微灌多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器的設(shè)計和試驗(yàn)

李盛寶，韓啟彪，杜思琦，袁志華

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引 言

微灌技術(shù)可以通過封閉的管道系統(tǒng)，將作物所需的水和養(yǎng)分以較小的流量，均勻、精準(zhǔn)地輸送到作物根區(qū)，具有節(jié)水、省工和方便水肥一體化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于灌水器流道較小，為防止堵塞而降低灌水質(zhì)量，微灌系統(tǒng)在灌溉系統(tǒng)首部必須加裝過濾器[2]，過濾器的性能優(yōu)劣和過濾效果直接影響著微灌系統(tǒng)的水力性能和穩(wěn)定運(yùn)行。目前市場上常用的過濾器有網(wǎng)式、砂石、疊片式和離心式過濾器。網(wǎng)式過濾器具有價格低、易操作等優(yōu)點(diǎn)，很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。宗全利等[3,4]研發(fā)出新型自清洗網(wǎng)式過濾器，并對濾網(wǎng)堵塞成因和壓降進(jìn)行了分析與計算；雷建花等[5]自主研發(fā)出水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器，闡述了其工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，認(rèn)為：水力驅(qū)動自清洗網(wǎng)式過濾器過流能力強(qiáng)，清洗效率高；駱秀萍[6]研究了不同進(jìn)水流速對自清洗網(wǎng)式過濾器排污系統(tǒng)內(nèi)部流場的影響，并進(jìn)行了數(shù)值分析計算。生產(chǎn)實(shí)踐中往往將同種或不同種過濾器串聯(lián)組合使用以期提高過濾精度。組合使用不同過濾精度的過濾器可以達(dá)到更好的過濾效果，但同時也會導(dǎo)致微灌系統(tǒng)首部占據(jù)空間增大、灌溉管道連接管件增多、安全及監(jiān)測設(shè)備增加、自動清洗不便等問題。為此，有學(xué)者開始研究復(fù)合過濾技術(shù)。楊培嶺等[7]對砂石-篩網(wǎng)組合過濾器結(jié)構(gòu)予以優(yōu)化并進(jìn)行了性能試驗(yàn)，提出將濾網(wǎng)融入砂石罐體的一體式優(yōu)化布置方案；王柏林等[8]對旋流-網(wǎng)式組合型過濾器進(jìn)行了水力性能研究；謝崇寶等[9]研發(fā)了上下復(fù)合型砂石-濾網(wǎng)集成式過濾器，具有造價低、體積小、自動反沖洗等優(yōu)點(diǎn)。但目前研究較少涉及復(fù)合網(wǎng)式過濾技術(shù)。在此背景下，本文對復(fù)合網(wǎng)式過濾器展開研究，完成了復(fù)合網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，試制了樣機(jī)并展開水力性能試驗(yàn)，以期為復(fù)合過濾技術(shù)的發(fā)展提供一定的技術(shù)支撐。

1 理論分析

1.1 微灌系統(tǒng)堵塞成因

由于灌水器末端流道較小，僅1 mm左右，諸多物質(zhì)均有可能造成堵塞，如水中的沙、土、淤泥等固體顆粒甚至包括有機(jī)物，又如硅酸鹽、堿性物質(zhì)等，它們在灌溉系統(tǒng)中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或結(jié)晶，生成難溶性物質(zhì)在管道沉淀，造成堵塞。還有就是一些細(xì)菌真菌及動植物種子等，它們的生長，也會導(dǎo)致堵塞，這些可歸結(jié)為物理、化學(xué)、生物三大類型。而且研究表明，此三種因素相互作用，其中物理堵塞是重要誘因。

因此，通過在微灌系統(tǒng)首部設(shè)置適宜的過濾裝備對水質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)行有效截留是降低微灌系統(tǒng)堵塞風(fēng)險的必要手段。

1.2 網(wǎng)式過濾器過濾機(jī)理

網(wǎng)式過濾器是利用篩網(wǎng)的篩分截留作用進(jìn)行過濾的，灌溉作業(yè)時，水流經(jīng)過濾網(wǎng)時，污物被濾芯阻隔，大于網(wǎng)孔尺寸的顆粒截留在濾網(wǎng)上，清水則通過網(wǎng)孔流向出水口。網(wǎng)式過濾器在工作時會在濾網(wǎng)上形成介質(zhì)堵塞和濾餅堵塞，考慮造價，濾網(wǎng)可用耐磨、耐酸堿的金屬、塑料或尼龍材料制成，濾網(wǎng)規(guī)格由目數(shù)決定。目數(shù)在我國指的是每平方英寸上的篩孔數(shù)量。目數(shù)越大，篩網(wǎng)孔徑越小，過濾效果越好，但造成過濾器局部水頭損失越大，不利于微灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。實(shí)際上，為獲得更好的過濾效果，往往需要采用串聯(lián)組合的方式。

多組網(wǎng)式過濾器串聯(lián)使用，其過濾范圍、過濾精度優(yōu)于單一網(wǎng)式過濾器，但也有其缺點(diǎn)。從占據(jù)空間大小考慮，由于多個過濾器串聯(lián)，占地面積增加，造成土地浪費(fèi)，甚至在一些特殊區(qū)域會出現(xiàn)無法安裝的問題；從水頭損失及灌溉成本考慮，串聯(lián)多個過濾器，必然造成管道延長，連接件增多，在水頭損失增大的同時不利于節(jié)省灌溉成本；從清洗難易考慮，由清洗單一過濾器變?yōu)榍逑炊鄠€過濾器，清洗難度加大的同時時間成本也會增加。因此，在充分利用多組過濾器優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，需要著力改善其帶來的不利影響。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與樣機(jī)試制

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對現(xiàn)有多組過濾器串聯(lián)占據(jù)空間大、連接件多、清洗不便等問題，設(shè)計了一種微灌用自報警多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器[10]，將不同目數(shù)濾網(wǎng)復(fù)合集成于一個殼體，并設(shè)計了清洗組件，為實(shí)現(xiàn)自動化，設(shè)計了自動報警系統(tǒng)。設(shè)計思路相繼獲得了發(fā)明專利(CN205760034U)和美國發(fā)明專利(US10,232,290B2)。

設(shè)計的自報警多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器外部整體示意圖如圖1所示，剖面示意圖如圖2所示。

1-單向閥；2-左殼體；3-中間殼體；4-右殼體；5-電動機(jī)；6-管箍圖1 復(fù)合網(wǎng)式過濾器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the composite mesh filter

7-排污主管；8-第一排污支管；9-第二排污支管；10-第三排污支管；11-出水口；12-第三網(wǎng)式濾筒；13-第二網(wǎng)式濾筒；14-第一網(wǎng)式濾筒；15-壓差計；16-報警器；17-PLC控制器；18-指示燈；19-進(jìn)水口；20-手搖柄；21-毛刷；22-支架圖2 復(fù)合網(wǎng)式過濾器剖面示意圖Fig.2 The section schematic diagram of composite mesh filter

本設(shè)計中復(fù)合網(wǎng)式過濾器主要由：①多級濾網(wǎng)；②分段式刷體；③報警裝置3個部分組成。其中多級濾網(wǎng)由不同目數(shù)的圓柱濾筒同軸心裝配而成，濾網(wǎng)半徑從外到內(nèi)依次減小；本設(shè)計中，濾筒目數(shù)從內(nèi)到外依次為50目、80目和120目；濾筒開口端設(shè)置有與卡槽相匹配的卡環(huán)，濾筒通過卡環(huán)旋扣在卡槽內(nèi)。由于三層濾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計，較單一目數(shù)濾網(wǎng)過濾精度有所提高，過濾范圍顯著增大，在生產(chǎn)實(shí)踐中適應(yīng)性更強(qiáng)；同時由于三層濾網(wǎng)的分層截留作用，濾網(wǎng)出現(xiàn)濾餅的時間明顯下降。

分段式刷體由與濾筒個數(shù)相匹配的刷毛框架、單面毛束、連接桿、連接頭和動力裝置等組成。每個刷毛框架上設(shè)置有單面刷毛束，同時單面刷毛束與濾筒外表面相接觸；連接桿依次穿過第二網(wǎng)式濾筒和第一網(wǎng)式濾筒與刷毛框架通過連接頭連接，然后穿過右殼體與手搖柄相連。為實(shí)現(xiàn)自動化，手搖柄可用電動機(jī)替換。通過電動機(jī)(手搖柄)的轉(zhuǎn)動，即可帶動刷毛框架旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而同時清洗三層濾網(wǎng)。

報警裝置由壓差計、PLC控制器、報警器等組成。壓差計安裝在過濾器進(jìn)出口端，測定進(jìn)水口與出水口之間壓力差值，PLC控制器與壓差計連接，接收壓差信號，當(dāng)差值達(dá)到設(shè)定壓力時，由PLC控制器控制報警器報警；報警器可采用聲光報警器，便于通知用戶清洗過濾器。

2.2 工作過程

多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器工作過程包括過濾過程和自清洗過程。

(1)過濾過程。當(dāng)過濾器運(yùn)行時，3根排污管的單向閥關(guān)閉，灌溉水由進(jìn)水口依次流過三層濾筒，然后經(jīng)出水口流出，水中雜質(zhì)被濾網(wǎng)攔截。攔截的雜質(zhì)將積聚在濾筒外表面，待自清洗過程啟動時清洗。

(2)自清洗過程。在過濾器工作前通過壓差計設(shè)置壓差預(yù)設(shè)值，當(dāng)積聚在濾筒表面的雜質(zhì)使濾網(wǎng)內(nèi)外表面形成的壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時，報警器啟動，開啟排污水管的閥門，進(jìn)行過濾器濾網(wǎng)清洗作業(yè)，待壓力回復(fù)到正常以后，關(guān)閉排污水管閥門，過濾器轉(zhuǎn)入過濾狀態(tài)。

過濾過程和自清洗過程循環(huán)往復(fù)，即可保證過濾器的正常工作。

2.3 樣機(jī)試制

根據(jù)過濾器結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，試制了樣機(jī)，樣機(jī)暫未考慮報警系統(tǒng)。樣機(jī)左右殼體分別采用不銹鋼法蘭連接；為了便于觀察實(shí)時過濾效果，中間殼體由透明有機(jī)玻璃管制成，與左右殼體以黏接方式連接。進(jìn)出水口管采用50 mm PVC管材。刷毛框架由不銹鋼材料制成，毛刷采用塑料材質(zhì)。樣機(jī)采用三級濾筒，材質(zhì)為不銹鋼，目數(shù)分別為50、80、120目；濾筒直徑分別為10、20、30 cm；濾筒高度分別為60、65、70 cm，能實(shí)現(xiàn)三級過濾，滿足現(xiàn)行微灌過濾要求。試制的樣機(jī)如圖3所示。

圖3 試制樣機(jī)圖Fig.3 The prototype Picture

3 樣機(jī)水力性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置及方法

復(fù)合網(wǎng)式過濾器水力性能試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所噴微灌試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置如圖4所示。

1-蓄水池；2-潛水泵；3-進(jìn)水口閥門；4-渦輪流量計；5-精密壓力表；6-復(fù)合網(wǎng)式過濾器；7-排污口閥門；8-精密壓力表；9-出水口閥門；10-出水口圖4 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the test device

試驗(yàn)裝置由蓄水池、潛水泵、管道系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)供水裝置為2.4 m×1.2 m×1.3 m 的蓄水池，使用潛水泵提供試驗(yàn)所需壓力流量，進(jìn)、出水管直徑為50 mm，使用渦輪流量傳感器(LWGY-50)測量管道流量變化；在過濾器的進(jìn)口端、出口端分別配置精密壓力表1塊(量程 0.6 MPa，精度0.02級)；在進(jìn)水口處和出流口處安裝流量調(diào)節(jié)閥。通過調(diào)節(jié)進(jìn)、出水口閥門開度來改變過濾器流量。流量設(shè)計為15、17.5、20、22.5、25、27.5、30 m3/h，待過濾器運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄流量計和壓力表讀數(shù)，每一流量下，重復(fù)試驗(yàn)3次。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 水頭損失與流量的關(guān)系

hj=kQ2

(1)

式中：hj為水頭損失；Q為流量；k為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

即局部水頭損失與流量的平方成正比例關(guān)系。

試驗(yàn)過程中，濾筒有效過濾面積恒定，粗濾網(wǎng)和細(xì)濾網(wǎng)的局部水頭損失系數(shù)ζ為定值，則過濾器的總局部水頭損失系數(shù)∑ζ也沒有改變。由式(1)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)系數(shù)k恒定時,過濾器局部水頭損失只與流量有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合可得本過濾器得k值為0.001 7。

3.2.2 復(fù)合網(wǎng)式過濾器清潔壓降曲線

按照標(biāo)準(zhǔn)(SL470-2010灌溉用過濾器基本參數(shù)及技術(shù)條件)規(guī)定，過濾器水力性能需考查清潔壓降曲線，即過濾器局部水頭損失隨流量的變化曲線。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器的清潔壓降曲線如圖5所示。

圖5 復(fù)合網(wǎng)式過濾器清潔壓降曲線Fig.5 The cleaning pressure drop curve of composite mesh filter

清潔壓降曲線對應(yīng)相關(guān)系數(shù)R2=0.990 3，說明相關(guān)程度較高。過濾器的水頭損失hw與流量Q之間的關(guān)系式為：

hw=0.006 6Q1.589 4

(2)

將式(2)與型號50WL15-1000過濾器安裝150目不銹鋼濾網(wǎng)時計算公式Δh=0.004 5Q1.799 6[12]對比，發(fā)現(xiàn)：式(2)中流量指數(shù)1.589 4小于1.799 6，說明與傳統(tǒng)網(wǎng)式過濾器相比，在清水試驗(yàn)條件下，當(dāng)進(jìn)水口流量為15～30 m3/h 時，復(fù)合網(wǎng)式過濾器受流量影響較小。進(jìn)一步說明了復(fù)合網(wǎng)式過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與先進(jìn)性。

4 結(jié) 語

針對多組網(wǎng)式過濾器串聯(lián)時占據(jù)空間大、管件連接件多等問題，設(shè)計了一種多級復(fù)合網(wǎng)式過濾器，能實(shí)現(xiàn)多級網(wǎng)式過濾功能，能利用刷體實(shí)現(xiàn)了清洗排污功能，同時設(shè)置有報警器，可依據(jù)報警信號及時對過濾器進(jìn)行清洗。通過樣機(jī)性能試驗(yàn)，認(rèn)為該復(fù)合網(wǎng)式過濾器受流量影響較小，結(jié)構(gòu)系數(shù)k為0.001 7，清潔壓降曲線與網(wǎng)式過濾器一致，仍符合冪函數(shù)關(guān)系。隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的快速發(fā)展，勢必在微灌系統(tǒng)中有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。