压载水过滤器滤网压降计算和试验研究

曲瑞波，杨志锋，王要伟

压载水过滤器滤网压降计算和试验研究

曲瑞波，杨志锋，王要伟

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471000）

压载水过滤器滤网自身的压降直接反映滤网的过流能力。对于不同类型滤网运用不同的经验公式对滤网的压降进行了理论计算，然后又通过TSS悬浮物含量与反冲洗时间间隔的试验方法对2种主滤网的过流能力进行试验对比，结果显示理论计算结果与实际试验结果基本一致，对过滤器主滤网选择有一定指导意义。

滤网压降；理论计算；试验对比

为符合压载水公约的规定，压载水系统厂家采用的一般方法就是先用过滤器对50 μm以上的微生物进行有效过滤[1]。过滤器所用滤芯一般是多层滤网组合，包括骨架层、保护层、主滤网。滤芯压降由滤网压降和滤饼压降组成，文献[2]研究表明滤饼压降约为滤芯总压降10%，文献[3]研究表明滤网孔隙率＜0.55时，滤网阻力其主要作用。所以本文研究中不计算滤饼压降。由于其他层网孔尺寸较大，滤芯内外压降由主滤网的滤网压降体现。本文比较各型滤芯压降差异时，仅计算主滤网的滤网压降。

现阶段工业水处理过滤器滤网主要采用方孔网和密纹网两种，不同滤网的过流效率有较大差异。考虑到压载水处理系统化学处理单元性能参数TRO浓度，本文针对方孔网、密纹网分别选择一种进行研究。首先采用经验公式进行理论计算，初步判定两种滤网的过流能力，然后通过TSS悬浮物含量与反冲洗时间间隔的试验方法对两种滤网的过流能力进行验证分析，为过滤器主滤网的选择提供一种方法。

1 滤网压降计算

本文以处理量100m³·h-1的过滤器为例进行研究，两种滤网规格参数如下表1所示，滤网内径为239mm，滤网长度为546mm。

1.1 滤网1方孔网压降计算公式

通过方孔筛网的流动可看作是流过很多并联的小孔或喷嘴。这样，滤网的压力降或液头损失可以由孔口型的公式计算。根据《Perry' s化学工程手册》（《 Perry's Chemical Engineer's Handbook》）[4]，其中第五章提出的关于筛网的压降计算公式:

∆=(/2)((1-2)/2)(2/(2g)) （1）

式中：∆—压降，m；

—串联的滤网数，无因次，本文中主滤网是单层滤网，所以=1；

—滤网排出系数，无因次；

—滤网自由投影面积分率，无因次；

—滤网前的表面速度；

g—9.8，有因次常数，m·s-2。

滤网排出系数可由图1查得，是滤网雷诺数的函数N=()/，其中=网孔宽度，=流体密度，=流体黏度。

图1 普通方孔网排出系数[4]

网孔宽度D=0.05 mm，参数g=9.8 m·s-2，参数=0.25；

20 ℃时，海水运动黏度=1.056 5×10-6m2·s-1,密度为=1 045 kg·m-3。

滤网前的表面速度:

=/。

=100/(3 600×239×546×0.25×π×10-6)

=0.27 m·s-1。

雷诺数:

N= (·V)/

= (0.05×10-3×0.27)/(0.25×1.056 5×10-6)

=51.11。

从图1查得=0.64。

压降:

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 滤网2密纹网的压力降计算

密纹网的编织方式不同于方孔网，所以密纹网的压降计算公式选用也和方孔网不同。密纹网的滤芯压降计算公式参考HB 6779—1993《航空液压过滤器设计指南》。压降计算公式为：

∆=（2/2）。

其中，滤网有效截面率= 0.135，滤网平均丝径为=0.18 mm。

滤网前的表面速度：

=/

=100/(3 600×239×546×0.135×π×10-6)

=0.5 m·s-1。

雷诺数：

=10/

=(10×0.5×0.18×10-3)/(1.056 5×10-6)

= 851.86＞400。

所以局部压降系数=1.3（1-）+（1-）2=1.873。压降：

∆2=（2/2）

=1.873×（0.52/2）×1 045=244.5 Pa。

由理论计算结果可知，∆1＞∆2，则滤网1方孔网压降＞滤网2密纹网压降，那么相较于滤网1，滤网2更适合做主滤网。

2 TSS悬浮物含量与反冲洗时间间隔的试验

2.1 试验内容

评价滤芯过滤性能的关键指标是过流效率，过流效率用保证过滤精度且在某一水质的额定流量下，用“滤网两侧压差从初始值达到某一设定值时所用的时间”来表征。实验平台流程图如图2所示，并依据数据自动采集系统对过滤器运行的关键参数进行采集，确保数据采集的全面性和准确性。

图2 试验平台工艺流程图

TSS悬浮物实验指的是按照IMO和USCG要求进行配水，采用亚利桑那粉末土和自来水配制成试验用的原水，并在实验过程中不停搅拌，以使粉末均匀分布。

2.2 试验方法

本次试验中制造两种孔径滤芯，其主滤网参数和表1一致。试验方法为从TSS=50 μg·g-1开始，递加步进为25，在每个TSS下记录运行数据，在某一水质条件下，额定流量运行时的滤网从初始压差值达到设定压差值时所消耗的时间。针对两组滤芯试验，将每次的运行条件调节为相同后，来比较它们在不同TSS浓度值时对应的反冲洗平均间隔时间。试验输出结果为采集在各悬浮物TSS浓度下的反冲洗平均间隔时间。

2.3 试验数据和结果

试验数据如表1所示。

表1 悬浮物TSS浓度下的反冲洗平均间隔时间

将表格内数据进行连点成线处理，如图3所示。图中呈现出滤网2过流能力优于滤网1，所以滤网2较适合做主滤网。

3 结论

主滤网的选择是要与压载水管理系统配套确定的，与网孔大小关系并不绝对。滤网选择时既要参考已实船验证成功的网型，也要注意尽量选择孔径相对较小的滤网以拦截更多的颗粒物及活体生物。本文的研究结果表明：

图3 滤网过流能力曲线

1）两种滤网压降理论计算结果显示滤网1方孔网压降＞滤网2密纹网压降。试验数据曲线结果显示滤网1方孔网过流能力较差。理论计算和试验结果都表明滤网2密纹网更适合做主滤网。

2）本文结果对于滤网选择有一定指导意义，但理论计算结果和试验数据还有一些差异，计算公式仍需进一步优化。

3）基于本文研究的后续工作，随着化学处理单元参数TRO浓度进一步降低，过滤器主滤网仍选用密纹网，但孔径选择上仍需深入研究和试验。

［1］]魏勇，汪亭玉.关于船舶压载水管理现状的调查与分析[J]. 海洋开发与管理, 2014, 80：78-83.

［2］宋全利，杨洪飞，刘贞姬，等. 网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算[J]. 农业机械学报, 2017, 6:10.

［3］孙东坡. 流道滤网微观阻力机理试验研究及应用[J]. 水动力学研究与进展，2010,11: 756.

［4］PerryPH. PERRY，化学工程手册[M] .北京:化学工业出版社, 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，河南省洛阳市人，工程师，硕士研究生，2011年毕业于华东理工大学化工过程机械专业，研究方向：船舶用压载水过滤器。

TQ028.5+3

A

1004-0935（2020）09-1069-03