水力驱动滚筒式过滤装置改进后的性能探究

李琦　王嘉阳　杨文新　闫成　杨县委　张瑞涵

摘要：为了探究水力驱动滚筒式过滤装置在优化后，滚筒转速、过滤效率、试验现象的变化，分别进行了滚筒静止、转动试验。结果显示，清水试验时，滚筒转速有明显的提升;浑水试验时，装置的过滤效率趋于稳定且有所提升;通过对试验过程的观察，减少了泥沙在滚筒头部的流失，发现滚筒转动时泥沙随滚筒在其中后部运移而后沉积，增加了泥沙与滤网的接触面积。分析认为，在装置驱动方式改进后，水流驱动滚筒转速更加稳定，进而使转速、过滤效率均提升。

关键词：过滤效率;滚筒转速;流量;含沙量;驱动方式优化

Research on the Performance of Improved Hydraulic Driven Drum Filter

LI Qi1 WANG Jiayang1 YANG Wenxin3* YAN Cheng1 YANG Xianwei1

ZHANG Ruihan2

（1.2.3.College of Water Conservancy and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang， 830000 China）

Abstract： In order to explore the changes of drum speed， filtration efficiency and test phenomenon after the optimization of hydraulic driven drum filter device， the static and rotating tests of drum were carried out respectively. The results show that the rotation speed of the drum is obviously improved in the clean water test; the filtration efficiency of the device tends to be stable and improved in the muddy water test; through the observation of the test process， the loss of sediment in the head of the drum is reduced， and it is found that the sediment moves with the drum in the back and then deposits， increasing the contact area between the sediment and the filter screen. The analysis shows that after the improvement of the driving mode of the device， the rotation speed of the water flow driving drum is more stable， and the rotation speed and filtration efficiency are improved.

Key Words： Filtration efficiency; Drum speed; Flow rate; Sediment concentration; Optimization of driving mode

1 研究背景

水資源短缺问题日益严重，中国的国土面积中干旱和半干旱地区占绝大多数，成为世界上最缺水的国家其中之一，因此，我国未来水资源的形势是严峻的^[1，2]，水资源的短缺直接影响了我国农业的发展。在新疆地区，作物大量需水的生育期正是河流的汛期，80%以上的灌溉水源为地表水，主要来自于高山冰川雪水，部分来自于地下水，而地表水具有含沙量高和泥沙粒径大的特点，作为微灌灌水源会造成作物减产，严重的会造成整个微灌系统瘫痪 ^[3，4]。目前新疆大致有 1.5 万套微灌系统，首部过滤多采用多个网式过滤器并联，而堵塞问题严重威胁着过滤器的正常工作^[5]。新疆地区灌溉水源多为地表水，含有不同程度的污物及杂质，容易造成灌水器的堵塞^[6]。因此，处理灌溉用水中的泥沙对滴灌尤为重要。常用的过滤装置^[7]主要包括离心过滤器、叠片式过滤器、砂石过滤器和网式过滤器等^[8]，其中网式过滤器由于结构简单、能自动清洗等优点应用广泛。不同网式过滤器过滤原理大同小异，大都是设置滤网拦截污物。而清洗的原理却有较大差异，有刷式、吸污式^[9]、反冲洗式、直冲洗式等，且清洗过程较过滤过程更为复杂^[10]。课题组所研究的水力驱动滚筒式过滤装置十分节能环保，适合广大农户使用。采用理论研究及模型试验、原型观测的方法充分认识过滤器的过滤机理、运行特性，对优化过滤器结构、提高过滤器的过滤效率，都具有十分重要的意义^[11]，经过试验探究发现，水力驱动滚筒式过滤装置虽满足节能环保要求，但过滤效率仍有待提升，装置本身也存在一些问题。因此，本文提出对水力驱动滚筒式过滤装置进行优化，改进装置本身的不足，过滤效率也有了很大的改观，为后续过滤器的研究进行指导。

2 材料与方法

2.1试验装置及工作原理

试验装置由蓄水池、浑水池、清水池三部分组成。蓄水池用来储存过滤后的水，其材料为有机玻璃，清水池内的水由水泵抽取冲击滚筒外部的叶片。滚筒由过滤筒体、滤网、叶片、转轴构成。试验装置工作原理：试验开始前先在清水池中蓄满清水，浑水池中先蓄满清水和泥沙。蓄水池中蓄入约三分之一的水，试验开始后从清水池中抽水冲击筒壁外壁的叶片使滚筒转动，同时从浑水池中抽取浑水进入滚筒，再从蓄水池中抽取经过滤网过滤后的水进入清水池，从而整个装置形成一个循环系统。图1为试验循环示意图。改进后的水力驱动滚筒式过滤装置由水流冲击滚筒内部的叶片改进为冲击滚筒外部的叶片，从而驱使滚筒转动;通沙时，浑水通过进水管直接进入滚筒内部，避免了泥沙在滚筒头部的流失。装置的相关参数如下：搅水泵1台（功率70w），浑水泵1台（功率125w），清水泵1台（功率85w）;滤网为120目的不锈钢滤网;长10cm、宽2.5cm的矩形叶片;滚筒直径为21cm，（长为51.5cm）。

2.2试验方法

试验分为清水试验和浑水试验。清水试验是为了探究装置改进后滚筒转速的变化;浑水试验分为滚筒转动和静止试验。探究在设定的流量、含沙量下装置在改进后的转速和过滤效率，并与改进前的装置进行对比。

试验设定了3组流量：1.2m³/h、2.4m³/h、3.5m³/h;3组含沙量：0.5kg/m³、0.8kg/m³、1.2kg/m³，在滚筒转动情况下，清水试验时分别测定3个流量下滚筒的转速，浑水试验时控制流量，测定3个含沙量下滚筒的转速;在试验进行的20s、40s、60s、2min、4min、9min、15min时取过滤后的水，计算装置在3组流量、含沙量下的过滤效率。在滚筒静止时，在7个时间段时分别取过滤后的水，计算3组含沙量下装置的过滤效率。

2.3试验材料

本 试验中滤网大小为120目。泥沙颗粒大小是影响筛网过滤器堵塞特性的主要因素^[12]，本试验泥沙经过初步粗筛，粒径小于0.5mm的沙子占比100%，而粒径小于0.075mm的沙子占比2.78%。图2为泥沙粒径级配图。

图2 泥沙粒径级配图

本次试驗在新疆农业大学水利与土木工程学院农水实验室进行，试验所用的主要仪器有最大称量2kg分度值0.01g电子天平1台、500mL的锥形瓶10个、500ml的烧杯2个、1000ml的量杯10个。

3结果与讨论

3.1 清水条件下滚筒转速对比

清水试验测定流量为1.2、2.4、3.5m³/h下滚筒的转速大小。表1为不同流量下装置改进前后的转速对比。新的装置将滚筒内部的叶片改为在滚筒外部，水流直接从外部冲击驱使其转动，且水不再在滚筒头部积蓄，阻力小，装置改进后的冲刷水管位置变高，增加了水的重力势能，故滚筒的转速较之前有很大提升，如表1所示。

3.2 浑水条件下滚筒转速对比

试验控制流量分别在1.2、2.4、3.5m³/h下，测定含沙量为0.5、0.8、1.2kg/m³时装置在不同时刻下的转速大小，取10～11min的转速，如表2所示。而改进前的装置在试验进行8min后基本停止转动，故探究其在4～5min时的转速大小，和改进后的装置进行比较。与清水条件的情况一样，水不再在滚筒头部积蓄，且由于重力作用使叶片受水流的冲击力更强;其次浑水通过进水管直接进入滚筒内部，避免了泥沙在滚筒头部的聚集从而减少对滚筒的转动影响。

3.3 改进后装置在静止时的过滤效率分析

图3所示为通过研究分析得出来的装置在不同含沙量，不同时刻下的过滤效率。在含沙量为0.8kg/m³时，20s时刻时装置的过滤效率仅为39.623%，但在相同含沙量下，15min时装置的过滤效率达到100%，过滤效率很不稳定，由此可以看出“滚筒转动”对于装置过滤性能的重要性，因此本次试验重点研究装置转动时的过滤性能。由图3分析可得，装置在静止时由于滚筒未转动，即使减少了滚筒头部的水沙流失、改进了装置的驱动方式，过滤效率依旧波动幅度较大。

3.4 改进后装置在转动时的过滤效率分析

图4所示为装置在流量为1.2、2.4、3.5m³/h时，在含沙量为0.5、0.8、1.1kg/m³下装置的过滤效率。在小流量（流量1.2、2.4m³/h）情况下，优化后的装置过滤效率仍存在不稳定现象，但由于转速的提升在过滤时很大程度上减少了因装置停止转动对其过滤效率产生的影响，其过滤效率相对于装置优化前更加稳定;在大流量（流量为3.5m³/h）情况下，不同含沙量对应不同时刻下的过滤效率更加稳定，整体过滤效率有所提升;在大含沙量下过滤效率的优化尤为明显，过滤效率趋于稳定，且当流量为3.5m³/h，含沙量为1.2kg/m³时，在40s，60s，2min，4min，9min，15min不同时刻下，过滤效率可稳定在98%左右，相较于优化前的装置，过滤效率有了明显的改善。

3.5 试验现象对比分析

（1）装置驱动方式改进前，当流量为3.5m³/h、含沙量为1.2kg/m³时，拍摄试验结束时滚筒内部的现象，如图5所示。从图中发现，泥沙在滚筒的头部和中部居多，尾部较少。分析认为，在装置优化之前，驱动方式是进水管直接击打叶片，从而使泥沙进入滚筒的同时，滚筒也开始转动。由于在通沙时，泥沙和叶片有一定的冲击力，所以一部分泥沙流失到滚筒外，一部分在滚筒头部聚集，还有一部分随着滚筒的转动在中后部运移，直到滚筒停止转动。

（2）装置驱动方式改进后，与改进前的试验条件相同的情况下，即当流量为3.5m³/h、含沙量为1.2kg/m³時，拍摄试验结束时滚筒内部的现象，如图6所示。从图中发现，泥沙均匀分布在滚筒的前、中、后部分，而非在滚筒头部聚集，分析认为，装置优化之后，驱动方式为水流从外部冲击叶片（叶片安装在滚筒头部外侧），进水管通入滚筒内部，使泥沙直接进入滚筒内，减少了叶片对水流的阻碍。由于避免了泥沙在滚筒头部的流失，故泥沙与滤网的接触面积增大，使其过滤更加充分。

4 结论

（1）驱动方式改变后，泥沙在滚筒的前、中、后部随着滚筒的转动而转动，与滤网的接触更充分，且泥沙不在滚筒头部流失、聚集。

（2）驱动方式改变后，转速得到了明显的提升，避免了因转速过低导致过滤效率不稳定的结果。

（3）在设定的条件下，过滤效率随着含沙量和流量的增大而增大并且变得稳定。

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