離心疊片與離心篩網(wǎng)過(guò)濾系統(tǒng)性能比較試驗(yàn)

離心疊片與離心篩網(wǎng)過(guò)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(guó)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(guó)科學(xué)院研究生院,北京100049)

    摘　要：以離心疊片過(guò)濾系統(tǒng)和離心篩網(wǎng)過(guò)濾系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過(guò)田間模擬試驗(yàn),對(duì)2類過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)的水力性能優(yōu)于離心疊片類,過(guò)流量越大優(yōu)勢(shì)越明顯;在泥沙處理方面,離心疊片類過(guò)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(guò)濾系統(tǒng),離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)泥沙處理能力明顯優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)。該結(jié)果可為滴灌過(guò)濾系統(tǒng),特別是小型移動(dòng)式滴灌過(guò)濾系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和有效配置提供參考。

    關(guān)鍵詞:過(guò)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(hào):S277.9　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    疊片過(guò)濾器是國(guó)內(nèi)外近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的過(guò)濾設(shè)備,與廣泛應(yīng)用的篩網(wǎng)過(guò)濾器相比具有許多相似之處,都具有安裝簡(jiǎn)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(shí),不像沙石過(guò)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(yíng)的滴灌系統(tǒng)。疊片過(guò)濾器片槽的復(fù)合內(nèi)截面提供了類似于沙石過(guò)濾器中產(chǎn)生的三維的過(guò)濾,其過(guò)濾效果和過(guò)濾精度較高,隨著加工工藝的簡(jiǎn)化和價(jià)格的降低,也將是未來(lái)滴灌過(guò)濾系統(tǒng)中使用較多的一類過(guò)濾器[1]。本文以離心過(guò)濾器作一級(jí)過(guò)濾,分別以篩網(wǎng)過(guò)濾器和疊片過(guò)濾器作二級(jí)過(guò)濾,組合成離心-篩網(wǎng)過(guò)濾系統(tǒng)和離心-疊片過(guò)濾系統(tǒng),通過(guò)田間模擬試驗(yàn)對(duì)2類過(guò)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(guò)濾器、篩網(wǎng)過(guò)濾器(80目和120目)和疊片過(guò)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(jì);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(jì)。①清水試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在供水壓力(0.2 MPa相同條件下,分別測(cè)定4個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)在流量為5,10,15,20,2530,35 m3/h時(shí)的局部水頭損失。②含沙水試驗(yàn)設(shè)計(jì)。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(jì):系統(tǒng)過(guò)流量(15,20,、25 m3/h);含沙量(0.1%、0.2%、0.3%);過(guò)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(guò)濾器系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)設(shè)備等組成。離心過(guò)濾器設(shè)置在系統(tǒng)首部,作為一級(jí)過(guò)濾,篩網(wǎng)過(guò)濾器設(shè)置在離心過(guò)濾器的后面,作為二級(jí)過(guò)濾。流量計(jì)、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(guò)電腦對(duì)測(cè)量值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄。在3個(gè)測(cè)壓點(diǎn)處安裝高精密壓力表,用來(lái)不定時(shí)校核壓差傳感器的監(jiān)測(cè)值。在過(guò)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(guò)2 mm篩子備用。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)含沙率在蓄水池內(nèi)配制試驗(yàn)設(shè)計(jì)的泥沙水,待泥沙水?dāng)嚢杈鶆蚝髥?dòng)供水泵開始試驗(yàn),然后通過(guò)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(jì)的流量和供水壓力(0.2MPa),開啟監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)各級(jí)過(guò)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(cè)和記錄,監(jiān)測(cè)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(guò)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(jì)分析的方法對(duì)2類過(guò)濾系統(tǒng)的水利性能進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)激光粒度儀對(duì)系統(tǒng)過(guò)濾后的泥沙粒徑進(jìn)行分析,對(duì)2類過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)中,水頭損失主要是水流通過(guò)各級(jí)過(guò)濾器時(shí)產(chǎn)生的能量損耗,是過(guò)濾系統(tǒng)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)?？紤]到首部過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)總局部水頭損失是由離心過(guò)濾器的局部水頭損失和篩網(wǎng)/疊片過(guò)濾器的局部水頭損失2部分組成。圖2為4種過(guò)濾系統(tǒng)在清水條件下,局部水頭損失隨系統(tǒng)過(guò)流量的變化曲線。4種組合過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)的局部水頭損失要明顯大于離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng),流量越大,對(duì)應(yīng)的差值越大。將目數(shù)相同(或接近)的2類過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行比較,水頭損失差值見(jiàn)表1。從表1中可以看出,流量在5~15 m3/h時(shí),相差較小,不到1 m;當(dāng)流量超過(guò)20 m3/h以后,差值明顯增大,開始超過(guò)1 m;在流量為35m3/h時(shí),達(dá)4 m左右。在同一類型過(guò)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(duì)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(jiàn)表2。

    由此說(shuō)明離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)較離心篩網(wǎng)過(guò)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(shí),離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)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(guò)濾系統(tǒng)的運(yùn)行性能優(yōu)于離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)。

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

    分析認(rèn)為主要是由于過(guò)濾元件差異引起的局部水頭損失的差異。本試驗(yàn)過(guò)濾系統(tǒng)的局部水頭損失主要包括一級(jí)(離心)過(guò)濾器和二級(jí)(篩網(wǎng)/疊片)過(guò)濾器局部水頭損失2部分,其中二級(jí)過(guò)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(guò)濾器元件產(chǎn)生的過(guò)濾阻力而增加的額外局部水頭損失。過(guò)濾元件的水流運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的局部水頭損失和水流在微孔中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沿程水頭損失2部分。可采用以下公式表示:

    H = H離心+H進(jìn)出+H進(jìn)出孔+H孔中(1)

    式中:H為過(guò)濾系統(tǒng)局部水頭損失,m;H離心為離心過(guò)濾器局部水頭損失,m;H進(jìn)出為二級(jí)過(guò)濾器進(jìn)出口局部水頭損失,m;H進(jìn)出孔為二級(jí)過(guò)濾器過(guò)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(guò)濾元件微孔中的沿程水頭損失,m。

    在清水試驗(yàn)中,離心過(guò)濾器、二級(jí)過(guò)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(jì)算公式[4]可以得出:流量相同且二級(jí)過(guò)濾器目數(shù)相同或接近時(shí),各過(guò)濾系統(tǒng)H離心、H進(jìn)出和H進(jìn)出孔對(duì)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(jì)算公式[4]可得:沿程水頭損失與水流在微孔中流經(jīng)的長(zhǎng)度呈正相關(guān)。水流在篩網(wǎng)過(guò)元件微孔中流經(jīng)的長(zhǎng)度為網(wǎng)絲直徑,由于其直徑很小,對(duì)應(yīng)的水頭損失很小,在實(shí)際計(jì)算中可以忽略不計(jì);但對(duì)于疊片過(guò)濾元件而言,水流在微孔中流經(jīng)的長(zhǎng)度為疊片凹槽的長(zhǎng)度,其長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng),是網(wǎng)絲直徑的數(shù)十倍,對(duì)應(yīng)的水頭損失值較大,不能忽略。因此,離心疊片過(guò)濾系統(tǒng)的局部水頭損失比離心篩網(wǎng)過(guò)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(guò)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(guò)濾系統(tǒng)處理含沙量為0.3%的水時(shí)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(guò)濾系統(tǒng)的局部水頭損失要明顯高于離心篩網(wǎng)類過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)的局部水頭損失越大(見(jiàn)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(dòng)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力,液體克服阻力做功,引起運(yùn)動(dòng)液體機(jī)械能的損失[4],對(duì)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(guò)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(shí)的局部水頭損失。由于水流在疊片過(guò)濾元件微孔中流經(jīng)的距離較長(zhǎng),從而產(chǎn)生水頭損失就較大,其離心疊片類過(guò)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(guò)濾后水流中泥沙粒徑大小是衡量過(guò)濾系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。本文以過(guò)濾后泥沙顆粒的中值粒徑d50和分離極限(粗端粒徑)d98[7]來(lái)衡量過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)對(duì)泥沙的處理主要是針對(duì)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(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后粗顆粒含量間的差別對(duì)d50影響不大;②經(jīng)過(guò)離心過(guò)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(jí)過(guò)濾器處理后,其變化在d50上表現(xiàn)得就更加不明顯。d98為過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾以后的d98見(jiàn)表4。若灌水器流道直徑按800μm計(jì)算,這4種過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)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(guò)濾系統(tǒng)過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)處理后的d98明顯小于離心篩網(wǎng)類,由此可以說(shuō)明離心疊片過(guò)濾系統(tǒng)在泥沙處理方面優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過(guò)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(guò)篩網(wǎng),進(jìn)入過(guò)濾系統(tǒng)下游;而疊片凹槽較長(zhǎng),粗沙在凹槽內(nèi)受到的阻力較大,不易穿過(guò)過(guò)濾元件進(jìn)入過(guò)濾系統(tǒng)下游,因此離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)的泥沙處理能力優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)。

    3　結(jié)　語(yǔ)

    從能量損耗角度比較,2類過(guò)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(guò)濾系統(tǒng),即離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)的水力性能優(yōu)于離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng),過(guò)流量越大篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)越明顯。從泥沙處理能力方面比較,2類過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)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(guò)濾系統(tǒng)要優(yōu)于離心篩網(wǎng)類過(guò)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(guò)濾系統(tǒng),其中離心75目疊片過(guò)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(shí),采用離心篩網(wǎng)類過(guò)濾系統(tǒng)較好,其中離心80目篩網(wǎng)過(guò)濾系統(tǒng)即可滿足要求;如果灌水器流道較小,對(duì)水質(zhì)要求較高時(shí),建議采用離心疊片類過(guò)濾系統(tǒng)。

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