網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析與壓降計(jì)算

宗全利 楊洪飛 劉貞姬 葛宇川

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院， 石河子 832000)

網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞成因分析與壓降計(jì)算

宗全利 楊洪飛 劉貞姬 葛宇川

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院， 石河子 832000)

為分析網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞的過(guò)程和成因，并獲得濾網(wǎng)堵塞后壓降計(jì)算的相關(guān)參數(shù)，對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行堵塞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：濾網(wǎng)堵塞經(jīng)歷了介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞2個(gè)過(guò)程，形成的濾餅內(nèi)層泥沙顆粒粒徑較大，外層顆粒粒徑分布較均勻；濾網(wǎng)孔徑和含沙量是影響堵塞的重要因素，濾網(wǎng)孔徑越小，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越短；相同孔徑下，含沙量越大，堵塞所用時(shí)間越短，濾網(wǎng)越容易堵塞。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了濾網(wǎng)內(nèi)外壓降與濾網(wǎng)孔徑、濾網(wǎng)厚度、孔隙率、形成濾餅層厚度、濾餅孔隙率等的定量關(guān)系式，并分別計(jì)算了孔徑為430、280、200 μm濾網(wǎng)的內(nèi)外壓降，并與實(shí)測(cè)壓降進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，計(jì)算得到的濾網(wǎng)內(nèi)外壓降與實(shí)測(cè)值基本一致，可以反映濾網(wǎng)堵塞的規(guī)律；濾網(wǎng)內(nèi)外壓降隨水流流量、濾網(wǎng)厚度、形成濾餅層厚度增大而增大，濾網(wǎng)孔徑越小，濾餅孔隙率越小，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降越大。

網(wǎng)式過(guò)濾器； 濾網(wǎng)； 堵塞成因； 濾餅； 壓降

引言

在微灌系統(tǒng)中，過(guò)濾器是最核心的設(shè)備之一。過(guò)濾器有離心式、網(wǎng)式、碟片式和組合式過(guò)濾器等。網(wǎng)式過(guò)濾器過(guò)濾效果好、清洗效率高、不易損毀、拆卸方便、性?xún)r(jià)比高，因此網(wǎng)式過(guò)濾器廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中。但是，好的過(guò)濾效果伴隨著較高的堵塞率，網(wǎng)式過(guò)濾器的濾網(wǎng)堵塞是制約過(guò)濾性能的主要因素。隨著各國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施投入力度的加大，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的普及速度越來(lái)越快，過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題在灌溉進(jìn)程中越發(fā)突出，已經(jīng)成為亟待解決的難題。解決濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題對(duì)優(yōu)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)意義重大。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器的研究重點(diǎn)主要集中在過(guò)濾器過(guò)濾性能、排污性能以及濾網(wǎng)堵塞成因等方面，其中對(duì)過(guò)濾性能和排污性能的研究成果較多，主要涉及網(wǎng)式過(guò)濾器的水頭損失、排污壓差以及排污時(shí)間等的試驗(yàn)和計(jì)算[1-7]；濾網(wǎng)堵塞方面的研究成果較少，主要涉及堵塞成因和濾網(wǎng)壓降計(jì)算2部分。文獻(xiàn)[8-13]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞成因、過(guò)程和性能等進(jìn)行了研究，并對(duì)濾餅阻力進(jìn)行了計(jì)算。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)濾網(wǎng)壓降也進(jìn)行了一定的研究[14-18]，研究成果主要集中在濾網(wǎng)逐漸堵塞過(guò)程中濾餅的形成機(jī)理，并對(duì)影響濾餅阻力的因素進(jìn)行了分析，對(duì)濾餅產(chǎn)生壓降進(jìn)行了計(jì)算等。

以上分析表明，現(xiàn)有網(wǎng)式過(guò)濾器研究成果中對(duì)濾網(wǎng)堵塞成因的研究較少，且主要以污水為灌溉水源，針對(duì)泥沙堵塞濾網(wǎng)過(guò)程的試驗(yàn)研究較少，且缺乏濾網(wǎng)堵塞壓降的計(jì)算方法。為此，本文通過(guò)對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞現(xiàn)象的試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析濾網(wǎng)的堵塞成因；通過(guò)測(cè)量堵塞過(guò)程的相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)，分析過(guò)濾過(guò)程中濾網(wǎng)內(nèi)外壓降與濾網(wǎng)孔徑、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)孔隙率、形成濾餅層厚度、濾餅孔隙率的關(guān)系，以期為進(jìn)一步解決濾網(wǎng)堵塞問(wèn)題提供分析依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水力學(xué)大廳內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置如圖1所示，由蓄水池(長(zhǎng)、寬、高分別為5.0、4.0、1.5 m，總?cè)莘e為30.0 m3)、攪拌池(直徑和高分別為1.2 m和1.0 m，容積為1.131 m3)、離心泵、網(wǎng)式過(guò)濾器、變頻柜及控制箱、電磁及手動(dòng)閥門(mén)、精密壓力表及TDS-100P型便攜式超聲波流量計(jì)、進(jìn)出水管道、排污管道等設(shè)備構(gòu)成。試驗(yàn)開(kāi)始前，在蓄水池中注入足量清水或渾水，蓄水池水面應(yīng)高于攪拌池水面。試驗(yàn)過(guò)程中，水流由蓄水池溢流入攪拌池，流入攪拌池的水在離心泵的作用下從攪拌池經(jīng)進(jìn)水管進(jìn)入過(guò)濾器，在過(guò)濾器內(nèi)經(jīng)由過(guò)濾器濾網(wǎng)過(guò)濾后由出水管流回蓄水池，流回蓄水池的水又在離心泵的作用下進(jìn)入進(jìn)水管流經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，整個(gè)試驗(yàn)裝置可以認(rèn)為是一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)。

圖1 濾網(wǎng)堵塞試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of screen clogging experimental apparatus1.蓄水池 2.電動(dòng)機(jī) 3.攪拌池 4.進(jìn)水管取水口 5.離心泵6.進(jìn)水管 7.變頻柜 8.超聲波流量計(jì) 9.進(jìn)口壓力表 10.網(wǎng)式過(guò)濾器 11.出口壓力表 12.電磁及手動(dòng)閥 13.控制箱 14.出水管 15.出水管閥門(mén) 16.支墩

1.2 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)在室溫(19～21℃)條件下進(jìn)行，水溫基本保持在15.8℃左右，使用同種河床淤沙和同一套試驗(yàn)設(shè)備。堵塞試驗(yàn)過(guò)程中給予足夠的時(shí)間保證濾網(wǎng)充分堵塞。試驗(yàn)將含沙量、粒徑、水流流量、堵塞時(shí)間等作為影響濾網(wǎng)堵塞狀況的主要因素。試驗(yàn)包含2部分：清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。采用3種不同孔徑的濾網(wǎng)，分別是430 μm、280 μm和200 μm。濾網(wǎng)形狀和尺寸如圖2所示，濾芯直徑為32.3 cm，高度為40 cm。

圖2 孔徑為430 μm的濾芯及濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of core and screen of filter with 430 μm pore size

(1)清水試驗(yàn)

研究網(wǎng)式過(guò)濾器3種不同孔徑濾網(wǎng)水頭損失隨流量的變化關(guān)系。在清水條件下，通過(guò)超聲波流量計(jì)和精密壓力表測(cè)量過(guò)濾器進(jìn)口流量及濾網(wǎng)內(nèi)外壓降，探求孔徑分別為430 μm、280 μm和200 μm的3種網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)進(jìn)水流量與水頭損失之間的變化關(guān)系。

(2)渾水試驗(yàn)

渾水試驗(yàn)條件為不同含沙量和粒徑級(jí)配的泥沙渾水，主要測(cè)量濾網(wǎng)堵塞后的濾網(wǎng)孔徑、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)的孔隙率、形成濾餅層厚度、濾網(wǎng)內(nèi)外壓降等參數(shù)。濾餅層厚度利用游標(biāo)卡尺測(cè)量，并計(jì)算獲得濾餅的表面積和體積；濾餅孔隙率則由濾餅的濕密度和干密度間接計(jì)算得到；濾網(wǎng)內(nèi)外壓降通過(guò)精密壓力表測(cè)得，并通過(guò)計(jì)算獲得理論壓降與測(cè)量壓降，進(jìn)行對(duì)比，確定影響網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞的主要因素。對(duì)網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)進(jìn)行堵塞試驗(yàn)，以相同速率在攪拌池中加同類(lèi)型的泥沙，試驗(yàn)中含沙量范圍為0.322～1.597 g/L。試驗(yàn)用泥沙的級(jí)配分析如表1所示，從表中可以看出泥沙粒徑主要集中在0.075～0.5 mm之間，其中0.075～0.250 mm的泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)70%。

表1 不同孔徑濾網(wǎng)沙粒級(jí)配情況(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Grain-size distribution of sand under different pore sizes %

每組試驗(yàn)均以濾網(wǎng)堵塞程度確定過(guò)濾器的運(yùn)行時(shí)間，在濾網(wǎng)內(nèi)外壓差較大(不超過(guò)300 kPa)，過(guò)濾器流量降至較小后(5.0 m3/h左右)，可以判斷濾網(wǎng)已經(jīng)堵塞較嚴(yán)重；此時(shí)，停機(jī)拆卸過(guò)濾器外殼，觀察濾網(wǎng)堵塞狀況，測(cè)量相關(guān)參數(shù)。

利用掃描儀對(duì)孔徑分別為430 μm、280 μm和200 μm的濾網(wǎng)進(jìn)行孔徑和濾網(wǎng)厚度的數(shù)據(jù)采集工作，濾網(wǎng)的孔隙率通過(guò)濾網(wǎng)孔徑和濾網(wǎng)厚度計(jì)算得到。獲得的不同孔徑下濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 不同孔徑下濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters of screen under different pore sizes

1.3 濾網(wǎng)堵塞壓降的理論計(jì)算方法

液體通過(guò)多孔隙介質(zhì)層時(shí)壓強(qiáng)與壓降之間的關(guān)系是DARCY于1856年提出的達(dá)西定律， KOZENY對(duì)介質(zhì)層的滲透率進(jìn)行了深入的研究，于1927年提出滲透率的計(jì)算方法，CARMAN認(rèn)為，在固定的或者緩慢運(yùn)動(dòng)的低空隙率的介質(zhì)層條件下KC為常數(shù)并經(jīng)過(guò)滲透試驗(yàn)驗(yàn)證KC=5.0，總結(jié)得到KOZENY-CARMAN方程式[19]

(1)

其中

(2)

式中 ΔP——壓降，PaL——濾餅層厚度，mμ——液體粘度，Pa·sA——濾餅層橫截面積，m2ε——局部孔隙率，%S0——濾網(wǎng)比表面積，m2/m3KC——柯杰尼常數(shù)Q——液體通過(guò)介質(zhì)層的體積流速即流量，m3/s

S——濾網(wǎng)單元表面積，m2

V——濾網(wǎng)單元體積，m3

計(jì)算中Q是堵塞后停機(jī)前的最后流量。

在計(jì)算濾網(wǎng)的比表面積時(shí)，只要計(jì)算出單個(gè)濾網(wǎng)的表面積和單個(gè)濾網(wǎng)的體積，兩者相除即可得到單個(gè)濾網(wǎng)的比表面積，一個(gè)濾網(wǎng)單元的比表面積即是整個(gè)濾網(wǎng)的比表面積，兩者可以將濾網(wǎng)用掃描儀掃描放大后測(cè)量濾網(wǎng)絲徑和孔徑后計(jì)算得到。

理論壓降是濾網(wǎng)壓降和濾餅壓降的總和，即

ΔP=ΔP1+ΔP2

(3)

式中 ΔP1——濾餅壓降，PaΔP2——濾網(wǎng)壓降，Pa

(1)濾餅壓降計(jì)算

濾芯為空心圓柱體，濾網(wǎng)過(guò)濾水流方向由內(nèi)向外，形成濾餅是在濾網(wǎng)內(nèi)部，并且濾餅截面單元為梯形，濾餅的表面積為濾網(wǎng)堵塞后形成的內(nèi)表面積

S1=2πrh

(4)

式中h——濾芯(濾網(wǎng))高度，mr——濾網(wǎng)堵塞后濾芯中心到內(nèi)表面的距離，m

濾餅的體積為清潔狀態(tài)下空心圓柱體與濾網(wǎng)堵塞后新形成空心圓柱體體積的差，即

V1=π(R2-r2)h

(5)

式中R——清潔濾網(wǎng)濾芯中心到濾芯表面的距離，為直徑D的1/2，m

濾餅厚度為

L=R-r

(6)

孔隙率是濾網(wǎng)或?yàn)V餅中微孔總體積與微孔濾網(wǎng)或?yàn)V餅體積的百分比，是影響多孔介質(zhì)內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)，可以按照濾網(wǎng)或?yàn)V餅表觀密度和濾網(wǎng)或?yàn)V餅的真密度求得孔隙率[19]。對(duì)于濾餅，其孔隙率的計(jì)算式為

(7)

式中ρ0——濾網(wǎng)堵塞后形成濾餅的干密度，kg/m3ρ——濾網(wǎng)堵塞后形成濾餅的濕密度，kg/m3

干、濕密度通過(guò)測(cè)得濾餅的干、濕質(zhì)量和干、濕體積相除得到

(8)

式中m——濾餅質(zhì)量，kg

濾餅的橫截面積為清潔濾網(wǎng)與形成濾餅后內(nèi)表面面積的平均值，即

(9)

由式(1)、(2)和式(4)～(9)得到濾餅壓降為

(10)

式中m0——濾餅干質(zhì)量，kgV0——濾餅干體積， m3

(2)濾網(wǎng)壓降計(jì)算

濾網(wǎng)壓降基本和濾餅壓降的計(jì)算方法一致，但對(duì)濾網(wǎng)比表面積和孔隙率進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要考慮濾網(wǎng)的網(wǎng)絲直徑和一個(gè)濾網(wǎng)單元的邊長(zhǎng)。濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)單元如圖3所示。

圖3 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)單元Fig.3 Mesh structure units

單個(gè)濾網(wǎng)單元的表面積為

S=πdL1

(11)

式中d——單根金屬絲的直徑，又稱(chēng)濾網(wǎng)厚度，mL1——濾網(wǎng)單元的邊長(zhǎng)，又稱(chēng)濾網(wǎng)孔徑，m

單個(gè)濾網(wǎng)單元的體積為

(12)

介質(zhì)的孔隙率為過(guò)濾介質(zhì)的孔隙體積與過(guò)濾介質(zhì)的總體積的比值。

濾網(wǎng)的孔隙率計(jì)算式為

(13)

式中Vh——整個(gè)濾網(wǎng)上的孔隙體積 ，m3Vs——整個(gè)濾網(wǎng)的體積，m3

濾網(wǎng)的橫截面積為清潔濾網(wǎng)的表面積

A1=2πRh

(14)

由式(1)、(2)、(11)～(14)得到濾網(wǎng)壓降為

(15)

2 結(jié)果與分析

2.1 濾網(wǎng)堵塞成因

通過(guò)觀察，濾網(wǎng)堵塞過(guò)程中，濾網(wǎng)表面會(huì)逐漸被沙粒堵塞。開(kāi)始為局部堵塞，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，堵塞范圍逐漸擴(kuò)大，濾網(wǎng)表面沙粒逐漸增厚。濾網(wǎng)表面攔截的沙粒粒徑范圍也由粗沙向細(xì)沙擴(kuò)展，原本可以通過(guò)濾網(wǎng)表面小于網(wǎng)孔的細(xì)沙也被攔截。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，濾網(wǎng)堵塞經(jīng)歷了2個(gè)過(guò)程：介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.4 Measured results of screen clogging for filter

每組堵塞試驗(yàn)結(jié)束后，清理濾網(wǎng)表面泥沙并進(jìn)行測(cè)量，得到不同濾網(wǎng)泥沙形成濾餅的相關(guān)參數(shù)。濾餅的體積V1通過(guò)體積置換法測(cè)量堵塞后殘留在濾網(wǎng)表面的泥沙總體積得到，濾網(wǎng)堵塞后形成濾餅干、濕密度和濾餅厚度等參數(shù)通過(guò)泥沙總體積、干濕質(zhì)量和濾芯幾何參數(shù)計(jì)算間接獲得，利用密度、質(zhì)量、體積之間的關(guān)系可以獲得濾餅的干、濕密度，結(jié)果如表3所示。

分析認(rèn)為，液體中的固體顆粒在機(jī)械截留、架橋及吸附的共同作用下，粘在濾網(wǎng)上或嵌入濾網(wǎng)內(nèi)部，在過(guò)濾器濾網(wǎng)過(guò)水面上形成有效阻擋，濾網(wǎng)兩側(cè)壓差很大，流動(dòng)阻力升高到不允許的程度，甚至無(wú)法過(guò)濾造成濾網(wǎng)堵塞。根據(jù)時(shí)間先后順序，濾網(wǎng)過(guò)濾分為2個(gè)不同階段：介質(zhì)過(guò)濾和濾餅過(guò)濾[19]。對(duì)于濾網(wǎng)堵塞，也分為介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞。水流經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)即濾網(wǎng)時(shí)，水流會(huì)受到來(lái)自多孔介質(zhì)單元中支撐部分的阻礙作用。網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)阻擋超過(guò)孔隙尺度的固體顆粒，允許小于孔隙尺度的顆粒通過(guò)或者形成濾餅阻止更小顆粒通過(guò)。多孔介質(zhì)的這種阻礙對(duì)水流也會(huì)產(chǎn)生一定的作用，對(duì)于含有雜質(zhì)的水流，單元支撐部分形成的網(wǎng)孔會(huì)明顯限制雜質(zhì)的流動(dòng)。大量雜質(zhì)在高壓水流的攜帶下急速流到濾網(wǎng)前，初始階段，小于網(wǎng)孔孔徑的雜質(zhì)因?yàn)V網(wǎng)對(duì)其無(wú)阻擋作用而順利通過(guò)，不會(huì)形成堵塞現(xiàn)象。水流中大于濾網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)因無(wú)法通過(guò)濾網(wǎng)而被阻擋在濾網(wǎng)過(guò)水表面，由于雜質(zhì)的形態(tài)具有不規(guī)則性，有些雜質(zhì)前小后大，雜質(zhì)頭部細(xì)小可以通過(guò)濾網(wǎng)，尾部無(wú)法通過(guò)濾網(wǎng)，在水壓的作用下雜質(zhì)嵌在濾網(wǎng)的孔徑中，和大于濾網(wǎng)孔徑的雜質(zhì)共同形成初步的濾網(wǎng)介質(zhì)堵塞，如圖5a所示。

表3 獲取濾餅的相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant parameters of filter cake

圖5 網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞效果圖Fig.5 Effect diagrams of screen clogging for filter

隨著鑲嵌在濾網(wǎng)孔隙中的雜質(zhì)和滯留在濾網(wǎng)表面的雜質(zhì)在高壓高速水流和雜質(zhì)顆粒間粘合力的共同作用下逐漸穩(wěn)固，雜質(zhì)變得不易移動(dòng)，為濾餅堵塞提供了基本的環(huán)境。雜質(zhì)在濾網(wǎng)表面逐漸聚集，增多的顆粒鋪滿(mǎn)濾網(wǎng)表面并逐漸增厚，這時(shí)，依靠雜質(zhì)顆粒間的黏合力和水流的壓力共同將雜質(zhì)固定在濾網(wǎng)表面上。國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家研究發(fā)現(xiàn)，雜質(zhì)顆粒間的黏合力在濾網(wǎng)的增厚過(guò)程中是一個(gè)不可忽視的影響因素[20-21]。隨著雜質(zhì)在濾網(wǎng)表層上的積累，濾網(wǎng)堵塞加劇，雜質(zhì)自身聚集層疊，內(nèi)部只有更小的縫隙或者復(fù)雜的通道允許水流或者更小雜質(zhì)通過(guò)，大部分雜質(zhì)被截留下來(lái)，過(guò)水面過(guò)水能力下降，過(guò)濾能力增強(qiáng)，孔隙率變小，甚至隨著時(shí)間的推移，雜質(zhì)不斷積累，最后細(xì)小的粉塵也被截留下來(lái)，濾網(wǎng)兩側(cè)壓力不斷增高，流動(dòng)阻力升高到不允許的程度，過(guò)濾很難進(jìn)行，形成濾餅堵塞，如圖5b所示。

整個(gè)堵塞過(guò)程因液體流中雜質(zhì)的分布不同在濾網(wǎng)表面形成堵塞的程度不同。整個(gè)濾網(wǎng)表面可以同時(shí)進(jìn)行介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞。試驗(yàn)中，薄濾餅過(guò)濾速度快，厚濾餅容易得到較清的溶液。但是過(guò)于薄的濾餅降低了濾網(wǎng)的過(guò)濾能力，較厚的濾餅降低了濾網(wǎng)的過(guò)濾效率。濾網(wǎng)堵塞后阻攔住大部分的泥沙顆粒，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)濾餅最內(nèi)層的雜質(zhì)顆粒較大，超過(guò)60%的泥沙顆粒稍大于網(wǎng)孔尺寸且緊緊鑲嵌在網(wǎng)孔內(nèi)，外層顆粒粒徑分布較為均勻，這是由于濾網(wǎng)開(kāi)始允許較小雜質(zhì)通過(guò)，阻住較大雜質(zhì)，而和網(wǎng)孔大小相當(dāng)?shù)碾s質(zhì)鑲嵌在網(wǎng)孔內(nèi)因穩(wěn)定性較好而留存下來(lái)，后因網(wǎng)孔幾乎完全堵塞，形成的濾餅內(nèi)僅有允許更小雜質(zhì)通過(guò)的通道，比通道大的顆粒均被攔截，由于水壓的作用，泥沙顆粒不斷積累，后期被水流攜帶的泥沙顆粒不論大小均被攔阻并且粘附在已攔阻顆粒的表面上，因而從表面看顆粒粒徑分布較為均勻。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)孔徑和含沙量是影響堵塞速度的重要因素。濾網(wǎng)孔徑越小，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越短；濾網(wǎng)孔徑越大，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)，濾網(wǎng)越密實(shí)過(guò)濾效果越好，越容易堵塞；相同孔徑下，含沙量越小，堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)；含沙量越大，堵塞所用時(shí)間越短，濾網(wǎng)越容易堵塞，堵塞試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，濾網(wǎng)形成濾餅越難清除。

濾網(wǎng)堵塞是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，造成濾網(wǎng)堵塞的原因也十分復(fù)雜。造成濾網(wǎng)堵塞的原因有物理因素、化學(xué)因素和生物因素。其中，物理因素是造成濾網(wǎng)堵塞的主要原因。雜質(zhì)在濾網(wǎng)上演化的介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞是造成濾網(wǎng)堵塞的物理因素。

2.2 濾網(wǎng)堵塞壓降的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)不同孔徑的濾網(wǎng)的清水試驗(yàn)結(jié)果，得到清水條件下流量與水頭損失的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可以看出，流量對(duì)水頭損失的影響呈正相關(guān)關(guān)系。隨著流量的增大，水頭損失不斷增大。流量在0～60 m3/h范圍內(nèi)，水頭損失隨流量變化緩慢，流量對(duì)濾網(wǎng)壓降的影響較小。當(dāng)流量超過(guò)60 m3/h后，水頭損失隨流量的變化幅度逐漸增大。流量增大，濾網(wǎng)對(duì)水流的阻礙作用越明顯，流量對(duì)濾網(wǎng)壓降的影響較大。

圖6 不同孔徑濾網(wǎng)水頭損失隨流量的變化規(guī)律Fig.6 Changes of head loss along with change of discharge under different pore sizes

將堵塞試驗(yàn)測(cè)量的濾網(wǎng)、濾餅數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算分析得到濾網(wǎng)內(nèi)外理論壓降；測(cè)量壓降由過(guò)濾器濾網(wǎng)兩側(cè)壓力表獲得。流量通過(guò)超聲波流量計(jì)測(cè)得；含沙量是通過(guò)提取堵塞試驗(yàn)系統(tǒng)中定量含沙水，利用濾紙過(guò)濾得到泥沙質(zhì)量，經(jīng)過(guò)干燥、稱(chēng)量算得。表4給出了不同孔徑濾網(wǎng)壓降計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行了與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)孔徑越小，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越短；濾網(wǎng)孔徑越大，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)。分析可知，濾網(wǎng)越密實(shí)過(guò)濾效果越好，越容易堵塞。在濾網(wǎng)堵塞試驗(yàn)中，相同孔徑條件下，含沙量越小，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)，含沙量越大，堵塞所用時(shí)間越短，濾網(wǎng)越容易堵塞。

表4 不同孔徑濾網(wǎng)壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Pressure drop comparison of calculated and measured results

通過(guò)試驗(yàn)可知，濾網(wǎng)過(guò)濾過(guò)程中濾網(wǎng)孔徑、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)孔隙率、形成濾餅層厚度、濾餅孔隙率是影響網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)內(nèi)外壓降的主要因素。濾網(wǎng)內(nèi)外壓降隨水流流量、濾網(wǎng)厚度、形成濾餅層厚度增大而增大，濾網(wǎng)的孔徑越小，濾餅孔隙率越小，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降越大；計(jì)算得出網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)理論壓降與測(cè)量壓降基本一致，可以反映濾網(wǎng)的堵塞規(guī)律。

3 討論

在渾水試驗(yàn)中，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降的變化不明顯，主要反映在流量的變化上。因?yàn)闉V網(wǎng)堵塞影響濾網(wǎng)的過(guò)水能力。在水泵的作用下，濾網(wǎng)堵塞越嚴(yán)重，過(guò)水面積、孔隙率都會(huì)變小，阻擋了水流的前進(jìn)，從而流量下降。在未開(kāi)機(jī)的靜態(tài)下，濾網(wǎng)兩側(cè)的壓力表指針會(huì)有一些偏轉(zhuǎn)。這是由于指針?biāo)谄矫媾c排水口一定的高度差造成的，在開(kāi)機(jī)后濾網(wǎng)的進(jìn)水口流水壓力作用可以消除。對(duì)試驗(yàn)沒(méi)有太大的影響。渾水試驗(yàn)的攪拌池葉片在攪拌池中均勻分布，持續(xù)的攪拌可以保證河沙在攪拌池內(nèi)均勻分布。堵塞試驗(yàn)中，由于過(guò)濾器濾網(wǎng)兩側(cè)有較大的壓降，形成的濾餅會(huì)貼在濾網(wǎng)上，在拆卸觀察濾網(wǎng)時(shí)，過(guò)濾器內(nèi)部的水被放掉，壓力下降，一些濾餅會(huì)脫落，掉落在過(guò)濾器底部，這些也應(yīng)計(jì)算為濾餅的一部分。

堵塞濾網(wǎng)的雜質(zhì)很難清洗，使用軟毛刷多次清洗也很難除去，主要原因是雜質(zhì)鑲嵌在網(wǎng)孔內(nèi)造成的。因?yàn)闉V網(wǎng)堵塞初始階段堵塞在濾網(wǎng)表面的沙粒量少且很難取下計(jì)量，所以沒(méi)有給出更多堵塞過(guò)程發(fā)展或者堵塞過(guò)程結(jié)果的定量分析和結(jié)論。但是，本文給出了最后階段濾網(wǎng)堵塞的定量結(jié)果，通過(guò)多個(gè)數(shù)據(jù)的比較依舊可以發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞的成因。試驗(yàn)表明，濾網(wǎng)堵塞的主要因素是雜質(zhì)的堆積聚集，水源雜質(zhì)少，濾網(wǎng)孔徑低，不容易堵塞；水源雜質(zhì)多，濾網(wǎng)孔徑高，堵塞容易發(fā)生。延緩過(guò)濾器濾網(wǎng)堵塞要根據(jù)不同的水質(zhì)條件選擇合適的濾網(wǎng)，在濾網(wǎng)堵塞不嚴(yán)重時(shí)及時(shí)進(jìn)行清洗這對(duì)防止濾網(wǎng)堵塞是一個(gè)有效的方法。此外，在前池建造沉淀池、設(shè)置攔污網(wǎng)以及設(shè)置泵前過(guò)濾系統(tǒng)可以對(duì)泥沙進(jìn)行分級(jí)處理，有效降低進(jìn)入過(guò)濾器的泥沙含量，從而減輕濾網(wǎng)堵塞程度。

4 結(jié)論

(1)含有大量較粗顆粒泥沙等物理因素是造成濾網(wǎng)堵塞的主要原因。通過(guò)試驗(yàn)分析得到濾網(wǎng)堵塞的2個(gè)過(guò)程：濾網(wǎng)堵塞和濾餅堵塞，前者是以濾網(wǎng)為介質(zhì)產(chǎn)生堵塞，液體中的固體粒子在機(jī)械截留、架橋及吸附的共同作用下，粘在濾網(wǎng)上或嵌入濾網(wǎng)內(nèi)部，形成初步的堵塞；后者因泥沙本身積累使濾網(wǎng)堵塞加劇，濾網(wǎng)雜質(zhì)積累，雜質(zhì)自身聚集層疊，內(nèi)部只有更小的縫隙或者復(fù)雜的通道允許水流或者更小雜質(zhì)通過(guò)，大部分泥沙被截留下來(lái)，形成濾餅堵塞，兩者產(chǎn)生的初始成因有很大區(qū)別，整個(gè)過(guò)程循序漸進(jìn)，但不同位置因自身?xiàng)l件不同進(jìn)行的先后順序不同，整個(gè)濾網(wǎng)表面可以同時(shí)發(fā)生介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞。

(2)濾網(wǎng)孔徑和含沙量是影響堵塞速度的重要因素。濾網(wǎng)孔徑越小，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越短；濾網(wǎng)孔徑越大，濾網(wǎng)堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)，濾網(wǎng)越密實(shí)過(guò)濾效果越好，越容易堵塞；相同孔徑下，含沙量越低堵塞所用時(shí)間越長(zhǎng)，含沙量越高堵塞所用時(shí)間越短，含沙量越大，濾網(wǎng)越容易堵塞。

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到，濾網(wǎng)過(guò)濾過(guò)程中濾網(wǎng)孔徑、濾網(wǎng)厚度、濾網(wǎng)的孔隙率、形成濾餅層厚度、濾餅孔隙率是影響網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)內(nèi)外壓降的主要因素。濾網(wǎng)內(nèi)外壓降隨水流流量、濾網(wǎng)厚度、形成濾餅層厚度增大而增大，濾網(wǎng)的孔徑越小，濾餅孔隙率越小，濾網(wǎng)兩側(cè)壓降越大；計(jì)算得出網(wǎng)式過(guò)濾器濾網(wǎng)理論壓降與測(cè)量壓降基本一致，可以反映濾網(wǎng)的堵塞規(guī)律。

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CloggingReasonAnalysisandPressureDropCalculationofScreenFilter

ZONG Quanli YANG Hongfei LIU Zhenji GE Yuchuan

(CollegeofWaterConservancyandArchitecturalEngineering,ShiheziUnivercity,Shihezi832000,China)

Filtration is essential to the efficient operation of drip irrigation systems and screen filter is the most common types of filter used in drip irrigation systems. The screen of filter could be clogged by sand particles which cannot pass through the filter mesh pore in the process of filtering. The clogging experiment was carried out to analyze the process and reason of screen clogging, and obtain some parameters of calculating the pressure drop of screen filter after being clogged. According to experimental results, the clogging reason was analyzed by the medium clogging and filtration cake clogging, respectively. The sizes of sand particles in inner layer of filtration cake were large and the sizes in the outer layer were small and uniform. With the large size of mesh pore, the time of screen clogging was short and the screen was easy to be clogged. Under the same size of mesh pore, the time of screen clogging would be shortened with large sand concentration. Based on Darcy’s law and actual parameters of screen, the relationship between pressure drop of screen and the mesh pore, mesh thickness, mesh porosity, filtration cake thickness, filtration cake porosity was developed theoretically. According to the actual data of the filtration mesh and cake, the pressure drops between the internal and external surfaces of screen were calculated with the mesh pore sizes of 430 μm, 280 μm and 200 μm, respectively. The results indicated that the pressure drops were increased with the increase of flow rate, mesh thickness and filtration cake thickness. The pressure drops also were increased with the decrease of mesh pore and cake porosity. The calculated results of pressure drop were compared with the measured values, which indicated that the predicted pressure drop for each filtration level showed a good correlation with the measured pressure drop of filter screen, and the results can reflect the clogging law of screen.

screen filter； screen； clogging reason； filtration cake； pressure drop

TV131.4； S277.9+5

A

1000-1298(2017)09-0215-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.027

2017-01-02

2017-02-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11662018)

宗全利(1979—)，男，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究，E-mail： quanli1871@126.com

劉貞姬(1979—)，女，副教授，主要從事工程水力學(xué)研究，E-mail： shz_ljz@163.com