自清洗旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器過濾效率初探

段曉芳，張延賀，馬 睿，楊文新，2

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

1 國(guó)內(nèi)外研究背景及現(xiàn)狀

我國(guó)總體水資源呈現(xiàn)“東南多，西北少”的大分配格局。隨著人口數(shù)量變多、城市化進(jìn)程加快、地表水污染嚴(yán)重、水資源供需矛盾、地區(qū)之間分配不均等，我國(guó)人均水資源利用量持續(xù)減少，與其他國(guó)家差距較大。在新疆地區(qū)，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源為高山冰川的地表水，具有含沙量較高、泥沙粒徑大的特點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中考慮防止和減少泥沙進(jìn)入引取水口措施，如沉沙池（井）等沉沙設(shè)施解決泥沙問題[1]非常有必要。

上世紀(jì)后期，石河子大學(xué)張開泉等人曾進(jìn)行過螺旋排沙試驗(yàn)研究[2]。目前，砂介質(zhì)過濾器、網(wǎng)式過濾器、離心過濾器及疊片過濾器等[3]常用于地表水的處理，劉亞麗研究的河水滴灌重力沉沙過濾池[4]也取得了較好成果。在常規(guī)過濾器研究成果基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者又提出了新型過濾器，如魚雷網(wǎng)式過濾器[5]、砂石-篩網(wǎng)組合過濾器[6]、離心篩網(wǎng)式過濾器[7]，為滴灌技術(shù)首部系統(tǒng)過濾器的選擇提供了更多選項(xiàng)。但這些過濾器的工作方式都屬于泵后強(qiáng)壓過濾沖洗，且能耗高、生產(chǎn)投資大，會(huì)造成灌水器堵塞，影響灌水質(zhì)量，造成作物減產(chǎn)，嚴(yán)重的甚至?xí)斐烧麄€(gè)微灌系統(tǒng)癱瘓[8，9]。

現(xiàn)有的網(wǎng)式過濾器研究對(duì)象主要包括水利性能、流場(chǎng)、過濾機(jī)理以及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)等[10]。劉煥芳[11]等對(duì)自吸網(wǎng)式過濾器進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裝置過濾效率與時(shí)間并不成線性關(guān)系；宗全利等[12]對(duì)自清洗網(wǎng)式過濾器排污壓差進(jìn)行了計(jì)算，最終獲得清水和渾水水頭損失變化曲線并得出過濾器的最佳排污壓差值；阿力甫江·阿不里米提等[13]對(duì)魚雷網(wǎng)式過濾器內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，最終表明，魚雷部件和出水口邊界條件對(duì)過濾器的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布規(guī)律影響很大。

利用自反沖洗式水質(zhì)過濾裝置原理[14]，研究一種造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效節(jié)能、輕便實(shí)用、管理方便的設(shè)備或裝置，是保障微灌系統(tǒng)正常發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的必要條件，也是發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的首要前提。在網(wǎng)式過濾器的基礎(chǔ)上，提出一種新型過濾裝置——自清洗旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、形狀、驅(qū)動(dòng)方式上加以創(chuàng)新，同時(shí)提高過濾和排沙雙重效率。

2 裝置簡(jiǎn)介

2.1 試驗(yàn)裝置

本裝置是一種新型除沙過濾裝置，將傳統(tǒng)的微灌首部樞紐泵后式過濾改為泵前轉(zhuǎn)筒式過濾，如圖1 所示。過濾器由進(jìn)水端、旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒、葉片、軸承及排污閥等組成，渾水桶與轉(zhuǎn)筒進(jìn)水管連接，在自然水頭的作用下渾水進(jìn)入旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒。旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒由錐桶、兩端葉片、中部的濾網(wǎng)、高壓噴嘴和尾部的排沙閥組成。整個(gè)轉(zhuǎn)筒從左到右直徑逐漸減少，促進(jìn)泥沙等污物向轉(zhuǎn)筒末端匯集。

圖1 自清洗旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒過濾器示意

2.2 工作原理

該裝置濾網(wǎng)孔徑為100 目，噴嘴頻率為50 Hz，從渾水箱中流出的渾水通過進(jìn)水管進(jìn)入轉(zhuǎn)筒式過濾器，沖擊轉(zhuǎn)筒外壁上的葉片，保障轉(zhuǎn)筒持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。渾水由內(nèi)向外過濾出來，當(dāng)轉(zhuǎn)筒內(nèi)部的泥沙沉積到一定量時(shí)，打開尾部排沙閥門，在沉沙池內(nèi)的自然水頭作用下升高裝置進(jìn)水端實(shí)現(xiàn)水力排沙。自制模型利用渾水桶代替沉沙池，由渾水桶與轉(zhuǎn)筒之間的高差模擬自然水頭。本設(shè)計(jì)利用旋轉(zhuǎn)網(wǎng)筒（錐筒）結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)筒的截面面積，增大水流流速，促進(jìn)網(wǎng)筒中的泥沙向轉(zhuǎn)筒尾部移動(dòng)。由于噴嘴的作用，將附著在濾網(wǎng)表面的泥沙沖洗掉，使網(wǎng)筒處于高效的介質(zhì)過濾階段，進(jìn)一步促使泥沙向轉(zhuǎn)筒尾部匯集，可提高過濾器的過濾效率和排沙速率。

2.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)分為清水試驗(yàn)和渾水試驗(yàn)。做清水試驗(yàn)時(shí)，含沙量為0，故不考慮含沙量對(duì)裝置的影響，主要研究進(jìn)水端升高高度和進(jìn)水流量對(duì)過濾效果的影響；做渾水試驗(yàn)時(shí)，主要研究進(jìn)水端升高高度、進(jìn)水流量、含沙量對(duì)轉(zhuǎn)速大小、過濾效果以及排沙耗水率的影響。試驗(yàn)時(shí)，用秒表計(jì)時(shí)，測(cè)出轉(zhuǎn)筒每分鐘所轉(zhuǎn)圈數(shù)，最后可得出各工況對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響，進(jìn)而判斷出裝置的過濾效率。

2.3.1 清水試驗(yàn)

（1）研究進(jìn)水流量對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響時(shí)，控制進(jìn)水端升高高度為5、9和13 cm，控制進(jìn)水流量分別為5.1、3.1、1.3 m3/h；共做3 組試驗(yàn)，以消除系統(tǒng)誤差和偶然誤差，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 進(jìn)水流量與裝置轉(zhuǎn)速關(guān)系

由進(jìn)水流量與裝置轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系曲線得知：進(jìn)水端升高高度越高、進(jìn)水流量越小，裝置轉(zhuǎn)速越快。在進(jìn)水端升高高度為13 cm、進(jìn)水流量為1.3 m3/h時(shí)，裝置的轉(zhuǎn)速最快為363 r/min，由于受到水重力的影響，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部水量越大，裝置越重，減小進(jìn)水流量，會(huì)使裝置的轉(zhuǎn)速加快；升高高度越高進(jìn)水流量變小，使得裝置轉(zhuǎn)動(dòng)阻力變小，轉(zhuǎn)速加快。

（2）研究進(jìn)水端升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響時(shí)，控制流量在5.1、3.1 和1.3 m3/h，控制升高高度分別為5、9、13、17、20 cm；共做3組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 進(jìn)水端升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速影響

由升高高度對(duì)裝置轉(zhuǎn)速的影響關(guān)系曲線得知：抬高轉(zhuǎn)筒的升高高度，使得網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使網(wǎng)筒重力的水平分力增加，進(jìn)而增加了網(wǎng)筒末端的摩擦力，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢。

2.3.2 渾水試驗(yàn)

（1）在研究進(jìn)水端升高高度對(duì)轉(zhuǎn)速、排沙效率、排沙耗水率的影響時(shí)，首先可控制進(jìn)水流量為1.7 m3/h，含沙量為1 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過濾烘干前后沙子的重量分析該影響；再控制進(jìn)水流量為0.66 m3/h，含沙量為2.4 kg/m3，升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過濾烘干前后沙子的重量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 進(jìn)水端升高高度與裝置過濾效率關(guān)系

由進(jìn)水端升高高度與裝置過濾效率影響關(guān)系曲線得知：控制進(jìn)水流量和含沙量相同，升高高度越高，網(wǎng)筒的傾斜角度變大，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速變慢，使得沙子和過濾網(wǎng)的接觸面積減小，過濾效率變低，排沙耗水率越小。

（2）在研究進(jìn)水流量對(duì)轉(zhuǎn)速、排沙效率、排沙耗水率的影響時(shí)，控制含沙量為1.2 kg/m3，進(jìn)水端升高高度分別為0、4、9 cm，測(cè)得過濾烘干前后沙子的重量以分析該影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)水流量與裝置過濾效率關(guān)系

由進(jìn)水流量與裝置過濾效率關(guān)系曲線得知：含沙量和進(jìn)水端升高高度相同時(shí)，進(jìn)水流量越大，裝置重量最大，動(dòng)能越大，使得轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速越低，過濾效率降低，排沙耗水率越大。

3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[10]，在其基礎(chǔ)上將裝置加以改進(jìn)，利用控制變量法，全面探究含沙量、升高高度、進(jìn)水流量等綜合因素對(duì)裝置過濾效率的影響。

清水工況下，在控制進(jìn)水端升高高度不變、濾網(wǎng)孔徑一定時(shí)，進(jìn)水流量越大，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部蓄水越多，轉(zhuǎn)筒重量越大，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢。以控制升高高度9 cm 工況為例，隨著進(jìn)水流量的減小，在進(jìn)水流量為1.3 m3/h 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快為363 r/min；抬高轉(zhuǎn)筒的升高高度時(shí)，使得網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多的水聚到錐桶尾部，使得網(wǎng)筒的轉(zhuǎn)速越慢，以控制進(jìn)水流量3.14 m3/h 工況為例，在升高高度為9 cm 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快，為288 r/min。

渾水工況下，進(jìn)水流量和含沙量相同時(shí)，進(jìn)水端升高高度越高，網(wǎng)筒的傾斜角度變大，更多沙子淤積在錐桶尾部，使得沙子和過濾網(wǎng)的接觸面積減小，過濾效率變低，以進(jìn)水流量為1.7 m3/h、含沙量為1 kg/m3工況為例，進(jìn)水端升高高度為9 cm 時(shí)，網(wǎng)筒轉(zhuǎn)速最快為363 r/min；裝置平放時(shí)，過濾效率最高為87%，排沙耗水率最大為2.46%。含沙量和升高高度相同時(shí)，進(jìn)水流量越大，轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速越低，從而影響過濾效率，使其變低，以含沙量為1.2 kg/m3、升高高度為4 cm 的工況為例，當(dāng)進(jìn)水流量為0.55 m3/h 時(shí)，過濾效率最高為86%，排沙耗水率為2.42%；進(jìn)水流量為1.05 m3/h 時(shí)，排沙耗水率最大為2.62%，過濾效率為78%。

4 結(jié)語

本裝置用于泵前過濾，減少對(duì)過濾裝置本身的損壞，提高了過濾效率；與傳統(tǒng)的人工清理過濾器相比，在過濾的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排沙，經(jīng)濟(jì)成本低廉，投入成本較小，發(fā)展前景良好。但僅僅依靠微灌首部過濾裝置等措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要持續(xù)減少河流中的泥沙含量，建立健全水資源剛性約束制度、全社會(huì)節(jié)水制度，早日實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。