微灌自清洗网式过滤器水头损失的试验研究

骆秀萍,刘焕芳,宗全利,刘飞,易平

(1石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003;2新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院,乌鲁木齐832000)

微灌自清洗网式过滤器水头损失的试验研究

骆秀萍,刘焕芳1,宗全利1,刘飞1,易平2

(1石河子大学水利建筑工程学院,石河子832003;2新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院,乌鲁木齐832000)

微灌自清洗网式过滤器适应大力发展节水灌溉技术的需求。对微灌自清洗网式过滤器分别进行清水和浑水水头损失试验研究,结果表明:在清水条件下,当流量在0～90 m3/h时,自清洗网式过滤器水头损失随流量变化缓慢;当流量在90～240 m3/h时,随着流量的增大,其水头损失增加较快,并确定了不同流量条件下自清洗网式过滤器清洁压降关系式。含砂量一定时,进水流量越大,自清洗网式过滤器局部水头损失越大,过滤周期越短;进水流量一定时,随含砂量的增大,自清洗网式过滤器过滤周期缩短,局部水头损失增加的趋势变大。

自清洗;网式过滤器;水力性能;水头损失

微灌是一种先进的节水灌溉方式。微灌系统灌水器的出水孔孔径一般都很小,要求灌溉水中不含有造成灌水器堵塞的污物和杂质。目前,就新疆地区而言,灌溉水源80%为地表水,这些地表水中往往含有大量泥沙,用含沙水进行大田微灌很容易造成灌水器的严重堵塞。因此,对灌溉水源进行泥沙处理以及其他净化处理是必不可少的,而节水灌溉用过滤器是保证灌水器不被堵塞的最关键技术设备[1～9]。微灌自清洗网式过滤器是目前国内外过滤器研究的热点,特别是在我国节水灌溉面积最大的新疆生产建设兵团大田微灌技术中更加需要先进、自动化程度高的过滤器[10～11],因此,对微灌自清洗网式过滤器水头损失进行试验研究是非常必要的。

本研究试验选用自清洗网式过滤器,由石河子市金土地节水设备有限公司生产,具有结构简单、安装使用方便、自动化程度高、应用范围广等特点,适应了大力发展节水灌溉技术的需求。本文主要针对该过滤器在清水和浑水条件下的局部水头损失变化规律进行试验研究,以期为过滤器的结构优化和用户提供重要的技术参数。

1 过滤器结构及工作原理

1.1 过滤器结构

自清洗网式过滤器主要由过滤器筒体、过滤芯、自动控制装置、排污装置等部分组成,依靠滤网的拦截作用来完成过滤,属于两级过滤。一级过滤室由粗过滤网构成,二级过滤室由细过滤网及排污装置构成,排污装置由水力旋喷管和自动吸附吸砂组件构成。

过滤器的结构及过滤流程见图1。

图1 自清洗网式过滤器结构及过滤流程Fig.1 Structure and filtering process of the self-cleaning screen filter

1.2 工作原理

自清洗网式过滤器工作过程包括过滤过程和自清洗过程两个阶段。

1)过滤过程。当过滤器开始运行时,排污口阀门13关闭,含砂浑水首先由进水口1进入粗过滤网2(一级过滤室),过滤一些较大杂质(主要是漂浮物)或大于吸砂组件11吸口开度的泥砂,然后经细滤网进口3进入二级过滤室,由里向外通过细滤网5,拦截比细滤网网孔大的泥砂颗粒并将其积聚在滤网内表面等待清洗,滤后清水由侧面出水口6流出。具体过滤过程如图1a所示(图中箭头方向代表水流运动方向,下同)。

2)自清洗过程。当积聚在细滤网内表面的泥砂使滤网内外表面形成的压差达到预定值时,由自动控制器打开排污口阀门13,同时关闭部分出水口阀门7。由于排污口阀门与大气相通,这样过滤器内部水压与外部大气之间形成的压差会使侧面开孔的吸砂组件11产生强劲吸力;同时由于吸砂组件开口面积很小,滤网内表面吸砂组件附近的水流流速很大,高速流动的水流也会将卡在滤网内表面的泥砂冲下来进入吸砂组件,这样滤网内表面泥砂在强劲吸力和高速水流的双重作用下可以有效地排除。进入吸砂组件的泥砂,通过排砂管12经水力旋喷管8由排污口排出。水流由水力旋喷管排出时会向四周喷射,在过滤器顶部壳体内形成旋流带动整个吸附系统旋转,旋转过程中每个吸砂组件都会将该范围内滤网内表面的的泥砂吸进,随水流经排砂管由旋喷管排出。随着滤网内表面泥砂的排除,滤网内外压差将会逐渐减小,当达到设定排污时间时,自动清洗完成,控制器关闭排污阀,同时完全打开出水阀,自动吸附系统停止旋转,过滤器转入正常过滤状态。自清洗具体过程如图1b和c所示。

2 试验方法

2.1 过滤器及其配套设备的应用布置

自清洗网式过滤器水头损失试验在石河子大学水利建筑工程学院水工试验大厅完成,试验装置如图2所示。过滤器细滤网为 80目,滤孔直径为0.18 mm,网丝直径为 0.14 mm[12]。进、出水管直径为160 mm,排污管直径为120 mm,进、出水管均安装蝶阀以控制过滤器流量。

图2 自清洗网式过滤器试验装置示意图Fig.2 Experimental device’s schematic diagram ofthe self-cleaning screen filter

2.2 仪器和配套设备参数

备的型号及数量如表1所示。

自清洗网式过滤器室内试验所需仪器和配套设

表1 自清洗网式过滤器试验设备

2.3 试验方法

自清洗网式过滤器水头损失试验分为清水试验和浑水试验两部分。在清水条件下,通过设定不同水泵水头值(30 m、20 m、10 m、7 m、6.5 m、6 m、5.5 m、5 m)及调节进、出水口蝶阀开度来改变过滤器流量。待过滤器运行稳定后,记录各压力表读数并每隔1 min记录流量计示数。在浑水条件下,过滤器正常过滤时,人工调节含砂量,每隔10 s记录压力表在不同含砂量条件下随过滤时间的变化值。在一个过滤周期中,当过滤器正常过滤时分别在过滤初期、中期及末期取进水管和出水管水样,排污时每隔5 s取排污管水样,从而测定水的含砂量。试验数据观测及整理完毕后采用线性回归和非线性回归的方法,分析在清水条件下过滤器局部水头损失随流量的变化规律,并拟合出水头损失 hj和流量Q之间的关系式;探究在浑水条件下过滤器局部水头损失与流量、进水含砂量及过滤时间等因素之间的关系。

3 试验结果与分析

3.1 自清洗网式过滤器局部水头损失计算

自清洗网式过滤器正常过滤时,水流从过滤器进水口流入、出水口流出,整个流程所产生的水头损失为:

式(1)中:∑hf是流程中各管段沿程水头损失的总和,m;∑hj是全流程中各局部水头损失的总和,m。

对于自清洗网式过滤器,由于从进水口到出水口水流较复杂,且路程较短,无长直流段,因此,可以忽略沿程水头损失,主要考虑局部水头损失,即

在清水条件下,过滤器的水头损失是指过滤器进、出水口的总水头降,它主要包括过滤器进口、出口、过滤器元件等引起的局部水头损失。过滤器局部水头损失可以采用下式计算:

针对自清洗网式过滤器,其局部水头损失主要包括:1)由进出口断面发生变化引起的局部水头损失;2)由过滤器内粗过滤网和细过滤网引起的局部水头损失;3)由过滤器内部结构变化引起的局部水头损失。

式(4)为过滤器进、出水管道断面突变产生的局部水头损失计算公式:

式(4)中:A1、A2是管道扩大前、后过水断面面积,是管道断面扩大前的流速水头是管道突然扩大的局部水头损失系数。

由于过滤器中的水流状态较复杂,很难确定过滤器水头损失系数。因此,还可以用过滤器流量Q来表示过滤器的水头损失,根据试验资料可以用式(5)的形式来表示过滤器的水头损失与过滤流量之间的关系[13],即:

式(5)中:k是比例系数;x是指数。

3.2 自清洗网式过滤器清洁压降关系式的确定

根据以上分析,调节不同流量档次,可以测试到不同的水头损失值。自清洗网式过滤器清水试验主要探究细滤网的局部水头损失与流量的关系。本试验每隔10 m3/h的流量测定一组进水管流量与水头损失值。由于在流量较小时,自清洗网式过滤器局部水头损失随流量变化较缓,流量较大时,其局部水头损失随流量变化较快。为更加准确地反映该过滤器的水力性能,取流量在0～90 m3/h及90～240 m3/h的数据,按过滤器的水头损失值(纵坐标)与流量(横坐标)分别绘制过滤器的清洁压降曲线如图3所示。

图3 流量在0～90 m3/h及90～240 m3/h条件下过滤器清洁压降曲线Fig.3 The filter’s clean pressure dropping curve in 0～90 m3/h and 90～240 m3/h

图3a对应相关系数 R2=0.9659,其水头损失hw与流量Q之间的关系式为:

将式(7)与传统网式过滤器水头损失的计算公式Δh=0.0045Q1.75[14]对比发现:式(7)中流量指数0.4075远小于1.75,说明与传统过滤器相比,当进水口流量在0～90m3/h时,自清洗网式过滤器初始水头损失随流量变化较缓慢。这是因为流量较小时,过滤器进出口流速较小,水流在过滤器内流态变化及流体质点间的摩擦和碰撞较小,故由其结构引起的局部水头损失变化较小。

由图3b及试验结果计算出的相关系数可知,当自清洗网式过滤器流量在90～240m3/h附近变化时,其清洁压降关系式也可用下面的经验公式计算:

过滤器初始水头损失与滤网及其内部的结构有关,而对于自清洗网式过滤器而言,其内部结构较复杂。当过滤器进水口流量在90～240 m3/h时,随着流量的增大,自清洗网式过滤器的局部水头损失增加较快。这是因为在过滤器内部结构不发生变化的情况下,流量增大时,单位时间通过滤网小孔的流速变大,液体质点间的碰撞和摩擦加剧,水流消耗能量增大。

由上述分析可知,式(7)主要反映流量较小时由过滤器内部结构产生的水头损失,可利用其进行过滤器结构优化设计,而式(8)为自清洗网式过滤器在设计流量条件下的清洁压降关系式,可为用户提供重要的技术参数。

3.3 浑水条件下水头损失与流量的关系

对自清洗网式过滤器预设一个较大压差,保持进水含砂量不变,调节进、出水口蝶阀改变过滤器流量,在不同流量条件下记录过滤时间及压力表读数的变化,根据所测数据以过滤时间为横坐标,以局部水头损失为纵坐标绘制不同流量条件下过滤器浑水局部水头损失变化曲线如图4所示。

由图4可知:在不同的进水流量条件下,自清洗网式过滤器的初始水头损失及过滤周期是不同的。同一过滤时间流量越大,过滤器对应的局部水头损失越大。当含砂量一定时,随着流量的增大,过滤器过滤周期变短。由于过滤器初始水头损失与过滤器滤网及内部结构有关,因此,当流量较大时,水流在过滤器内流态变化及流体质点间的碰撞较大,产生的初始局部水头损失就越大;单位时间内积聚在滤网内的泥砂颗粒越多,过滤器会在较短时间内达到预设压差进行排污,即过滤周期较小。试验发现:当滤网局部水头损失达到0.07 MPa～0.08 MPa时,进水口流量出现明显降低趋势,说明滤网堵塞程度增加,有效过滤面积减少,故可在上述压差范围内取值作为自清洗网式过滤器预设排污压差。

图4 不同进水流量下过滤器浑水局部水头损失变化曲线Fig.4 The muddy water filter’s head loss curve in different in flow

3.4 浑水条件下水头损失与进水含砂量的关系

对自清洗网式过滤器同样预设一个较大压差,保持过滤器进水流量不变,调节含砂量,在不同含砂量条件下记录过滤时间及压力表读数的变化,绘制不同进水含砂量条件下过滤器浑水局部水头损失随时间的变化曲线,如图5所示。

图5 不同进水含砂量条件下过滤器浑水局部水头损失变化曲线Fig.5 The muddy water filter’s head loss curve in different sediment

由图5可知:在浑水条件下,过滤器的局部水头损失及过滤周期与过滤流量及进水含砂量有关。过滤器局部水头损失在过滤器运行时间为总过滤时间的约2/3时,局部水头损失出现急剧增大的现象。在相同的进水流量条件下,随着含砂量的增大,过滤器局部水头损失急剧变化的趋势增大,过滤周期相应变短。这是因为随着进水含沙量的增加,泥砂在过滤器滤网内的积聚速度越快,对滤网的堵塞程度越大,在滤网内形成滤饼,过滤器由介质过滤转变为滤饼过滤,滤饼引起的压降损失大于介质引起的压降损失,随着滤饼增厚压降迅速增大,即水头损失迅速增大。图5中曲线出现拐点时对应水头损失值约为7 m,结合3.3节内容,在保证过滤器内部滤网的承受压力不至过大,并能使其高效率工作的前提下,亦可确定自清洗网式过滤器的预设压差值,为用户提供重要的技术参数。

4 结论

1)清水条件下,当流量在0～90 m3/h时,自清洗网式过滤器水头损失随流量变化缓慢,对应清洁压降关系式为hw=0.1706Q0.4075;当流量在90～240 m3/h时,自清洗网式过滤器清洁压降关系式为 hw=0.0005Q1.7248,随着流量的增大,其水头损失增加较快;

2)在浑水条件下,当含砂量一定时,进水流量越大,自清洗网式过滤器局部水头损失越大,过滤周期越短;进水流量一定时,随着含砂量的增大,过滤器过滤周期缩短,局部水头损失增加的趋势变大。当过滤器运行时间为总过滤时间约2/3时,过滤器局部水头损失急剧增大。

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Experiments and Studies on the Head Loss of the Micro-irrigatio Self-cleaning Screen Filter

LUO Xiuping,LIU Huanfang,ZONG Quanli,LIU Fei,YI Ping
(1College of Water Conservancy and Architectural Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2 Xinjiang Production and Construction Corps,Survey Planning and Design Institute,Urumqi 832000,China)

The micro-irrigation self-cleaning screen filter meets the needs of water-saving irrigation technology’s development.Research into the head loss of the micro-irrigation self-cleaning screen filter in clean and muddy water conditions,found that in the clean water condition,when the flow rate is in the 0-90 m3/h,the self-cleaning screen filter’s head loss changed slowly with the flow;when the flow rate is in the 90-240 m3/h,with the increase of flow,the head loss increased rapidly,identifying the clean pressure drop relationship of the self-cleaning screenfilter.When the sand content is constant,the water flow is greater,the self-cleaning screenfilter’s local head loss is higher,the filtration cycle is shorter;when the water flow is constant,with increase of the sand content,the filtration cycle of the selfcleaning screen filter is shortened,and the increasing trend of local head loss becomes larger.

self-cleaning;screen filter;hydraulic performance;head loss

S277.9 < class="emphasis_bold">文献标识码:A

A

2010-11-08

国家自然科学基金项目(50909062)。

骆秀萍(1986-),女,硕士研究生,专业方向为工程水力学;e-mail:luoxiuping06@163.com。

刘焕芳(1965-),男,教授,从事工程水力学与节水灌溉方面的研究;e-mail:lhf0818@shz.edu.cn。