力太大） 。滤面转速 N=20 r/min。21.142HmH O（4）根据（10）式计算滤面平均堵塞系数。根据（11）式计算单位角度滤面面积0.5735。20.136/Amrad（5）若采用圆板式，圆板直径为；若采用圆筒式，筒径81.04YDAm