微灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失的試驗研究

駱秀萍,劉煥芳,宗全利,劉飛,易平

(1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003;2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,烏魯木齊832000)

微灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失的試驗研究

駱秀萍,劉煥芳1,宗全利1,劉飛1,易平2

(1石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,石河子832003;2新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,烏魯木齊832000)

微灌自清洗網(wǎng)式過濾器適應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的需求。對微灌自清洗網(wǎng)式過濾器分別進(jìn)行清水和渾水水頭損失試驗研究,結(jié)果表明:在清水條件下,當(dāng)流量在0～90 m3/h時,自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失隨流量變化緩慢;當(dāng)流量在90～240 m3/h時,隨著流量的增大,其水頭損失增加較快,并確定了不同流量條件下自清洗網(wǎng)式過濾器清潔壓降關(guān)系式。含砂量一定時,進(jìn)水流量越大,自清洗網(wǎng)式過濾器局部水頭損失越大,過濾周期越短;進(jìn)水流量一定時,隨含砂量的增大,自清洗網(wǎng)式過濾器過濾周期縮短,局部水頭損失增加的趨勢變大。

自清洗;網(wǎng)式過濾器;水力性能;水頭損失

微灌是一種先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式。微灌系統(tǒng)灌水器的出水孔孔徑一般都很小,要求灌溉水中不含有造成灌水器堵塞的污物和雜質(zhì)。目前,就新疆地區(qū)而言,灌溉水源80%為地表水,這些地表水中往往含有大量泥沙,用含沙水進(jìn)行大田微灌很容易造成灌水器的嚴(yán)重堵塞。因此,對灌溉水源進(jìn)行泥沙處理以及其他凈化處理是必不可少的,而節(jié)水灌溉用過濾器是保證灌水器不被堵塞的最關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備[1～9]。微灌自清洗網(wǎng)式過濾器是目前國內(nèi)外過濾器研究的熱點(diǎn),特別是在我國節(jié)水灌溉面積最大的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)大田微灌技術(shù)中更加需要先進(jìn)、自動化程度高的過濾器[10～11],因此,對微灌自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失進(jìn)行試驗研究是非常必要的。

本研究試驗選用自清洗網(wǎng)式過濾器,由石河子市金土地節(jié)水設(shè)備有限公司生產(chǎn),具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝使用方便、自動化程度高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn),適應(yīng)了大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的需求。本文主要針對該過濾器在清水和渾水條件下的局部水頭損失變化規(guī)律進(jìn)行試驗研究,以期為過濾器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和用戶提供重要的技術(shù)參數(shù)。

1 過濾器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 過濾器結(jié)構(gòu)

自清洗網(wǎng)式過濾器主要由過濾器筒體、過濾芯、自動控制裝置、排污裝置等部分組成,依靠濾網(wǎng)的攔截作用來完成過濾,屬于兩級過濾。一級過濾室由粗過濾網(wǎng)構(gòu)成,二級過濾室由細(xì)過濾網(wǎng)及排污裝置構(gòu)成,排污裝置由水力旋噴管和自動吸附吸砂組件構(gòu)成。

過濾器的結(jié)構(gòu)及過濾流程見圖1。

圖1 自清洗網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)及過濾流程Fig.1 Structure and filtering process of the self-cleaning screen filter

1.2 工作原理

自清洗網(wǎng)式過濾器工作過程包括過濾過程和自清洗過程兩個階段。

1)過濾過程。當(dāng)過濾器開始運(yùn)行時,排污口閥門13關(guān)閉,含砂渾水首先由進(jìn)水口1進(jìn)入粗過濾網(wǎng)2(一級過濾室),過濾一些較大雜質(zhì)(主要是漂浮物)或大于吸砂組件11吸口開度的泥砂,然后經(jīng)細(xì)濾網(wǎng)進(jìn)口3進(jìn)入二級過濾室,由里向外通過細(xì)濾網(wǎng)5,攔截比細(xì)濾網(wǎng)網(wǎng)孔大的泥砂顆粒并將其積聚在濾網(wǎng)內(nèi)表面等待清洗,濾后清水由側(cè)面出水口6流出。具體過濾過程如圖1a所示(圖中箭頭方向代表水流運(yùn)動方向,下同)。

2)自清洗過程。當(dāng)積聚在細(xì)濾網(wǎng)內(nèi)表面的泥砂使濾網(wǎng)內(nèi)外表面形成的壓差達(dá)到預(yù)定值時,由自動控制器打開排污口閥門13,同時關(guān)閉部分出水口閥門7。由于排污口閥門與大氣相通,這樣過濾器內(nèi)部水壓與外部大氣之間形成的壓差會使側(cè)面開孔的吸砂組件11產(chǎn)生強(qiáng)勁吸力;同時由于吸砂組件開口面積很小,濾網(wǎng)內(nèi)表面吸砂組件附近的水流流速很大,高速流動的水流也會將卡在濾網(wǎng)內(nèi)表面的泥砂沖下來進(jìn)入吸砂組件,這樣濾網(wǎng)內(nèi)表面泥砂在強(qiáng)勁吸力和高速水流的雙重作用下可以有效地排除。進(jìn)入吸砂組件的泥砂,通過排砂管12經(jīng)水力旋噴管8由排污口排出。水流由水力旋噴管排出時會向四周噴射,在過濾器頂部殼體內(nèi)形成旋流帶動整個吸附系統(tǒng)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)過程中每個吸砂組件都會將該范圍內(nèi)濾網(wǎng)內(nèi)表面的的泥砂吸進(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)外壓差將會逐漸減小,當(dāng)達(dá)到設(shè)定排污時間時,自動清洗完成,控制器關(guān)閉排污閥,同時完全打開出水閥,自動吸附系統(tǒng)停止旋轉(zhuǎn),過濾器轉(zhuǎn)入正常過濾狀態(tài)。自清洗具體過程如圖1b和c所示。

2 試驗方法

2.1 過濾器及其配套設(shè)備的應(yīng)用布置

自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水工試驗大廳完成,試驗裝置如圖2所示。過濾器細(xì)濾網(wǎng)為 80目,濾孔直徑為0.18 mm,網(wǎng)絲直徑為 0.14 mm[12]。進(jìn)、出水管直徑為160 mm,排污管直徑為120 mm,進(jìn)、出水管均安裝蝶閥以控制過濾器流量。

圖2 自清洗網(wǎng)式過濾器試驗裝置示意圖Fig.2 Experimental device’s schematic diagram ofthe self-cleaning screen filter

2.2 儀器和配套設(shè)備參數(shù)

備的型號及數(shù)量如表1所示。

自清洗網(wǎng)式過濾器室內(nèi)試驗所需儀器和配套設(shè)

表1 自清洗網(wǎng)式過濾器試驗設(shè)備

2.3 試驗方法

自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失試驗分為清水試驗和渾水試驗兩部分。在清水條件下,通過設(shè)定不同水泵水頭值(30 m、20 m、10 m、7 m、6.5 m、6 m、5.5 m、5 m)及調(diào)節(jié)進(jìn)、出水口蝶閥開度來改變過濾器流量。待過濾器運(yùn)行穩(wěn)定后,記錄各壓力表讀數(shù)并每隔1 min記錄流量計示數(shù)。在渾水條件下,過濾器正常過濾時,人工調(diào)節(jié)含砂量,每隔10 s記錄壓力表在不同含砂量條件下隨過濾時間的變化值。在一個過濾周期中,當(dāng)過濾器正常過濾時分別在過濾初期、中期及末期取進(jìn)水管和出水管水樣,排污時每隔5 s取排污管水樣,從而測定水的含砂量。試驗數(shù)據(jù)觀測及整理完畢后采用線性回歸和非線性回歸的方法,分析在清水條件下過濾器局部水頭損失隨流量的變化規(guī)律,并擬合出水頭損失 hj和流量Q之間的關(guān)系式;探究在渾水條件下過濾器局部水頭損失與流量、進(jìn)水含砂量及過濾時間等因素之間的關(guān)系。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 自清洗網(wǎng)式過濾器局部水頭損失計算

自清洗網(wǎng)式過濾器正常過濾時,水流從過濾器進(jìn)水口流入、出水口流出,整個流程所產(chǎn)生的水頭損失為:

式(1)中:∑hf是流程中各管段沿程水頭損失的總和,m;∑hj是全流程中各局部水頭損失的總和,m。

對于自清洗網(wǎng)式過濾器,由于從進(jìn)水口到出水口水流較復(fù)雜,且路程較短,無長直流段,因此,可以忽略沿程水頭損失,主要考慮局部水頭損失,即

在清水條件下,過濾器的水頭損失是指過濾器進(jìn)、出水口的總水頭降,它主要包括過濾器進(jìn)口、出口、過濾器元件等引起的局部水頭損失。過濾器局部水頭損失可以采用下式計算:

針對自清洗網(wǎng)式過濾器,其局部水頭損失主要包括:1)由進(jìn)出口斷面發(fā)生變化引起的局部水頭損失;2)由過濾器內(nèi)粗過濾網(wǎng)和細(xì)過濾網(wǎng)引起的局部水頭損失;3)由過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化引起的局部水頭損失。

式(4)為過濾器進(jìn)、出水管道斷面突變產(chǎn)生的局部水頭損失計算公式:

式(4)中:A1、A2是管道擴(kuò)大前、后過水?dāng)嗝婷娣e,是管道斷面擴(kuò)大前的流速水頭是管道突然擴(kuò)大的局部水頭損失系數(shù)。

由于過濾器中的水流狀態(tài)較復(fù)雜,很難確定過濾器水頭損失系數(shù)。因此,還可以用過濾器流量Q來表示過濾器的水頭損失,根據(jù)試驗資料可以用式(5)的形式來表示過濾器的水頭損失與過濾流量之間的關(guān)系[13],即:

式(5)中:k是比例系數(shù);x是指數(shù)。

3.2 自清洗網(wǎng)式過濾器清潔壓降關(guān)系式的確定

根據(jù)以上分析,調(diào)節(jié)不同流量檔次,可以測試到不同的水頭損失值。自清洗網(wǎng)式過濾器清水試驗主要探究細(xì)濾網(wǎng)的局部水頭損失與流量的關(guān)系。本試驗每隔10 m3/h的流量測定一組進(jìn)水管流量與水頭損失值。由于在流量較小時,自清洗網(wǎng)式過濾器局部水頭損失隨流量變化較緩,流量較大時,其局部水頭損失隨流量變化較快。為更加準(zhǔn)確地反映該過濾器的水力性能,取流量在0～90 m3/h及90～240 m3/h的數(shù)據(jù),按過濾器的水頭損失值(縱坐標(biāo))與流量(橫坐標(biāo))分別繪制過濾器的清潔壓降曲線如圖3所示。

圖3 流量在0～90 m3/h及90～240 m3/h條件下過濾器清潔壓降曲線Fig.3 The filter’s clean pressure dropping curve in 0～90 m3/h and 90～240 m3/h

圖3a對應(yīng)相關(guān)系數(shù) R2=0.9659,其水頭損失hw與流量Q之間的關(guān)系式為:

將式(7)與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器水頭損失的計算公式Δh=0.0045Q1.75[14]對比發(fā)現(xiàn):式(7)中流量指數(shù)0.4075遠(yuǎn)小于1.75,說明與傳統(tǒng)過濾器相比,當(dāng)進(jìn)水口流量在0～90m3/h時,自清洗網(wǎng)式過濾器初始水頭損失隨流量變化較緩慢。這是因為流量較小時,過濾器進(jìn)出口流速較小,水流在過濾器內(nèi)流態(tài)變化及流體質(zhì)點(diǎn)間的摩擦和碰撞較小,故由其結(jié)構(gòu)引起的局部水頭損失變化較小。

由圖3b及試驗結(jié)果計算出的相關(guān)系數(shù)可知,當(dāng)自清洗網(wǎng)式過濾器流量在90～240m3/h附近變化時,其清潔壓降關(guān)系式也可用下面的經(jīng)驗公式計算:

過濾器初始水頭損失與濾網(wǎng)及其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān),而對于自清洗網(wǎng)式過濾器而言,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。當(dāng)過濾器進(jìn)水口流量在90～240 m3/h時,隨著流量的增大,自清洗網(wǎng)式過濾器的局部水頭損失增加較快。這是因為在過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下,流量增大時,單位時間通過濾網(wǎng)小孔的流速變大,液體質(zhì)點(diǎn)間的碰撞和摩擦加劇,水流消耗能量增大。

由上述分析可知,式(7)主要反映流量較小時由過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水頭損失,可利用其進(jìn)行過濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,而式(8)為自清洗網(wǎng)式過濾器在設(shè)計流量條件下的清潔壓降關(guān)系式,可為用戶提供重要的技術(shù)參數(shù)。

3.3 渾水條件下水頭損失與流量的關(guān)系

對自清洗網(wǎng)式過濾器預(yù)設(shè)一個較大壓差,保持進(jìn)水含砂量不變,調(diào)節(jié)進(jìn)、出水口蝶閥改變過濾器流量,在不同流量條件下記錄過濾時間及壓力表讀數(shù)的變化,根據(jù)所測數(shù)據(jù)以過濾時間為橫坐標(biāo),以局部水頭損失為縱坐標(biāo)繪制不同流量條件下過濾器渾水局部水頭損失變化曲線如圖4所示。

由圖4可知:在不同的進(jìn)水流量條件下,自清洗網(wǎng)式過濾器的初始水頭損失及過濾周期是不同的。同一過濾時間流量越大,過濾器對應(yīng)的局部水頭損失越大。當(dāng)含砂量一定時,隨著流量的增大,過濾器過濾周期變短。由于過濾器初始水頭損失與過濾器濾網(wǎng)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),因此,當(dāng)流量較大時,水流在過濾器內(nèi)流態(tài)變化及流體質(zhì)點(diǎn)間的碰撞較大,產(chǎn)生的初始局部水頭損失就越大;單位時間內(nèi)積聚在濾網(wǎng)內(nèi)的泥砂顆粒越多,過濾器會在較短時間內(nèi)達(dá)到預(yù)設(shè)壓差進(jìn)行排污,即過濾周期較小。試驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)濾網(wǎng)局部水頭損失達(dá)到0.07 MPa～0.08 MPa時,進(jìn)水口流量出現(xiàn)明顯降低趨勢,說明濾網(wǎng)堵塞程度增加,有效過濾面積減少,故可在上述壓差范圍內(nèi)取值作為自清洗網(wǎng)式過濾器預(yù)設(shè)排污壓差。

圖4 不同進(jìn)水流量下過濾器渾水局部水頭損失變化曲線Fig.4 The muddy water filter’s head loss curve in different in flow

3.4 渾水條件下水頭損失與進(jìn)水含砂量的關(guān)系

對自清洗網(wǎng)式過濾器同樣預(yù)設(shè)一個較大壓差,保持過濾器進(jìn)水流量不變,調(diào)節(jié)含砂量,在不同含砂量條件下記錄過濾時間及壓力表讀數(shù)的變化,繪制不同進(jìn)水含砂量條件下過濾器渾水局部水頭損失隨時間的變化曲線,如圖5所示。

圖5 不同進(jìn)水含砂量條件下過濾器渾水局部水頭損失變化曲線Fig.5 The muddy water filter’s head loss curve in different sediment

由圖5可知:在渾水條件下,過濾器的局部水頭損失及過濾周期與過濾流量及進(jìn)水含砂量有關(guān)。過濾器局部水頭損失在過濾器運(yùn)行時間為總過濾時間的約2/3時,局部水頭損失出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象。在相同的進(jìn)水流量條件下,隨著含砂量的增大,過濾器局部水頭損失急劇變化的趨勢增大,過濾周期相應(yīng)變短。這是因為隨著進(jìn)水含沙量的增加,泥砂在過濾器濾網(wǎng)內(nèi)的積聚速度越快,對濾網(wǎng)的堵塞程度越大,在濾網(wǎng)內(nèi)形成濾餅,過濾器由介質(zhì)過濾轉(zhuǎn)變?yōu)闉V餅過濾,濾餅引起的壓降損失大于介質(zhì)引起的壓降損失,隨著濾餅增厚壓降迅速增大,即水頭損失迅速增大。圖5中曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時對應(yīng)水頭損失值約為7 m,結(jié)合3.3節(jié)內(nèi)容,在保證過濾器內(nèi)部濾網(wǎng)的承受壓力不至過大,并能使其高效率工作的前提下,亦可確定自清洗網(wǎng)式過濾器的預(yù)設(shè)壓差值,為用戶提供重要的技術(shù)參數(shù)。

4 結(jié)論

1)清水條件下,當(dāng)流量在0～90 m3/h時,自清洗網(wǎng)式過濾器水頭損失隨流量變化緩慢,對應(yīng)清潔壓降關(guān)系式為hw=0.1706Q0.4075;當(dāng)流量在90～240 m3/h時,自清洗網(wǎng)式過濾器清潔壓降關(guān)系式為 hw=0.0005Q1.7248,隨著流量的增大,其水頭損失增加較快;

2)在渾水條件下,當(dāng)含砂量一定時,進(jìn)水流量越大,自清洗網(wǎng)式過濾器局部水頭損失越大,過濾周期越短;進(jìn)水流量一定時,隨著含砂量的增大,過濾器過濾周期縮短,局部水頭損失增加的趨勢變大。當(dāng)過濾器運(yùn)行時間為總過濾時間約2/3時,過濾器局部水頭損失急劇增大。

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Experiments and Studies on the Head Loss of the Micro-irrigatio Self-cleaning Screen Filter

LUO Xiuping,LIU Huanfang,ZONG Quanli,LIU Fei,YI Ping
(1College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Xinjiang Production and Construction Corps,Survey Planning and Design Institute,Urumqi 832000,China)

The micro-irrigation self-cleaning screen filter meets the needs of water-saving irrigation technology’s development.Research into the head loss of the micro-irrigation self-cleaning screen filter in clean and muddy water conditions,found that in the clean water condition,when the flow rate is in the 0-90 m3/h,the self-cleaning screen filter’s head loss changed slowly with the flow;when the flow rate is in the 90-240 m3/h,with the increase of flow,the head loss increased rapidly,identifying the clean pressure drop relationship of the self-cleaning screenfilter.When the sand content is constant,the water flow is greater,the self-cleaning screenfilter’s local head loss is higher,the filtration cycle is shorter;when the water flow is constant,with increase of the sand content,the filtration cycle of the selfcleaning screen filter is shortened,and the increasing trend of local head loss becomes larger.

self-cleaning;screen filter;hydraulic performance;head loss

S277.9 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

A

2010-11-08

國家自然科學(xué)基金項目(50909062)。

駱秀萍(1986-),女,碩士研究生,專業(yè)方向為工程水力學(xué);e-mail:luoxiuping06@163.com。

劉煥芳(1965-),男,教授,從事工程水力學(xué)與節(jié)水灌溉方面的研究;e-mail:lhf0818@shz.edu.cn。