微灌多级复合网式过滤器的设计和试验

李盛宝，韩启彪，杜思琦，袁志华

(1.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002；2.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)

0 引 言

微灌技术可以通过封闭的管道系统，将作物所需的水和养分以较小的流量，均匀、精准地输送到作物根区，具有节水、省工和方便水肥一体化作业等优点[1]。由于灌水器流道较小，为防止堵塞而降低灌水质量，微灌系统在灌溉系统首部必须加装过滤器[2]，过滤器的性能优劣和过滤效果直接影响着微灌系统的水力性能和稳定运行。目前市场上常用的过滤器有网式、砂石、叠片式和离心式过滤器。网式过滤器具有价格低、易操作等优点，很多学者对其进行了研究。宗全利等[3,4]研发出新型自清洗网式过滤器，并对滤网堵塞成因和压降进行了分析与计算；雷建花等[5]自主研发出水力驱动自清洗网式过滤器，阐述了其工作原理、结构特点，认为：水力驱动自清洗网式过滤器过流能力强，清洗效率高；骆秀萍[6]研究了不同进水流速对自清洗网式过滤器排污系统内部流场的影响，并进行了数值分析计算。生产实践中往往将同种或不同种过滤器串联组合使用以期提高过滤精度。组合使用不同过滤精度的过滤器可以达到更好的过滤效果，但同时也会导致微灌系统首部占据空间增大、灌溉管道连接管件增多、安全及监测设备增加、自动清洗不便等问题。为此，有学者开始研究复合过滤技术。杨培岭等[7]对砂石-筛网组合过滤器结构予以优化并进行了性能试验，提出将滤网融入砂石罐体的一体式优化布置方案；王柏林等[8]对旋流-网式组合型过滤器进行了水力性能研究；谢崇宝等[9]研发了上下复合型砂石-滤网集成式过滤器，具有造价低、体积小、自动反冲洗等优点。但目前研究较少涉及复合网式过滤技术。在此背景下，本文对复合网式过滤器展开研究，完成了复合网式过滤器的结构设计，试制了样机并展开水力性能试验，以期为复合过滤技术的发展提供一定的技术支撑。

1 理论分析

1.1 微灌系统堵塞成因

由于灌水器末端流道较小，仅1 mm左右，诸多物质均有可能造成堵塞，如水中的沙、土、淤泥等固体颗粒甚至包括有机物，又如硅酸盐、碱性物质等，它们在灌溉系统中产生化学反应或结晶，生成难溶性物质在管道沉淀，造成堵塞。还有就是一些细菌真菌及动植物种子等，它们的生长，也会导致堵塞，这些可归结为物理、化学、生物三大类型。而且研究表明，此三种因素相互作用，其中物理堵塞是重要诱因。

因此，通过在微灌系统首部设置适宜的过滤装备对水质杂质进行有效截留是降低微灌系统堵塞风险的必要手段。

1.2 网式过滤器过滤机理

网式过滤器是利用筛网的筛分截留作用进行过滤的，灌溉作业时，水流经过滤网时，污物被滤芯阻隔，大于网孔尺寸的颗粒截留在滤网上，清水则通过网孔流向出水口。网式过滤器在工作时会在滤网上形成介质堵塞和滤饼堵塞，考虑造价，滤网可用耐磨、耐酸碱的金属、塑料或尼龙材料制成，滤网规格由目数决定。目数在我国指的是每平方英寸上的筛孔数量。目数越大，筛网孔径越小，过滤效果越好，但造成过滤器局部水头损失越大，不利于微灌系统的正常运行。实际上，为获得更好的过滤效果，往往需要采用串联组合的方式。

多组网式过滤器串联使用，其过滤范围、过滤精度优于单一网式过滤器，但也有其缺点。从占据空间大小考虑，由于多个过滤器串联，占地面积增加，造成土地浪费，甚至在一些特殊区域会出现无法安装的问题；从水头损失及灌溉成本考虑，串联多个过滤器，必然造成管道延长，连接件增多，在水头损失增大的同时不利于节省灌溉成本；从清洗难易考虑，由清洗单一过滤器变为清洗多个过滤器，清洗难度加大的同时时间成本也会增加。因此，在充分利用多组过滤器优势的基础上，需要着力改善其带来的不利影响。

2 结构设计与样机试制

2.1 结构设计

针对现有多组过滤器串联占据空间大、连接件多、清洗不便等问题，设计了一种微灌用自报警多级复合网式过滤器[10]，将不同目数滤网复合集成于一个壳体，并设计了清洗组件，为实现自动化，设计了自动报警系统。设计思路相继获得了发明专利(CN205760034U)和美国发明专利(US10,232,290B2)。

设计的自报警多级复合网式过滤器外部整体示意图如图1所示，剖面示意图如图2所示。

1-单向阀；2-左壳体；3-中间壳体；4-右壳体；5-电动机；6-管箍图1 复合网式过滤器整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the composite mesh filter

7-排污主管；8-第一排污支管；9-第二排污支管；10-第三排污支管；11-出水口；12-第三网式滤筒；13-第二网式滤筒；14-第一网式滤筒；15-压差计；16-报警器；17-PLC控制器；18-指示灯；19-进水口；20-手摇柄；21-毛刷；22-支架图2 复合网式过滤器剖面示意图Fig.2 The section schematic diagram of composite mesh filter

本设计中复合网式过滤器主要由：①多级滤网；②分段式刷体；③报警装置3个部分组成。其中多级滤网由不同目数的圆柱滤筒同轴心装配而成，滤网半径从外到内依次减小；本设计中，滤筒目数从内到外依次为50目、80目和120目；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。由于三层滤筒的结构设计，较单一目数滤网过滤精度有所提高，过滤范围显著增大，在生产实践中适应性更强；同时由于三层滤网的分层截留作用，滤网出现滤饼的时间明显下降。

分段式刷体由与滤筒个数相匹配的刷毛框架、单面毛束、连接杆、连接头和动力装置等组成。每个刷毛框架上设置有单面刷毛束，同时单面刷毛束与滤筒外表面相接触；连接杆依次穿过第二网式滤筒和第一网式滤筒与刷毛框架通过连接头连接，然后穿过右壳体与手摇柄相连。为实现自动化，手摇柄可用电动机替换。通过电动机(手摇柄)的转动，即可带动刷毛框架旋转，进而同时清洗三层滤网。

报警装置由压差计、PLC控制器、报警器等组成。压差计安装在过滤器进出口端，测定进水口与出水口之间压力差值，PLC控制器与压差计连接，接收压差信号，当差值达到设定压力时，由PLC控制器控制报警器报警；报警器可采用声光报警器，便于通知用户清洗过滤器。

2.2 工作过程

多级复合网式过滤器工作过程包括过滤过程和自清洗过程。

(1)过滤过程。当过滤器运行时，3根排污管的单向阀关闭，灌溉水由进水口依次流过三层滤筒，然后经出水口流出，水中杂质被滤网拦截。拦截的杂质将积聚在滤筒外表面，待自清洗过程启动时清洗。

(2)自清洗过程。在过滤器工作前通过压差计设置压差预设值，当积聚在滤筒表面的杂质使滤网内外表面形成的压差达到预设值时，报警器启动，开启排污水管的阀门，进行过滤器滤网清洗作业，待压力回复到正常以后，关闭排污水管阀门，过滤器转入过滤状态。

过滤过程和自清洗过程循环往复，即可保证过滤器的正常工作。

2.3 样机试制

根据过滤器结构的设计方案，试制了样机，样机暂未考虑报警系统。样机左右壳体分别采用不锈钢法兰连接；为了便于观察实时过滤效果，中间壳体由透明有机玻璃管制成，与左右壳体以黏接方式连接。进出水口管采用50 mm PVC管材。刷毛框架由不锈钢材料制成，毛刷采用塑料材质。样机采用三级滤筒，材质为不锈钢，目数分别为50、80、120目；滤筒直径分别为10、20、30 cm；滤筒高度分别为60、65、70 cm，能实现三级过滤，满足现行微灌过滤要求。试制的样机如图3所示。

图3 试制样机图Fig.3 The prototype Picture

3 样机水力性能试验

3.1 试验装置及方法

复合网式过滤器水力性能试验在中国农业科学院农田灌溉研究所喷微灌试验大厅内进行。试验装置如图4所示。

1-蓄水池；2-潜水泵；3-进水口阀门；4-涡轮流量计；5-精密压力表；6-复合网式过滤器；7-排污口阀门；8-精密压力表；9-出水口阀门；10-出水口图4 试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of the test device

试验装置由蓄水池、潜水泵、管道系统等组成。试验供水装置为2.4 m×1.2 m×1.3 m 的蓄水池，使用潜水泵提供试验所需压力流量，进、出水管直径为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、出口端分别配置精密压力表1块(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。流量设计为15、17.5、20、22.5、25、27.5、30 m3/h，待过滤器运行稳定后，记录流量计和压力表读数，每一流量下，重复试验3次。

3.2 结果与分析

3.2.1 水头损失与流量的关系

hj=kQ2

(1)

式中：hj为水头损失；Q为流量；k为结构系数。

即局部水头损失与流量的平方成正比例关系。

试验过程中，滤筒有效过滤面积恒定，粗滤网和细滤网的局部水头损失系数ζ为定值，则过滤器的总局部水头损失系数∑ζ也没有改变。由式(1)可知，当结构系数k恒定时,过滤器局部水头损失只与流量有关。根据实验数据，拟合可得本过滤器得k值为0.001 7。

3.2.2 复合网式过滤器清洁压降曲线

按照标准(SL470-2010灌溉用过滤器基本参数及技术条件)规定，过滤器水力性能需考查清洁压降曲线，即过滤器局部水头损失随流量的变化曲线。利用实验数据得到多级复合网式过滤器的清洁压降曲线如图5所示。

图5 复合网式过滤器清洁压降曲线Fig.5 The cleaning pressure drop curve of composite mesh filter

清洁压降曲线对应相关系数R2=0.990 3，说明相关程度较高。过滤器的水头损失hw与流量Q之间的关系式为：

hw=0.006 6Q1.589 4

(2)

将式(2)与型号50WL15-1000过滤器安装150目不锈钢滤网时计算公式Δh=0.004 5Q1.799 6[12]对比，发现：式(2)中流量指数1.589 4小于1.799 6，说明与传统网式过滤器相比，在清水试验条件下，当进水口流量为15～30 m3/h 时，复合网式过滤器受流量影响较小。进一步说明了复合网式过滤器结构设计的合理性与先进性。

4 结 语

针对多组网式过滤器串联时占据空间大、管件连接件多等问题，设计了一种多级复合网式过滤器，能实现多级网式过滤功能，能利用刷体实现了清洗排污功能，同时设置有报警器，可依据报警信号及时对过滤器进行清洗。通过样机性能试验，认为该复合网式过滤器受流量影响较小，结构系数k为0.001 7，清洁压降曲线与网式过滤器一致，仍符合幂函数关系。随着节水灌溉技术的快速发展，势必在微灌系统中有很大的发展空间和应用前景。