微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器的設(shè)計(jì)及研究

　　比較了國內(nèi)外自清洗過濾器產(chǎn)品技術(shù)參數(shù),分析了當(dāng)前國內(nèi)網(wǎng)式自清洗過濾器應(yīng)用中存在的問題,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)提出一種微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器,并對該新型過濾器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹;通過理論計(jì)算得到在滿足1<λ<5(λ為元件的長度與直徑比值)前提下,新型過濾器濾網(wǎng)直徑、濾網(wǎng)長度與設(shè)計(jì)流量之間的定量關(guān)系;通過試驗(yàn)得到了水頭損失與設(shè)計(jì)流量的定量關(guān)系式,并與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,新型過濾器水頭損失小,且隨流量變化緩慢,即使在流量變化較大情況下,水頭損失也變化較小,在我國大田微灌技術(shù)中具有較廣泛的應(yīng)用前景。　1、微灌用自清洗過濾器
　　基于過濾器在微灌系統(tǒng)中的應(yīng)用,國內(nèi)外關(guān)于過濾器的研究發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)歷程,一是各種不同類型單一過濾器的研究;二是將各種不同類型過濾器相互組合成新的過濾器,即組合型過濾器的研究,常見的有旋流(離心)網(wǎng)式過濾器、疊片式砂過濾器、疊網(wǎng)式過濾器等;三是對過濾器清洗方式進(jìn)行研究,主要有手動(dòng)清洗和自動(dòng)清洗。
　　自動(dòng)清洗過濾器從清洗方式上主要有吸污式、刷式、轉(zhuǎn)臂式、刮盤式和反沖洗式等,從清洗動(dòng)力上主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等。
　　對自清洗過濾器的研究,國外比較早,始于20世紀(jì)中后期,Vehashkaya Amiad Sinun提出了一種自動(dòng)反沖洗過濾器,Jan Hermene研究了一種自清洗連續(xù)過濾系統(tǒng)等[5]。目前像以色列、美國公司等具有很多生產(chǎn)和研制自清洗過濾器的公司,他們研制生產(chǎn)了各種類型的自清洗過濾器。
　　國內(nèi)對自清洗過濾器的研究始于21世紀(jì)初,開始主要是引進(jìn)國外自清洗過濾器產(chǎn)品,但由于應(yīng)用環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)不同使得引進(jìn)的產(chǎn)品工作性能不穩(wěn)定,故障率較高,有時(shí)甚至無法使用,這也是目前國內(nèi)許多地區(qū)仍然使用傳統(tǒng)手動(dòng)清洗過濾器的原因之一。主要研究成果集中在對傳統(tǒng)過濾器的改進(jìn)和對其它領(lǐng)域應(yīng)用過濾器的改造上。例如文獻(xiàn)[7]研制了一種微灌用疊片式自動(dòng)反沖洗過濾器,文獻(xiàn)[8]研制了一種自動(dòng)清洗河(渠)水網(wǎng)式過濾器,文獻(xiàn)[9]對微灌用砂石過濾器反沖洗參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究;雖然這些研究成果在一定程度上能夠完成過濾污物雜質(zhì)的自動(dòng)清洗,但其清理機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)需外力驅(qū)動(dòng)(一般為電動(dòng)機(jī)),增加了過濾器的制造和使用成本。還有一些自清洗過濾器不需要外力驅(qū)動(dòng)也能完成自動(dòng)清洗,例如文獻(xiàn)[10]研究的微灌全自動(dòng)反沖洗過濾器,文獻(xiàn)[11]研究的臥式水力驅(qū)動(dòng)自清洗過濾器等,只需水力驅(qū)動(dòng)即可自動(dòng)完成清洗;文獻(xiàn)[12]研制的全自動(dòng)自吸附反沖洗網(wǎng)式過濾器,利用水流反作用力實(shí)現(xiàn)污物吸附,無需利用液壓驅(qū)動(dòng)吸附,即可自動(dòng)掃描整個(gè)篩網(wǎng)。
　　以上研究為國內(nèi)自動(dòng)清洗過濾器應(yīng)用發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ),但從現(xiàn)有文獻(xiàn)看,自動(dòng)清洗過濾器很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備還需要深入研究,特別是在清洗動(dòng)力和清洗方式上急需新的研究成果。例如在清洗方式上如果僅靠水力沖洗,很難將卡在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)去除;通過對微灌用各種網(wǎng)式過濾器進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)使用過的濾網(wǎng),即使經(jīng)常進(jìn)行自動(dòng)清洗,也都會(huì)不同程度地被污物雜質(zhì)卡住,有的甚至?xí)幸话胍陨暇W(wǎng)孔被堵塞而清洗不下來,即便用人工鋼刷清洗也非常困難,可見自動(dòng)清洗過濾器研究所要解決的不僅是如何自動(dòng)完成污物雜質(zhì)的清洗,更重要的是采用何種清洗方式才能提高清洗效果。因此設(shè)計(jì)一種可靠性好,既能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,又能自動(dòng)清洗的過濾器是非常迫切的,石河子金土地節(jié)水設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)提出一種網(wǎng)式新型自清洗過濾器,在新疆大田微灌技術(shù)中得到了很好的應(yīng)用,為了使新型過濾器的應(yīng)用更加廣泛,與該企業(yè)進(jìn)行了合作研究,并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上對新型過濾器水力性能優(yōu)勢進(jìn)行了對比分析。　2、微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器設(shè)計(jì)原理
　　微灌用網(wǎng)式新型自清洗過濾器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其整個(gè)工作狀態(tài)分過濾和自清洗2個(gè)過程。

　　過濾過程:含砂渾水由進(jìn)水口1進(jìn)入,首先通過粗過濾網(wǎng)2,過濾一些較大雜質(zhì)(主要是漂浮物)或大于吸砂組件12吸口開度的泥砂,然后經(jīng)細(xì)濾網(wǎng)進(jìn)口3進(jìn)入過濾室,由里向外通過細(xì)濾網(wǎng)4,由側(cè)面出水口5流出,這樣比細(xì)濾網(wǎng)網(wǎng)孔大的泥砂顆粒被攔截下來并積聚在濾網(wǎng)的內(nèi)表面等待清洗。自清洗過程:當(dāng)泥砂積聚在細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)表面便會(huì)在濾網(wǎng)內(nèi)外表面形成壓差,壓差達(dá)到預(yù)定值時(shí),由控制器打開排污口7閥門,同時(shí)關(guān)閉部分出水口5閥門。由于排污閥出口與大氣相通,這樣過濾器內(nèi)部水壓與外部大氣之間形成的壓差會(huì)使側(cè)面開孔的吸砂組件12產(chǎn)生強(qiáng)勁吸力;同時(shí)由于吸砂組件開口面積很小,濾網(wǎng)內(nèi)表面吸砂組件開口附近的水流流速很大,高速流動(dòng)的水流也會(huì)將卡在濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂沖下來進(jìn)入吸砂組件,這樣在強(qiáng)勁吸力和高速水流的雙重作用下,就可以保證濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂有效的排除。進(jìn)入吸砂組件的泥砂,通過排砂管11經(jīng)水力旋噴管10由排污口排出。水流由水力旋噴管流出時(shí)會(huì)向四周噴射,在過濾器頂部殼體內(nèi)形成旋流帶動(dòng)整個(gè)吸附系統(tǒng)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過程中每個(gè)吸砂組件都會(huì)將該范圍內(nèi)濾網(wǎng)內(nèi)表面的泥砂吸進(jìn),隨水流經(jīng)排砂管由旋噴管排出。隨著濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂的排除,濾網(wǎng)內(nèi)外壓差將會(huì)逐漸減小,當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí),自動(dòng)清洗完成,控制器關(guān)閉排污閥,同時(shí)完全打開出水閥,水力旋噴管將不再噴射,自動(dòng)吸附系統(tǒng)停止旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)入正常過濾狀態(tài)。
　　該過濾器能否實(shí)現(xiàn)自清洗的關(guān)鍵技術(shù)是水力旋噴自動(dòng)吸附系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)空心結(jié)構(gòu)排砂管在軸線上按一定距離連接若干個(gè)垂直均勻分布的吸砂組件,頂部連接一根水力旋噴管組成。水力旋噴管將液能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力,帶動(dòng)排砂管及吸砂組件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),吸砂組件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將對整個(gè)濾網(wǎng)內(nèi)表面實(shí)行整體掃描吸附,確保整個(gè)網(wǎng)面泥砂的排除。運(yùn)行中過濾器內(nèi)部水壓與外部大氣之間所形成壓差產(chǎn)生的強(qiáng)勁吸力,以及從濾網(wǎng)內(nèi)表面進(jìn)入吸砂組件水流的高速流動(dòng)保證了積聚在濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂的排除,即使是牢固卡在網(wǎng)孔內(nèi)的泥砂顆粒,也會(huì)在高速水流和強(qiáng)勁吸力的雙重作用下被清除,確保整個(gè)網(wǎng)面泥砂的清洗效果。
　3、網(wǎng)式新型自清洗過濾器過濾參數(shù)的確定
　　3.1　過濾器濾網(wǎng)尺寸與設(shè)計(jì)流量關(guān)系
　　過濾器的設(shè)計(jì)流量與濾網(wǎng)過濾速度、實(shí)際過濾面積以及濾網(wǎng)的凈面積系數(shù)有關(guān):
　　Q =3 600f·A·v (1)
　　式中:Q為過濾器的設(shè)計(jì)流量(m3/h);A為過濾器中濾網(wǎng)的實(shí)際使用面積(m2);f為濾網(wǎng)的凈面積系數(shù),其大小與濾網(wǎng)目數(shù)有關(guān),具體選用見表1;v為濾網(wǎng)設(shè)計(jì)流速(m/s),根據(jù)國內(nèi)外常用過濾器參數(shù)規(guī)格,濾網(wǎng)過濾速度v對于微灌用網(wǎng)式過濾器一般在0.1~0.2 m/s之間,計(jì)算時(shí)選v=0.15 m/s。

　　從受力和穩(wěn)定角度考慮,元件的長細(xì)比一般為1<λ<5,根據(jù)λ的大小就可以確定出元件直徑或長度,圖2為不同λ與D的關(guān)系曲線(濾網(wǎng)目數(shù)按照48目/cm計(jì)算)。

　　通過圖2可以得出:在滿足1<λ<5前提下,過濾器濾網(wǎng)直徑D、濾網(wǎng)長度L與設(shè)計(jì)流量Q之間的大小關(guān)系,從而確定各種不同設(shè)計(jì)流量下的過濾器尺寸。
　　3.2　過濾器水頭損失與設(shè)計(jì)流量的關(guān)系
　　過濾器的水頭損失是指通過清潔水流時(shí),過濾器進(jìn)、出口之間的水頭降,它包括過濾器進(jìn)口、出口、過濾器元件等引起的局部水頭損失和沿程水頭損失。由于過濾器中的水流狀態(tài)復(fù)雜,因此,規(guī)定在通過設(shè)計(jì)流量時(shí),過濾器進(jìn)出口之間的總水頭差即為設(shè)計(jì)水頭損失。在此水頭損失條件下,過濾器能夠正常工作,并且不會(huì)破壞濾網(wǎng),不影響過濾水質(zhì)。這個(gè)設(shè)計(jì)水頭損失一般要通過試驗(yàn)確定。
　　根據(jù)試驗(yàn)資料可以用式(4)的形式表示過濾器的水頭損失與過濾流量之間的關(guān)系,即：

　　式中:Δh為過濾器的進(jìn)口至出口處的總水頭損失(m);x為指數(shù);k為過濾器的水頭損失系數(shù),與過濾器的形狀、濾網(wǎng)的有效面積系數(shù)和過濾器的制造質(zhì)量有關(guān)。
　4、網(wǎng)式新型自清洗過濾器水力性能試驗(yàn)
　　4.1　試驗(yàn)概況
　　試驗(yàn)在石河子金土地節(jié)水設(shè)備有限公司水工試驗(yàn)站里進(jìn)行,其中試驗(yàn)所用的網(wǎng)式新型自清洗過濾器由該公司生產(chǎn),流量檔次Q=100~450 m3/h,濾網(wǎng)目數(shù)48目/cm。在清水條件下通過調(diào)節(jié)不同進(jìn)水量來改變過濾器的水頭損失,試驗(yàn)裝置如圖3所示。

　　試驗(yàn)裝置主要通過壓力表測定過濾器進(jìn)出口壓力的大小,并對進(jìn)口Ⅰ-Ⅰ斷面和出口Ⅱ-Ⅱ斷面(具體見圖1)列能量方程并整理有： 

　　4.2　結(jié)果分析
　　匯總不同流量下的水頭損失值,擬合出局部水頭損失Δh和流量Q之間的變化關(guān)系,如圖4所示。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,求得式(4)中的k與x,從而確定關(guān)系式(7)。

　　通過該式即可計(jì)算過濾器水頭損失。
　　4.3　新型過濾器水力性能優(yōu)勢分析
　　通過式(7)看出,新型網(wǎng)式過濾器指數(shù)x較小,水頭損失隨流量變化較緩慢,體現(xiàn)了新型過濾器的優(yōu)勢,即在流量變化較大情況下,水頭損失卻變化較小。將圖4與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器水頭損失和過濾流量變化曲線圖5相比較[13],可以看出,在相同流量條件下,新型過濾器產(chǎn)生的水頭損失要比傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器產(chǎn)生的水頭損失小的多;即使在較大流量運(yùn)行條件下,相比傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器,其水頭損失仍然較小,其運(yùn)行水力性能仍然較佳,這也反映出新型網(wǎng)式過濾器適用于大流量條件下的工作環(huán)境