盧 奇 張殿光 楊毓博 刁瑞瑩

(大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

物理過(guò)濾是海洋館維生系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，其核心部件過(guò)濾器通過(guò)其中的多孔介質(zhì)將水池中的懸浮物雜質(zhì)、水產(chǎn)品的排泄物、水產(chǎn)品的分泌物、殘餌等過(guò)濾掉，從而維持水池內(nèi)水質(zhì)穩(wěn)定。過(guò)濾器的功能性部件為多孔介質(zhì)填充物。如今，多孔介質(zhì)廣泛用于水處理的工藝中，一般多孔介質(zhì)濾料為優(yōu)質(zhì)的礫石、石英砂、無(wú)煙煤等介質(zhì)。多孔介質(zhì)可分為宏觀多孔介質(zhì)和微觀多孔介質(zhì)，是作為宇宙事物存在的基本構(gòu)架[1]。多孔介質(zhì)具有很多優(yōu)良的屬性，如多孔介質(zhì)流體阻力大，可用于物理過(guò)濾，不同粒徑下的多孔介質(zhì)其過(guò)濾效果是不同的。由于多孔介質(zhì)具有的優(yōu)良性質(zhì)，且天然多孔介質(zhì)的局限性過(guò)大，人造多孔介質(zhì)應(yīng)運(yùn)而生。人造多孔介質(zhì)為了滿足特定的工況，通過(guò)人造材料或有序或無(wú)序的堆積制造滿足不同工況的多孔介質(zhì)。

1 多孔介質(zhì)過(guò)濾器原理及參數(shù)

1.1 多孔介質(zhì)過(guò)濾原理

在過(guò)濾器中多孔介質(zhì)又稱為過(guò)濾介質(zhì)，其過(guò)濾機(jī)理是濁液在通過(guò)多孔介質(zhì)孔道時(shí)，其中的固體顆粒被多孔介質(zhì)固體骨架所截留，固體骨架即是多孔介質(zhì)填充物。濁液在外力的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)多孔介質(zhì)管道，液體中的固體顆粒在多孔介質(zhì)管道內(nèi)與固體骨架發(fā)生碰撞，沉積，最終被多孔介質(zhì)截留，從而達(dá)到過(guò)濾效果。但過(guò)濾效率與多孔介質(zhì)填充物顆粒粒徑、多孔介質(zhì)孔隙率、多孔介質(zhì)滲透率有關(guān)，且并非填充物顆粒粒徑越小，其過(guò)濾效果越好。

1.2 主要影響參數(shù)

1.2.1孔隙率ε

孔隙率可分為絕對(duì)孔隙率和有效孔隙率，在過(guò)濾器中，就多孔介質(zhì)而言，孔隙率一般指的是有效孔隙率。有效孔隙率的定義為多孔介質(zhì)內(nèi)相互連通的微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的外表體積的比值[2]。定義式為:

(1)

式中：V0——多孔介質(zhì)中空隙的總體積,m3；

V——多孔介質(zhì)外表體積，m3。

在過(guò)濾器中，選擇多孔介質(zhì)應(yīng)盡可能的避免無(wú)效空隙，無(wú)效空隙是一種封閉或半封閉的空隙，對(duì)于流體在過(guò)濾器中滲流過(guò)濾是不利的[3]。

1.2.2水力傳導(dǎo)系數(shù)K

水力傳導(dǎo)系數(shù)又稱滲透系數(shù)，定義為單位水力梯度下的單位流量，表征流體通過(guò)多孔介質(zhì)骨架的難易程度。受多孔介質(zhì)的參數(shù)影響，也取決于流體的物理性質(zhì)。

其計(jì)算公式如式(2)所示：

K=kρg/η

(2)

式中：K——水力傳導(dǎo)系數(shù)；

k——滲透率；

ρ——流體密度，kg/m3。

1.2.3迂曲度τ

迂曲度是反映多孔介質(zhì)中孔道彎曲程度的參數(shù)，迂曲度定義為流體通過(guò)多孔介質(zhì)通道的實(shí)際路線距離與多孔介質(zhì)區(qū)域的表觀長(zhǎng)度的比值。如圖1所示黑色路線為流體在多孔介質(zhì)中實(shí)際流動(dòng)距離。迂曲度定義計(jì)算式為:

(3)

式中：Lt——流體流經(jīng)孔道的實(shí)際長(zhǎng)度；

L0——多孔介質(zhì)區(qū)域的視長(zhǎng)度。

2 參數(shù)的測(cè)定

2.1 孔隙率的測(cè)定

由孔隙率的定義可知，孔隙率等于多孔介質(zhì)空隙體積與多孔介質(zhì)表體積的比值。測(cè)量多孔介質(zhì)孔隙率采用融化法、排水法、氣體膨脹法、壓汞法、吸滲法[4]。由于本實(shí)驗(yàn)使用的多孔介質(zhì)填充物為非金屬，融化的難度大。因此采用排水法測(cè)量其孔隙率，在測(cè)量空隙體積時(shí)采用排水法。在量筒中裝入一定體積的水，水面刻度為L(zhǎng)1，將多孔介質(zhì)放入量筒中，使水完全浸沒多孔介質(zhì)，此時(shí)水面刻度上升到L2，孔隙率可以采用式(4)計(jì)算:

(4)

式中：V——多孔介質(zhì)外面體積，m3；

L1，L2——量筒水面前后刻度，m；

S——量筒截面面積，m2。

如表1和表2所示為用排水法測(cè)量出的多孔介質(zhì)孔隙率。

從以上數(shù)據(jù)初步可以看出堆積顆粒多孔介質(zhì)中，介質(zhì)顆粒越小，其孔隙率越小，顆粒堆積越密集，其迂曲度也相應(yīng)增大。多孔介質(zhì)對(duì)水中顆粒物的截獲能力變大。

表1 粒徑0.651 2 cm介質(zhì)的孔隙率

表2 粒徑1.748 cm介質(zhì)的孔隙率

2.2 迂曲度的計(jì)算

迂曲度的測(cè)量實(shí)際為測(cè)量流體質(zhì)點(diǎn)在多孔介質(zhì)流道內(nèi)流動(dòng)的實(shí)際長(zhǎng)度。由于多孔介質(zhì)內(nèi)孔道十分復(fù)雜且流道并非單一流道，流道與流道之間相互聯(lián)系，流體質(zhì)點(diǎn)在流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)具有隨機(jī)性和不規(guī)則性，測(cè)量結(jié)果具有較大的人為性和特定工況性[5-7]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所搭建的達(dá)西試驗(yàn)臺(tái)，多孔介質(zhì)區(qū)域視長(zhǎng)度L0=0.086 m，多孔介質(zhì)區(qū)域截面面積長(zhǎng)度A=0.031 4 m2，液面差Δh=0.65 m，流量Q=0.381 4×10-4m3/s。根據(jù)達(dá)西公式(5)可求得滲透率。

(5)

計(jì)算得出滲透率k=0.164 8×10-10。根據(jù)文獻(xiàn)[8][9]提出的公式得到迂曲度τ=2.33。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

測(cè)量?jī)煞N不同粒徑的多孔介質(zhì)過(guò)濾器的過(guò)濾效率。搭建如下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

如圖2所示，具有一定濁度的懸浮顆粒流體由恒壓水箱提供，在底部磁力攪拌泵的作用下，使得懸浮顆粒在水體中分布均勻，通過(guò)泵將懸浮顆粒流體泵入多孔介質(zhì)管道的入口。流體進(jìn)入過(guò)濾器中，被多孔介質(zhì)過(guò)濾、截流。流體經(jīng)過(guò)過(guò)濾管道，玻璃測(cè)壓管中的液位發(fā)生變化，液體變化的差值即是管內(nèi)水壓值，測(cè)壓裝置可以顯示過(guò)濾器5處測(cè)壓孔處的壓力值。根據(jù)這五方面的壓力變化情況，可以得出過(guò)濾器滲流過(guò)程中的壓力降。流體通過(guò)過(guò)濾管段后流入量筒中，量筒每接1 000 mL流體更換量筒，并記錄電子天平的讀數(shù)，電子天平的讀數(shù)為每1 000 mL過(guò)濾后液體的重量。在量筒和恒壓水箱中分別取樣為流體A和流體B，將流體A，B放入濁度儀中，得到流體A與流體B的濁度，并計(jì)算出過(guò)濾效率。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 不同粒徑下多孔介質(zhì)過(guò)濾器的過(guò)濾效率

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)，得到了不同粒徑下的多孔介質(zhì)過(guò)濾器過(guò)濾效率，具體數(shù)據(jù)如表3,表4所示。

表3 粒徑0.651 2 cm介質(zhì)過(guò)濾效率

表4 粒徑1.748 cm介質(zhì)過(guò)濾效率

4.2 粒徑對(duì)過(guò)濾效果的影響

通過(guò)對(duì)各個(gè)粒徑下多孔介質(zhì)孔隙率、迂曲度、過(guò)濾比的測(cè)量與計(jì)算，得到圖3所示曲線圖，從圖3中可看出隨著粒徑的增大，孔隙率隨之增大，迂曲度隨之減小，當(dāng)粒徑超過(guò)一定值時(shí)，迂曲度的減小速率會(huì)增加，造成這種現(xiàn)象的原因可能由于粒徑的增大，多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)顆粒數(shù)的減少、重量減輕、顆粒之間的作用力減小，從而使得顆粒本身的重力對(duì)流道彎曲度的影響減小。多孔介質(zhì)迂曲度的降低，使得流道的彎道阻力降低，流體更容易流通多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)骨架對(duì)流體中雜質(zhì)的截留能力降低，過(guò)濾比降低。

5 結(jié)論及展望

針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖維生系統(tǒng)中的物理過(guò)濾，需要在滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖基本的供水量的情況下，將水質(zhì)過(guò)濾到適合魚類生存的水質(zhì)條件。圖4為各粒徑下對(duì)應(yīng)的過(guò)濾比與出水流量，從圖4中可知，在選擇多孔填充顆粒的粒徑時(shí)，不能只考慮到過(guò)濾比，高過(guò)濾比的多孔介質(zhì)其出水流量會(huì)大幅降低，滿足不了水產(chǎn)養(yǎng)殖的基本需求。將達(dá)西公式代入迂曲度公式中得到迂曲度與出水流量的關(guān)系式(6)。

(6)

式(6)中迂曲度與顆粒粒徑成正相關(guān)關(guān)系，與出水流量的二次方根成負(fù)相關(guān)關(guān)系，在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，根據(jù)圖4綜合考慮多孔介質(zhì)填充顆粒的粒徑。

本文實(shí)驗(yàn)采用的為圓形顆粒填充物，自然堆積成多孔介質(zhì)，對(duì)于其他形狀填充物，其流道、孔隙率、迂曲度、過(guò)濾比之間的關(guān)系更為復(fù)雜。對(duì)于其組成的多孔介質(zhì)填充材料的性能需要過(guò)多的實(shí)驗(yàn)研究。