自旋流刷洗式地表水处理过滤器的设计与试验

王 超,胡 斌,王佳萍,潘 峰,范文波,何浩猛

(石河子大学 a.机械电气工程学院 ;b.水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆属干旱内陆气候区,降水稀少,蒸发强烈,水资源严重短缺,水资源消耗主要来自农业,农业生产必须依靠灌溉[1]。水资源一直是制约新疆经济发展的重要因素[2-3],合理开发和利用水资源实施节水灌溉举措,可带动社会生产朝可持续方向发展[4]。从目前我国推广应用的一些节水灌溉技术的效果看,低压管道输水灌溉可节水20%～30%,喷灌可节水40%～50%,滴灌可节水70%～80%[5]。随着世界淡水资源的日益短缺,滴灌技术的推广已成为各国解决农业生产与水资源短缺矛盾的重要途径[6-7]。为了防止堵塞,滴灌系统首部需要设置过滤器,其工作性能将影响整个灌溉系统运行的状态[8]。因此,对滴灌系统中过滤器的研制及过滤器结构优化,更进一步解决滴灌堵塞问题,对推动节水农业发展有重大作用[9-10]。

目前,滴灌系统中常见的网式过滤器分为两种,即封闭式和开放式[11]。对于河渠水、库塘水等物理性杂质污染严重的地表水,封闭式滤网自清洗过滤器存在滤网堵塞严重、自清洗频繁、滤网堵塞后清洗困难等问题[12]。开放式卧式滚筒反冲洗过滤器存在清堵不及时、供水间断、能耗大[13];开放立式筒网反冲洗过滤器由于滤网内外压差小,导致过滤器出现反冲洗效果差、反冲洗频繁能耗提高及滤网杂物堵塞等问题[14]。不管封闭式滤网自清洗过滤器还是开放式滤网自清洗过滤器,在含有粘性和纤维物质的水质条件下,都存在自清洗频繁、滤网堵塞、能耗较高、供水间断等缺点,导致自清洗网式过滤器使用效果不佳,灌溉效率急剧下降,影响了灌溉系统的正常运行[15-16]。在进行充分调研后,对灌溉水源的杂质、各种过滤器的机理和主要耗能原因进行分析,提出了一种基于滤网的“水力旋流驱动+刷洗”的过滤方案,以解决网式过滤器能量损耗的问题,并设计研发了自旋流刷洗式地表水处理过滤器。

1 结构与原理

1.1 整机结构

传统的地表水处理过滤器,一般使用电机驱动的过滤器,在田地很容易丢失,若要做遮盖防水,大大提高了成本;而用水力驱动代替电力驱动,能够提高防盗系数、安全系数,且能够降低成本。

过滤系统运行过程中,过滤和刷洗同时进行,泵后水的部分有压水由连接进水管流入到自旋流泵,如图1所示。工作时,安装在自旋流泵上水动力叶轮在水流的冲击作用下产生旋转运动,并带动中心轴做同步旋转运动,经减速器调节后带动刷洗装置围绕圆筒滤网旋转,刷洗装置将附着在滤网上的杂质刷洗掉,经过滤网过滤后的水由出水口流入水泵中进水田间。本文的研究对象为流量300m3/h、过滤精度100目的灌溉系统,根据以上的参数来完成本次自旋流刷洗式地表水处理过滤器的结构设计。

1.自旋流泵 2.刷洗臂 3.圆筒滤网 4.机架 5.出水口 6.刷洗装置

过滤器中自旋流泵是将整个过滤系统中泵后水的动能转换为机械能的驱动装置,是一种叶片式流体机械。工作时,装有叶轮的转子做高速旋转运动,流体流经叶轮之间通道时,叶轮与流体之间产生力的相互作用,借以实现能量转化。泵前池过滤器如图2所示。图2中,当水泵启动后,泵前池中待过滤的水由自旋流刷洗式过滤器的圆筒滤网中进入到过滤器内部,然后从出水口流入水泵进入灌溉系统。

1.自旋流刷洗式过滤器 2.钢丝软管 3.逆止阀 4.管道 5.水泵引水接口 6.水泵

1.2 传动机构的工作原理

自旋流刷洗系统的传动机构(见图3)位于过滤器滤网的上方,在工作过程中在水面线以上;水进入自旋流泵中,泵中的叶轮旋转产生扭矩经减速器传递给刷洗臂,再由刷洗装置进行刷洗滤网。设计中,传动机构在竖直方向有两个传动轴:一个是在过滤器中心处的竖直轴,另一个是自旋流泵中的传动轴。

1.传动轴 2.直齿圆柱齿轮 3.刷洗装置 4.圆筒滤网 5.竖直旋转轴 6.直齿圆柱齿轮 7.自旋流泵

刷洗过程中,泵前池中含有杂质的水做旋转运动,可以起到离心沉降的作用。对于两相密度相差较小、颗粒粒度较细的非均相物系,难以通过重力沉降分离甚至完全不能分离时,使用离心沉降可增加沉降速度。工作原理为:当流体和杂质颗粒一起旋转时,在离心力的作用下,由于颗粒密度大于流体密度,将使颗粒沿经向与流体产生相对作用,从而实现分离。在刷洗装置旋转期间,流体做圆周运动,如图4所示。

图4 杂质颗粒在旋转流体中的运动

离心沉降速度计算公式为

式中d—杂质颗粒直径(m);

ρs—杂质颗粒密度(kg/m3);

ρ—流体密度(kg/m3);

R—杂质颗粒距离中心轴的距离(m);

uT—切向速度(m);

K—阻力系数(m)。

2 自旋流泵的结构设计与力学分析

过滤系统运行过程中,过滤和刷洗同时进行,自旋流泵的结构如图5所示。泵后水的部分有压水由连接进水管流入到自旋流泵进水喷嘴,安装在自旋流泵上的水动力叶轮在水流的冲击作用下产生旋转运动,并带动中心轴做同步旋转运动,带动刷洗装置围绕圆筒滤网旋转。

1.自旋流泵上壳体 2.水动力叶轮 3.自旋流泵下壳体 4.轴承 5.中轴 6.套筒 7.密封环 8.螺母

自旋流泵的水动力叶轮是自旋流泵中将水的动能转化为机械能的部件,是自旋流泵所有部件中最重要的一个,其受力情况如图6所示。水动力叶轮主要由轴孔、挡水圆盘、叶片组成,将叶片垂直固定在挡水圆盘上,其作用是当水射流冲击叶片时挡水圆盘能够有效地将冲击后的水向上方运动起到导流的作用,使水流有向上的流动趋势。

由图6可得

式中V0—进水喷嘴射流速度(m/s);

kv—射流速度系数,一般kv=0.97～0.98;

g—重力加速度(m/s2);

H—水头(m);

Q—进水喷嘴流量(m/s);

d0—射流直径(m);

H—自旋流泵的设计水头(m)。

自旋流泵叶片受力分析如图7所示。

图7 自旋流泵叶片受力分析

在力学中,动量矩定理表示为单位时间内物体的动量矩对旋转轴的变化,等于作用于物体的所有外力作用在同一轴上的力矩之和。流体从自旋流泵的进水喷嘴切向冲击叶流体叶片,以速度v1在一定时间内流入叶片的流体动量矩为

T1=r1ρQv1cosθ1

式中ρQ—流体质量(kg/s);

v2—流体从叶片内周流出速度(m/s);

v1—流体从叶片外周流入速度(m/s);

θ1—流体从叶片外周流入速度与圆周切线方向夹角(°)。

一定时间内流出叶片的流体动量矩为

T1=r2ρv2cosθ2

式中ρQ—流体质量(kg/s);

r2—叶片内周半径(m/s);

r1—叶片外周半径(m/s);

θ2—流体从叶片内周流出速度与圆周切线方向夹角(°)。

流体从叶片外周流入速度与圆周切线方向夹角为0°,流体从叶片内周流出速度与圆周切线方向夹角为0°,则

∑T'=r2ρQv2-r1ρQv1

式中 ΣT′—作用在水流上的所有外力对转轴力矩之和(N·m)。

流体对自旋流泵叶片的作用力所产生的力矩T与ΣT′大小相等且方向相反,则

∑T=ρQv1r1-r2ρQv2

式中T—流体作用在自旋流泵叶片的力矩(N)。

3 性能试验与结果分析

3.1 试验条件及指标

为了验证自旋流刷洗式地表水处理过滤实际使用情况,测量自旋流泵在实际工作状态下的水动力性能、水动力叶轮片数、进水角度及进水喷嘴尺寸对杂志处理效率的影响,对自旋流刷洗式地表水处理过滤器进行试验,确定过滤器中自旋流泵的工作最佳值。同时,通过试验对自旋流泵的进水喷嘴角度、进水喷嘴尺寸及水动力叶轮叶片数3个因素的变化,确定对过滤器的杂质处理效率的影响[17-18]。

试验地点在石河子市石达赛特公司过滤器生产车间。杂质处理效率是过滤器的清除水中杂质效果的性能指标,即试验前后水中杂质含量之差与试验前杂质含量的比值,则

式中η—杂质处理效率(%);

mq—过滤前的杂质含量(g);

mh—过滤后的杂质含量(g)。

过滤器处理的效果可以通过对比过滤前与过滤后水的杂质多少来判断。蓄水池中的隔板的左侧为滤前水,右侧为滤后水,如图8所示。将准备好的两个5L烧杯分别放入滤前和滤后水中,盛满5L,进行过滤操作;将滤纸放入漏斗中放置在铁架台上,两个烧杯中的水分别过滤晾干称重,用含有杂质的干燥滤纸的质量减去滤纸质量等于杂质质量。

1.自旋流泵 2.减速器 3.机架 4.圆筒滤网 5.蓄水池 6.水泵

3.2 试验指标

因过滤过程中存在影响杂质处理效果的非线性因素,试验采用响应曲面法,分析自旋流泵的进水角度、自旋流泵的进水喷嘴尺寸、自旋流泵的水动力叶轮叶片数为影响杂质处理效率的重要因素。取自旋流泵的进水喷嘴角度为75°、90°、105°,自旋流泵的进水喷嘴尺寸5、10、15mm,自旋流泵的水动力叶轮叶片数为10、13、16片。为了便于数据分析,将3个因素分别用A、B、C表示,杂质处理效率作为评价指标,用Y表示。各因素水平编码如表1所示,试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平

表2 试验结果

续表2

3.3 试验指标

应用软件Design Expert探究显著性因素结果与杂质处理率的关系,得出回归系数及显著性检验结果如表3所示。自旋流刷洗式地表水处理过滤器的杂质处理效率回归方程为

Y=88.14-0.16A+0.83B-1.04C+1.01AB+

0.027AC-0.16BC-2.86A2-7.40B2-7.72C2

由显著性分析可知:进水喷嘴角度对自旋流刷洗式地表水处理过滤器的杂质处理效率有显著性影响,A2、B2、C2均为极显著。模型的显著检验F=125.70,P值小于0.0001,表明回归方程的检验达到高度显著;失拟性检验F=3.55,P值为0.1261大于0.1为不显著。所以,在试验范围内模型拟合得好,可以用此模型对自旋流刷洗式地表水处理过滤器的杂质处理效率进行分析和预测。

表3 显著性检验

3.4 结果分析与参数优化

图9为各因素两两交互作用对杂质处理效率的响应曲面效果图,AB、BC、AC均为显著。

图9 各因素对杂质处理效率的影响

由图9 (a)可知:当进水喷嘴角度不变时,杂质处理效率随着进水喷嘴尺寸和水动力叶轮叶片的增加先增大后减小,其峰值为杂质处理效率的最佳值。由图9 (b)可知:当水动力叶轮叶片数不变时,杂质处理效率随着进水喷嘴角度和进水喷嘴尺寸的增大到一定值时,杂质处理效率随着进水喷嘴角度和进水喷嘴尺寸的增大渐渐减小,其值为杂质处理效率的最佳值。由图9 (c)可知:当进水喷嘴尺寸不变时,杂质处理效率随着进水喷嘴角度和水动力叶轮叶片数的增大而增大;当达到某个值时发生变化,杂质处理效率趋于下降。由图9可知:过滤器杂质处理效率是由进水喷嘴尺寸、进水喷嘴角度及水动力叶轮叶片数共同决定的,在保证杂质处理率最高时,应当综合考虑选择合理的进水喷嘴尺寸、进水喷嘴角度、水动力叶轮叶片数3个因素的值。

对优化的结果进行验证,按照预测数值进行试验,结果如表4所示。为了方便机械的加工,选取水动力叶轮叶片数为13片、进水喷嘴尺寸10mm、进水喷嘴角度100°,试验进行3次,结果取3次平均值,最后得到自旋流刷洗式地表水处理过滤器的处理效率为83.32%,与预测值相差2.19%。预测值与试验的结果相近,验证了所建模型的准确度。

表4 优化结果与实际值对比

4 结论

1)对自旋流刷洗式地表水处理过滤器的结构参数、工作原理进行了详细设计说明。对过滤器对传动系统、自旋流泵关键部件的设计进行力学分析,确定过滤器关键零部件结构。对过滤器的刷洗原理进行理论说明,确定了“水力旋流驱动+刷洗装置”的清洗方案。

2)通过使用Design-Expert,对试验数据进行响应曲面法实验数据分析,对响应值过滤器的杂质处理效率寻找最优值,得出的最佳杂质处理效率条件为:水动力叶轮叶片数13片,进水喷嘴尺寸10 mm,进水喷嘴角度100°。

3)通过自旋流刷洗式地表水处理过滤器的性能试验,找出了影响试验性能的因素,为提高过滤器性能提供了理论依据。