射流清洗对微灌过滤器滤网清洗效果及损伤研究

李诗莹, 叶含春*,王振华,刘宁宁,张金珠,李淼

(1. 石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000;2. 现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000;3. 兵团工业技术研究院,新疆 石河子 832000)

目前,微灌是先进的节水灌溉技术之一.随着世界对水资源保护及高效利用的重视,微灌技术将是农业灌溉发展的主要方向[1-2].大部分农田灌溉采用地表水或河渠水,灌溉水源中含有大量的泥沙、有机物等极易造成滤网堵塞.同时,微灌大多采用水肥一体的灌溉模式,肥料多呈碱性,易在滤网表面形成水垢,降低有效过滤面积.微灌过滤器是保证整个灌溉系统正常运行的核心设备,其过滤效果、使用寿命是整个灌溉系统运行的重要保障,因此及时清洗滤网十分必要[3].

传统微灌过滤器的清洗方式有吸污式、刷式、刮刀式等.宗全利等[4]提出一种水力旋喷自动吸附过滤器,利用吸污组件的强劲吸力和高速水流进行自清洗,应用效果良好.雷建花等[5]提出一种水力驱动自清洗过滤器,将传统吸污嘴平行旋转扫描改为垂直螺旋扫描,增大其自清洗排污能力.李盛宝等[6]提出一种微灌多级复合网式过滤器,通过将不同过滤精度的滤网集中在同一壳体内有效提高过滤器的过滤能力,但存在自清洗困难等问题.刘建华等[7]提出一种新型刮刀式自清洗过滤器,提高清洗强度,改善滤网表面杂质清除不彻底等问题.以上研究为微灌自清洗过滤器的发展奠定了良好的基础.但从现有研究看,自清洗过滤器在清洗方式上仍存在较多不足.传统刷式、刮刀式清洗在工作时刷体、刮刀与滤网不断摩擦,极易造成滤网表面损伤,影响过滤器的使用寿命.若仅依靠滤网内外压差产生的吸力或反冲洗水流的冲力,很难将黏附在滤网表面的杂质彻底清除.可见针对微灌自清洗过滤器的研究不仅要解决如何实现杂质的自动清除,更重要的是采用何种高效的清洗方式.

射流清洗作为一项迅速发展的新型清洗技术,因其具有控制简单、成本低、效率高和不易损伤被清洗物体等特点,被广泛应用于清洗各种工业设备领域中[8].朱华清等[9]提出了一种将射流清洗技术应用在自来水管道内壁清洗的新型设备,清洗效果良好,具有较大的推广价值.陈光明等[10]将射流清洗技术与机器人相结合,开发船体爬壁清洗机器人并予以应用.张宏等[11]设计了一种应用在煤矿领域的射流式高水基反冲洗过滤器,通过仿真确定最佳射流参数,其清洗效果得到显著提升.HUANG等[12]将脉冲射流清洗技术应用在工业烧结塑料过滤器的清洗中,为工业除尘技术提供了理论支持和应用基础.

上述研究表明,射流清洗技术因其具备优良的清洗性能在工业机械设备清洗领域中被广泛应用.射流清洗技术应用于农业微灌网式过滤器的自清洗工作时,虽然具有良好的清洗效果,但较高的入射压力会产生大的冲击力,对基体造成损伤,影响设备的使用寿命.因此,文中以微灌自清洗网式过滤器的滤网为研究对象,通过试验分析射流参数对滤网堵塞泥沙的清洗效果及滤网表面损伤程度的影响规律,确定将射流清洗技术应用在农业微灌过滤器自清洗工作中的最佳射流参数.

1 清洗效果的影响因素分析

图1为微灌过滤器示意图.

图1 过滤器示意图

过滤器工作原理:过滤时,进水口打开、清洗口与排污口关闭,水源由进水口流入通过滤网后从出水口流出,杂质被拦截在滤网表面,当滤网内外压差达到预设压力值时开始自清洗工作.自清洗排污时,进水口关闭,过滤器腔体内无进水水流,清洗口与排污口打开,清洗水流通过扇形喷嘴喷射到滤网表面进行自清洗,同时电动机带动滤网匀速旋转,清洗后的水流从排污口排出.

理论分析与试验均表明[13],射流清洗技术的清洗效果以及对基体的损伤程度均与射流冲击角度、靶距、射流流量、入射压力、喷嘴口径、喷嘴扩散角度等参数相关,其中:射流冲击角度越小,射流打击能力愈强,故采用垂直入射时清洗效果最好;靶距决定着射流技术的应用场景,通常射流的初始段用于切割,基本段用于清洗,故靶距采用射流基本段;射流流量易受喷嘴口径和入射压力的影响.因此,文中选取入射压力p、喷嘴口径d和喷嘴扩散角α等3个独立变量作为关键参数,如图2所示.

图2 工况参数图示

2 试验材料与方法

图3为采用的过滤试验装置、射流清洗试验装置示意图,其中过滤试验装置的蓄水池、浑水泵通过直径25 mm的PE管与滤网连接,管路上设置有阀门、压力表.射流清洗试验装置的蓄水池、清水泵通过直径25 mm的PE管与304不锈钢扇形喷嘴连接,管路上设置有调压阀、压力表,喷嘴下端设置有打击平台.

图3 试验装置示意图

试验所需配套设备如表1所示.

表1 试验配套设备

2.1 试验设计

试验对象为微灌网式过滤器的滤网,采用304B不锈钢扇形喷嘴.结合过滤器的整体结构及喷嘴的选型,综合确定靶距水平取值为25 mm.结合设备的运行参数及杂质类型,试验采用三因素四水平正交设计,如表2所示.

表2 正交试验设计

采用单因素控制变量法研究各射流参数对滤网的清洗效果及基体损伤程度的影响规律,并通过方差分析、相关性分析以及TOPSIS综合评价方法[14-15]确定既能够保证具有良好清洗效果又不会对滤网表面产生较大损伤的射流工况参数.

2.2 试验步骤

首先对滤网进行称重,利用表面粗糙度测量仪分别测定每个滤网的表面粗糙度Ra,随机选取20个点进行测试,取平均值作为试验前状态.然后对滤网进行过滤试验,将滤网放置在同尺寸的壳体中并连接到过滤试验装置中进行过滤.含沙水源由人工配制,根据新疆北疆地区灌溉水源特点[16],确定泥沙质量浓度为0.336 g/L.在进口流量5 m3/h下持续过滤50 min,过滤结束将滤网取出对其烘干称重.将称重后的滤网进行射流清洗试验,清洗过程持续60 s,清洗结束后对滤网再次烘干称重并计算清洗效率.最后使用表面粗糙度测量仪再次测量每个滤网表面粗糙度,随机选定20个点进行测定,取平均值记录为试验后状态.

3 试验结果分析与讨论

3.1 清洗效果及基体损伤表征参数确定

射流的清洗效果采用滤网清洗效率η表达[16],计算公式为

(1)

式中:m1为过滤结束后滤网及表面拦截泥沙经过烘干称重后的质量;m2为射流清洗结束后滤网及表面剩余泥沙再次烘干称重后的质量;mn为滤网质量.

试验中滤网的材质为304B不锈钢,表面粗糙度Ra属于微观几何形状误差,粗糙度越小代表物体表面越光滑.在射流清洗过程中,带有压力的清洗水流冲击滤网会使滤网表面产生损伤,同时高速的清洗水流冲洗泥沙时泥沙颗粒的滚动碰撞也会造成滤网表面受损,故采用粗糙度增量表征滤网基体损伤程度.粗糙度增大表明滤网表面受损,粗糙度增量越大表示滤网表面微观形貌变化越大,滤网表面损伤程度越高[17].

3.2 入射压力对清洗效果及表面损伤程度的影响

在喷嘴口径1～4 mm、喷嘴扩散角25°～80°时,滤网清洗效率与粗糙度增量的变化趋势一致,即随着入射压力的增大,均逐渐上升,但其增长率逐渐下降.以喷嘴口径3 mm、喷嘴扩散角80°时为例,入射压力每增大0.1 MPa对滤网清洗效率及表面粗糙度的影响如图4所示.

图4 不同入射压力对清洗效果及滤网表面损伤程度的影响

由图4可以看出:当入射压力从0.1 MPa增大至0.2 MPa时,清洗效率的增长率为22.4%,从0.3 MPa增大至0.4 MPa时,增长率仅为1.7%;当入射压力从0.1 MPa增大至0.2 MPa时,粗糙度增量的增长率为57.5%,从0.3 MPa增大至0.4 MPa时的增长率仅为15.8%.

由理论分析和现场试验可知,随着入射压力的增大,射流打击压力增大,平均打击压强提高,杂质受到的冲刷能力增强,因此清洗效果及滤网表面损伤程度呈逐渐提升的趋势,但提升幅度却不断减小,这与窦艳涛等[18]的研究结果一致.

3.3 喷嘴口径对清洗效果及表面损伤程度的影响

随着喷嘴口径的增大,在入射压力0.1～0.4 MPa、喷嘴扩散角25°～80°时,滤网清洗效率与粗糙度增量的变化趋势一致,均呈逐渐上升趋势,但增长率逐渐下降.以入射压力0.3 MPa、喷嘴扩散角80°为例,喷嘴口径每增大1 mm时对滤网清洗效率及表面粗糙度的影响如图5所示.

图5 不同喷嘴口径对清洗效果及滤网表面损伤程度的影响

由图5可以看出:当喷嘴口径从1 mm增大至2 mm时,清洗效率及粗糙度增量的增长率分别为81.6%和252.8%;当喷嘴口径从3 mm增大至4 mm时,清洗效率及粗糙度增量的增长率减小,分别为3.2%和44.0%.

从试验结果可知,随着喷嘴口径增大,清洗效果逐渐提高,滤网表面损伤程度不断增强,其增幅逐渐降低.与入射压力相比,喷嘴口径对滤网清洗效率和表面粗糙度的影响程度更大,这是因为射流打击能力对喷嘴口径的变化比对入射压力的变化更加敏感,这与陈玉凡[19]、于兰英等[20]的研究结果一致.随着喷嘴口径增大,喷嘴的出口流量增大,对滤网的冲击能量提高,水流产生的冲刷能力增强,对黏附在滤网上泥沙等杂质的裹挟能力提高,从而使清洗效率提高,但更容易导致滤网表面损伤,运行产生的耗水量及设备所需的功率也相应增大.

3.4 喷嘴扩散角对清洗效果及表面损伤程度的影响

随着喷嘴扩散角的增大,在喷嘴口径1～4 mm、入射压力0.1～0.4 MPa时清洗效率均缓慢增大,粗糙度增量均表现出逐渐减小的趋势.以喷嘴口径3 mm、入射压力0.3 MPa为例,不同喷嘴扩散角对滤网清洗效率及表面粗糙度的影响如图6所示.

图6 不同喷嘴扩散角度对清洗效果及滤网表面损伤程度的影响

由图6可以看出:随着喷嘴扩散角的不断增大,清洗效率变化相对稳定总变化量未超过5%,当扩散角从25°增大至40°时,清洗效率的增长率为4.2%;当扩散角从65°增大至80°时,清洗效率的增长率仅为2.6%;粗糙度增量的变化相对明显,当扩散角从25°增大至40°时,粗糙度增量的降低率为46.6%;当扩散角从65°增大至80°时,粗糙度增量的降低率最小为24.4%.

产生上述现象的原因是,随着喷嘴扩散角的逐渐增大,滤网有效清洗面积不断增大,清洗水流与滤网表面杂质的接触面积增大,清洗效果提高.由射流原理可知,喷嘴出口的能量最为集中,打击能力最高,但随着扩散角的增大,射流的集束增压效果逐渐减弱、射流打击能力降低,从而导致清洗效率增幅放缓,滤网表面损伤程度不断减小[19].合适的扩散角可在增大清洗面积并提高清洗效果的同时降低对滤网表面的损伤.

3.5 射流参数的优化

应用Origin软件对全试验数据(见图7)进行相关性分析可知,喷嘴口径与清洗效率及粗糙度增量的相关性最高,入射压力次之,扩散角度与粗糙度增量呈负相关关系,且与清洗效率的相关性最低(见图8,图中γ为相关系数).

图7 全试验数据

图8 相关性分析

通过方差分析(见表3)可知,入射压力、喷嘴口径及喷嘴扩散角度对滤网清洗效率和表面粗糙度均有统计学意义(P<0.01);入射压力、喷嘴口径对清洗效率的影响较大,喷嘴扩散角度对清洗效率的影响相对较小,从大到小依次为喷嘴口径、入射压力、喷嘴扩散角;喷嘴口径及喷嘴扩散角度对滤网表面粗糙度的影响较大,入射压力对滤网表面粗糙度的影响较小,从大到小依次为喷嘴口径、喷嘴扩散角度、入射压力.这与相关性分析结果一致.根据影响程度可知,在选择微灌过滤器的清洗参数时,应优先选取适宜的喷嘴口径,同时应考虑过大的喷嘴口径容易造成设备能耗及运行成本增加等问题.

表3 方差分析(F值检验)

通过TOPSIS综合评价分析(见表4)可知,综合得分排序第一的处理为59(p3d3α4)(即射流参数分别为入射压力0.3 MPa,喷嘴口径3 mm,喷嘴扩散角80°),排序第二的处理为60(p4d3α4)(即射流参数分别为入射压力0.4 MPa,喷嘴口径3 mm,喷嘴扩散角度80°),效果最差的为处理1(p1d1α1)(即射流参数分别为入射压力0.1 MPa,喷嘴口径1 mm,喷嘴扩散角25°).

表4 TOPSIS综合评价分析

4 结 论

利用射流清洗技术开展对农业微灌网式过滤器的清洗试验研究,对比了不同射流清洗参数对滤网清洗效果及表面粗糙度的影响规律,得到结论如下:

1) 单因素试验结果表明,射流清洗过程中清洗效果和滤网表面损伤程度均随入射压力、喷嘴口径的增大而提升,其提升幅度不断降低,随着喷嘴扩散角的增大清洗效果提升缓慢,滤网表面损伤程度逐渐降低.

2) 通过方差分析可知,喷嘴口径对清洗效果及滤网表面损伤程度均有较大的影响,入射压力及喷嘴扩散角次之.在选取微灌过滤器的清洗参数时应优先考虑喷嘴口径,为提高清洗效果可适当增大入射压力,为减小滤网表面损伤可适当增大喷嘴扩散角.

3) 以清洗效果及表面损伤程度为优化指标通过TOPSIS综合评价得到的最优射流参数组合为入射压力0.3 MPa,喷嘴口径3 mm,喷嘴扩散角80°.