多级复合网式过滤器水力性能试验研究

李盛宝，袁志华，杜思琦，李 辉，韩启彪，孟卫校

·灌溉技术与装备·

多级复合网式过滤器水力性能试验研究

李盛宝1,2，袁志华2，杜思琦1，李 辉1，韩启彪1*，孟卫校3

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室/农业部节水灌溉工程重点实验室，河南 新乡 453002；2.河南农业大学 机电工程学院，郑州 450000；3.金丰（中国）机械工业有限公司，浙江 宁波 315221）

多级复合网式过滤器是将不同目数的滤网（50、80、120目）集成在同一壳体以增加其过滤效果的微灌用过滤器。【】研究该过滤器性能。开展清水试验，考察过滤器清洁压降变化；开展浑水试验，以流量和含沙量为因素，其中，流量设置18、22、26 m3/h，含沙量设置0.07、0.10、0.13 g/L，考察水头损失、流量、浊度等指标变化规律。清水试验时，过滤器清洁压降曲线符合幂函数关系，拟合系数0.999 9；浑水试验时，流量起初较稳定，约18~30 min后出现拐点而急剧下降；相对应的，过滤器水头损失则起初稳定，出现拐点后急剧增大，流量和含沙量越大，流量和水头损失变化的拐点出现越早，过滤周期越短，过滤器发生堵塞的时间越短，但发生堵塞后，浊度出现降低趋势，预示过滤效果更好。新研发的多级复合网式过滤器（壳体内径370 mm，高720 mm）水力性能变化规律与单一网式过滤器类似，而且过滤周期较长，过滤精度较高，适用于微灌系统。

微灌；网式过滤器；过滤性能；清水试验；浑水试验

0 引言

【研究意义】我国农业水资源利用率处于较低水平，发展高效便捷的灌溉技术及设备可有效提高水资源利用率。复合过滤技术由于其综合了单一过滤器的优点，如适用范围大、过滤效果好等，是微灌过滤器研究的重要方向之一，不少学者围绕复合过滤技术开展了研究。【研究进展】杨培岭等[1]提出了“砂石—筛网”一体式结构方案，并进行了数值模拟及性能试验；谢崇宝等[2]将传统的砂石过滤器和网式过滤器集合于一体，以期解决过滤系统占据空间大等问题；李正平等[3]对离心筛网一体式微灌过滤器与组合式过滤器进行了多种方案的水力性能对比试验，发现其水头损失小于组合式；王柏林等[4]将旋流与网式过滤器串联组合，通过清水试验及不同含沙量浑水试验进行了过滤效果分析；肖新棉等[5]针对研制的叠片式砂过滤器性能展开了试验研究，提出了叠片式砂过滤器的水力性能特性曲线方程和过滤水头损失经验公式。董文楚等[6]在总结国内外文献资料的基础上，给出了网式过滤器的设计原理和方法；宗全利等[7-8]研制了新型自清洗网式过滤器，对其结构进行了优化，并对滤网堵塞成因和过滤器水头损失进行了分析与计算；刘贞姬等[9]对卧式和立式网式过滤器的水头损失变化规律进行了研究，认为进口流量对水头损失的影响远大于含沙量；石凯等[10]以新型翻板网式过滤器为研究对象，重点研究进水流量和含沙量对过滤器水头损失的影响程度，也发现进水流量影响较大。

【切入点】网式过滤器由于结构简单、使用方便等优点，在农业生产实践中被广泛运用。很多学者针对不同类型过滤器组合下的水力性能及过滤效果等进行了深入研究，致力于优化结构并探讨其水力性能，分析水头损失和过滤效果的影响因素。目前研究较少涉及“网-网”复合过滤技术。【拟解决的关键问题】在此背景下，对复合网式过滤技术展开研究，设计了一种复合网式过滤器[11]，就其水力性能及过滤效果展开研究，为复合过滤技术的发展提供一定的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 多级复合网式过滤器结构

多级复合网式过滤器是基于复合过滤思想，在网式过滤器基础上改进的新型微灌过滤器，其核心部件包括多层滤网、分段式刷体和壳体等。目前该过滤器结构已授权国家发明专利（CN105999807A）和美国发明专利（US10, 232, 290B2）。开发的初代样机水力性能较好[12]。在此基础上，利用SolidWorks软件3D建模对其进行结构优化，改进后结构见图1。

注 1.支架；2.下法兰；3.下壳体；4.中间壳体；5.上壳体；6.上法兰；7.摇柄；8.进水口；9.出水口；10.第三排污口；11.第二排污口；12.第一排污口；13.第二滤筒（80目）；14.第二刷毛架；15.第一滤筒（50目）；16.第一刷毛架；17.旋转轴；18.固定螺钉；19.第三刷毛架；20.第三滤筒（120目）；21.滤筒底座

设计加工的新型多级复合网式过滤器样机包括：壳体、多级滤网、分段式刷体等。其中壳体分为上中下3部分，上下壳体采用PVC-U管，为了便于观察过滤器内部，此次样机的中间壳体采用透明的有机圆柱玻璃管制成，壳体内径370 mm。为了检验多级复合网式过滤器结构设计的合理性和复合过滤效果，此次样机设计了3层滤网，实际应用中可依据需求灵活选配滤网层数和目数。样机的3层滤网均通过精加工技术有效贴合在每层的不锈钢骨架上，滤网目数从外到内依次为50、80、120目，其中，第1滤筒（50目）内径296 mm，高720 mm，第2滤筒（80目）内径212 mm，高650 mm，第3滤筒（120目）内径136 mm，高600 mm；滤筒开口端设置有与卡槽相匹配的卡环，滤筒通过卡环旋扣在卡槽内，三级滤筒同轴心装配而成。分段式刷体由与滤筒个数、直径相匹配的刷毛框架及单面毛束等组成。分段式刷体通过螺钉与旋转轴固定，通过手摇柄或电机带动旋转轴转动，即可实现多级滤筒的清洗工作。制作加工的样机进出水口管径为50 mm，材质为PVC-U。

1.2 试验装置

试验在中国农业科学院农田灌溉研究所的水利部节水灌溉设备质量检测中心进行。试验装置由蓄水池、浑水添加装置、测试管道等组成，如图2所示。蓄水池规格为2.4 m×1.2 m×1.3 m，使用潜水泵提供试验所需压力流量；进、出水口管径为50 mm，使用涡轮流量传感器（LWGY-50）测量管道流量变化；在过滤器的进口端、出口端分别安装精密压力表（量程0.6 MPa，精度0.02级）；在进水口处和出流口处安装流量调节阀。通过调节进、出水口阀门开度来改变过滤器流量，形成所需因素水平。浑水添加装置包括真空自吸泵、搅拌器、搅拌桶等，浑水试验时，搅拌桶内按要求配置高质量浓度的原水，使用真空自吸泵抽取搅拌桶中配置好的高质量浓度原水进入蓄水池形成所需浓度的浑水，蓄水池内装有搅拌器对浑水充分混合。

注 1.水沙混合液；2. 300 L塑料桶；3.搅拌泵；4.回流管；5.阀门；6.流量计；7.测试管道；8.搅拌泵；9.阀门；10.流量计；11.压力表；12.复合网式过滤器；13.压力表；14.阀门；15.潜水泵；16.蓄水池；17.真空自吸泵

试验用泥沙取自山西引黄灌区渠道淤积泥沙，试验前对其晾晒。使用激光粒度分布仪（BT-9300HT）测定其粒径分布，结果如表1所示。

表1 泥沙粒径分布

1.3 试验设计

为研究复合网式过滤器的水力性能，设置清水和浑水试验。

清水试验中设置6个流量：16、18、20、22、24、26 m3/h。试验时，调节阀门至所需流量，待过滤器运行稳定后，记录流量计和压力表读数，每组试验重复3次，考查过滤器清洁压降曲线变化。

浑水试验时，考虑流量和含沙量2个因素。其中流量设置为18、22、26 m3/h，含沙量（蓄水池）设置0.07、0.1、0.13 g/L，真空自吸泵流量设置为0.3 m3/h；试验过程中，每隔3 min分别记录流量计、过滤器两端压力表读数，并使用浊度计（WGZ-200A）测定过滤后水样浊度值。为降低水池中泥沙沉淀带来的影响，采用在300 L塑料桶中配置高质量浓度含沙水，由真空自吸泵从桶中抽取含沙水进入蓄水池混合，保证水池中含沙量稳定。每一过流量下搅拌桶中所加泥沙质量，可由溶质溶剂关系计算。

由（1）式可得：

式中：为桶中加沙质量；为过滤流量；为含沙量；为过滤时间。

表2 搅拌桶加沙质量

2 结果与分析

2.1 清洁压降曲线

利用清水试验数据拟合得到多级复合网式过滤器的清洁压降曲线如图4所示。由图4可知，相关系数2=0.999 9，拟合程度较高。由图4可知，在过流量16 m3/h时，其水头损失为2.0 m；过流量26 m3/h时，水头损失为5.2 m。这主要是由于复合网式过滤器的三层滤网结构，导致内部孔隙率降低，导致过滤器局部水头损失增大，较单层滤网水头损失要高。一般情况下，单级网式过滤器额定流量下的水头损失在2~3 m，考虑多级复合网式过滤器结构，此过滤器样机额定流量建议以25~30 m3/h。

图3 过滤器清洁压降曲线

2.2 过流量随时间变化规律

图5给出了复合网式过滤器在浑水试验时不同因素条件下流量随时间的变化。由图5可知，过滤器在未堵塞时其过流量基本没有改变；发生堵塞后，流量会逐渐变小。滤网堵塞过程中，会发生堵塞现象，一般为靠近出水口区域，此时为介质堵塞阶段；随着过滤时间的延长，堵塞范围逐步增大，最终形成滤饼，此时小于滤网孔径的杂质颗粒也被截留下来，即发生滤饼堵塞[13]。所以过流量在发生堵塞后会逐渐减小。分析同一含沙量不同过流量发现，含沙量一定时，过流量越大，过滤器发生堵塞所用时间越短；从出现拐点到结束这一段的斜率也随过流量的增大而增大，即过流量越大，堵塞后流量下降越快。分析同一过流量不同含沙量条件下，以过流量26 m3/h为例，在不同含沙量条件下，流量变化的时间点分别为18、24、27 min。由此可知，同一过流量下，含泥沙量越高，流量降低越快，发生堵塞风险的时间随含沙量的增大而减小。

图4 不同含沙量条件下流量随时间变化

2.3 水头损失随时间变化规律

水头损失是衡量过滤器运行效果的重要指标，也是判断其是否发生堵塞的主要参数[14]。图6给出了不同过滤流量及含沙量条件下水头损失随时间变化规律。从图6可知，在未发生堵塞时，水头损失没有发生变化，与清水试验时保持一致；以含沙量0.10 g/L为例，发生变化的时间拐点分别为20、25、28 min，即认为此时间点为过滤器开始堵塞时间，而后水头损失突增，分析认为筛网过滤器依靠滤网的二维表面拦截杂质，其过滤性能由滤网有效过滤面积决定，当杂质过多的集聚在滤网表面时，有效过滤面积减小，流过滤网的水流随之减小，故水头损失随之增大。

由清洁压降曲线及水头损失出现拐点时间，可以以水头损失达到8 m为过滤周期，即达到8 m时，需进行反冲洗。含沙量为0.07 g/L时，过滤周期分别为27、33、37 min；含沙量为0.1 g /L时，过滤周期分别为23、27、33 min；含沙量为0.13 g/L时，过滤周期分别为18、22、28 min。

图5 不同含沙量条件下水头损失随时间变化

2.4 浊度随时间变化规律

图7给出了不同含沙量及过流量条件下浊度随时间变化规律。对比同一流量下不同含沙量在过滤初期的初始浊度值大小，发现随含沙量的增大，其初始浊度值也增大，浊度与水中含沙量成正相关关系。在不同含沙量试验下，3个过滤流量条件下的浊度变化均表现为：在浑水试验初期，即样机未发生堵塞现象时，浊度值在一定范围内小幅度波动，整体比较平缓，但在过滤器开始堵塞的时间节点后，滤后水浊度值有明显的下降趋势，分析认为这是由于堵塞过程中有介质堵塞和滤饼堵塞2个过程，在介质堵塞阶段，滤网是过滤主体，粒径大于滤网孔径的颗粒被截留，小的颗粒则顺利通过滤网，所以浊度基本稳定，而发生滤饼堵塞后，局部区域粒径小于滤网孔径的杂质也可能因为滤饼的截留作用亦不能通过滤孔，滤饼越厚，这种现象越突出，这就导致了滤后水中颗粒减少，即浊度减小。对比3个过滤流量下浊度值出现拐点后曲线的近似斜率值，发现过滤流量越大，浊度值变化越快，与水头损失值、过流量值变化规律相似。

图6 不同含沙量条件下滤后水浊度随时间变化

3 讨论

过滤器是滴灌系统中不可或缺的设备，其性能优劣直接关系到整个系统的正常运行[15-16]。本文针对研发的新型复合网式过滤器样机展开了不同流量不同含沙量条件下的性能试验。

复合网式过滤器的清洁压降曲线符合幂函数关系，这与目前的网式过滤器相似，具有一致性[17]。过滤器的水头损失主要为局部水头损失，由壳体和滤网等带来，由于复合网式过滤器滤网仍为传统结构，故而仍可用幂函数描述，相比之下，较单层滤网[18]水头损失会稍大，但相比于多个过滤器组合，由于没有了连接件，其水头损失会更小，更具经济性。过滤器过滤性能优劣可由水头损失、过滤周期、滤后水浊度等指标进行评价[19]。研发的多级复合网式过滤器在3个流量3个含沙量因素水平下，含沙量一定时，随着流量的增大，水头损失陡增的时间越短；流量一定时，随着含沙量的增大，水头损失变化越快，过滤周期随流量、含沙量的增大而减小。流量在开始的一段时间里未发生改变，是由于在此期间处于局部堵塞阶段，随着时间增加，滤网逐渐堵塞，故流量变化会出现突变现象；水头损失在开始一段时间里同样未发生变化，随后发生突变，是由于过滤器内部逐渐堵塞导致，此时为滤饼堵塞阶段；滤后水浊度总体趋势为先小幅度变化，到过滤周期后会急剧减小，是由于此时过滤器堵塞，形成滤饼，小于滤网孔径的杂质也被截留，故导致浊度降低。骆秀萍等[19]在探究微灌自清洗网式过滤器过滤性能时发现，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。含沙量一定时，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，随含沙量的增大，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。其结论与本文中所得的结论具有一致性，即结论对于网式过滤器具有普遍性。

4 结论

1）复合网式过滤器的清洁压降曲线仍为幂函数关系，样机试验显示，在流量26 m3/h时，水头损失仅5.2 m。

2）当复合网式过滤器过滤浑水时，含沙量一定情况下，随着流量的增大，水头损失陡增的时间越短，过滤周期越短；流量一定的情况下，随着含沙量的增大，水头损失变化越快，过滤周期越短；在水头损失等开始急剧变化，出现拐点后，浊度开始变小，过滤效果更好。

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Experimental Study on the Hydraulic Performance of a Multi-stage Composite Mesh Filter

LI Shengbao1,2, YUAN Zhihua2, DU Siqi1, LI Hui1, HAN Qibiao1*, MENG Weixiao3

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Water Saving Agriculture of Henan Province/Key Laboratory of Water Saving Irrigation Project of Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, China;2. Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China;3. Jinfeng (China) Machinery Industry, Ningbo 315221, China)

【】The multi-stage composite mesh filter is a new micro-irrigation filter we developed recently by integrating the meshes of 50, 80 and 120 in the same casting aimed to increase the filtering efficacy. The purpose of this paper is to present the results of an experimental study on its hydraulic performance.【】The experiment consisted of two parts. The first one used clean water in which we measured the water pressure drop across the filter. The second one was used muddy water to elucidate the combined impact of water flow rate and sediment content on hydraulic performance of the filter. We compared three flow rates: 18, 22 and 26 m3/h, combined with three sediment contents: 0.07, 0.10 and 0.13 g/L. In each treatment, we measured water pressure loss, change in flow rate, as well as turbidity of the water at the exit of the filter.【】Pressure drop of the clean water across the filter increased with water flow rate in a power-law with a R2of 0.999 9. In the muddy water test, the flow rate was initially stable with the inflection point appearing about 18min-30min after inception of the experiment, after which it dropped sharply. Associated with such a flow rate change, the pressure loss across the filter was also stable at beginning, followed by a steady increase after the inflection point. It was found that the higher the flow rate and/or the sediment content was, the earlier the inflection point appeared for both flow rate and pressure loss, and that the clogging time was positively correlated to the duration of the filtration cycle. However, after the clogging, the turbidity of the effluent decreased, indicating an improved filtration effect.【】The new multi-stage composite mesh filter we developed has a similar hydraulic performance as the single mesh filter, and it prolonged the filtration cycle thereby improving the filtration efficacy. It thus suits micro-irrigation systems.

micro irrigation; mesh filter; filtering efficacy; clean water test; muddy water test

S275.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020021

1672 - 3317（2021）03 - 0110 - 06

李盛宝, 袁志华, 杜思琦, 等. 多级复合网式过滤器水力性能试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(3): 110-115.

LI Shengbao, YUAN Zhihua, DU Siqi, et al. Experimental Study on the Hydraulic Performance of a Multi-stage Composite Mesh Filter[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(3): 110-115.

2020-01-15

“十三五”国家重点研发计划项目（2016YFC400202）；中国农业科学院科技创新工程团队项目；中央级科研院所基本科研业务费专项资助项目（FIRI2019-01-01）

李盛宝（1992-），男。硕士研究生，主要从事节水灌溉设备研究。E-mail: 78711159@qq.com

韩启彪（1984-），男。副研究员，主要从事节水灌溉技术与设备研究。E-mail: hanbiaoedu@126.com

责任编辑：白芳芳