淺析滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差計(jì)算

（大禹節(jié)水（酒泉）有限公司，甘肅 酒泉 735000）

近年來，滴灌用過濾器在水源灌溉方面的應(yīng)用不斷增加，特別是滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器更是得到了快速發(fā)展。但滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且主要是通過時(shí)間作為自動清洗的控制參數(shù)。一方面，此種控制方式可能會在沒有清洗必要的情況下進(jìn)行清洗，另一方面，只按照時(shí)間順序方式可能無法實(shí)現(xiàn)較徹底的清洗，同時(shí)可能造成重復(fù)清洗的問題。而通過濾網(wǎng)過濾壓差作為控制參數(shù)，一旦壓差達(dá)到設(shè)定值就可以實(shí)現(xiàn)自動清洗，就能夠有效解決上述問題。所以，需要分析計(jì)算過濾器的排污壓差，這是確保過濾器正常工作的關(guān)鍵。

1 滴灌用自清洗網(wǎng)式過濾器排污原理介紹

較常用的自清洗網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，工作過程中可以分成過濾以及清洗兩過程。在實(shí)際操作過程中，污水從進(jìn)水口進(jìn)入之后，要通過粗、細(xì)過濾網(wǎng)進(jìn)入到過濾室中，按照從內(nèi)到外的順序，通過過濾網(wǎng)之后從出水口流出，完成過濾操作。隨著過濾污水量的增加，殘留在細(xì)過濾網(wǎng)表面的泥沙雜物會不斷積累，從而在濾網(wǎng)內(nèi)外表面形成壓差，一旦壓差達(dá)到甚至超出控制參數(shù)，電動排污閥門就會自動打開，并且出水口的閥門自動關(guān)閉。此種情況下，會因?yàn)檫^濾器內(nèi)水壓和外部大氣壓的壓差造成吸頭產(chǎn)生較大的吸力，從而將泥沙等雜物吸入到排沙管再通過排污口排出。在水流流出過程中會造成吸頭的轉(zhuǎn)動，就會將濾網(wǎng)內(nèi)表面泥沙等雜物清理干凈。隨著清洗一定時(shí)間后，濾網(wǎng)內(nèi)外壓差會逐漸降低，在低于設(shè)定值時(shí)就完成清洗工作，能夠進(jìn)行正常的過濾。

圖1 典型自清洗網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)

2 自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差計(jì)算

對自清洗網(wǎng)式過濾器來說，在工作過程中的阻力主要有“過濾介質(zhì)阻力”以及“濾餅阻力”。在過濾器工作初始階段，由于時(shí)間較短，泥沙等雜物沒有過多積累，所以，濾網(wǎng)產(chǎn)生的流阻起主要作用。隨著泥沙的逐漸積累，堆積在濾網(wǎng)表面的泥沙會逐漸形成濾餅，這時(shí)濾餅就會對流體產(chǎn)生的流阻起主要作用。總的來說，排污壓差可以表示為：

Δp=Δp1+Δp2

其中，Δp1 表示濾網(wǎng)所產(chǎn)生的阻力，Δp2 表示濾餅產(chǎn)生的阻力。

2.1 濾網(wǎng)所產(chǎn)生的阻力壓降計(jì)算

2.1.1 層流和紊流的判定。以介質(zhì)微孔直徑為基礎(chǔ)，定義雷諾數(shù)Re 為：

其中，ρ 表示流體的密度，單位為kg/m3；dp 表示濾網(wǎng)的孔徑，單位為m。在Re＜3 的情況下流體處在層流狀態(tài)，3＜Re＜7 的情況下流體處在過渡狀態(tài)，在Re＞7 的情況下流體處在紊流狀態(tài)。

2.1.2 層流情況下阻力壓降計(jì)算。如果流體在微孔中的流動屬于層流狀態(tài)，所得層流情況下阻力壓降表示為：

其中Δp層表示層流時(shí)阻力壓降，單位為Pa；Kp 表示綜合系數(shù)；μ 表示流體的粘度，單位為Pa.s；u 表示流體通過床層的平均線速度，單位為m/s；L 表示床層厚度，單位為m；K1表示柯茲尼常數(shù)；S1 表示過濾介質(zhì)的比表面積；ε 表示過濾介質(zhì)的孔隙度。

2.1.3 紊流情況下阻力壓降計(jì)算。如果流體在微孔中的流動屬于紊流狀態(tài)，那么所得紊流情況下阻力壓降表示為：

其中，Δp紊表示層流時(shí)阻力壓降，單位為kPa。

2.1.4 濾網(wǎng)產(chǎn)生流阻壓降計(jì)算。

表1 不銹鋼網(wǎng)具體參數(shù)

①所采用的網(wǎng)式過濾器其具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其具體參數(shù)為：濾網(wǎng)直徑0.69m，高度0.8m，過濾介質(zhì)為金屬絲網(wǎng)。

從相應(yīng)參考資料以及調(diào)查分析可知，目前不銹鋼網(wǎng)的具體參數(shù)可參照表1 所示。

圖2 濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)

②如果將過濾器中濾網(wǎng)的金屬絲設(shè)定為圖2 所示的圓柱體（直徑為d），那么介質(zhì)的比表面積S1（指的是單位體積內(nèi)的表面積）表示為：

而孔隙度（指的是流體能夠通過的體積）可以表示為：

通過相應(yīng)計(jì)算可知，80 目的情況下ε 為0.36,120 目的情況下ε 為0.35。通過相應(yīng)參考文獻(xiàn)可知，在ε 處在0.3～0.5 范圍內(nèi)時(shí)K1=5。

③按照網(wǎng)式過濾器最大流量Qmax=220m3/h、流體的粘度μ=1.005×10-3Pa.s 進(jìn)行計(jì)算，能夠得出相應(yīng)參數(shù)的結(jié)果如表2 所示。

表2 相應(yīng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從表2 中能夠得知，不管是80 目還是120 目的濾網(wǎng)，濾網(wǎng)的網(wǎng)孔水流雷諾數(shù)都在7 以上，因此，該網(wǎng)孔水流狀態(tài)為紊流狀態(tài)，所以，按照紊流狀態(tài)的計(jì)算公式進(jìn)行流阻壓降計(jì)算，能夠得出過濾網(wǎng)產(chǎn)生的壓降分別為：

80 目：Δp1=0.983kPa，Δp2=0.983kPa；

120 目：Δp1=1.900kPa，Δp2=1.900kPa

2.2 濾餅所產(chǎn)生的阻力壓降計(jì)算

隨著過濾時(shí)間的增加，濾網(wǎng)會對泥沙等雜質(zhì)造成一定的節(jié)流，一定時(shí)間后就會積累成為濾餅，濾餅對液流產(chǎn)生的流阻起主要作用。隨著濾餅厚度越來越大，介質(zhì)兩側(cè)的壓差會不斷增加，濾餅的孔隙率會逐漸降低，所以，過濾的過程就是可壓縮濾餅過濾，很難明確過濾時(shí)形成的具體壓降?？偟膩碚f，濾餅過濾和介質(zhì)過濾具有同樣的過濾原理，所以，可以利用量綱分析的方式得出濾餅過濾產(chǎn)生的壓降，具體表示為：

Δp2=β3Δp1

其中β 為引進(jìn)參數(shù)，通過相應(yīng)的計(jì)算和最大壓力損失允許值能夠得知β 的取值范圍為2.5～4.0。

2.3 自清洗網(wǎng)式過濾器總壓降的計(jì)算

從前述可知自清洗網(wǎng)式過濾器總壓降表示為：

Δp=Δp1+Δp2=（1+β3）Δp1

通過上式能夠計(jì)算得出自清洗式濾網(wǎng)過濾器總壓降為：

80 目：16.34～63.88kPa；120 目：31.56～123.41kPa；80 目以及120 目過濾器壓降變化值為45.08～127.4kPa（4.6～13m）。

3 相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了明確上述理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要通過相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)定的自清洗網(wǎng)式過濾器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自清洗網(wǎng)式過濾器試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

該試驗(yàn)裝置主要包括蓄水池、電動機(jī)、離心泵、過濾器、變頻柜、電磁閥、壓力表等設(shè)備，為了確保試驗(yàn)和理論計(jì)算的匹配性，試驗(yàn)中采用的濾網(wǎng)規(guī)格為80 目和120 目，試驗(yàn)過濾器設(shè)定流量為：Q（額定）=150m3/h，Q（最大）=220m3/h。為了驗(yàn)證不同的情況，需要分別試驗(yàn)清水以及含有泥沙等雜質(zhì)的渾水，所要測定的內(nèi)容為：清水情況下過濾器局部水頭損失隨流量變化關(guān)系、不同進(jìn)水含沙量所對應(yīng)水頭損失隨時(shí)間的變化情況等等。試驗(yàn)中所用的渾水沙洋為細(xì)河沙，所得到的80目以及120 目對應(yīng)的中值粒徑分別為：80 目為0.16mm，120目為0.29mm?？偟膩碚f，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本相符，說明此種計(jì)算方式能夠充分反映出自清洗網(wǎng)式過濾器總壓降情況，對自清洗網(wǎng)式過濾器過濾壓差控制具有實(shí)際作用。

4 結(jié)語

近些年自清洗網(wǎng)式過濾器在水源灌溉方面有了非常廣泛的應(yīng)用，對網(wǎng)式過濾器來說，利用壓差作為控制參數(shù)能夠?qū)^濾器實(shí)施徹底的自動清洗。主要分析了自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差計(jì)算方面的內(nèi)容，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性，對自清洗網(wǎng)式過濾器的正常使用具有重要作用。