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基于多孔材料成饼过滤技术的液氦净化研究

作　者: 李娟
导　师: 汪荣顺
学　校: 上海交通大学
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 多孔介质丝网过滤器成饼过滤反吹再生可压缩性滤饼分层
分类号: TQ051.85
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

液氦由于其极低的温度、超流动性（HeII）和热机械效应，在航天、军工、机械、医疗等领域都有重要用途。在液氦甚至超流氦温度下，如果其中存在任何杂质例如氧、氮、水分、碳氢化合物等等，这些杂质在低温下将固化，而任何细小的固体颗粒一方面将在系统内部造成污染，另一方面可能导致低温阀门不能正常关闭，从而使得液氦和超流氦大量流失。因此，必须研制出可行的液氦净化方法，尽可能最大量地去除其中的固体颗粒杂质，达到指定的纯度，从而保证所有设备的正常运转并满足寿命要求。过滤是从固液混合物中分离固体颗粒最有效的方法之一。成饼过滤过程中，利用表面型过滤介质进行两相分离，其特点是固体颗粒被截留在过滤介质表面形成滤饼。烧结不锈钢丝网过滤器是利用多层丝网叠层的合理搭配和真空烧结等复合工艺制备而成的一种多孔功能材料，具有机械强度高、能承受热应力及冲击、可在较高压差下稳定工作、易于反吹清洗、寿命长等特点。本文从理论和试验两个方面对于烧结不锈钢丝网过滤器这种多孔材料应用于液氦净化的机理和特性进行研究，具体内容及结论包括：一、过滤器结构型式及布置设计根据设计参数确定烧结不锈钢丝网过滤器的结构尺寸与性能指标，针对过滤丝网褶皱结构与圆筒结构、过滤器水平布置与垂直布置，结合计算流体动力学理论和多孔介质过滤理论，分别建立过滤器以及过滤外壳的整体三维模型。其中，使用多孔介质压降方程作为Navier-Stokes方程的动量源项。利用CFD软件StarCCM+求解模型。通过模拟结果与试验结果的对比分析发现，在相同外径、相同液氦流量以及相同的出口压力下，圆筒结构的压降为褶皱结构压降的2.67倍。重力作用对于整个过滤过程压降的影响较小，但是过滤器垂直布置不利于研究滤饼特性。因此，本文选用褶皱结构并将过滤器以水平形式布置。以上结论可为过滤器结构型式以及布置设计提供理论依据。二、液氦过滤与再生试验研究根据试验目的及原理，搭建液氦过滤与再生试验装置台，分为九个独立的系统：液氦输送系统、杂质气体充注系统、气液混合系统、过滤单元、滤液成分分析系统、反吹再生系统、真空绝热系统、安全保护系统、压力和温度测量系统。对于液氦/固氮颗粒、液氦/固氧颗粒两种滤浆，各自分别实施恒速过滤和恒压过滤试验。试验结果验证了烧结不锈钢丝网过滤器应用于液氦净化的可行性。恒速过滤试验结果表明：滤饼形成过程对于过滤特性具有关键影响。而且，在相同的固体颗粒体积浓度下，滤浆流量越高时压降升高趋势更快，到达最大允许压降的时间更短。在相同的滤浆流量下，固体颗粒体积浓度较高时，压降和过滤效率增长速度也较快。恒压过滤试验结果表明：固体颗粒体积浓度越高，滤浆流速下降越快，达到最低流速值的时间越短，过滤效率达到最高值的时间也越短。在恒速工况和恒压工况下，固氮滤饼和固氧滤饼的平均比阻都随着滤浆中固体杂质颗粒体积浓度的增加而降低。两种滤浆具有相同的结论。针对固氮滤饼、固氧滤饼，各自分别实施内部反吹、外部反吹、内外部反吹三种方式下的过滤器再生试验。定义反吹速度，比较三种反吹方式的差异程度。结果表明：三种反吹方式均能吹除过滤器表面以及过滤外壳内部沉积的固氮和固氧颗粒；内外部同时反吹方式的反吹速度最高，内部反吹方式次之，外部反吹方式最低。实际应用中，内外部同时反吹是最佳的再生方式。三、过滤器渗透率测试试验及结果分析基于多孔介质Darcy压降定律、Bernoulli方程、沿程损失与局部损失方程，计算过滤介质渗透率。利用纯净的低温液氦、液氮、常温氦气、氮气和氧气五种流体作为试验工质，最终获得烧结不锈钢丝网过滤器在三种温度下的渗透率数值。结果表明，低温下的渗透率比常温下低得多。这是因为低温下烧结不锈钢丝网发生一定程度的冷缩，流道结构发生改变。以体积应变为基本变量，使用Matlab软件对三种温度下的五组试验结果进行拟合，得出渗透率与温度的经验关系式，为烧结不锈钢丝网过滤器的实际应用提供参考。四、过滤过程数值模拟及试验结果对比分析基于滤饼压缩及分层特性，将滤饼生成过程离散成等时间间隔以内的逐层压缩过程，分析每一层滤饼的压降和厚度，结合颗粒沉积因子，建立滤饼生成模型。模型求解时，建立滤饼比阻连续性方程，以便利用Darcy方程计算每一层滤饼的压降；建立滤饼孔隙率连续性方程，以便利用Carman-Kozeny方程、Happel Cell方程和Ergun方程计算每一层滤饼的压降。提出目标函数，结合液氦+固氮颗粒、液氦+固氧颗粒这两种滤浆分别在三种工况下的恒速试验数据，利用反抛物线插值法求解目标函数最小值从而求取滤饼比阻连续性方程和滤饼孔隙率方程中的经验参数、最佳沉积因子、最适合试验工况的压降方程，为液氦过滤特性以及滤饼性质提供一种预测方法。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-17
第一章绪论  17-39
  1.1 应用背景及研究意义  17-19
    1.1.1 低温致冷剂  17
    1.1.2 超导磁体与超导腔  17-19
  1.2 液氦净化技术研究进展  19-21
    1.2.1 液氦净化技术概况  19-20
    1.2.2 现存问题总结  20-21
  1.3 成饼过滤与反吹再生技术研究现状  21-37
    1.3.1 成饼过滤技术研究现状  21-32
      1.3.1.1 压降与过滤效率研究现状  22-27
      1.3.1.2 滤饼性质研究现状  27-29
      1.3.1.3 过滤理论模型研究现状  29-32
    1.3.2 反吹再生技术研究现状  32-34
    1.3.3 烧结不锈钢丝网过滤器研究现状  34-37
  1.4 本文主要工作  37-39
第二章过滤器结构型式及布置设计  39-55
  2.1 烧结不锈钢丝网过滤器结构尺寸与性能参数  39-42
  2.2 基于计算流体动力学理论的液氦过滤数值模型  42-45
  2.3 过滤器结构型式设计  45-51
    2.3.1 褶皱结构  45-48
    2.3.2 圆筒结构  48-50
    2.3.3 褶皱结构与圆筒结构对比分析  50-51
  2.4 过滤器布置设计  51-54
    2.4.1 垂直布置  51-53
    2.4.2 水平布置与垂直布置对比分析  53-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章液氦过滤与再生试验研究  55-85
  3.1 试验目的  55
  3.2 试验原理  55-57
  3.3 试验装置  57-66
    3.3.1 液氦输送系统  60
    3.3.2 杂质气体充注系统  60-61
    3.3.3 气液混合系统  61-64
    3.3.4 过滤单元  64-65
    3.3.5 滤液成分分析系统  65-66
    3.3.6 反吹再生系统  66
    3.3.7 真空绝热系统  66
    3.3.8 安全保护系统  66
    3.3.9 压力和温度测量系统  66
  3.4 试验误差与不确定度分析  66-68
    3.4.1 试验误差分析  66-67
    3.4.2 试验不确定度分析  67-68
  3.5 试验步骤  68-70
    3.5.1 液氦过滤试验步骤  68-69
    3.5.2 反吹再生试验步骤  69-70
  3.6 液氦/固氮颗粒过滤与再生试验结果  70-78
    3.6.1 过滤试验结果  70-73
      3.6.1.1 恒速工况压降与过滤效率随着滤浆流量的变化  70-71
      3.6.1.2 恒速工况压降与过滤效率随着固氮体积浓度的变化  71-72
      3.6.1.3 恒压工况过滤速度与过滤效率随着固氮体积浓度的变化  72-73
    3.6.2 固氮滤饼平均比阻与滤浆中固氮体积浓度的关系  73-74
    3.6.3 再生试验结果  74-78
      3.6.3.1 内部反吹  74-75
      3.6.3.2 外部反吹  75-76
      3.6.3.3 内外部同时反吹  76-78
  3.7 液氦/固氧颗粒过滤与再生试验结果  78-84
    3.7.1 过滤试验结果  78-80
      3.7.1.1 恒速工况压降与过滤效率随着滤浆流量的变化  78-79
      3.7.1.2 恒速工况压降与过滤效率随着固氧体积浓度的变化  79
      3.7.1.3 恒压工况过滤速度与过滤效率随着固氧体积浓度的变化  79-80
    3.7.2 固氧滤饼平均比阻与滤浆中固氧体积浓度的关系  80-81
    3.7.3 再生试验结果  81-84
      3.7.3.1 内部反吹  81
      3.7.3.2 外部反吹  81-82
      3.7.3.3 内外部同时反吹  82-84
  3.8 本章小结  84-85
第四章过滤器渗透率测试试验及结果分析  85-94
  4.1 渗透率测试目的及原理  85-87
  4.2 试验误差与不确定度分析  87-88
    4.2.1 试验误差分析  87-88
    4.2.2 试验不确定度分析  88
  4.3 试验步骤  88-89
  4.4 试验结果  89-90
  4.5 渗透率与温度关系拟合  90-92
  4.6 本章小结  92-94
第五章过滤过程数值模拟及试验结果对比分析  94-113
  5.1 滤饼生成模型  94-103
    5.1.1 基于滤饼压缩及分层的滤饼生成模型  94-96
    5.1.2 颗粒沉积因子  96-97
    5.1.3 过滤压降计算方程  97-98
    5.1.4 滤饼比阻与孔隙率连续性方程  98-99
    5.1.5 反抛物线插值法  99-100
    5.1.6 模型求解流程  100-103
  5.2 液氦/固氮颗粒过滤过程数值模拟结果与试验结果对比分析  103-108
    5.2.1 经验参数及最佳沉积因子  104-105
    5.2.2 最佳压降方程  105-106
    5.2.3 不同沉积因子下数值模拟结果与试验结果对比分析  106-108
  5.3 液氦/固氧颗粒过滤过程数值模拟结果与试验结果对比分析  108-111
    5.3.1 经验参数及最佳沉积因子  108-109
    5.3.2 最佳压降方程  109-110
    5.3.3 不同沉积因子下数值模拟结果与试验结果对比分析  110-111
  5.4 本章主要结论  111-113
第六章工作总结与创新点  113-118
  6.1 本文工作总结  113-115
  6.2 本文创新点  115-116
  6.3 研究展望  116-118
参考文献  118-123
致谢  123-124
已发表论文  124

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