摘要：比较了国内外自清洗过滤器产品技术参数,分析了当前国内网式自清洗过滤器应用中存在的问题,在此基础上设计提出一种微灌用网式新型自清洗过滤器,并对该新型过滤器的结构和工作原理进行了详细介绍;通过理论计算得到在满足1<λ<5(λ为元件的长度与直径比值)前提下,新型过滤器滤网直径、滤网长度与设计流量之间的定量关系;通过试验得到了水头损失与设计流量的定量关系式,并与传统网式过滤器进行了比较,结果表明,新型过滤器水头损失小,且随流量变化缓慢,即使在流量变化较大情况下,水头损失也变化较小,在我国大田微灌技术中具有较广泛的应用前景。
关键词：微灌;网式过滤器;自清洗;水头损失
中图分类号：S274.2 文献标志码：A
1 微灌用自清洗过滤器
基于过滤器在微灌系统中的应用,国内外关于过滤器的研究发展主要经历了3个历程,一是各种不同类型单一过滤器的研究;二是将各种不同类型过滤器相互组合成新的过滤器,即组合型过滤器的研究,常见的有旋流(离心)网式过滤器、叠片式砂过滤器、叠网式过滤器等;三是对过滤器清洗方式进行研究,主要有手动清洗和自动清洗。
自动清洗过滤器从清洗方式上主要有吸污式、刷式、转臂式、刮盘式和反冲洗式等,从清洗动力上主要有电机驱动和液压驱动等。
对自清洗过滤器的研究,国外比较早,始于20世纪中后期,Vehashkaya Amiad Sinun提出了一种自动反冲洗过滤器,Jan Hermene研究了一种自清洗连续过滤系统等[5]。目前像以色列、美国公司等具有很多生产和研制自清洗过滤器的公司,他们研制生产了各种类型的自清洗过滤器。
国内对自清洗过滤器的研究始于21世纪初,开始主要是引进国外自清洗过滤器产品,但由于应用环境和标准不同使得引进的产品工作性能不稳定,故障率较高,有时甚至无法使用,这也是目前国内许多地区仍然使用传统手动清洗过滤器的原因之一。主要研究成果集中在对传统过滤器的改进和对其它领域应用过滤器的改造上。例如文献[7]研制了一种微灌用叠片式自动反冲洗过滤器,文献[8]研制了一种自动清洗河(渠)水网式过滤器,文献[9]对微灌用砂石过滤器反冲洗参数进行了试验研究;虽然这些研究成果在一定程度上能够完成过滤污物杂质的自动清洗,但其清理机构或传动机构需外力驱动(一般为电动机),增加了过滤器的制造和使用成本。还有一些自清洗过滤器不需要外力驱动也能完成自动清洗,例如文献[10]研究的微灌全自动反冲洗过滤器,文献[11]研究的卧式水力驱动自清洗过滤器等,只需水力驱动即可自动完成清洗;文献[12]研制的全自动自吸附反冲洗网式过滤器,利用水流反作用力实现污物吸附,无需利用液压驱动吸附,即可自动扫描整个筛网。
以上研究为国内自动清洗过滤器应用发展奠定了良好的基础,但从现有文献看,自动清洗过滤器很多关键技术和设备还需要深入研究,特别是在清洗动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仅靠水力冲洗,很难将卡在滤网上的杂质去除;通过对微灌用各种网式过滤器进行调查,发现使用过的滤网,即使经常进行自动清洗,也都会不同程度地被污物杂质卡住,有的甚至会有一半以上网孔被堵塞而清洗不下来,即便用人工钢刷清洗也非常困难,可见自动清洗过滤器研究所要解决的不仅是如何自动完成污物杂质的清洗,更重要的是采用何种清洗方式才能提高清洗效果。因此设计一种可靠性好,既能经济运行,又能自动清洗的过滤器是非常迫切的,石河子金土地节水设备有限公司设计提出一种网式新型自清洗过滤器,在新疆大田微灌技术中得到了很好的应用,为了使新型过滤器的应用更加广泛,与该企业进行了合作研究,并在试验基础上对新型过滤器水力性能优势进行了对比分析。
2 微灌用网式新型自清洗过滤器设计原理
微灌用网式新型自清洗过滤器结构如图1所示,其整个工作状态分过滤和自清洗2个过程。
过滤过程:含砂浑水由进水口1进入,首先通过粗过滤网2,过滤一些较大杂质(主要是漂浮物)或大于吸砂组件12吸口开度的泥砂,然后经细滤网进口3进入过滤室,由里向外通过细滤网4,由侧面出水口5流出,这样比细滤网网孔大的泥砂颗粒被拦截下来并积聚在滤网的内表面等待清洗。自清洗过程:当泥砂积聚在细滤网内表面便会在滤网内外表面形成压差,压差达到预定值时,由控制器打开排污口7阀门,同时关闭部分出水口5阀门。由于排污阀出口与大气相通,这样过滤器内部水压与外部大气之间形成的压差会使侧面开孔的吸砂组件12产生强劲吸力;同时由于吸砂组件开口面积很小,滤网内表面吸砂组件开口附近的水流流速很大,高速流动的水流也会将卡在滤网内表面泥砂冲下来进入吸砂组件,这样在强劲吸力和高速水流的双重作用下,就可以保证滤网内表面泥砂有效的排除。进入吸砂组件的泥砂,通过排砂管11经水力旋喷管10由排污口排出。水流由水力旋喷管流出时会向四周喷射,在过滤器顶部壳体内形成旋流带动整个吸附系统旋转,旋转过程中每个吸砂组件都会将该范围内滤网内表面的泥砂吸进,随水流经排砂管由旋喷管排出。随着滤网内表面泥砂的排除,滤网内外压差将会逐渐减小,当低于设定值时,自动清洗完成,控制器关闭排污阀,同时完全打开出水阀,水力旋喷管将不再喷射,自动吸附系统停止旋转,转入正常过滤状态。
该过滤器能否实现自清洗的关键技术是水力旋喷自动吸附系统。该系统由一个空心结构排砂管在轴线上按一定距离连接若干个垂直均匀分布的吸砂组件,顶部连接一根水力旋喷管组成。水力旋喷管将液能转化为机械动能提供旋转动力,带动排砂管及吸砂组件旋转运动,吸砂组件的旋转运动将对整个滤网内表面实行整体扫描吸附,确保整个网面泥砂的排除。运行中过滤器内部水压与外部大气之间所形成压差产生的强劲吸力,以及从滤网内表面进入吸砂组件水流的高速流动保证了积聚在滤网内表面泥砂的排除,即使是牢固卡在网孔内的泥砂颗粒,也会在高速水流和强劲吸力的双重作用下被清除,确保整个网面泥砂的清洗效果。
3 网式新型自清洗过滤器过滤参数的确定
3.1 过滤器滤网尺寸与设计流量关系
过滤器的设计流量与滤网过滤速度、实际过滤面积以及滤网的净面积系数有关:
Q =3 600f·A·v (1)
式中:Q为过滤器的设计流量(m3/h);A为过滤器中滤网的实际使用面积(m2);f为滤网的净面积系数,其大小与滤网目数有关,具体选用见表1;v为滤网设计流速(m/s),根据国内外常用过滤器参数规格,滤网过滤速度v对于微灌用网式过滤器一般在0.1~0.2 m/s之间,计算时选v=0.15 m/s。
从受力和稳定角度考虑,元件的长细比一般为1<λ<5,根据λ的大小就可以确定出元件直径或长度,图2为不同λ与D的关系曲线(滤网目数按照48目/cm计算)。
通过图2可以得出:在满足1<λ<5前提下,过滤器滤网直径D、滤网长度L与设计流量Q之间的大小关系,从而确定各种不同设计流量下的过滤器尺寸。
3.2 过滤器水头损失与设计流量的关系
过滤器的水头损失是指通过清洁水流时,过滤器进、出口之间的水头降,它包括过滤器进口、出口、过滤器元件等引起的局部水头损失和沿程水头损失。由于过滤器中的水流状态复杂,因此,规定在通过设计流量时,过滤器进出口之间的总水头差即为设计水头损失。在此水头损失条件下,过滤器能够正常工作,并且不会破坏滤网,不影响过滤水质。这个设计水头损失一般要通过试验确定。
根据试验资料可以用式(4)的形式表示过滤器的水头损失与过滤流量之间的关系,即：
（4）
式中:Δh为过滤器的进口至出口处的总水头损失(m);x为指数;k为过滤器的水头损失系数,与过滤器的形状、滤网的有效面积系数和过滤器的制造质量有关。
4 网式新型自清洗过滤器水力性能试验
4.1 试验概况
试验在石河子金土地节水设备有限公司水工试验站里进行,其中试验所用的网式新型自清洗过滤器由该公司生产,流量档次Q=100~450 m3/h,滤网目数48目/cm。在清水条件下通过调节不同进水量来改变过滤器的水头损失,试验装置如图3所示。
试验装置主要通过压力表测定过滤器进出口压力的大小,并对进口Ⅰ-Ⅰ断面和出口Ⅱ-Ⅱ断面(具体见图1)列能量方程并整理有：
4.2 结果分析
汇总不同流量下的水头损失值,拟合出局部水头损失Δh和流量Q之间的变化关系,如图4所示。对试验数据进行回归分析,求得式(4)中的k与x,从而确定关系式(7)。
（7）
通过该式即可计算过滤器水头损失。
4.3 新型过滤器水力性能优势分析
通过式(7)看出,新型网式过滤器指数x较小,水头损失随流量变化较缓慢,体现了新型过滤器的优势,即在流量变化较大情况下,水头损失却变化较小。将图4与传统网式过滤器水头损失和过滤流量变化曲线图5相比较[13],可以看出,在相同流量条件下,新型过滤器产生的水头损失要比传统网式过滤器产生的水头损失小的多;即使在较大流量运行条件下,相比传统网式过滤器,其水头损失仍然较小,其运行水力性能仍然较佳,这也反映出新型网式过滤器适用于大流量条件下的工作环境。
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