微灌用筒式反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

岳飛龍， 羅 昕， 馬富裕， 唐 思， 姜有忠， 李海潮

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

新疆維吾爾自治區(qū)位于內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源短缺尤為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水以含沙量較高的地表水為主，且地表水的污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，水源中混雜了沙粒、泥土、植物殘枝、礦物碎屑、塑料碎片等物理性污染物及細(xì)菌、真菌等生長(zhǎng)產(chǎn)生的黏性分泌物等有機(jī)物性污染物。因此，對(duì)灌溉水源進(jìn)行分離過濾是發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的先決條件。

過濾器作為對(duì)水源中的泥沙等雜質(zhì)進(jìn)行攔截過濾的關(guān)鍵設(shè)備，其過濾效果、運(yùn)行的可靠性和工作的持續(xù)性是整個(gè)微灌系統(tǒng)高效運(yùn)行的保障。目前新疆地區(qū)的微灌系統(tǒng)中主要使用網(wǎng)式自清洗過濾器。依據(jù)自清洗方式的不同可將網(wǎng)式自清洗過濾器分為吸污式和反沖洗式2種[1-2]。例如Hermans等研發(fā)了一種自動(dòng)反沖洗過濾器和自清洗連續(xù)過濾系統(tǒng)[3-4]，李亞雄等利用河(渠)水作為灌溉水源，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)清洗河(渠)水網(wǎng)式過濾器[5]，李強(qiáng)強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種臥式自清洗網(wǎng)式過濾器[6]，劉建華等研制了一種利用水力驅(qū)動(dòng)完成自動(dòng)清洗的水力驅(qū)動(dòng)全自動(dòng)過濾器[7]，劉飛等設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種自吸附反沖洗網(wǎng)式過濾器[8]，徐昭設(shè)計(jì)提出了一種移動(dòng)輪流反沖洗網(wǎng)式過濾器[9]。

以上研究為國內(nèi)的網(wǎng)式自清洗過濾器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但從現(xiàn)有的網(wǎng)式自清洗過濾器來看，都存在污水的流動(dòng)方向和自清洗時(shí)的吸附力(或反沖洗水流)方向相反問題，使得自清洗時(shí)對(duì)雜質(zhì)的吸附力或反沖洗效果減弱，很難將卡在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)去除[10]。該研究針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于筒式濾網(wǎng)清污帶內(nèi)外真空隔離技術(shù)的新型網(wǎng)式反沖洗過濾器。

1 筒式反沖洗過濾器的結(jié)構(gòu)原理

微灌用筒式反沖洗過濾器結(jié)果見圖1所示，其整個(gè)工作過程中過濾和自清洗同步進(jìn)行。

該筒式反沖洗過濾器安裝于水泵的吸水口，置于水池、河水、池塘或水庫內(nèi)，且豎直懸浮在水中。過濾過程中，渾水中一些較大的雜質(zhì)(主要是漂浮物)先在真空發(fā)生器9的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)作用下分散遠(yuǎn)離濾網(wǎng)，再經(jīng)過圓筒濾網(wǎng)5過濾，這樣比濾網(wǎng)5網(wǎng)孔大的有機(jī)或無機(jī)物碎片及固體顆粒狀污物泥沙顆粒被攔截下來并積聚在濾網(wǎng)5的外表面，過濾后的水從濾網(wǎng)下端蓋7上的出水口8流入水泵。通過水泵形成的高壓水流經(jīng)過空心軸進(jìn)水管1、連接管6進(jìn)入噴洗管4，從噴洗管4的噴口噴出，形成高穿透力的水流，對(duì)濾網(wǎng)5上吸附的雜質(zhì)從網(wǎng)內(nèi)向外進(jìn)行清洗。電機(jī)經(jīng)圓柱-圓錐二級(jí)減速器減速后帶動(dòng)空心軸進(jìn)水管1轉(zhuǎn)動(dòng)，使真空發(fā)生器9在連接板2的帶動(dòng)下和負(fù)壓隔離腔10繞空心軸進(jìn)水管8同步轉(zhuǎn)動(dòng)，形成相對(duì)密封的獨(dú)立空間，解決了由過濾器內(nèi)外壓差造成的反沖洗不徹底的難點(diǎn)，同時(shí)真空發(fā)生器9的快速旋轉(zhuǎn)形成的離心力可使粘附在濾網(wǎng)的一部分雜質(zhì)從濾網(wǎng)上分離；在噴洗液流與真空發(fā)生器9分撥液流的共同作用下，粘附在濾網(wǎng)外壁的雜質(zhì)沿著真空發(fā)生器9的內(nèi)壁向下沉降至過濾器底部。

該過濾器反沖洗是否徹底的關(guān)鍵是基于筒式濾網(wǎng)清污帶內(nèi)外真空隔離技術(shù)，即圍繞筒式濾網(wǎng)同步旋轉(zhuǎn)的真空發(fā)生器(濾網(wǎng)外表面)和負(fù)壓隔離腔(濾網(wǎng)內(nèi)表面)形成的相對(duì)密封的獨(dú)立空間，即在濾網(wǎng)內(nèi)壁形成的不受水泵吸力作用產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)的一個(gè)“動(dòng)態(tài)無壓區(qū)(負(fù)壓隔離腔)”與濾網(wǎng)外壁“動(dòng)態(tài)真空區(qū)(真空發(fā)生器)”，實(shí)現(xiàn)在過濾器不停止工作的情況下，濾網(wǎng)內(nèi)外壁水流壓力由原來的外部大于內(nèi)部向內(nèi)部大于外部的反轉(zhuǎn)，使流體發(fā)生了由濾網(wǎng)內(nèi)部向?yàn)V網(wǎng)外部移動(dòng)的趨勢(shì)，解決了反向沖洗內(nèi)外壓差大導(dǎo)致噴洗管中噴出的水流被由外向內(nèi)水流沖洗力“逆向減弱”的難題。

2 筒式反沖洗過濾器參數(shù)的設(shè)定

2.1 過濾器濾網(wǎng)尺寸與設(shè)計(jì)流量的關(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)凈面積系數(shù)的關(guān)系：

Q=3.6×103f·A·v；
A=πDL。

(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；L為筒式濾網(wǎng)長(zhǎng)度，m；D為筒式濾網(wǎng)的直徑，m；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[11-12]；v為濾網(wǎng)過濾速度，m/s。根據(jù)國內(nèi)外常用過濾器參數(shù)規(guī)格(表1)，濾網(wǎng)過濾速度v對(duì)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。

表1 國內(nèi)常規(guī)不銹鋼濾網(wǎng)規(guī)格

流量損失：Q實(shí)=Q-Q損；

(2)

將不同直徑的過濾器的實(shí)際流量控制在300 m3/h，測(cè)量不同真空發(fā)生器轉(zhuǎn)速下過濾器的實(shí)際流量，從而選擇合適的轉(zhuǎn)速范圍。

從圖3不同直徑過濾器的轉(zhuǎn)速n與流量Q的關(guān)系曲線得出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)，反沖洗不及時(shí)導(dǎo)致濾網(wǎng)堵塞，過濾器流量減小；當(dāng)轉(zhuǎn)速為35 r/min時(shí)，真空發(fā)生器的高速旋轉(zhuǎn)隔離了污水進(jìn)入過濾器，過濾器流量減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速為15～30 r/min時(shí)，過濾器流量變化平穩(wěn)，過濾器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，反沖洗效果顯著。

國內(nèi)常用過濾器的設(shè)計(jì)流量為200～400 m3/h，本研究過濾器的設(shè)計(jì)流量選用300 m3/h，真空發(fā)生器轉(zhuǎn)速n=25 r/min，濾網(wǎng)直徑D=0.5 m，濾網(wǎng)長(zhǎng)度L=2D，因此L=1 m。

2.2 空心軸的直徑計(jì)算

空心軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算公式為

(4)

根據(jù)式(4)可得軸的計(jì)算公式：

(5)

(6)

由表2可知，空心軸的材料選用45鋼，選取[τT]為 30 MPa，A0為100。電機(jī)的額定功率P0=2.2 k；轉(zhuǎn)速n0=1 430 r/min，電機(jī)與空心軸的傳動(dòng)比i=40；電機(jī)與空心軸以圓錐-圓柱齒輪減速器連接，每級(jí)齒輪的傳動(dòng)效率(包括軸承效率在內(nèi))η=0.97[15]。

表2 軸常用幾種材料的[τT]值及A0值

P=P0η2；

(7)

(8)

將P=2.1 kW，n=35.75 r/min，A0=100，β=0.5代入公式(6)可得空心軸外徑的最小值為dmin=39.7 mm。

取外徑d=60 mm，則內(nèi)徑d1=d×β=60×0.5=30 mm。

3 轉(zhuǎn)速對(duì)反沖洗效果的影響測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方法

將筒式反沖洗過濾器安置在3 m×3 m×2 m的水池中，并與水泵正常連接，水池中注入15 m3清水，再加入泥沙和鋸末各2.5 kg。在過濾器的電機(jī)上安裝變頻器，壓力計(jì)安裝在過濾器的出水口上，測(cè)量過濾器內(nèi)部的壓力變化，電磁流量轉(zhuǎn)換計(jì)安裝在水泵的出水口，用來測(cè)量過濾器的流量變化。通過調(diào)節(jié)變頻器來改變過濾器反沖洗的頻率，即噴洗管和真空發(fā)生器的轉(zhuǎn)速，觀察過濾器運(yùn)行30 min后過濾器內(nèi)部壓力和流量?jī)纱笮阅苤笜?biāo)的變化，判斷過濾器的反沖洗效果。試驗(yàn)設(shè)備及儀器見表3。

表3 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

3.2 真空發(fā)生器轉(zhuǎn)速與過濾器壓力的關(guān)系

對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表5。

表4 過濾器壓力的測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 方差分析結(jié)果

由表5可知，真空發(fā)生器的轉(zhuǎn)速對(duì)過濾器內(nèi)部壓力變化的影響在α=0.05水平下極顯著；濾網(wǎng)直徑對(duì)過濾器內(nèi)部壓力的影響不顯著。由此可知，真空發(fā)生器的轉(zhuǎn)速是影響過濾器內(nèi)部壓力的主要因素。

4 結(jié)束語

經(jīng)過計(jì)算和驗(yàn)證確定了過濾器各零部件的參數(shù)，各部件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求(圖4-a)。該過濾器在反沖洗環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上具有獨(dú)創(chuàng)性，采用了基于筒式濾網(wǎng)清污帶內(nèi)外真空隔離技術(shù)，解決了反向沖洗內(nèi)外壓差大導(dǎo)致沖洗力“逆向減弱”的缺陷，提高了過濾器的反沖洗效果。該過濾器的合理轉(zhuǎn)速為 15～30 r/min，轉(zhuǎn)速過低或過高，過濾器都無法正常工作。

該過濾器能夠進(jìn)行持續(xù)反沖洗，且反沖洗與過濾同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)在反沖洗的同時(shí)不間斷供水。該過濾器為半開放式過濾器，過濾器與空氣相通，防止濾網(wǎng)堵塞后，因過濾器內(nèi)部壓力增大而導(dǎo)致濾網(wǎng)變形。該過濾器過濾效果較好，尤其是對(duì)含有黏性和纖維物質(zhì)的河水、湖水等地表水水質(zhì)，能夠有效解決傳統(tǒng)反沖洗過濾器的濾網(wǎng)堵塞問題(圖4-b)。