(大禹节水(酒泉)有限公司,甘肃 酒泉 735000)
近年来,滴灌用过滤器在水源灌溉方面的应用不断增加,特别是滴灌用自清洗网式过滤器更是得到了快速发展。但滴灌用自清洗网式过滤器的内部结构相对复杂,并且主要是通过时间作为自动清洗的控制参数。一方面,此种控制方式可能会在没有清洗必要的情况下进行清洗,另一方面,只按照时间顺序方式可能无法实现较彻底的清洗,同时可能造成重复清洗的问题。而通过滤网过滤压差作为控制参数,一旦压差达到设定值就可以实现自动清洗,就能够有效解决上述问题。所以,需要分析计算过滤器的排污压差,这是确保过滤器正常工作的关键。
较常用的自清洗网式过滤器的结构如图1 所示,工作过程中可以分成过滤以及清洗两过程。在实际操作过程中,污水从进水口进入之后,要通过粗、细过滤网进入到过滤室中,按照从内到外的顺序,通过过滤网之后从出水口流出,完成过滤操作。随着过滤污水量的增加,残留在细过滤网表面的泥沙杂物会不断积累,从而在滤网内外表面形成压差,一旦压差达到甚至超出控制参数,电动排污阀门就会自动打开,并且出水口的阀门自动关闭。此种情况下,会因为过滤器内水压和外部大气压的压差造成吸头产生较大的吸力,从而将泥沙等杂物吸入到排沙管再通过排污口排出。在水流流出过程中会造成吸头的转动,就会将滤网内表面泥沙等杂物清理干净。随着清洗一定时间后,滤网内外压差会逐渐降低,在低于设定值时就完成清洗工作,能够进行正常的过滤。
图1 典型自清洗网式过滤器结构
对自清洗网式过滤器来说,在工作过程中的阻力主要有“过滤介质阻力”以及“滤饼阻力”。在过滤器工作初始阶段,由于时间较短,泥沙等杂物没有过多积累,所以,滤网产生的流阻起主要作用。随着泥沙的逐渐积累,堆积在滤网表面的泥沙会逐渐形成滤饼,这时滤饼就会对流体产生的流阻起主要作用。总的来说,排污压差可以表示为:
Δp=Δp1+Δp2
其中,Δp1 表示滤网所产生的阻力,Δp2 表示滤饼产生的阻力。
2.1.1 层流和紊流的判定。以介质微孔直径为基础,定义雷诺数Re 为:
其中,ρ 表示流体的密度,单位为kg/m3;dp 表示滤网的孔径,单位为m。在Re<3 的情况下流体处在层流状态,3<Re<7 的情况下流体处在过渡状态,在Re>7 的情况下流体处在紊流状态。
2.1.2 层流情况下阻力压降计算。如果流体在微孔中的流动属于层流状态,所得层流情况下阻力压降表示为:
其中Δp层表示层流时阻力压降,单位为Pa;Kp 表示综合系数;μ 表示流体的粘度,单位为Pa.s;u 表示流体通过床层的平均线速度,单位为m/s;L 表示床层厚度,单位为m;K1表示柯兹尼常数;S1 表示过滤介质的比表面积;ε 表示过滤介质的孔隙度。
2.1.3 紊流情况下阻力压降计算。如果流体在微孔中的流动属于紊流状态,那么所得紊流情况下阻力压降表示为:
其中,Δp紊表示层流时阻力压降,单位为kPa。
2.1.4 滤网产生流阻压降计算。
表1 不锈钢网具体参数
①所采用的网式过滤器其具体结构如图2 所示,其具体参数为:滤网直径0.69m,高度0.8m,过滤介质为金属丝网。
从相应参考资料以及调查分析可知,目前不锈钢网的具体参数可参照表1 所示。
图2 滤网结构
②如果将过滤器中滤网的金属丝设定为图2 所示的圆柱体(直径为d),那么介质的比表面积S1(指的是单位体积内的表面积)表示为:
而孔隙度(指的是流体能够通过的体积)可以表示为:
通过相应计算可知,80 目的情况下ε 为0.36,120 目的情况下ε 为0.35。通过相应参考文献可知,在ε 处在0.3~0.5 范围内时K1=5。
③按照网式过滤器最大流量Qmax=220m3/h、流体的粘度μ=1.005×10-3Pa.s 进行计算,能够得出相应参数的结果如表2 所示。
表2 相应参数计算结果
从表2 中能够得知,不管是80 目还是120 目的滤网,滤网的网孔水流雷诺数都在7 以上,因此,该网孔水流状态为紊流状态,所以,按照紊流状态的计算公式进行流阻压降计算,能够得出过滤网产生的压降分别为:
80 目:Δp1=0.983kPa,Δp2=0.983kPa;
120 目:Δp1=1.900kPa,Δp2=1.900kPa
随着过滤时间的增加,滤网会对泥沙等杂质造成一定的节流,一定时间后就会积累成为滤饼,滤饼对液流产生的流阻起主要作用。随着滤饼厚度越来越大,介质两侧的压差会不断增加,滤饼的孔隙率会逐渐降低,所以,过滤的过程就是可压缩滤饼过滤,很难明确过滤时形成的具体压降。总的来说,滤饼过滤和介质过滤具有同样的过滤原理,所以,可以利用量纲分析的方式得出滤饼过滤产生的压降,具体表示为:
Δp2=β3Δp1
其中β 为引进参数,通过相应的计算和最大压力损失允许值能够得知β 的取值范围为2.5~4.0。
从前述可知自清洗网式过滤器总压降表示为:
Δp=Δp1+Δp2=(1+β3)Δp1
通过上式能够计算得出自清洗式滤网过滤器总压降为:
80 目:16.34~63.88kPa;120 目:31.56~123.41kPa;80 目以及120 目过滤器压降变化值为45.08~127.4kPa(4.6~13m)。
为了明确上述理论计算的准确性,需要通过相应试验进行验证。设定的自清洗网式过滤器试验装置结构如图3 所示。
图3 自清洗网式过滤器试验装置结构
该试验装置主要包括蓄水池、电动机、离心泵、过滤器、变频柜、电磁阀、压力表等设备,为了确保试验和理论计算的匹配性,试验中采用的滤网规格为80 目和120 目,试验过滤器设定流量为:Q(额定)=150m3/h,Q(最大)=220m3/h。为了验证不同的情况,需要分别试验清水以及含有泥沙等杂质的浑水,所要测定的内容为:清水情况下过滤器局部水头损失随流量变化关系、不同进水含沙量所对应水头损失随时间的变化情况等等。试验中所用的浑水沙洋为细河沙,所得到的80目以及120 目对应的中值粒径分别为:80 目为0.16mm,120目为0.29mm。总的来说,试验结果和计算结果基本相符,说明此种计算方式能够充分反映出自清洗网式过滤器总压降情况,对自清洗网式过滤器过滤压差控制具有实际作用。
近些年自清洗网式过滤器在水源灌溉方面有了非常广泛的应用,对网式过滤器来说,利用压差作为控制参数能够对过滤器实施彻底的自动清洗。主要分析了自清洗网式过滤器排污压差计算方面的内容,通过试验验证了计算的可靠性,对自清洗网式过滤器的正常使用具有重要作用。