離心疊片與離心篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)性能比較試驗(yàn)

離心疊片與離心篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)性能比較試驗(yàn)

葉成恒1,3,范興科1,2,姜　珊1,3

    (1.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西楊凌712100;3.中國科學(xué)院研究生院,北京100049)

    摘　要：以離心疊片過濾系統(tǒng)和離心篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)為研究對象,通過田間模擬試驗(yàn),對2類過濾系統(tǒng)的水力性能及其泥沙處理能力進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明:在能量損耗方面,離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)的水力性能優(yōu)于離心疊片類,過流量越大優(yōu)勢越明顯;在泥沙處理方面,離心疊片類過濾系統(tǒng)處理后泥沙分離極限d98明顯小于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng),離心疊片類過濾系統(tǒng)泥沙處理能力明顯優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)。該結(jié)果可為滴灌過濾系統(tǒng),特別是小型移動式滴灌過濾系統(tǒng)的合理設(shè)計和有效配置提供參考。

    關(guān)鍵詞:過濾系統(tǒng);局部水頭損失;泥沙處理;離心疊片式;離心篩網(wǎng)式

    中圖分類號:S277.9　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    疊片過濾器是國內(nèi)外近年來發(fā)展起來的一種新型的過濾設(shè)備,與廣泛應(yīng)用的篩網(wǎng)過濾器相比具有許多相似之處,都具有安裝簡單、體積小和運(yùn)行操作方便等優(yōu)點(diǎn),尤其是在反沖洗時,不像沙石過濾器那樣需要較高的技術(shù)水平,非常適合于小型農(nóng)戶經(jīng)營的滴灌系統(tǒng)。疊片過濾器片槽的復(fù)合內(nèi)截面提供了類似于沙石過濾器中產(chǎn)生的三維的過濾,其過濾效果和過濾精度較高,隨著加工工藝的簡化和價格的降低,也將是未來滴灌過濾系統(tǒng)中使用較多的一類過濾器[1]。本文以離心過濾器作一級過濾,分別以篩網(wǎng)過濾器和疊片過濾器作二級過濾,組合成離心-篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)和離心-疊片過濾系統(tǒng),通過田間模擬試驗(yàn)對2類過濾系統(tǒng)水力學(xué)特性和泥沙處理效果進(jìn)行比較研究。

    1　試驗(yàn)材料與方法

    (1)試驗(yàn)材料。離心過濾器、篩網(wǎng)過濾器(80目和120目)和疊片過濾器(75目和120目);精度0.1%的差壓傳感器、高精密壓力表和流量計;配置含沙水所需的土樣,其中黏粒(<0.002 mm)含量為5.24%,粉粒(0.002~0.05 mm)含量為69.24%,沙粒(0.05~2mm)含量為25.52%。

    (2)試驗(yàn)設(shè)計。①清水試驗(yàn)設(shè)計。在供水壓力(0.2 MPa相同條件下,分別測定4個過濾系統(tǒng)在流量為5,10,15,20,2530,35 m3/h時的局部水頭損失。②含沙水試驗(yàn)設(shè)計。在供水壓力(0.2 MPa)相同的條件下,采用3因素完全試驗(yàn)設(shè)計:系統(tǒng)過流量(15,20,、25 m3/h);含沙量(0.1%、0.2%、0.3%);過濾系統(tǒng)(離心-80目篩網(wǎng)、離心-120目篩網(wǎng)、離心-75目疊片、離心-120目疊片)。

    (3)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

    試驗(yàn)裝置由蓄水池、攪拌泵、供水泵、過濾器系統(tǒng)和監(jiān)測設(shè)備等組成。離心過濾器設(shè)置在系統(tǒng)首部,作為一級過濾,篩網(wǎng)過濾器設(shè)置在離心過濾器的后面,作為二級過濾。流量計、差壓傳感器與數(shù)據(jù)采集器連接,再將數(shù)據(jù)采集器與電腦相連,通過電腦對測量值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和記錄。在3個測壓點(diǎn)處安裝高精密壓力表,用來不定時校核壓差傳感器的監(jiān)測值。在過濾器系統(tǒng)進(jìn)水口處和出流口處安裝流量調(diào)節(jié)閥和出流閘閥,在系統(tǒng)進(jìn)出口處設(shè)置含沙水流采樣點(diǎn)。

    (4)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)前將取好的土樣風(fēng)干并過2 mm篩子備用。按試驗(yàn)設(shè)計含沙率在蓄水池內(nèi)配制試驗(yàn)設(shè)計的泥沙水,待泥沙水?dāng)嚢杈鶆蚝髥庸┧瞄_始試驗(yàn),然后通過流量調(diào)節(jié)閥和系統(tǒng)出流閘閥快速調(diào)節(jié)好試驗(yàn)設(shè)計的流量和供水壓力(0.2MPa),開啟監(jiān)測設(shè)備對各級過濾器的局部水頭損失值H和系統(tǒng)流量值Q進(jìn)行監(jiān)測和記錄,監(jiān)測值采樣間隔設(shè)定為30s,參考灌水均勻度要求[2],以系統(tǒng)流量偏差20%作為衡量和判斷過濾器嚴(yán)重堵塞和開始反沖洗的指標(biāo),達(dá)到該指標(biāo)就停機(jī)結(jié)束本次試驗(yàn)。利用統(tǒng)計分析的方法對2類過濾系統(tǒng)的水利性能進(jìn)行對比分析,通過激光粒度儀對系統(tǒng)過濾后的泥沙粒徑進(jìn)行分析,對2類過濾系統(tǒng)過濾后泥沙的中值粒徑d50和粗端粒徑(分離極限)d98進(jìn)行比較分析。

    2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1　清水條件下局部水頭損失比較

    過濾系統(tǒng)中,水頭損失主要是水流通過各級過濾器時產(chǎn)生的能量損耗,是過濾系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。考慮到首部過濾系統(tǒng)管道連接比較緊湊,管路產(chǎn)生的沿程水頭損失較小,為了研究方便,忽略連接管道的沿程水頭損失,全部概化為局部水頭損失。在本試驗(yàn)中,過濾系統(tǒng)總局部水頭損失是由離心過濾器的局部水頭損失和篩網(wǎng)/疊片過濾器的局部水頭損失2部分組成。圖2為4種過濾系統(tǒng)在清水條件下,局部水頭損失隨系統(tǒng)過流量的變化曲線。4種組合過濾系統(tǒng)的局部水頭損失均隨著流量的增加而增加,呈二次拋物線的形式。從圖2中可以看出,離心疊片類過濾系統(tǒng)的局部水頭損失要明顯大于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng),流量越大,對應(yīng)的差值越大。將目數(shù)相同(或接近)的2類過濾系統(tǒng)進(jìn)行比較,水頭損失差值見表1。從表1中可以看出,流量在5~15 m3/h時,相差較小,不到1 m;當(dāng)流量超過20 m3/h以后,差值明顯增大,開始超過1 m;在流量為35m3/h時,達(dá)4 m左右。在同一類型過濾系統(tǒng)中,水頭損失變化曲線基本平行,目數(shù)越大局部水頭損失值較大,且大目數(shù)與小目數(shù)在不同流量下對應(yīng)的局部水頭損失值相差基本相同,疊片類和篩網(wǎng)類的均值分別為0.13 m和0.31 m,其差值見表2。

    由此說明離心疊片類過濾系統(tǒng)較離心篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)的局部水頭損失大,即能量損耗大。在滴灌系統(tǒng)正常運(yùn)行時,離心疊片類過濾系統(tǒng)對系統(tǒng)運(yùn)行能量供應(yīng)方面要求較高,需要較高的進(jìn)口壓力。在能量損耗方面,離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)的運(yùn)行性能優(yōu)于離心疊片類過濾系統(tǒng)。

    注:①D75-S80為離心75目疊片過濾系統(tǒng)與離心80目篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)局部水頭損失差值;②D120-S120為離心120目疊片過濾系統(tǒng)與離心120目篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)局部水頭損失差值。

    分析認(rèn)為主要是由于過濾元件差異引起的局部水頭損失的差異。本試驗(yàn)過濾系統(tǒng)的局部水頭損失主要包括一級(離心)過濾器和二級(篩網(wǎng)/疊片)過濾器局部水頭損失2部分,其中二級過濾器局部水頭損失又可以分為以下2部分[3]:①由進(jìn)出口斷面形式發(fā)生改變而造成的局部水頭損失;②由過濾器元件產(chǎn)生的過濾阻力而增加的額外局部水頭損失。過濾元件的水流運(yùn)動屬于孔口出流,由此產(chǎn)生的局部水頭損失可細(xì)分為水流進(jìn)出微孔時產(chǎn)生的局部水頭損失和水流在微孔中流動時產(chǎn)生的沿程水頭損失2部分?？刹捎靡韵鹿奖硎?

    H = H離心+H進(jìn)出+H進(jìn)出孔+H孔中(1)

    式中:H為過濾系統(tǒng)局部水頭損失,m;H離心為離心過濾器局部水頭損失,m;H進(jìn)出為二級過濾器進(jìn)出口局部水頭損失,m;H進(jìn)出孔為二級過濾器過濾元件中水流進(jìn)出微孔口局部水頭損失,m;H孔中為水流在過濾元件微孔中的沿程水頭損失,m。

    在清水試驗(yàn)中,離心過濾器、二級過濾的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)固定不變,其局部水頭損失系數(shù)為一固定值,結(jié)合局部水頭損失計算公式[4]可以得出:流量相同且二級過濾器目數(shù)相同或接近時,各過濾系統(tǒng)H離心、H進(jìn)出和H進(jìn)出孔對應(yīng)的值相等。而H孔中為沿程水頭損失,依據(jù)沿程水頭損失計算公式[4]可得:沿程水頭損失與水流在微孔中流經(jīng)的長度呈正相關(guān)。水流在篩網(wǎng)過元件微孔中流經(jīng)的長度為網(wǎng)絲直徑,由于其直徑很小,對應(yīng)的水頭損失很小,在實(shí)際計算中可以忽略不計;但對于疊片過濾元件而言,水流在微孔中流經(jīng)的長度為疊片凹槽的長度,其長度相對較長,是網(wǎng)絲直徑的數(shù)十倍,對應(yīng)的水頭損失值較大,不能忽略。因此,離心疊片過濾系統(tǒng)的局部水頭損失比離心篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)大。

    2.2　含沙水流條件下初始局部水頭損失比較

    在含沙水流條件下,2類過濾系統(tǒng)初始局部水頭損失的變化規(guī)律與清水條件下類似。圖3繪制出了各過濾系統(tǒng)處理含沙量為0.3%的水時的初始局部水頭損失變化規(guī)律曲線。從圖3中可以看出,離心疊片類過濾系統(tǒng)的局部水頭損失要明顯高于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng),隨著流量的增大,疊片類高出篩網(wǎng)類的值越大。相同流量下,局部水頭損失為:離心120疊片>離心75目疊片>離心120目篩網(wǎng)>離心80目篩網(wǎng),且同一類型過濾系統(tǒng)局部水頭損失變化規(guī)律相同。相同流量下,4種過濾系統(tǒng)局部水頭損失隨水質(zhì)的變化比較明顯,進(jìn)口水流含沙量越大,對應(yīng)的局部水頭損失越大(見表3)。

    造成液體能量損失的根本原因是液體的粘滯性,由于粘滯性的存在液體在流動過程中就會產(chǎn)生摩擦阻力,液體克服阻力做功,引起運(yùn)動液體機(jī)械能的損失[4],對于本試驗(yàn)而言即系統(tǒng)局部水頭損失。在高含沙水流條件下,含沙量越大,水流的粘滯系數(shù)越大,且大于相同溫度下清水的粘滯系數(shù)[5]。粘滯系數(shù)越大,水流內(nèi)摩擦力做功消耗的機(jī)械能就越大,即水頭損失就越大。因此,相同流量下過濾系統(tǒng)初始局部水頭損失隨含沙量增大而增大,且都高于清水時的局部水頭損失。由于水流在疊片過濾元件微孔中流經(jīng)的距離較長,從而產(chǎn)生水頭損失就較大,其離心疊片類過濾系統(tǒng)初始局部水頭損失明顯高于離心篩網(wǎng)類。

    2.3　泥沙處理能力比較

    灌水器的堵塞與否,與灌溉水中的污物粒徑大小有直接關(guān)系[6],顆粒粒徑越大,就越容易造成堵塞,因此過濾后水流中泥沙粒徑大小是衡量過濾系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。本文以過濾后泥沙顆粒的中值粒徑d50和分離極限(粗端粒徑)d98[7]來衡量過濾系統(tǒng)的泥沙處理能力。3種水質(zhì)在不同流量下,經(jīng)4種過濾系統(tǒng)過濾后,水流中泥沙的d50差別不大,都為6~8μm。

    其主要原因有:①過濾系統(tǒng)對泥沙的處理主要是針對粒徑較大的粗沙,泥沙本身粗顆粒含量較少,細(xì)顆粒含量較多,經(jīng)各過濾系統(tǒng)過濾后粗顆粒含量間的差別對d50影響不大;②經(jīng)過離心過濾器的處理,原本含量較少的粗沙部分就變得更少,再經(jīng)二級過濾器處理后,其變化在d50上表現(xiàn)得就更加不明顯。d98為過濾系統(tǒng)的分離極限,表示泥沙中最粗泥沙顆粒的粒徑,本試驗(yàn)中3種含沙水經(jīng)2類4種過濾系統(tǒng)過濾以后的d98見表4。若灌水器流道直徑按800μm計算,這4種過濾系統(tǒng)對應(yīng)的d98均小于80μm[8],都能滿足滴灌的水質(zhì)處理要求。從表4中可以看出相同類型過濾系統(tǒng)過濾以后的泥沙d98變化不大,不同類型間的差異較明顯,離心疊片類過濾系統(tǒng)處理后的d98明顯小于離心篩網(wǎng)類,由此可以說明離心疊片過濾系統(tǒng)在泥沙處理方面優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)。分析認(rèn)為主要原因是水流在篩網(wǎng)網(wǎng)孔中穿流的距離較短,部分粗沙在水流的沖力和壓力的作用下擠過篩網(wǎng),進(jìn)入過濾系統(tǒng)下游;而疊片凹槽較長,粗沙在凹槽內(nèi)受到的阻力較大,不易穿過過濾元件進(jìn)入過濾系統(tǒng)下游,因此離心疊片類過濾系統(tǒng)的泥沙處理能力優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)。

    3　結(jié)　語

    從能量損耗角度比較,2類過濾系統(tǒng)的局部水頭損失差異很大,相同流量下離心篩網(wǎng)類局部水頭損失明顯低于離心疊片類過濾系統(tǒng),即離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)的水力性能優(yōu)于離心疊片類過濾系統(tǒng),過流量越大篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)優(yōu)勢越明顯。從泥沙處理能力方面比較,2類過濾系統(tǒng)過濾后泥沙中值粒徑d50差異不大,但是分離極限d98差異比較明顯,離心疊片類小于離心篩網(wǎng)類,即離心疊片類過濾系統(tǒng)要優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)。綜合分析,在能量供應(yīng)富余條件下,可采用離心疊片類過濾系統(tǒng),其中離心75目疊片過濾系統(tǒng)即可滿足常用灌水器的水質(zhì)要求;若能量供應(yīng)欠缺和灌水器灌水頻率不高時,采用離心篩網(wǎng)類過濾系統(tǒng)較好,其中離心80目篩網(wǎng)過濾系統(tǒng)即可滿足要求;如果灌水器流道較小,對水質(zhì)要求較高時,建議采用離心疊片類過濾系統(tǒng)。

    參考文獻(xiàn):

    [1]　王軍,劉煥芳,成玉彪,等.國內(nèi)微灌用過濾器的研究與發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].節(jié)水灌溉, 2003, (5): 34-35.

    [2]　SL 103-95,微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].

    [3]　劉煥芳,王　軍,胡九英,等.微灌用網(wǎng)式過濾器局部水頭損失的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電. 2006, (6): 57-60.

    [4]　呂宏興,裴國霞,楊玲霞.水力學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2002.

    [5]　張德茹,蘇曉波,王　力,等.洛惠渠高含沙水流的特性分析[J].泥沙研究, 2000, (2): 44-48.

    [6]　傅　琳,董文楚,鄭耀泉,等.微灌工程技術(shù)指南[M].北京:水利水電出版社, 1988.

    [7]　邱元鋒,董文楚,羅金耀.微灌用水力旋流器試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué), 2008, 27(5): 18-20.

    [8]　錢蘊(yùn)壁,李英能,楊　剛,等.節(jié)水農(nóng)業(yè)新技術(shù)研究[M].鄭州:黃河水利出版社, 2002.

    [9]　馬英慶,程　福.篩網(wǎng)過濾器自動反沖洗控制儀設(shè)計[J].中國農(nóng)村水利水電,2008,(10):75-78.

    [10]　董文楚,邱元峰.關(guān)于微灌用鋼制砂介質(zhì)過濾器標(biāo)準(zhǔn)的制訂[J].節(jié)水灌溉,2008,(7):14-16.