CN116672815A - 一种多级过滤器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级过滤器及其设计方法，包括主流道、设于主流道上下游的多个旋转多通阀、多个单通阀、流量控制模块，所述主流道、旋转多通阀、单通阀、流量控制模块紧密贴合且相互连通，所述旋转多通阀包括转子、定子、驱动部。本发明中，通过在旋转多通阀内的定子和转子上开设有通孔，并使其形成不同的切换通道，使得单个旋转多通阀可以相当于多个单通阀门，极大地减小了阀门的布置，将主流道、旋转多通阀、单通阀、流量控制模块紧密贴合且相互连通，减少了原先设置的连接管路的占用空间，同时多个旋转多通阀和单通阀的设置可根据阀组间阀位逻辑实现不同切换通道的组合，减小了气体模组的安装尺寸，节省了安装空间。

Description

一种多级过滤器及其设计方法
技术领域
本发明涉及尾气处理设备技术领域，更具体涉及一种多级过滤器及其设计方法。
背景技术
气体处理系统可对腔体内的气体实现过滤、排气、抽除及气体流量测量控制、排气压力测量控制，以及气体成分检测等功能。
气体处理过程中涉及到的过滤器有金属烧结过滤器、聚四氟乙烯烧结过滤器、气动阀、差压计、单向阀等，过滤器两端安装压力变送器，测量过滤器前端进气和过滤器后端出气之间的压差，以此判定管路通气能力和过滤器工况。当压差达到设定值或压差过大时，说明过滤器发生堵塞，判定为过滤功能“失效”。高密封性过滤器必须在有限空间内同时满足高过滤效率与低阻力损失。
在大型气体过滤处置系统中，既要保证气体流通的速度又要保证过滤的质量，这就对过滤器的压降性能提出了很高的要求；过滤器使用在危险气体的场合较多，如天然气管路系统，在这种系统中工作要求过滤器机械强度高、低压降保证气体流量的连续性、强耐腐蚀性、集尘能力强、过滤褶皱面积大的要求，这就必然要对过滤器开展优化设计与实验验证。当前的过滤器有集中在基于有限元仿真的过滤器结构设计，确定过滤器尺寸满足使用安全要求。如采用粗、细两级的过滤器进行电力系统除尘的技术，分析不同质量流量下粗粒和细粒的压降、收集效率和粉尘粒径分布，表明过滤效率较好，主要应用于粒径在1mm以上颗粒的过滤，收集效率为99.75％。还有的应用插值法和缩小比例的方法，对过滤器的压力损失系数进行模拟分析，以用于指导过滤器设计。还有的分析含有两种多孔介质的过滤装置的气动行为，得到空气流经过滤器中多孔介质时的流动特性、压力分布和速度分布等方面的变化，表明在一定范围内，多孔介质对气体流动起到了很好的过滤作用，但是当流量较大或环境条件恶劣时，多孔介质也会导致压降增加、过滤效率降低等问题。通过对工业上低压金属纤维过滤器在一系列压力和不同流量下的性能进行测试，表明最大渗透速率随压力和流量的降低而降低，低压过滤器性能的准确预测关键取决于过滤器填料密度的有效分布。
现有专利公告号为CN 218653368 U的专利文献公开了一种过滤装置，包括多级过滤器，所述多级过滤器包括若干个依次连接的单级过滤器，上一级单级过滤器的过滤精度小于下一级单级过滤器的过滤精度；单级过滤器包括腔体和滤芯，所述滤芯设置在所述腔体的内部，所述滤芯由外向内设置有至少三层滤膜。
对于um级以下粒径颗粒进行过滤的过滤器，则需要采用多级的方式，但现有的过滤器过滤效率不高，同时由于过滤气体压力较大，容易导致滤芯受损，影响过滤效果，难以实现高压气体管路中um级颗粒的有效过滤。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，如何实现提高过滤器滤芯的安装强度。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种多级过滤器，包括多个依次相连的次级过滤器，所述次级过滤器包括壳体、滤芯，所述壳体内壁沿其轴线方向设有环形的支撑板，所述支撑板中心处开设有安装凹槽，所述滤芯伸入安装凹槽的一端为锯齿状并与安装凹槽粘接固定，所述滤芯还通过压环与安装凹槽连接紧固。
通过将滤芯伸入安装凹槽的一端为锯齿状并与安装凹槽粘接固定，提高了滤芯的固定效果，同时在支撑板外侧固定压环可对滤芯进一步固定，进一步提高了滤芯的固定效果，实现高压气体管路中um级颗粒的有效过滤，保证了过滤效果。
作为优选的技术方案，所述支撑板两端均固定连接有压环，并围合形成一个与滤芯相适配的安装腔。
作为优选的技术方案，所述安装凹槽与滤芯相连的一端设有与滤芯连接端相适配的安装凸起。
作为优选的技术方案，所述次级过滤器包括依次相连的第一次级过滤器、第二次级过滤器、多个第三次级过滤器，所述滤芯包括第一滤芯、第二滤芯、第三滤芯，且其分别固定设于第一次级过滤器、第二次级过滤器、第三次级过滤器内，所述第一滤芯过滤效率低于第二滤芯，所述第二滤芯过滤效率低于第三滤芯。
作为优选的技术方案，所述第一滤芯为粗海绵，所述第二滤芯为细海绵，所述第三滤芯为玻璃纤维滤纸。
作为优选的技术方案，所述安装凸起与滤芯的连接端之间填充固状胶水。
作为优选的技术方案，所述压环为钢丝网压片。
一种多级过滤器的设计方法，包括如下步骤：S1：获取多级过滤器的结构参数，得到各个结构参数与过滤器过滤效率和压降之间的关联关系，确定结构参数；
其中S1包括以下步骤：
S11：根据过滤器承压能力P和过滤器内部管路直径D设计要求，确定管道计算壁厚，其中管道计算壁厚的计算公式为：
式中，SC为过滤器计算壁厚；P为设计压力；D为过滤器内径；[δ]t为设计温度下的许用应力；φ为焊接系数；C为腐蚀裕量，带入公式得到，得到过滤器计算壁厚。根据安全系数得到过滤器实际壁厚Sn的值，那么过滤器外径为D+Sn；
S12：根据管道壁厚和其他相应参数，进行三维建模和动力学分析，校核过滤器设计的强度；过滤器使用的钢材的许用应力为[δ]t，通过动力学分析得到在外筒体承受目标内压条件下的最大应力的数值，判断其与材料屈服强度的大小；
S13：根据过滤器管道面积确定过滤器滤芯面积；基于过滤器筒体通径并减去滤芯粘接固定的面积，确定滤芯外径，根据空气流阻、过滤器结构尺寸、滤纸折叠厚度确定折叠深度及折叠层数；
过滤器的有效面积ADN计算如公式为：
ADN＝π×a×b
式中椭圆长径为a，椭圆短径为b；
S14：选择过滤器滤芯材料；
S15：计算过滤器滤芯性能；过滤器气体处理量的计算公式为：
Q＝ADNV
式中：Q为气体处理量；V为气体进出管道的流速，根据技术设计指标要求的流量q，计算V的数值从而得到过滤器的处理量Q；
出口压力与入口压力的压差即为压降，计算公式如下：
式中：h为压降，ξ为局部阻力系数，V为进出管道的流速；并根据计算出的h与要求值进行比较。
S16：确定过滤器夹层厚度与级数；
按照技术指标要求，过滤器总长保持不变，改变级数和空气夹层厚度，采用动力学仿真分析压降随着空气夹层厚度的变化关系，综合考虑压降和过滤效率，根据空气夹层厚度选取过滤器级数值；
其中S2包括以下步骤：
S2：根据获取的多层过滤器结构参数进行加工和装配，过滤器每一级之间焊接连接，保证密封效果；其中S2包括以下步骤：
S21：加工过滤器；根据S1分析结果，加工出多级过滤器；过滤器模块主要由过滤器每一级子单元、VCR接头及电动阀组成，过滤器每一级之间焊接连接；
S22：装配过滤器；
S3：根据加工装配得到的紧凑型多层极过滤器，进行过滤效率测试和压降测试，其中，S3包括以下步骤：
S31：过滤器压降实验测试；搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成；
S32：过滤器过滤效率测试；搭建过滤器过滤效率测试平台，颗粒物过滤效率测试的对象为0.3μm以上所有粒子数，初始浓度105个/L～106个/L；颗粒物过滤效率在标准风量下测试；参考QB/T 5365-2019 6.4.1和GF/T14295附录A进行试验。
作为优选的技术方案，S31包括如下步骤：
S311：搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成；
S3111：将氮气源输出端与针阀相连，针阀与流量计输入端相连，流量计输出端与过滤器输入端相连；
S3112：将差压计两端放在在过滤器的输入端和输出端，用电流计来测差压计信号；
S312：打开气源针阀与流量计，使过滤器输入端气体压力达到Pi(0.2MPa≤Pi≤1.6MPa)；
S313：采用电流计测试差压计信号，转换成对应的压力值，得到过滤器压降；
S314：加大气源输出流量，使过滤器输入端气体压力达到Pi＝Pi+0.2MPa，返回S313；
S315：重复S313-S314，直到测试得到预定组数据，求得预定组压降ΔPi；
S316：判断每一组过滤器压降ΔPi是否满足要求，如果不同输入气体压力下过滤器的压降在3-5kPa之间则满足使用要求，否则不满足，进行全流程检查或者重新设计。
作为优选的技术方案，S32包括如下步骤：
S321：搭建过滤器过滤效率测试平台；过滤效率测试平台由气溶胶发生器，风机和收集装置、风压管路和过滤器组成；
S3211：将风机与气溶胶发生器相连，风机风量可以确保110mm气体管路流量可以达到160L/min，气溶胶发生器的颗粒物粒径在0.3μm以上，颗粒物初始浓度可以达到105个/L～106个/L；
S3212：将试验风道与过滤器气体输入端进行相连；试验风道包括依次设置在试验风道上的空气净化模块、污染物注入口、上游采样口、压差采样口、待测过滤器、第一下游采样口、第二下游采样口、选配管道、喷嘴箱；其中，试验风道管道的材料采用不锈钢，第一下游采样口用于颗粒物及微生物采样，第二下游采样口用于气体污染物采样，选配管道用于气态污染物试验；
S322：启动风机，调节风量至受试空气过滤器的额定风量；
S323：开启气溶胶发生器，气溶胶的发生浓度确保下游浓度测试时每次采样的粒子数不少于100个；
S324：采用计数器测试；在受试过滤器上游采样处和下游采样处用粒子计数器进行测试，应待数值稳定后，先下风侧，后上风侧各测5次，取5次平均值，求颗粒物过滤效率。过滤效率的计算公式为：
式中，n1为过滤器下游采样处测试5次得到的粒子数平均值，n2为过滤器上游采样处测试5次得到的粒子数平均值；
S325：评价过滤器过滤效率，当高效过滤器过滤效率测试结果为99.999％，满足技术指标要求，否则不满足，展开全流程检查或重新设计。
本发明的优点在于：
(1)本发明中，通过将滤芯伸入安装凹槽的一端为锯齿状并与安装凹槽粘接固定，提高了滤芯的固定效果，同时在支撑板外侧固定压环可对滤芯进一步固定，进一步提高了滤芯的固定效果。
(2)本发明中，通过第三滤芯与次级过滤器粘接固定，可防止污染气体从边缘处泄漏，通过在第三滤芯两端设置钢丝网压环，可防止气体冲击力过大使得滤芯变形过大损坏密封结构。
(3)本发明中，通过动力学分析，确定了多级过滤器结构参数和最优的过滤级数，在保证过滤效率的前提下，降低了压降效应，实现了紧凑型过滤器的设计。
(4)本发明中，通过搭建过滤器压降和过滤效率测试平台，实现了对设计过滤器方法的有效验证，构成了过滤器结构参数设计、加工装配、实验验证的全过程闭环设计流程。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的的整体系统示意图；
图2为本发明实施例1提供的气体模组箱体内部结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的第一阀组结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的第一杆套剖面结构示意图；
图5为本发明实施例1提供的第二阀组结构示意图；
图6为本发明实施例1提供的第二阀组阀杆剖面结构示意图；
图7为本发明实施例1提供的第二杆套剖面结构示意图；
图8为本发明实施例1提供的第五阀组结构示意图；
图9为本发明实施例1提供的第五杆套剖面结构示意图；
图10为本发明实施例1提供的第五阀杆结构示意图；
图11为本发明实施例1提供的气道板结构示意图；
图12为本发明实施例1提供的排气单元内部结构示意图；
图13为本发明实施例1提供的流量控制器结构示意图；
图14为本发明实施例1提供的L型转接板结构示意图；
图15为本发明实施例1提供的过滤单元结构示意图；
图16为本发明实施例1提供的过滤单元内部结构示意图；
图17为本发明实施例1提供的多级过滤器剖面结构示意图；
图18为本发明实施例2提供的设计方法流程示意图；
图19为本发明实施例2提供的S311流程结构示意图；
图20为本发明实施例2提供的S321结构示意图；
图21为本发明实施例2提供的过滤器应力实验数据示意图；
图22为本发明实施例2提供的外筒体应力实验数据示意图；
图23为本发明实施例2提供的滤芯有效过滤面积结构示意图；
图24为本发明实施例2提供的压降位置曲线示意图；
图25为本发明实施例2提供的过滤效率曲线示意图；
图26为本发明实施例2提供的压降实验结构示意图；
图27为本发明实施例2提供的过滤器压降测试平台结构示意图；
图28为本发明实施例1提供的气道板剖面结构示意图；
附图标号：
1、过滤单元；11、过滤单元箱体；12、多级过滤器；121、次级过滤器；1211、安装凹槽；1212、对接凸起；122、支撑板；1221、通孔；123、压环；13、滤芯；131、第一滤芯；132、第二滤芯；133、第三滤芯；2、排气单元；21、气体模组；210、气体模组箱体；22、质谱检测模块；221、流量控制模块；2211、流量控制器；2212、L型转接板；222、气体取样模块；223、在线检测模块；2231、检测支路；2232、气体检测仪；2233、成分检测缓冲罐；23、真空泵组；24、总控模块；25、阀组模块；2501、第一阀组；25011、第一阀组壳体；25012、第一阀杆；25013、第一杆套；25014、第一通孔；25015、第一连接通道；25016、第二连接通道；2502、第二阀组；25021、第二阀组壳体；25022、第二阀杆；25023、第二杆套；250231、第一导通孔；250232、第二导通孔；250233、第三导通孔；250234、第四导通孔；25024、第二通孔；25025、第一输入通道；25026、第一输出通道；25027、第二输出通道；25028、第三输出通道；25029、第一环状腔室；2503、第三阀组；2504、第四阀组；2505、第五阀组；25051、第五阀组壳体；25052、第五阀杆；25053、第五杆套；25054、第二环状腔室；250531、第五导通孔；250532、第六导通孔；250533、第七导通孔；2506、第六阀组；2507、第七阀组；251、控制阀；2511、阀杆；2512、开孔；252、驱动电机；253、气道板；2531、气道；25311、第一气道；25312、第二气道；25313、第三气道；25314、第四气道；25315、第五气道；26、排气单元箱体；3、储气罐；4、氮气罐；5、压力传感器；61、空气净化模块；62、污染物注入口；63、上游采样口；64、压差采样口；65、待测过滤器；66、第一下游采样口；67、第二下游采样口；68、选配管道；69、喷嘴箱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅图1、图10，一种带有多级过滤器的过滤排气集成系统，包括依次连通的进气单元、过滤单元1、排气单元2、储气单元，本实施例中，储气单元为储气罐3，排气单元2包括气体模组21、质谱检测模块22、真空泵组23、总控模块24、阀组模块25、排气单元箱体26，气体模组21、质谱检测模块22、真空泵组23、总控模块24均固定连接在排气单元箱体26内，本实施例中，四位三通阀为第二阀组2502，其中，真空泵组23固定在排气单元箱体26底部，质谱检测模块22位于真空泵组23顶部，进气单元依次通过质谱检测模块22、气体模组21与储气罐3相连，气体模组21包括相互连通的流量控制模块221、气体取样模块222、多个旋转多通阀、多个单通阀、主流道，多个旋转多通阀、多个单通阀、流量控制模块221、气体取样模块222分别连接在主流道的上下游，气体取样模块222位于真空泵组23顶部，流量控制模块221分别通过阀组模块25内的不同阀组与气体取样模块222和真空泵组23相连，阀组模块25包括设有多个切换通道的控制阀251，多个切换通道均设于控制阀251的阀杆2511内，且其输入端共用一个接口，气体取样模块222、真空泵组23的输入端口分别与控制阀251的切换通道对应连接；旋转多通阀包括转子、定子、驱动部，转子转动设于旋转多通阀内且与驱动部的输出端传动连接，定子固定设于旋转多通阀内并与转子转动配合，定子上开设有输入端口和多个输出端口，输入端口和多个输出端口分别形成多个切换通道；
需要说明的是，排气单元箱体26内设有氮气冲洗接口，氮气冲洗接口与外部氮气罐4相连，可实现对整个管路的冲洗。
参阅图1、图2，阀组模块25固定连接在气体模组21内，气体模组21包括气体模组箱体210，阀组模块25包括七个控制阀251、驱动电机252、气道板253，以下记为第一阀组2501、第二阀组2502、第三阀组2503、第四阀组2504、第五阀组2505、第六阀组2506、第七阀组2507；控制阀251上均对应连接有驱动电机252，驱动电机252均与总控模块24电性连接，分为四类阀组，第Ⅰ类阀组为圆柱形旋转单通阀包括第一阀组2501、第三阀组2503、第四阀组2504，其中第一阀组2501、第三阀组2503、第四阀组2504结构相同，第Ⅱ类阀组为圆柱形旋转四位三通阀包括第二阀组2502、第七阀组2507，第二阀组2502、第七阀组2507结构相同，第Ⅲ类阀组为圆柱形旋转三位两通阀包括第五阀组2505，第Ⅳ类阀组为圆柱形旋转两位两通阀包括第六阀组2506；
气体模组箱体210顶部从左至右依次连接有第一阀组2501、气道板253、第二阀组2502，气体模组箱体210底部从左至右依次固定连接有第四阀组2504、气道板253、第五阀组2505、流量控制模块221、第六阀组2506、第七阀组2507，参阅图11和图28，主流道包括气道板253，气道板253上设有五个气道2531，以下记为第一气道25311、第二气道25312、第三气道25313、第四气道25314、第五气道25315，第一气道25311与第一阀组2501的输出端相连，第一阀组2501的输入端与外部输入管路相连，气道板253通过第四气道25314与第二阀组2502的输入端相连，第一阀组2501和与第四阀组2504之间还设有第三阀组2503，气道板253通过第二气道25312与第三阀组2503的输入端相连，气道板253与压力传感器7相连，气道板253通过第三气道25313与第四阀组2504的输入端相连，第四阀组2504的输出端与另一外部管路相连，气道板253通过第五气道25315与第五阀组2505输入端相连，第五阀组2505的输出端通过流量控制模块221的输入端相连，流量控制模块221的输出端通过第六阀组2506与第七阀组2507相连。
参阅图3-图10，每个控制阀251上均设有与其对应的驱动电机252，驱动电机252与控制阀251的阀杆2511传动连接，阀杆2511周向开设有多个开孔2512，多个开孔2512沿阀杆2511周向呈螺旋分布，阀杆2511与阀组模块25的驱动电机252传动连接，驱动电机252驱动阀杆2511以其轴线为转轴转动，以开启和关闭相应切换通道。
参阅图3、图4，第一阀组2501为单通阀，仅实现开启和关断功能，第一阀组2501包括第一阀组壳体25011、第一阀杆25012、第一杆套25013、第一通孔25014、第一连接通道25015、第二连接通道25016，第一阀组壳体25011内中心处开设有同轴且不连续的第一连接通道25015和第二连接通道25016，第一阀杆25012上开设有两个第一通孔25014，两个第一通孔25014形成一个贯穿阀杆2511的通路，第一杆套25013固定连接在第一阀组壳体25011内，且与第一阀杆25012转动配合，第一杆套25013左右两端分别开设有与第一连接通道25015、第二连接通道25016的截面端口相适配的导通孔，当两个第一通孔25014分别与第一连接通道25015、第二连接通道25016的截面端口、第一杆套25013上的两个导通孔对齐时，第一连接通道25015、第二连接通道25016导通，当两个第一通孔25014分别与两个导通孔无重合区域时，第一连接通道25015、第二连接通道25016被第一阀杆25012截断，第一阀组2501处于关断状态。
参阅图5、图6、图7，第二阀组2502为四位三通阀，第二阀组2502包括第二阀组壳体25021、第二阀杆25022、第二杆套25023、四个第二通孔25024，第一输入通道25025、第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028；其中，第二阀杆25022和第二杆套25023为间隙配合，第一输入通道25025通过第一气道25311与第二连接通道25016相连通，第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028分别与气体取样模块222的三个输入端口相连，第二阀杆25022转动连接在第二阀组壳体25021内，第二杆套25023固定连接在第二阀组壳体25021内，且与第二阀杆25022转动配合，第二杆套25023上开设有第一导通孔250231、第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234，第一导通孔250231与第一输入通道25024右端对齐，第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234分别与第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028对齐；
四个第二通孔25024分别记为以下分别记为A、B、C、D孔，呈螺旋分布，其中，A、D孔位于第二阀杆25022同一侧，B孔位于与其相对的一侧，阀位逻辑：当B孔通过第二导通孔250232与第一输出通道25026连通时，可实现第一取气样瓶的取样；当C孔通过第三导通孔250233与第二输出通道25027连通时，可实现第二取气样瓶的取样，当D孔通过第四导通孔250234与第三输出通道25028连通时，可实现第三取气样瓶的取样；当B、C、D孔均不与第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234连通时，第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028均为非导通状态。
参阅图6，第二杆套25023内开设有第一环状腔室25029，A孔与第一环状腔室25029相连通，使得气体可通过A孔进入第一环状腔室25029内，气体依次通过第一输入通道25025、第一导通孔250231、第一环状腔室25029、A孔进入第二阀杆25022内腔，使得A孔始终处于导通状态；
第二阀组2502与第七阀组2507结构相同，第二阀组2502与第七阀组2507的区别在于，输入端和输出端连接的设备不同，第七阀组2507的三个输出端分别与真空泵组23的两个输入端和储气罐3相连，第三阀组2503的输入端与第六阀组2506的输出端相连。
参阅图8、图9、图10，第五阀组2505为两位三通阀，第五阀组2505包括第五阀组壳体25051、第五阀杆25052、第五杆套25053；第五杆套25053上开设有第五导通孔250531、第六导通孔250532、第七导通孔250533，第五杆套25053固定连接在第五阀组壳体25051内，其内转动连接有第五阀杆25052，其中第六导通孔250532、第七导通孔250533位于同一侧，第五导通孔250531位于另一侧，第五阀杆25052上开设有三个开孔2512，以下分别记为E、F、G孔，其中E、F孔位于同一侧，G孔位于第五阀杆25052另一侧，F孔、第五导通孔250531均为输入端口，E孔和G孔分别对应连接两个流量控制器2211的输出端口；第五杆套25053上开设有第二环状腔室25054，第二环状腔室25054与E孔始终处于连通状态，气体自第五导通孔250531进入第二环状腔室25054，并从E孔进入第五阀杆25052内腔，当E孔与第六导通孔250532对齐时，气体由第六导通孔250532排出，当G孔与第七导通孔250533对齐时，气体由第七导通孔250533排出。
第六阀组2506为两位两通阀，第六阀组2506包括第六阀组壳体、第六阀杆、第六杆套，第六阀杆转动连接在第六阀组壳体内，第六杆套固定连接在第六阀组壳体内并与第六阀杆转动配合，第六阀杆上开设有三个第三通孔，分别记为H、I、J孔，第六杆套上开设有第八导通孔、第九导通孔、第十导通孔，第六阀组壳体上开设有第三输入通道、第四输入通道、第四输出通道，第三输入通道、第四输入通道分别与两个流量控制器2211的另一端相连，第四输出通道与第七阀组输入端相连，第六阀杆的三个第三通孔孔径分别与第三输入通道、第四输入通道、第四输出通道截面相适配，第六阀杆上与第四输出通道适配的通孔均建立环形气室，其中H、I孔均为输入端，J孔为输出端，H、I不位于同一侧，H孔与第八导通孔、第三输入通道对齐时，该支路即一个流量控制器2211处于导通状态，I孔与第九导通孔、第四输入通道对齐时，另一支路即另一个流量控制器2211处于导通状态，由于环形腔室的开设，J孔与第十导通孔、第四输出通道始终处于导通状态。
参阅图13、图14，流量控制模块221包括两个质量流量控制器2211、L型转接板2212，两个质量流量控制器2211并排设置，每个质量流量控制器2211底部固定连接有两个L型转接板2212，且关于流量控制器轴线对称分布，L型转接板2212固定连接在气体模组箱体210内壁，L型转接板2212包括竖直段和水平段，其竖直段朝向流量控制器2211的一端与流量控制器2211的转接头通过橡胶圈密封固定，其竖直段背离流量控制器2211的一端分别与第五阀组2505和第六阀组2506通过橡胶圈密封固定。
参阅图1，排气单元2还包括在线检测模块223，在线检测模块223包括检测支路2231、气体检测仪2232、成分检测缓冲罐2233，检测支路2231两端均与排气单元2的主管路相连，且检测支路2231与主管路相连的一端均设有控制阀门，检测支路2231上设有成分检测缓冲罐2233和与检测气体相适配的气体检测仪2232，本实施例中以三个气体检测仪2232为例，分别为CO检测仪、H2检测仪、SF6检测仪，需要说明的是，检测时，先把减压阀调整到微正压，然后再通过S-9手阀控制后端压力，为检测仪创造一个微正压使用环境，CO、SF6的最佳检测流量为100mL-150mL/min，设计缓冲罐容积为1L，理论上最少可支持3次取样分析。
参阅图15、图16、图17，过滤单元1包括过滤单元箱体11、两个多级过滤器12，多级过滤器12对排出的高温高压并含有粉尘颗粒杂质的，气体进行过滤，为满足过滤效率，需要通过质量流量器控制气体流速，此外，当高温高压气体排泄至低压约30kPa时，气体将会含有水蒸气，需要设计冷凝除水模块，使高温高湿气体经过冷凝除水模块的换热器后，气体温度被换热器内的冷却水降至常温或更低的温度，其中的冷凝水析出，设置专用的封闭腔体储存冷凝水，通过检测过滤器后端气体的颗粒成分满足要求后，进入后续单元；
两个多级过滤器12固定设于过滤单元箱体11内，且多级过滤器12的输入端和输出端分别与进气单元的输出端和排气单元2的输出端相连，多级过滤器12的输入端和输出端分别与进气单元的输出端和排气单元2的输出端的连接管路上设置有控制阀门，两个多级过滤器12对称分布在过滤单元箱体11内，一用一备，多级过滤器12的输入端与进气单元的输出端相连，多级过滤器12的输出端与质谱检测模块22的输入端相连，过滤单元箱体11的输入端和输出端均设置有压力传感器，压力传感器与总控模块24电性连接，用来检测多级过滤器12的一个运行状态，如果多级过滤器12前后压差过大，则需要更换新的过滤器，更换的时候只需要将控制阀门关死；同时，为便于更换多级过滤器12，将过滤单元箱体11上设计有可拆卸的箱门。
参阅图17，多级过滤器12包括多个依次串联的次级过滤器121，次级过滤器121从左至右依次为第一次级过滤器、第二次级过滤器、五个第三次级过滤器，次级过滤器121包括壳体、支撑板122、压环123，次级过滤器121采用相同结构，便于过滤器改型，整体重量小于1.8公斤，次级过滤器121内壁固定有环状支撑板122，环状支撑板122中心线处开设有通孔1221，滤芯13嵌设于通孔1221内并通过压环123连接紧固，其中压环123位钢丝网压片，可防止气体冲击力过大使得滤芯13变形过大损坏密封结构；滤芯13包括沿多级过滤器12轴向依次分布的第一滤芯131、第二滤芯132、多个第三滤芯133，本实施例中，以五个第三滤芯133为例，第一滤芯131为粗海绵，第二滤芯132为细海绵和聚丙烯，第三滤芯133材质为H14级高效滤芯(高效玻璃纤维滤纸)，次级过滤器121内壁开设有安装凹槽1211，第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端伸入安装凹槽1211内部并与其粘接固定，第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端为锯齿状，安装凹槽1211与其相连的端面开设有与其相适配的对接凸起1212。
通过将第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端设置为锯齿状并伸入安装凹槽1211内，并设置对接凸起1212与第三滤芯133锯齿状连接部配合，增大了第三滤芯133与次级过滤器121的接触面积，提高了第三滤芯133的连接强度，通过第三滤芯133与次级过滤器121粘接固定，并在其连接处灌胶，可防止污染气体从边缘处泄漏，需要说明的是，第一滤芯131、第二滤芯132与第三滤芯133的安装结构相同，但不限于此。
相邻的次级过滤器121之间采用法兰连接，并焊接固定，由于次级过滤器121尺寸较小，为防止次级过滤器121在焊接时由于焊接产生的高温烧坏密封胶水，从而产生烟雾污染过滤器，在焊接时通过水冷装置对焊点处进行降温，同时焊接采用一个周段一个周段的间歇焊接，同时采用耐高温密封胶水，从而避免局部温度过高烧坏胶水和滤芯13。
使用方法：待过滤的气体从过滤单元箱体11进入多级过滤器12内进行过滤，过滤后的气体进入排气单元2，先经过质谱检测模块22检测后，流入流量控制器2211，在真空泵组23的抽吸下进入储气罐3。
实施例2
参阅图18、图19、图20，一种基于动力学分析的多级过滤器的设计方法，包括以下步骤：
S1：获取多级过滤器的结构参数，在动力学分析的基础上得到各个结构参数与过滤器过滤效率和压降之间的关联关系，确定最优的结构参数；
其中S1包括以下步骤：
S11：根据过滤器承压能力P(1.6MPa)和过滤器内部管路直径D设计要求(124mm)，确定管道计算壁厚，其中管道计算壁厚的计算公式为：
式中，SC为过滤器计算壁厚，mm；P为设计压力，1.6MPa；D为过滤器内径，124mm；[δ]t为设计温度(-12℃)下的许用应力，137MPa；φ为焊接系数，取1；C为腐蚀裕量，取1mm，带入公式得到，过滤器计算壁厚为1.73mm。安全系数取1.5，则过滤器实际壁厚Sn取3mm，那么过滤器外径为130mm；
S12：根据管道壁厚和其他相应参数，进行三维建模和动力学分析，校核过滤器设计的强度。过滤器使用的304钢材的许用应力[δ]t为137MPa，通过动力学分析可以知道在外筒体承受1.6MPa内压条件下，最大应力为82.5MPa，小于材料屈服强度，如图21、图22所示；
S13：根据过滤器管道面积确定过滤器滤芯面积。基于过滤器筒体通径为124mm，滤芯后续要用胶水固定，则滤芯外径设计为110mm。为不增加空气流阻，滤芯有效截面积应尽可能的增大，滤芯结构设计为折叠形式。过滤器结构尺寸较小，滤纸折叠厚度不能太厚，根据滤芯加工工艺现状，折叠厚度最小可为25mm，故折叠深度设计为25mm，在110mm的宽度折叠21层；
由于滤芯是折叠后切割成圆形的，所以滤芯实际展开图为椭圆，椭圆长径为560mm，短径为110mm，如图23所示。滤芯在封装的时候周边会有胶水粘到，经过实验论证，除掉胶水粘到的位置之外，滤芯实际有效过滤面积如阴影部分所示，长径a为525mm，短径b为100mm。过滤器的有效面积ADN计算如公式为：
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S14：选择过滤器滤芯材料。考虑过滤效率同时兼顾阻力、耐湿性能等指标，通过调研现有滤芯材料技术指标和实际测试，滤芯选择H14等级的高效玻璃纤维滤纸，该滤纸对0.5微米以下粉尘颗粒的过滤效率达到99.9％以上，在工作压力范围内阻力小于10kPa。
S15：计算过滤器滤芯性能。过滤器气体处理量的计算公式为：
Q＝ADNV
式中：Q为气体处理量，m3/h；V为气体进出管道的流速，m/s。根据技术设计指标要求，流量q最大可达到160SLM，则V最大为那么过滤器的处理量Q最大为:Q＝0.041*0.34＝0.014m3/s＝840L/min。
出口压力与入口压力的压差即为压降，计算公式如下：
式中：h为压降，Mpa，ξ为局部阻力系数，V为进出管道的流速，m/s；局部阻力系数ξ通常取24，流速取正常流速0.06m/s，则压力损失为0.0044MPa，满足技术要求。
S16：根据动力学分析结果确定过滤器夹层厚度与级数。按照技术指标要求，过滤器总长保持480mm不变，改变级数和空气夹层厚度，采用动力学仿真分析压降随着空气夹层厚度的变化关系，表明随着空气夹层厚度的增加，压降是逐渐减小的，本质是过滤器滤芯层数变少了，所以压降会降低，如图24所示。另一方面随着滤芯层数的减少，过滤效率会下降。综合考虑压降和过滤效率，当空气夹层厚度为25mm，过滤器级数为7级时，过滤器综合性能最优，如图25所示。
其中S2包括以下步骤：
S2：根据获取的多层过滤器结构参数进行加工和装配，过滤器每一级之间焊接连接，保证密封效果；其中S2包括以下步骤：
S21：加工过滤器；根据S1分析结果，采用7级过滤器效果较好，加工出7级过滤器；过滤器模块主要由过滤器每一级子单元、VCR接头及电动阀组成，过滤器每一级之间焊接连接。
S22：装配过滤器；过滤器整体结构有7级，前面两级滤芯为聚丙烯和黑海绵加聚丙烯，后面五级均采用H14高效滤纸，实验用过滤器每级均采用法兰连接，方便拆卸，最终定型过滤器每一级焊接构成，以保证密封性。
S3：根据加工装配得到的紧凑型多层极过滤器，进行过滤效率测试和压降测试，判断设计的过滤器是否满足技术指标要求，其中，S3包括以下步骤：
S31：过滤器压降实验测试，具体流程如图26所示，具体包括：
S311：搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成，如图26所示；具体包括：
S3111：将氮气源输出端与针阀相连，针阀与流量计输入端相连，流量计输出端与过滤器输入端相连。
S3112：将差压计两端放在在过滤器的输入端和输出端，用电流计来测差压计信号。
S312：打开气源针阀与流量计，使过滤器输入端气体压力达到Pi(0.2MPa≤Pi≤1.6MPa)。
S313采用电流计测试差压计信号，转换成对应的压力值，得到过滤器压降。
S314：加大气源输出流量，使过滤器输入端气体压力达到Pi＝Pi+0.2MPa，返回S313。
S315：重复S313-S314，直到测试得到8组数据，求得8组压降ΔPi。
S316：判断每一组过滤器压降ΔPi是否满足要求，如果不同输入气体压力下过滤器的压降在3-5kPa之间则满足使用要求，否则不满足，进行全流程检查或者重新设计。
S32：过滤器过滤效率测试，如图20所示，具体包括：
S321：搭建过滤器过滤效率测试平台；过滤效率测试平台由气溶胶发生器，风机和收集装置、风压管路和过滤器组成，如图26所示。
S3211：将风机与气溶胶发生器相连，风机风量可以确保110mm气体管路流量可以达到160L/min，气溶胶发生器的颗粒物粒径在0.3μm以上，颗粒物初始浓度可以达到105个/L～106个/L。
S3212：将试验风道与过滤器气体输入端进行相连，试验风道如图27所示，试验风道包括依次设置在试验风道上的空气净化模块61、污染物注入口62、上游采样口63、压差采样口64、待测过滤器65、第一下游采样口66、第二下游采样口67、选配管道68、喷嘴箱69；其中，试验风道管道的材料采用不锈钢，第一下游采样口66用于颗粒物及微生物采样，第二下游采样口67用于气体污染物采样，选配管道68用于气态污染物试验；
S322：启动风机，调节风量至受试空气过滤器的额定风量；
S323：开启气溶胶发生器，气溶胶的发生浓度确保下游浓度测试时每次采样的粒子数不少于100个；
S324：采用计数器测试；气溶胶稳定后，在受试过滤器上游采样处和下游采样处用粒子计数器进行测试，应待数值稳定后，先下风侧，后上风侧各测5次，取5次平均值，求颗粒物过滤效率。过滤效率的计算公式为；
式中，n1为过滤器下游采样处测试5次得到的粒子数平均值，n2为过滤器上游采样处测试5次得到的粒子数平均值；
S325：评价过滤器过滤效率，当高效过滤器过滤效率测试结果为99.999％，满足技术指标要求，否则不满足，展开全流程检查或重新设计。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多级过滤器，其特征在于，包括多个依次相连的次级过滤器，所述次级过滤器包括壳体、滤芯，所述壳体内壁沿其轴线方向设有环形的支撑板，所述支撑板中心处开设有安装凹槽，所述滤芯伸入安装凹槽的一端为锯齿状并与安装凹槽粘接固定，所述滤芯还通过压环与安装凹槽连接紧固。
2.根据权利要求1所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述支撑板两端均固定连接有压环，并围合形成一个与滤芯相适配的安装腔。
3.根据权利要求2所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述安装凹槽与滤芯相连的一端设有与滤芯连接端相适配的安装凸起。
4.根据权利要求3所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述次级过滤器包括依次相连的第一次级过滤器、第二次级过滤器、多个第三次级过滤器，所述滤芯包括第一滤芯、第二滤芯、第三滤芯，且其分别固定设于第一次级过滤器、第二次级过滤器、第三次级过滤器内，所述第一滤芯过滤效率低于第二滤芯，所述第二滤芯过滤效率低于第三滤芯。
5.根据权利要求4所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述第一滤芯为粗海绵，所述第二滤芯为细海绵，所述第三滤芯为玻璃纤维滤纸。
6.根据权利要求3所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述安装凸起与滤芯的连接端之间填充固状胶水。
7.根据权利要求1所述的一种多级过滤器，其特征在于，所述压环为钢丝网压片。
8.一种如权利要求任意一项所述的多级过滤器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：获取多级过滤器的结构参数，得到各个结构参数与过滤器过滤效率和压降之间的关联关系，确定结构参数；
其中S1包括以下步骤：
S11：根据过滤器承压能力P和过滤器内部管路直径D设计要求，确定管道计算壁厚，其中管道计算壁厚的计算公式为：
式中，SC为过滤器计算壁厚；P为设计压力；D为过滤器内径；[δ]t为设计温度下的许用应力；φ为焊接系数；C为腐蚀裕量，带入公式得到，得到过滤器计算壁厚。根据安全系数得到过滤器实际壁厚Sn的值，那么过滤器外径为D+Sn；
S12：根据管道壁厚和其他相应参数，进行三维建模和动力学分析，校核过滤器设计的强度；过滤器使用的钢材的许用应力为[δ]t，通过动力学分析得到在外筒体承受目标内压条件下的最大应力的数值，判断其与材料屈服强度的大小；
S13：根据过滤器管道面积确定过滤器滤芯面积；基于过滤器筒体通径并减去滤芯粘接固定的面积，确定滤芯外径，根据空气流阻、过滤器结构尺寸、滤纸折叠厚度确定折叠深度及折叠层数；
过滤器的有效面积ADN计算如公式为：
ADN＝π×a×b
式中椭圆长径为a，椭圆短径为b；
S14：选择过滤器滤芯材料；
S15：计算过滤器滤芯性能；过滤器气体处理量的计算公式为：
Q＝ADNV
式中：Q为气体处理量；V为气体进出管道的流速，根据技术设计指标要求的流量q，计算V的数值从而得到过滤器的处理量Q；
出口压力与入口压力的压差即为压降，计算公式如下：
式中：h为压降，ξ为局部阻力系数，V为进出管道的流速；并根据计算出的h与要求值进行比较；
S16：确定过滤器夹层厚度与级数；
按照技术指标要求，过滤器总长保持不变，改变级数和空气夹层厚度，采用动力学仿真分析压降随着空气夹层厚度的变化关系，综合考虑压降和过滤效率，根据空气夹层厚度选取过滤器级数值；
其中S2包括以下步骤：
S2：根据获取的多层过滤器结构参数进行加工和装配，过滤器每一级之间焊接连接，保证密封效果；其中S2包括以下步骤：
S21：加工过滤器；根据S1分析结果，加工出多级过滤器；过滤器模块主要由过滤器每一级子单元、VCR接头及电动阀组成，过滤器每一级之间焊接连接；
S22：装配过滤器；
S3：根据加工装配得到的紧凑型多层极过滤器，进行过滤效率测试和压降测试，其中，S3包括以下步骤：
S31：过滤器压降实验测试；搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成；
S32：过滤器过滤效率测试；搭建过滤器过滤效率测试平台，颗粒物过滤效率测试的对象为0.3μm以上所有粒子数，初始浓度105个/L～106个/L；颗粒物过滤效率在标准风量下测试；参考QB/T 5365-2019 6.4.1和GF/T14295附录A进行试验。
9.一种如权利要求8所述的多级过滤器的设计方法，其特征在于，S31包括如下步骤：
S311：搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成；
S3111：将氮气源输出端与针阀相连，针阀与流量计输入端相连，流量计输出端与过滤器输入端相连；
S3112：将差压计两端放在在过滤器的输入端和输出端，用电流计来测差压计信号；
S312：打开气源针阀与流量计，使过滤器输入端气体压力达到Pi(0.2MPa≤Pi≤1.6MPa)；
S313：采用电流计测试差压计信号，转换成对应的压力值，得到过滤器压降；
S314：加大气源输出流量，使过滤器输入端气体压力达到Pi＝Pi+0.2MPa，返回S313；
S315：重复S313-S314，直到测试得到预定组数据，求得预定组压降ΔPi；
S316：判断每一组过滤器压降ΔPi是否满足要求，如果不同输入气体压力下过滤器的压降在3-5kPa之间则满足使用要求，否则不满足，进行全流程检查或者重新设计。
10.一种如权利要求9所述的多级过滤器的设计方法，其特征在于，S32包括如下步骤：
S321：搭建过滤器过滤效率测试平台；过滤效率测试平台由气溶胶发生器，风机和收集装置、风压管路和过滤器组成；
S3211：将风机与气溶胶发生器相连，风机风量可以确保110mm气体管路流量可以达到160L/min，气溶胶发生器的颗粒物粒径在0.3μm以上，颗粒物初始浓度可以达到105个/L～106个/L；
S3212：将试验风道与过滤器气体输入端进行相连；试验风道包括依次设置在试验风道上的空气净化模块、污染物注入口、上游采样口、压差采样口、待测过滤器、第一下游采样口、第二下游采样口、选配管道、喷嘴箱；其中，试验风道管道的材料采用不锈钢，第一下游采样口用于颗粒物及微生物采样，第二下游采样口用于气体污染物采样，选配管道用于气态污染物试验；
S322：启动风机，调节风量至受试空气过滤器的额定风量；
S323：开启气溶胶发生器，气溶胶的发生浓度确保下游浓度测试时每次采样的粒子数不少于100个；
S324：采用计数器测试；在受试过滤器上游采样处和下游采样处用粒子计数器进行测试，应待数值稳定后，先下风侧，后上风侧各测5次，取5次平均值，求颗粒物过滤效率。过滤效率的计算公式为：
式中，n1为过滤器下游采样处测试5次得到的粒子数平均值，n2为过滤器上游采样处测试5次得到的粒子数平均值；
S325：评价过滤器过滤效率，当高效过滤器过滤效率测试结果为99.999％，满足技术指标要求，否则不满足，展开全流程检查或重新设计。
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