自清洗過濾器排污系統(tǒng)的水力計(jì)算

鄭鐵剛,劉煥芳,劉 飛,宗全利

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆石河子 832003;2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

我國水資源十分短缺,人均水資源占有量只有2200m3,僅為世界平均水平的1/4。我國也是農(nóng)業(yè)大國,而農(nóng)業(yè)是用水大戶,用水量約占全國用水總量的70%,在新疆等西北地區(qū)占90%左右[1]。隨著農(nóng)業(yè)用水總量越來越受到控制,加速發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水勢在必行。根據(jù)我國節(jié)水灌溉“十一五”發(fā)展計(jì)劃及2015年發(fā)展規(guī)劃,到2015年底全國微灌面積將達(dá)到1066.45萬hm2,占全國總灌溉面積的19.5%,絕對面積名列世界第一[2]。在今后較長一段時(shí)期內(nèi),我國微灌面積的比例無疑將會逐年增加,這就要求與其相關(guān)的一些微灌配套設(shè)施必須加快研究,以適應(yīng)我國微灌事業(yè)的快速發(fā)展,微灌用過濾器作為保證整個(gè)微灌系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心過濾設(shè)備,無疑將會成為今后研究的熱點(diǎn)。從國內(nèi)過濾設(shè)備可靠性不高、密封性差和自動化控制程度低的角度分析并結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以看出,具有自清洗功能的過濾設(shè)備是今后主要的研究方向[3-4]。

自清洗過濾器是一種將液體中顆粒在一定條件下自過濾清除的分離過濾裝置,與傳統(tǒng)過濾器相比具有自動化程度高、壓力損失小、不必進(jìn)行人工清除濾渣等特點(diǎn),并且多數(shù)自清洗過濾器在清洗時(shí)可以不間斷供水。盡管目前國內(nèi)市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種自清洗過濾器,但自清洗過濾器的很多關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備還需要進(jìn)行深入研究。例如在清洗方式上如果僅靠水力沖洗,而沒有其他作用力,很難將卡在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)去除。筆者曾對微灌用各種網(wǎng)式過濾器進(jìn)行過調(diào)查,發(fā)現(xiàn)使用過的濾網(wǎng)即使經(jīng)常清洗還是會存在不同程度的污物粘附在濾網(wǎng)表面的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響過濾器的使用效率,因此需要對自清洗過濾器的清洗方式進(jìn)行改進(jìn)。自吸自動網(wǎng)式過濾器是一種新型過濾器,其最主要的特點(diǎn)是排污過程中在水力沖洗的基礎(chǔ)上增加了排污裝置的吸附力,從而可以大幅度提高清洗效率。

1 自吸自動網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

根據(jù)水力學(xué)及過濾水力學(xué)設(shè)計(jì)的自吸自動網(wǎng)式過濾器由過濾器筒體、過濾芯、自動控制裝置、排污裝置等零部件組成,如圖1所示。過濾器筒體內(nèi)設(shè)有1個(gè)用粗過濾芯構(gòu)成的1級過濾室和1個(gè)用細(xì)過濾芯構(gòu)成的2級過濾室,2級過濾室中裝有排污裝置,通過自動控制系統(tǒng)保證自吸自動網(wǎng)式過濾器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 自吸自動網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

自吸自動網(wǎng)式過濾器的粗過濾階段實(shí)現(xiàn)大顆粒、長絮狀雜質(zhì)等的過濾,其精度不是很高,且排污清洗等手段簡單,對整個(gè)過濾器生產(chǎn)工藝的影響不是很大,所以這里不對其進(jìn)行深層次的研究。自吸自動網(wǎng)式過濾器的主要過濾功能體現(xiàn)在細(xì)過濾階段,濾網(wǎng)內(nèi)嵌在濾網(wǎng)支撐上,濾餅形成于過濾器的內(nèi)部。過濾器清洗裝置以壓差作為控制參數(shù),即用細(xì)濾網(wǎng)在安全過濾下產(chǎn)生的計(jì)算壓差作為控制預(yù)設(shè)值,當(dāng)壓差接近預(yù)設(shè)值時(shí),輸出自清洗信號,從而實(shí)現(xiàn)自清洗。

2 自吸自動網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)水力參數(shù)計(jì)算分析

自吸自動網(wǎng)式過濾器的排污裝置如圖1(b)所示,由吸沙組件和排沙管密封連接組成,沿吸沙管軸向共分成等長的4段,每段均有1個(gè)吸沙組件控制該段濾網(wǎng)內(nèi)沙的整體掃描。吸沙組件掃描過后,含沙水體由吸沙組件進(jìn)入排沙管,在負(fù)壓作用下水流沿吸沙管上升,當(dāng)水流到達(dá)頂部水力旋噴管處時(shí),水力旋噴管將液能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能提供旋轉(zhuǎn)動力,帶動排沙管及吸沙組件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,吸沙組件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動將對整個(gè)濾網(wǎng)內(nèi)表面進(jìn)行整體掃描吸附,確保整個(gè)網(wǎng)面泥沙的排出。對于排污裝置而言,保證沖凈率為最終目的,而吸沙組件開口處吸附力的大小是沖凈率最主要的影響因素。因此要提高排污裝置的工作性能首先要對吸沙組件開口處的吸附力進(jìn)行研究。

取4個(gè)吸沙組件中的任意1個(gè)為研究對象,吸沙組件開口外處為1—1斷面,吸沙組件開口內(nèi)處為2—2斷面,并取1—1斷面所代表的開口中心為0—0基準(zhǔn)參考面(圖2),列能量方程有:

式中:z1為1—1斷面相對位置高度,m,取為零;z2為2—2斷面相對位置高度,m,取為零;p1為1—1斷面處壓強(qiáng),Pa;p2為2—2斷面處壓強(qiáng),Pa;ρ為水的密度;v1為1—1斷面處的平均水流流速,m/s;v2為2—2斷面處的平均水流流速,m/s;α1,α2為修正系數(shù),均取 1.0;hw1-2為1—1斷面與 2—2斷面之間的水頭損失,m,忽略不計(jì)。

圖2 吸沙組件計(jì)算示意圖

設(shè)排污需水量為Qp,則由液體連續(xù)性方程可得研究對象處的流量為Qp/4。由于1—1斷面處平均水流流速較小,可以將v1近似取為零;2—2斷面處的平均水流流速 v2=Qp/(4Ax)。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)可得

整理得

式中:Ax為吸沙組件開口斷面面積,m2。

由于吸附力由吸口處的內(nèi)外壓強(qiáng)差產(chǎn)生,因此可知產(chǎn)生的吸附力為

由式(4)可以看出,吸沙組件開口處的吸附力大小主要與排污需水量和吸沙組件開口斷面面積有關(guān)。由排污裝置的驅(qū)動原理可知,排污需水量與驅(qū)動力大小密切相關(guān)。

由動量矩方程可知:式中:T為動量矩;v1t為進(jìn)水水流的絕對速度u1在牽連速度uq方向的分量;v2t為出水水流的絕對速度u2在牽連速度 uq方向的分量;r1為進(jìn)水水流旋轉(zhuǎn)半徑;r2為出水水流旋轉(zhuǎn)半徑。

對于水力旋噴管(圖3),由于為水力驅(qū)動,無外力矩作用,因此T=0,又知水流沿z軸方向流入,故在xOy平面內(nèi)v1t=0,忽略轉(zhuǎn)動摩擦力及其他影響因素可知 ρ Qpv2tr2=0。由絕對速度及牽連速度之間的關(guān)系可知v2t=u2-uq=u2-ω r2,因此

由此可知

式中:Ap為旋噴管出口面積,m2;ω為旋噴管角速度,rad/s;n為旋轉(zhuǎn)圈數(shù),r/min。

圖3 水力旋噴管

由式(7)(8)可得

對80目自吸自動網(wǎng)式過濾器進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及原型試驗(yàn),過濾器基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下:①排污需水量為50～70m3/h;②旋噴管出口直徑為0.05m;③吸口尺寸為 3mm×24.5mm;④旋噴管旋轉(zhuǎn)半徑為0.35m。計(jì)算得到:Ap=0.002m2,Qp=60m3/h。將以上數(shù)據(jù)代入式(9)可得n=114r/min。在試驗(yàn)過程中測得的n=109～111r/min,由此可知,在自清洗裝置轉(zhuǎn)動過程中摩擦力及其他影響因素對裝置的影響較小,符合設(shè)計(jì)要求。將試驗(yàn)測試得到的 Qp=60m3/h,Ax=7.35×10-5m2,ρ=1 000 kg/m3代入式(4)得 F=118N。

自動排污裝置能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵是吸沙組件能否將附著在網(wǎng)面上的泥沙顆粒吸出,例如取某一排污過程中含沙水體為研究對象,由于含沙水體在罐體內(nèi)水平方向主要受泥沙顆粒之間和泥沙與網(wǎng)面之間的黏結(jié)力的影響,因此只要負(fù)壓產(chǎn)生的吸附力大于黏結(jié)力即可實(shí)現(xiàn)自清洗。

過濾器自清洗裝置排污效果取決于吸附力與黏結(jié)力的關(guān)系。吸沙組件吸附力的大小可以用式(4)來計(jì)算,但與此對應(yīng)的細(xì)顆粒泥沙黏結(jié)力的計(jì)算尚未達(dá)成一致[5]。唐存本根據(jù)杰爾亞金的試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為細(xì)顆粒之間的黏結(jié)力 F′與水深及大氣壓無關(guān)[6-7],而與粒徑D成正比,即式中:η為比例系數(shù),η與顆粒表面性質(zhì)、液體性質(zhì)及沙粒間接觸緊密度有關(guān),在水中緊密接觸時(shí),η為常數(shù)。竇國仁也曾討論過用式(10)來計(jì)算細(xì)顆粒之間的黏結(jié)力(考慮附加壓力)。本研究忽略附加壓力,用式(10)計(jì)算細(xì)顆粒之間的黏結(jié)力,η取2.56×10-5N/cm[5]。

本試驗(yàn)用沙的粒徑級配分析如圖4所示,取中值粒徑為0.4mm。由式(10)計(jì)算可知泥沙細(xì)顆粒之間的黏結(jié)力 F′=1×10-6N。

圖4 泥沙粒徑級配曲線

在一個(gè)正常過濾的濾餅層中,孔隙的分布是變化的。對于一般可壓縮濾餅來說,濾餅表面處的孔隙率最大,而靠近介質(zhì)處的孔隙率最小[8]。因而,清洗濾餅表層所需的吸附力最小,而清洗介質(zhì)表面所需的吸附力最大。取介質(zhì)表面泥沙為研究對象,假設(shè)泥沙在網(wǎng)面均勻緊密分布,則與吸沙組件開口斷面面積相當(dāng)?shù)拿娣e內(nèi)的泥沙顆?？倲?shù)可以近似計(jì)算為式中:s為單顆泥沙顆粒斷面近似面積。

于是吸沙組件開口處的總黏結(jié)力F′總≈F′m=6×10-4N。所以理論上吸沙組件的吸附力只要大于6×10-4N就可以完成自清洗。但是在濾網(wǎng)過濾過程中常常會出現(xiàn)沙粒堵孔現(xiàn)象[9],這部分作用力的計(jì)算尚未找到合適的解決方法。由于沙粒與網(wǎng)孔之間的摩擦力比泥沙黏結(jié)力大得多,因此只有吸附力遠(yuǎn)大于泥沙黏結(jié)力的計(jì)算值才有可能徹底完成自清洗。由計(jì)算可知,泥沙產(chǎn)生的總黏結(jié)力為F′總=6×10-4N,吸沙組件產(chǎn)生的吸附力為F=118N,也就是說自清洗裝置產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)大于泥沙總黏結(jié)力,即在理論上滿足自清洗要求。

3 結(jié) 論

a.水流沿排沙管流至水力旋噴管,產(chǎn)生動量矩T和角速度ω,由能量方程及動量矩方程計(jì)算得到自清洗裝置旋噴管角速度的計(jì)算式為 ω=Qp/(2Apr2),旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的計(jì)算式為 n=15Qp/(πApr2),吸附力的計(jì)算式為F=Qp2ρ/(32Ax)。

b.由自清洗裝置旋噴管角速度的計(jì)算式可知,旋噴管角速度與流量及旋噴管出口面積有關(guān)。當(dāng)流量一定時(shí),減小旋噴管出口面積,旋噴管轉(zhuǎn)速會增大,從而掃遍網(wǎng)面的次數(shù)增多,濾網(wǎng)沖凈率也就相應(yīng)提高。但由動力學(xué)可知,當(dāng)出口面積小到某一值,即轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時(shí),排污裝置將無法完成吸污過程,反而會降低沖凈率。因此,出口面積應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)來保證沖凈率。

c.由于存在沙粒堵孔現(xiàn)象,因此只有排污裝置產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)大于泥沙總黏結(jié)力時(shí)才能徹底完成自清洗。泥沙細(xì)顆粒之間的黏結(jié)力一般采用經(jīng)驗(yàn)公式 F′=η D 計(jì)算。

d.將試驗(yàn)基本參數(shù)代入吸附力及泥沙黏結(jié)力計(jì)算式可知,試驗(yàn)用過濾器吸沙組件產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)大于泥沙總黏結(jié)力,滿足自清洗要求。即自吸自動網(wǎng)式過濾器作為一種新型過濾設(shè)備其清洗方式可以大幅度提高清洗效率。e.每個(gè)吸沙組件開口的吸附力大小決定了排污運(yùn)行時(shí)間及沖凈率。根據(jù)這個(gè)定量值,可以對排污時(shí)間及自清洗裝置進(jìn)行優(yōu)化,從而使過濾器過濾及排污達(dá)到最優(yōu)效果,對后續(xù)工作具有一定的理論指導(dǎo)意義。

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