基于多孔材料成餅過濾技術(shù)的液氦凈化研究.pdf

1、液氦由于其極低的溫度、超流動(dòng)性(HeII)和熱機(jī)械效應(yīng),在航天、軍工、機(jī)械、醫(yī)療等領(lǐng)域都有重要用途。在液氦甚至超流氦溫度下,如果其中存在任何雜質(zhì)例如氧、氮、水分、碳?xì)浠衔锏鹊?這些雜質(zhì)在低溫下將固化,而任何細(xì)小的固體顆粒一方面將在系統(tǒng)內(nèi)部造成污染,另一方面可能導(dǎo)致低溫閥門不能正常關(guān)閉,從而使得液氦和超流氦大量流失。因此,必須研制出可行的液氦凈化方法,盡可能最大量地去除其中的固體顆粒雜質(zhì),達(dá)到指定的純度,從而保證所有設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)并滿足

2、壽命要求。過濾是從固液混合物中分離固體顆粒最有效的方法之一。成餅過濾過程中,利用表面型過濾介質(zhì)進(jìn)行兩相分離,其特點(diǎn)是固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面形成濾餅。燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)過濾器是利用多層絲網(wǎng)疊層的合理搭配和真空燒結(jié)等復(fù)合工藝制備而成的一種多孔功能材料,具有機(jī)械強(qiáng)度高、能承受熱應(yīng)力及沖擊、可在較高壓差下穩(wěn)定工作、易于反吹清洗、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、胚^濾器結(jié)構(gòu)型式及布置設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)過濾器的結(jié)構(gòu)

3、尺寸與性能指標(biāo),針對(duì)過濾絲網(wǎng)褶皺結(jié)構(gòu)與圓筒結(jié)構(gòu)、過濾器水平布置與垂直布置,結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論和多孔介質(zhì)過濾理論,分別建立過濾器以及過濾外殼的整體三維模型。其中,使用多孔介質(zhì)壓降方程作為Navier-Stokes方程的動(dòng)量源項(xiàng)。利用CFD軟件Star CCM+求解模型。通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在相同外徑、相同液氦流量以及相同的出口壓力下,圓筒結(jié)構(gòu)的壓降為褶皺結(jié)構(gòu)壓降的2.67倍。重力作用對(duì)于整個(gè)過濾過程壓降的影響較小,但

4、是過濾器垂直布置不利于研究濾餅特性。因此,本文選用褶皺結(jié)構(gòu)并將過濾器以水平形式布置。以上結(jié)論可為過濾器結(jié)構(gòu)型式以及布置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　?、埔汉み^濾與再生試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募霸?搭建液氦過濾與再生試驗(yàn)裝置臺(tái),分為九個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng):液氦輸送系統(tǒng)、雜質(zhì)氣體充注系統(tǒng)、氣液混合系統(tǒng)、過濾單元、濾液成分分析系統(tǒng)、反吹再生系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)、壓力和溫度測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于液氦/固氮顆粒、液氦/固氧顆粒兩種濾漿,各自分別實(shí)施恒速

5、過濾和恒壓過濾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)過濾器應(yīng)用于液氦凈化的可行性。恒速過濾試驗(yàn)結(jié)果表明:濾餅形成過程對(duì)于過濾特性具有關(guān)鍵影響。而且,在相同的固體顆粒體積濃度下,濾漿流量越高時(shí)壓降升高趨勢(shì)更快,到達(dá)最大允許壓降的時(shí)間更短。在相同的濾漿流量下,固體顆粒體積濃度較高時(shí),壓降和過濾效率增長(zhǎng)速度也較快。恒壓過濾試驗(yàn)結(jié)果表明:固體顆粒體積濃度越高,濾漿流速下降越快,達(dá)到最低流速值的時(shí)間越短,過濾效率達(dá)到最高值的時(shí)間也越短。在恒速工況和恒

6、壓工況下,固氮濾餅和固氧濾餅的平均比阻都隨著濾漿中固體雜質(zhì)顆粒體積濃度的增加而降低。兩種濾漿具有相同的結(jié)論。針對(duì)固氮濾餅、固氧濾餅,各自分別實(shí)施內(nèi)部反吹、外部反吹、內(nèi)外部反吹三種方式下的過濾器再生試驗(yàn)。定義反吹速度,比較三種反吹方式的差異程度。結(jié)果表明:三種反吹方式均能吹除過濾器表面以及過濾外殼內(nèi)部沉積的固氮和固氧顆粒;內(nèi)外部同時(shí)反吹方式的反吹速度最高,內(nèi)部反吹方式次之,外部反吹方式最低。實(shí)際應(yīng)用中,內(nèi)外部同時(shí)反吹是最佳的再生方式。

7、r>　　⑶過濾器滲透率測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析。基于多孔介質(zhì)Darcy壓降定律、Bernoulli方程、沿程損失與局部損失方程,計(jì)算過濾介質(zhì)滲透率。利用純凈的低溫液氦、液氮、常溫氦氣、氮?dú)夂脱鯕馕宸N流體作為試驗(yàn)工質(zhì),最終獲得燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)過濾器在三種溫度下的滲透率數(shù)值。結(jié)果表明,低溫下的滲透率比常溫下低得多。這是因?yàn)榈蜏叵聼Y(jié)不銹鋼絲網(wǎng)發(fā)生一定程度的冷縮,流道結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。以體積應(yīng)變?yōu)榛咀兞?使用Matlab軟件對(duì)三種溫度下的五組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)

8、行擬合,得出滲透率與溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,為燒結(jié)不銹鋼絲網(wǎng)過濾器的實(shí)際應(yīng)用提供參考。
　?、冗^濾過程數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析?；跒V餅壓縮及分層特性,將濾餅生成過程離散成等時(shí)間間隔以內(nèi)的逐層壓縮過程,分析每一層濾餅的壓降和厚度,結(jié)合顆粒沉積因子,建立濾餅生成模型。模型求解時(shí),建立濾餅比阻連續(xù)性方程,以便利用Darcy方程計(jì)算每一層濾餅的壓降;建立濾餅孔隙率連續(xù)性方程,以便利用Carman-Kozeny方程、Happel Cell方程