液固分离过滤元件综合测试系统的研发与试验方法

尤丽霞

(上海闰铭精密技术有限公司)

0 引言

近代工业高度发达，但随之而来的环境污染问题却异常严峻。固液分离技术及其设备已经渗透到能源、环境、生物、新材料、信息等高技术领域以及新兴工业领域，并已成为这些领域以及许多工业部门，包括现代化工、石油化工、制药、轻工、食品、矿产品加工、农副产品加工、水资源开发与再生利用等工业不可或缺的技术[1]。全球水资源急剧短缺，生存环境日益恶化，人们因此对固液分离工艺也提出了更高的要求[2]。过滤元件是过滤系统的核心组成部分，从某种意义上来说对整个过滤系统的成败起决定性的作用，因此对过滤元件的检测显得至关重要。

ISO 16889：1999阐述了以液压油过滤器多次通过法评定液压油滤芯过滤元件的性能，其中包括过滤芯压降、纳污量等参数的测定。但以水作为试验液体来评定过滤元件的性能，不论在国内还是在国际上都尚无标准可依。掌握过滤元件各项性能参数是过滤器及其元件生产企业进行产品创新所必需的。目前国内很多过滤元件都缺乏数据支持。本文介绍了一套通水过滤元件综合测试系统，该系统主要是应用单次通过法测试常规过滤原件的流量压差特性、过滤效率、容尘量和极限压差等性能参数，可为过滤元件的自主研发和选型提供定量的数据支持。

1 测试系统的设计制造

1.1 测试系统介绍

对于过滤元件的测试，常用的方法有多次通过法和单次通过法。多次通过法由标准ISO 16889：1999《液压传动过滤器——评定滤芯过滤性能的多次通过方法》作了详细的规定，内容包括模拟液压油和润滑油的工作环境，对过滤元件进行评估测试，以及评定液压过滤器的各项性能等。

单次通过法强调的是粉尘颗粒组分注入的一致性，更接近于大多数实际生产过滤工艺过程。单次通过法可以较容易地考察一些重要变量对过滤器性能的影响，例如过滤材料搭配、结构设计、工艺等。容尘量的测试在该测试设备上实施起来也很简单[3]。

本文所述的单次通过法测试系统流程如图1所示。

图1 过滤元件综合测试系统流程

1.2 供水模块

图1中模块A为供水模块，由纯水制造设备和一个水量1 m3的储水罐组成。

1.3 水处理模块

图1中模块B为水处理模块，使用变频离心泵调节系统流量。容尘量测试时，滤后液经过多级净化过滤，可保证储水罐中水的洁净度，实现单次过滤。

1.4 颗粒注入模块

图1中模块C为颗粒注入模块，测试时一般选用国际通用标准粉尘Arizona实验粉末，粉尘在搅拌池中充分分散。高精度的计量泵以稳定的流速把分散好的粉尘注入测试系统。

1.5 测试、取样模块

测试过滤元件安装于测试过滤器中，包括各种滤芯和滤袋。读取测试过滤器前后压力表和微压差表，获得过滤元件压差值。通过分别在测试过滤器前后取液体样品，利用微粒检测仪检测，计算过滤效率。

1.6 过滤元件电气控制模块

该系统电气控制部分集中在控制柜中，采用西门子PLC S7-200作为主控单元，联想计算机作为工程师站。具有友好的人机界面，可方便地显示操作现场泵、阀门等设备的参数以及设定的采样点压差值、采样次数、采样时间等参数，也可显示设备的实时运行状态、运行参数、数据报表等，还可选择测试模式、趋势图等，方便研发人员根据不同的过滤器及测试结果随时调整采样点压差参数、监控设备运行状态。

该系统具有五种测试模式，模式变量mode值0～4分别对应五种不同的测试模式：

手动模式 mode=0

过滤器极限测试模式 mode=1

过滤器流量与压差测试模式 mode=2

过滤器过滤效果测试模式 mode=3

过滤器纳污量测试模式 mode=4

在PLC及上位计算机的控制下，测试控制系统可自动完成以上模式的自动运行、自动采样，并自动记录测试参数到数据库；操作者可启动、停止数据记录，可查询历史记录，可选择性地统计数据并出具测试报表。

2 试验方法讨论

2.1 流量压差曲线

流量压差曲线是过滤元件的主要参数之一，该曲线描述的是过滤元件洁静压差随流量的变化规律。目前，在许多行业中过滤元件的使用寿命大多是通过终止压差来判定的，所以过滤元件的初始压差参数就显得至关重要。本文以滤芯J为例，用该测试系统测得流量压差曲线，如图2所示。图2所示的滤芯流量压差曲线几乎呈线性，与理论值相符，这也间接说明该测试系统的可靠性。此项参数可为过滤元件的研发和选型提供重要的数据支持。

图2 J滤芯流量压差曲线

2.2 过滤效率和容尘量测试

过滤效率即过滤元件对指定粒径颗粒的拦截效率。确定过滤效率通常需要测试过滤元件的初始效率，初始效率为过滤元件在洁净状态下的起始拦截效率。对于非绝对拦截的过滤元件而言，特别是实际应用为采用单次通过法的场合，初始效率值是选型的关键参数。HB 7669—2000航空液压过滤器标准中用单次通过法测得初始过滤比[4]。图3是J滤芯初始效率的测试结果。

图3 J滤芯过滤效率

过滤效率计算公式：

式中 ηi——对特定粒径di颗粒的过滤效率；

Ai——上游特定粒径di颗粒的个数；

Bi——下游特定粒径di颗粒的个数。

上下游粒子个数由实验室微粒检测仪测试，该仪器半年校准一次。

容尘量测试通常采用烘干称重法。容尘量就是达到某一压差值时，过滤元件能够承载杂质的质量。容尘量越大，过滤元件的使用寿命就越长。过滤效率和容尘量测试通常同时进行。

2.3 极限压差

极限压差为过滤元件能承受的最大压差，超过极限压差继续使用的话，过滤元件会出现结构上的破坏。一般建议，达到更换压差时即应更换过滤元件，以免过滤元件在超过极限压差时损坏而影响过滤效果。

3 结论

（1）过滤元件测试系统由四大测试模块和电气控制系统构成。通过计算机程序控制，能有效控制和操作各测试模块，为测试带来高效和便利。

（2）测试系统能测试不同过滤元件的流量压差特性、过滤效率、容尘量和极限压差等性能参数，为过滤器的研发和实际应用选型提供有力依据。

[1] 拉什顿，等.固液两相过滤及分离技术 [M].第2版.朱企新译.北京：化学工业出版社，2005.

[2] 姚公弼.固液分离的应用和发展概况 [J].过滤与分离,1994 （2） ：1-4.

[3] Ken Sutherland.Filters and filtration handbook[M].2008：45-46.

[4] HB 7669—2000航空液压过滤器单次通过试验方法[S].