一种罐式膜排列设计方法与流程

1.本发明属于罐式膜排列理论研究领域，具体涉及一种罐式膜排列的优化设计方法。


背景技术：

2.现阶段随着整个水处理行业的发展，越来越多的水厂采用深度处理提升水质，提高居民的生活品质和幸福感。随之而来的是膜处理技术的发展。目前的膜处理方式主要有两种，采用浸没式膜和采用压力式膜。浸没式膜需要建设池体结构容纳膜元件；压力式膜需建设房间放置膜架，而膜架本身体积较大。
3.随着经济的发展，用地问题矛盾突发，越是大型城市地价越高，能否采用更集约更高效的方式进行膜处理成为一个热点、难点。目前已有相关企业开展罐式膜的研究。这一技术可使数百张膜同时放入单个压力容器中，很好地节省了能源消耗和占地面积，膜性能也更加稳定。
4.对于罐式膜，罐体内的膜组件怎样优化排布是一个基础问题，也是罐式膜发展中亟需解决的问题，迫切需要提出一种排列设计方法，使整个罐体内膜的利用率更高、整个罐式膜水处理能力更强、结构受力更好、经济效益更佳。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种罐式膜排列设计方法,该方法主要用于罐式膜内膜组件的排列设计，对罐式膜内膜组件进行合理优化排列，使其更紧凑，结构受力更佳，水处理能力更稳定。
6.本发明通过分析对比各种不同排列模型，研究分析确定采用正六边形为基础的排列方式，并根据不同膜组件直径得出不同对应最优罐体直径，并同时可根据不同罐体直径得出某一确定膜组件直径下的最优排列方式。以此得出一整套采用正六边形为基础，并根据不同膜组件直径及不同罐体直径组合的最优排列设计方法。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
8.一种罐式膜排列设计方法，包括以下步骤：
9.(1)根据对比分析模组件个数、膜组件在罐体内的占有面积，膜组件的结构布置方式，确定采用正六边形为整体思路的布置方式；
10.(2)以正六边形布置为基础，对不同膜组件直径进行排列得出最优的罐体直径，并得出计算公式；
11.(3)以正六边形布置为基础，对不同罐体直径内某一确定的膜组件直径进行排列组合，得出最优排列组合方式，并得出计算公式；
12.(4)通过多种形式变化，对不同膜组件直径及不同罐体直径内膜组件的排列进行研究分析，得出计算表格，形成设计计算方法。
13.进一步的优选方案是，所述步骤(1)具体为，将膜组件的环形排列与正边形排列进
行对比，模型为一个大的罐体内能容纳小膜组件的最优个数排列，即转化为大圆内能嵌套多少个小圆的优化排列；从个数、面积占有率分析、结构可操作性综合考虑，确定罐体内膜组件采用正六边形排列为优化的排列思路。
14.进一步的优选方案是，所述步骤(2)具体为，以正六边形布置为基础，对不同膜组件直径进行排列，通过绘制的方式进行初步分析，采用正六边形方式排列，变化不同边长上膜组件即小圆的个数，即可得出不同边长排列对应的最优罐体直径，即外切大圆直径，当膜组件直径增加，相当于罐体直径等比例放大，从而确定采用正六边形排列时，不同膜组件直径对应的最优罐体直径。
15.进一步的优选方案是，所述步骤(3)具体为，依据步骤(1)确定的整体思路，并参考步骤(2)的成果，如罐体直径为一确定数值，且膜组件的直径也为一确定数值，以正六边形排列为基础，对确定直径的小圆在确定直径的大圆内进行排列，以正六边形排列为基础，进行初步绘制研究，两者直径确定时，采用正六边形布置基础上，可在每一边长适当增加或减少正六边形两端的小圆，使其达到最大的充满度，即最多的小圆个数，以此确定最优的排列方式。
16.进一步的优选方案是，所述步骤(4)具体为，对步骤(1)
‑
(3)的研究成果进行多种工况对比分析，得出针对不同膜组件直径时罐体的任意选择设计方法；对某一直径膜组件，即确定的小圆直径进行所有工况的排列分析，从而得出各个工况对应的最优罐体直径，采用插入法进行选择，确定对应工艺、对应产业链的合适产品。
17.本方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
18.一是形成新的设计思路：
19.本发明采用正六边形为基础的布置方式，同时对其进行合理变化，使整个膜组件能数量更多、结构对称性更好、排列更紧密的布置于罐体内。
20.二是提供有效设计方法：
21.本发明可快速得出不同膜组件直径下，采用正六边形为基础的一系列排列方式对应的最优罐体直径，从而方便罐体直径的选取及确定某罐体直径所对应的最优排列方式。同时采用正六边形为基础，整个罐体内膜组件布置对称，受力均匀，有利于结构设计及产品落地。
22.三是助力罐式膜的发展：
23.本发明对罐式膜内膜组件的排列问题做了基础性的研究，对今后罐式膜内膜组件的排列提供了参考，具有一定的价值，有利于今后罐式膜进一步研究，对水处理单体的集约化提供了更多可能。
附图说明
24.图1是本发明的实施例提供的一种罐式膜排列设计方法整体流程示意图；
25.图2为本发明的实施例中的环形布置案例图；
26.图3为本发明的实施例中的正六边形布置案例图；
27.图4为本发明的实施例中的不同膜组件直径对应最优罐体直径示意图；
28.图5为本发明的实施例中的不同罐体直径对应某一确定膜组件直径排列示意图；
29.图6为本发明的实施例中的优化设计方法输入输出实例图。
具体实施方式
30.为了更好的理解本发明内容，下面将结合附图以及具体实施例作进一步说明，在此本发明的示意性实施例以及说明用于解释本发明，并不限制本发明的保护范围。
31.实施例
32.图1为本实施例提供的一种罐式膜排列设计方法整体流程示意图；该方法包含如下步骤：(1)根据对比分析模组件个数、膜组件在罐体内的占有面积，结构布置方式，确定采用正六边形为整体思路的布置方式；(2)以正六边形布置为基础，对不同膜组件直径进行排列得出最优的罐体直径，并得出计算公式；(3)以正六边形布置为基础，对不同罐体直径内某一确定的膜组件直径进行排列组合，得出最优排列组合方式，并得出计算公式；(4)通过多种形式变化，对不同膜组件直径及不同罐体直径内膜组件的排列进行研究分析，得出计算表格，形成设计计算方法。
33.具体来说，该实施例还括如下步骤：
34.步骤(1)中，将环形排列与正边形排列进行对比，模型为一个大的罐体内能容纳小膜组件的最优个数排列，即转化为大圆内能嵌套多少个小圆的优化排列。从个数、面积占有率分析，同时综合考虑可实施的结构操作性，确定罐体内采用正六边形排列为优化的排列思路。步骤(1)中，将该问题简化为一个大圆嵌套小圆的问题，如图2所示为环形布置案例图，此左图中小圆直径为175mm，大圆直径为1597.5mm，实际表示为直径170mm的膜组件间距5mm，位于1600mm的罐体内，膜组件尽可能多的排列方式。采用现有计算模型，该种条件下小圆最多个数为94个，占比76.5％。右图为采用该模型，小圆直径175，不同大圆直径条件下对应最多小圆直径及面积占比。图3所示为正六边形布置案例图，n为最外侧单边上小圆个数，n为小圆总个数，d为小圆直径，d为大圆直径。和环形布置对比可知，d为175mm时，d为1225mm左右，环形布置n为37，正六边形布置n为37，d为1575mm左右，环形布置n为62，正六边形布置n为61。更多样例对比可得，环形布置在小圆个数上大多超过正六边形布置，极个别小于等于正六边形布置，考虑到结构上的对称性及产品可行性，大方向考虑采用正六边形布置，同时还可进一步优化。
35.步骤(2)中，依据步骤(1)确定的整体思路，对不同膜组件直径进行排列，通过绘制的方式进行初步分析，采用正六边形方式排列，变化不同边长上膜组件即小圆的个数，即可得出不同边长排列对应的最优罐体直径，即外切大圆直径，当膜组件直径增加，相当于罐体直径等比例放大，从而确定采用正六边形排列时，不同膜组件直径对应的最优罐体直径。如膜组件直径为d，间距控制为x，采用正六边形的边长上膜组件个数为n，则以正六边形布置为基础，对不同膜组件直径进行排列得出最优的罐体直径计算公式为：(2*n
‑
1)*(d x) x/2,不同膜组件直径对应最优罐体直径示意图如图4所示。
36.步骤(3)中，依据步骤(1)确定的整体思路，并参考步骤(2)的成果，如罐体直径为一确定数值，且膜组件的直径也为一确定数值，以正六边形排列为基础，对确定直径的小圆在确定直径的大圆内进行排列，以正六边形排列为基础，进行初步绘制研究，两者直径确定时，采用正六边形布置基础上，可在每一边长适当增加或减少正六边形两端的小圆，使其达到最大的充满度，即最多的小圆个数，以此确定最优的排列方式。以正六边形布置为基础，对不同罐体直径内某一确定的膜组件直径进行排列组合，并得出计算公式：假定不同管体直径为d，d0＝(2*n
‑
1)*(d x) x/2，d为确定膜组件直径，间距控制为x，正整数n变化时，当
取值n1时，d＞d0，取n2时d＜d0，则最优排列方式为n＝n1；当取值n＝nx，d＝d0，则n＝nx为最优排列方式。总膜组件个数为n＝2*n
‑
1 2*mmult(n(row(indirect("1:"&(n
‑
2) 1))<＝transpose(row(indirect("1:"&(n
‑
2) 1)))),n (row(indirect("1:"&(n
‑
2) 1))
‑
1)*1)。
37.如图5所示，第一列图为d等于1500mm的三种排列方式，右侧为采用n＝4的正六边形布置策略，发现仍有很大空间，而采用n＝5的正六边形布置策略发现已超出罐体，考虑采用变化过渡的方式，即在n＝5的基础上去掉6个边角小圆，则可得优化布置方案，此时小圆个数最多。图5后两列图为整个演变策略，即当小圆直径确定时，以正六边形为基础，每边各不断加入小圆，即外切圆不断扩大，同时小圆数量不断增多，此时可对应选择罐体直径。如当d处于1575mm
‑
1700mm时，选择n＝5的正六边形布置。从而对一系列相同直径膜组件的不同排列方式进行研究。
38.步骤(4)对前阶段的研究成果进行多种工况对比分析，得出针对不同膜组件直径时罐体的任意选择设计方法。对某一直径膜组件，即确定的小圆直径进行所有工况的排列分析，从而得出各个工况对应的最优罐体直径，采用插入法进行选择，确定对应工艺、对应产业链的合适产品。如图6所示，d为输入项，即为考虑间距后的膜组件直径，得出各种排列的组合，如罐体直径为2400，d＝175mm＝d0 x时找到区间位于去掉外一圈1到2之间，取小值，即为选择n＝8的正六边形去掉最外层2圈，也即n＝7的正六边形加上最外2圈所得排列，该种方式排列膜组件数量为151根，如考虑处理能力为45l
‑
70l，则该种排列水处理能力位于8154方/d
‑
12684方/d。实际排列所成d0＝sqrt(((2*n
‑
4)*(d0 x))^2 (2*2*sqrt((d0 x)^2
‑
((d0 x)/2)^2))^2) (d0 x)，此时n＝8。
39.以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但且不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。