自清洗过滤器排污系统的水力计算

郑铁刚,刘焕芳,刘 飞,宗全利

(1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆石河子 832003;2.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

我国水资源十分短缺,人均水资源占有量只有2200m3,仅为世界平均水平的1/4。我国也是农业大国,而农业是用水大户,用水量约占全国用水总量的70%,在新疆等西北地区占90%左右[1]。随着农业用水总量越来越受到控制,加速发展农业节水势在必行。根据我国节水灌溉“十一五”发展计划及2015年发展规划,到2015年底全国微灌面积将达到1066.45万hm2,占全国总灌溉面积的19.5%,绝对面积名列世界第一[2]。在今后较长一段时期内,我国微灌面积的比例无疑将会逐年增加,这就要求与其相关的一些微灌配套设施必须加快研究,以适应我国微灌事业的快速发展,微灌用过滤器作为保证整个微灌系统正常运行的核心过滤设备,无疑将会成为今后研究的热点。从国内过滤设备可靠性不高、密封性差和自动化控制程度低的角度分析并结合国内外研究现状可以看出,具有自清洗功能的过滤设备是今后主要的研究方向[3-4]。

自清洗过滤器是一种将液体中颗粒在一定条件下自过滤清除的分离过滤装置,与传统过滤器相比具有自动化程度高、压力损失小、不必进行人工清除滤渣等特点,并且多数自清洗过滤器在清洗时可以不间断供水。尽管目前国内市场上已经出现了多种自清洗过滤器,但自清洗过滤器的很多关键技术和设备还需要进行深入研究。例如在清洗方式上如果仅靠水力冲洗,而没有其他作用力,很难将卡在滤网上的杂质去除。笔者曾对微灌用各种网式过滤器进行过调查,发现使用过的滤网即使经常清洗还是会存在不同程度的污物粘附在滤网表面的现象,严重影响过滤器的使用效率,因此需要对自清洗过滤器的清洗方式进行改进。自吸自动网式过滤器是一种新型过滤器,其最主要的特点是排污过程中在水力冲洗的基础上增加了排污装置的吸附力,从而可以大幅度提高清洗效率。

1 自吸自动网式过滤器的结构及工作原理

1.1 结构

根据水力学及过滤水力学设计的自吸自动网式过滤器由过滤器筒体、过滤芯、自动控制装置、排污装置等零部件组成,如图1所示。过滤器筒体内设有1个用粗过滤芯构成的1级过滤室和1个用细过滤芯构成的2级过滤室,2级过滤室中装有排污装置,通过自动控制系统保证自吸自动网式过滤器的正常运转。

图1 自吸自动网式过滤器结构示意图

1.2 工作原理

自吸自动网式过滤器的粗过滤阶段实现大颗粒、长絮状杂质等的过滤,其精度不是很高,且排污清洗等手段简单,对整个过滤器生产工艺的影响不是很大,所以这里不对其进行深层次的研究。自吸自动网式过滤器的主要过滤功能体现在细过滤阶段,滤网内嵌在滤网支撑上,滤饼形成于过滤器的内部。过滤器清洗装置以压差作为控制参数,即用细滤网在安全过滤下产生的计算压差作为控制预设值,当压差接近预设值时,输出自清洗信号,从而实现自清洗。

2 自吸自动网式过滤器排污系统水力参数计算分析

自吸自动网式过滤器的排污装置如图1(b)所示,由吸沙组件和排沙管密封连接组成,沿吸沙管轴向共分成等长的4段,每段均有1个吸沙组件控制该段滤网内沙的整体扫描。吸沙组件扫描过后,含沙水体由吸沙组件进入排沙管,在负压作用下水流沿吸沙管上升,当水流到达顶部水力旋喷管处时,水力旋喷管将液能转化为机械动能提供旋转动力,带动排沙管及吸沙组件旋转运动,吸沙组件的旋转运动将对整个滤网内表面进行整体扫描吸附,确保整个网面泥沙的排出。对于排污装置而言,保证冲净率为最终目的,而吸沙组件开口处吸附力的大小是冲净率最主要的影响因素。因此要提高排污装置的工作性能首先要对吸沙组件开口处的吸附力进行研究。

取4个吸沙组件中的任意1个为研究对象,吸沙组件开口外处为1—1断面,吸沙组件开口内处为2—2断面,并取1—1断面所代表的开口中心为0—0基准参考面(图2),列能量方程有:

式中:z1为1—1断面相对位置高度,m,取为零;z2为2—2断面相对位置高度,m,取为零;p1为1—1断面处压强,Pa;p2为2—2断面处压强,Pa;ρ为水的密度;v1为1—1断面处的平均水流流速,m/s;v2为2—2断面处的平均水流流速,m/s;α1,α2为修正系数,均取 1.0;hw1-2为1—1断面与 2—2断面之间的水头损失,m,忽略不计。

图2 吸沙组件计算示意图

设排污需水量为Qp,则由液体连续性方程可得研究对象处的流量为Qp/4。由于1—1断面处平均水流流速较小,可以将v1近似取为零;2—2断面处的平均水流流速 v2=Qp/(4Ax)。将以上数据代入式(1)可得

整理得

式中:Ax为吸沙组件开口断面面积,m2。

由于吸附力由吸口处的内外压强差产生,因此可知产生的吸附力为

由式(4)可以看出,吸沙组件开口处的吸附力大小主要与排污需水量和吸沙组件开口断面面积有关。由排污装置的驱动原理可知,排污需水量与驱动力大小密切相关。

由动量矩方程可知:式中:T为动量矩;v1t为进水水流的绝对速度u1在牵连速度uq方向的分量;v2t为出水水流的绝对速度u2在牵连速度 uq方向的分量;r1为进水水流旋转半径;r2为出水水流旋转半径。

对于水力旋喷管(图3),由于为水力驱动,无外力矩作用,因此T=0,又知水流沿z轴方向流入,故在xOy平面内v1t=0,忽略转动摩擦力及其他影响因素可知 ρ Qpv2tr2=0。由绝对速度及牵连速度之间的关系可知v2t=u2-uq=u2-ω r2,因此

由此可知

式中:Ap为旋喷管出口面积,m2;ω为旋喷管角速度,rad/s;n为旋转圈数,r/min。

图3 水力旋喷管

由式(7)(8)可得

对80目自吸自动网式过滤器进行室内试验及原型试验,过滤器基本设计参数如下:①排污需水量为50～70m3/h;②旋喷管出口直径为0.05m;③吸口尺寸为 3mm×24.5mm;④旋喷管旋转半径为0.35m。计算得到:Ap=0.002m2,Qp=60m3/h。将以上数据代入式(9)可得n=114r/min。在试验过程中测得的n=109～111r/min,由此可知,在自清洗装置转动过程中摩擦力及其他影响因素对装置的影响较小,符合设计要求。将试验测试得到的 Qp=60m3/h,Ax=7.35×10-5m2,ρ=1 000 kg/m3代入式(4)得 F=118N。

自动排污装置能否正常运行的关键是吸沙组件能否将附着在网面上的泥沙颗粒吸出,例如取某一排污过程中含沙水体为研究对象,由于含沙水体在罐体内水平方向主要受泥沙颗粒之间和泥沙与网面之间的黏结力的影响,因此只要负压产生的吸附力大于黏结力即可实现自清洗。

过滤器自清洗装置排污效果取决于吸附力与黏结力的关系。吸沙组件吸附力的大小可以用式(4)来计算,但与此对应的细颗粒泥沙黏结力的计算尚未达成一致[5]。唐存本根据杰尔亚金的试验结果,认为细颗粒之间的黏结力 F′与水深及大气压无关[6-7],而与粒径D成正比,即式中:η为比例系数,η与颗粒表面性质、液体性质及沙粒间接触紧密度有关,在水中紧密接触时,η为常数。窦国仁也曾讨论过用式(10)来计算细颗粒之间的黏结力(考虑附加压力)。本研究忽略附加压力,用式(10)计算细颗粒之间的黏结力,η取2.56×10-5N/cm[5]。

本试验用沙的粒径级配分析如图4所示,取中值粒径为0.4mm。由式(10)计算可知泥沙细颗粒之间的黏结力 F′=1×10-6N。

图4 泥沙粒径级配曲线

在一个正常过滤的滤饼层中,孔隙的分布是变化的。对于一般可压缩滤饼来说,滤饼表面处的孔隙率最大,而靠近介质处的孔隙率最小[8]。因而,清洗滤饼表层所需的吸附力最小,而清洗介质表面所需的吸附力最大。取介质表面泥沙为研究对象,假设泥沙在网面均匀紧密分布,则与吸沙组件开口断面面积相当的面积内的泥沙颗粒总数可以近似计算为式中:s为单颗泥沙颗粒断面近似面积。

于是吸沙组件开口处的总黏结力F′总≈F′m=6×10-4N。所以理论上吸沙组件的吸附力只要大于6×10-4N就可以完成自清洗。但是在滤网过滤过程中常常会出现沙粒堵孔现象[9],这部分作用力的计算尚未找到合适的解决方法。由于沙粒与网孔之间的摩擦力比泥沙黏结力大得多,因此只有吸附力远大于泥沙黏结力的计算值才有可能彻底完成自清洗。由计算可知,泥沙产生的总黏结力为F′总=6×10-4N,吸沙组件产生的吸附力为F=118N,也就是说自清洗装置产生的吸附力远大于泥沙总黏结力,即在理论上满足自清洗要求。

3 结 论

a.水流沿排沙管流至水力旋喷管,产生动量矩T和角速度ω,由能量方程及动量矩方程计算得到自清洗装置旋喷管角速度的计算式为 ω=Qp/(2Apr2),旋转圈数的计算式为 n=15Qp/(πApr2),吸附力的计算式为F=Qp2ρ/(32Ax)。

b.由自清洗装置旋喷管角速度的计算式可知,旋喷管角速度与流量及旋喷管出口面积有关。当流量一定时,减小旋喷管出口面积,旋喷管转速会增大,从而扫遍网面的次数增多,滤网冲净率也就相应提高。但由动力学可知,当出口面积小到某一值,即转速达到某一值时,排污装置将无法完成吸污过程,反而会降低冲净率。因此,出口面积应控制在一定范围内来保证冲净率。

c.由于存在沙粒堵孔现象,因此只有排污装置产生的吸附力远大于泥沙总黏结力时才能彻底完成自清洗。泥沙细颗粒之间的黏结力一般采用经验公式 F′=η D 计算。

d.将试验基本参数代入吸附力及泥沙黏结力计算式可知,试验用过滤器吸沙组件产生的吸附力远大于泥沙总黏结力,满足自清洗要求。即自吸自动网式过滤器作为一种新型过滤设备其清洗方式可以大幅度提高清洗效率。e.每个吸沙组件开口的吸附力大小决定了排污运行时间及冲净率。根据这个定量值,可以对排污时间及自清洗装置进行优化,从而使过滤器过滤及排污达到最优效果,对后续工作具有一定的理论指导意义。

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