浅析滴灌用自清洗网式过滤器排污压差计算

2020-06-15

现代园艺 2020年6期

（大禹节水（酒泉）有限公司，甘肃酒泉 735000）

近年来，滴灌用过滤器在水源灌溉方面的应用不断增加，特别是滴灌用自清洗网式过滤器更是得到了快速发展。但滴灌用自清洗网式过滤器的内部结构相对复杂，并且主要是通过时间作为自动清洗的控制参数。一方面，此种控制方式可能会在没有清洗必要的情况下进行清洗，另一方面，只按照时间顺序方式可能无法实现较彻底的清洗，同时可能造成重复清洗的问题。而通过滤网过滤压差作为控制参数，一旦压差达到设定值就可以实现自动清洗，就能够有效解决上述问题。所以，需要分析计算过滤器的排污压差，这是确保过滤器正常工作的关键。

1 滴灌用自清洗网式过滤器排污原理介绍

较常用的自清洗网式过滤器的结构如图1 所示，工作过程中可以分成过滤以及清洗两过程。在实际操作过程中，污水从进水口进入之后，要通过粗、细过滤网进入到过滤室中，按照从内到外的顺序，通过过滤网之后从出水口流出，完成过滤操作。随着过滤污水量的增加，残留在细过滤网表面的泥沙杂物会不断积累，从而在滤网内外表面形成压差，一旦压差达到甚至超出控制参数，电动排污阀门就会自动打开，并且出水口的阀门自动关闭。此种情况下，会因为过滤器内水压和外部大气压的压差造成吸头产生较大的吸力，从而将泥沙等杂物吸入到排沙管再通过排污口排出。在水流流出过程中会造成吸头的转动，就会将滤网内表面泥沙等杂物清理干净。随着清洗一定时间后，滤网内外压差会逐渐降低，在低于设定值时就完成清洗工作，能够进行正常的过滤。

图1 典型自清洗网式过滤器结构

2 自清洗网式过滤器排污压差计算

对自清洗网式过滤器来说，在工作过程中的阻力主要有“过滤介质阻力”以及“滤饼阻力”。在过滤器工作初始阶段，由于时间较短，泥沙等杂物没有过多积累，所以，滤网产生的流阻起主要作用。随着泥沙的逐渐积累，堆积在滤网表面的泥沙会逐渐形成滤饼，这时滤饼就会对流体产生的流阻起主要作用。总的来说，排污压差可以表示为：

Δp=Δp1+Δp2

其中，Δp1 表示滤网所产生的阻力，Δp2 表示滤饼产生的阻力。

2.1 滤网所产生的阻力压降计算

2.1.1 层流和紊流的判定。以介质微孔直径为基础，定义雷诺数Re 为：

其中，ρ 表示流体的密度，单位为kg/m3；dp 表示滤网的孔径，单位为m。在Re＜3 的情况下流体处在层流状态，3＜Re＜7 的情况下流体处在过渡状态，在Re＞7 的情况下流体处在紊流状态。

2.1.2 层流情况下阻力压降计算。如果流体在微孔中的流动属于层流状态，所得层流情况下阻力压降表示为：

其中Δp层表示层流时阻力压降，单位为Pa；Kp 表示综合系数；μ 表示流体的粘度，单位为Pa.s；u 表示流体通过床层的平均线速度，单位为m/s；L 表示床层厚度，单位为m；K1表示柯兹尼常数；S1 表示过滤介质的比表面积；ε 表示过滤介质的孔隙度。

2.1.3 紊流情况下阻力压降计算。如果流体在微孔中的流动属于紊流状态，那么所得紊流情况下阻力压降表示为：

其中，Δp紊表示层流时阻力压降，单位为kPa。

2.1.4 滤网产生流阻压降计算。

表1 不锈钢网具体参数

①所采用的网式过滤器其具体结构如图2 所示，其具体参数为：滤网直径0.69m，高度0.8m，过滤介质为金属丝网。

从相应参考资料以及调查分析可知，目前不锈钢网的具体参数可参照表1 所示。

图2 滤网结构

②如果将过滤器中滤网的金属丝设定为图2 所示的圆柱体（直径为d），那么介质的比表面积S1（指的是单位体积内的表面积）表示为：

而孔隙度（指的是流体能够通过的体积）可以表示为：

通过相应计算可知，80 目的情况下ε 为0.36,120 目的情况下ε 为0.35。通过相应参考文献可知，在ε 处在0.3～0.5 范围内时K1=5。

③按照网式过滤器最大流量Qmax=220m3/h、流体的粘度μ=1.005×10-3Pa.s 进行计算，能够得出相应参数的结果如表2 所示。

表2 相应参数计算结果

从表2 中能够得知，不管是80 目还是120 目的滤网，滤网的网孔水流雷诺数都在7 以上，因此，该网孔水流状态为紊流状态，所以，按照紊流状态的计算公式进行流阻压降计算，能够得出过滤网产生的压降分别为：

80 目：Δp1=0.983kPa，Δp2=0.983kPa；

120 目：Δp1=1.900kPa，Δp2=1.900kPa

2.2 滤饼所产生的阻力压降计算

随着过滤时间的增加，滤网会对泥沙等杂质造成一定的节流，一定时间后就会积累成为滤饼，滤饼对液流产生的流阻起主要作用。随着滤饼厚度越来越大，介质两侧的压差会不断增加，滤饼的孔隙率会逐渐降低，所以，过滤的过程就是可压缩滤饼过滤，很难明确过滤时形成的具体压降。总的来说，滤饼过滤和介质过滤具有同样的过滤原理，所以，可以利用量纲分析的方式得出滤饼过滤产生的压降，具体表示为：

Δp2=β3Δp1

其中β 为引进参数，通过相应的计算和最大压力损失允许值能够得知β 的取值范围为2.5～4.0。

2.3 自清洗网式过滤器总压降的计算

从前述可知自清洗网式过滤器总压降表示为：

Δp=Δp1+Δp2=（1+β3）Δp1

通过上式能够计算得出自清洗式滤网过滤器总压降为：

80 目：16.34～63.88kPa；120 目：31.56～123.41kPa；80 目以及120 目过滤器压降变化值为45.08～127.4kPa（4.6～13m）。

3 相应的试验验证分析

为了明确上述理论计算的准确性，需要通过相应试验进行验证。设定的自清洗网式过滤器试验装置结构如图3 所示。

图3 自清洗网式过滤器试验装置结构

该试验装置主要包括蓄水池、电动机、离心泵、过滤器、变频柜、电磁阀、压力表等设备，为了确保试验和理论计算的匹配性，试验中采用的滤网规格为80 目和120 目，试验过滤器设定流量为：Q（额定）=150m3/h，Q（最大）=220m3/h。为了验证不同的情况，需要分别试验清水以及含有泥沙等杂质的浑水，所要测定的内容为：清水情况下过滤器局部水头损失随流量变化关系、不同进水含沙量所对应水头损失随时间的变化情况等等。试验中所用的浑水沙洋为细河沙，所得到的80目以及120 目对应的中值粒径分别为：80 目为0.16mm，120目为0.29mm。总的来说，试验结果和计算结果基本相符，说明此种计算方式能够充分反映出自清洗网式过滤器总压降情况，对自清洗网式过滤器过滤压差控制具有实际作用。