離心疊片與離心篩網過濾系統性能比較試驗

葉成恒1,3,范興科1,2,姜　珊1,3

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

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

    關鍵詞:過濾系統;局部水頭損失;泥沙處理;離心疊片式;離心篩網式

    中圖分類號:S277.9　　　文獻標識碼:A

    疊片過濾器是國內外近年來發展起來的一種新型的過濾設備,與廣泛應用的篩網過濾器相比具有許多相似之處,都具有安裝簡單、體積小和運行操作方便等優點,尤其是在反沖洗時,不像沙石過濾器那樣需要較高的技術水平,非常適合于小型農戶經營的滴灌系統。疊片過濾器片槽的復合內截面提供了類似于沙石過濾器中產生的三維的過濾,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,分別以篩網過濾器和疊片過濾器作二級過濾,組合成離心-篩網過濾系統和離心-疊片過濾系統,通過田間模擬試驗對2類過濾系統水力學特性和泥沙處理效果進行比較研究。

    1　試驗材料與方法

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

    (3)試驗裝置。試驗裝置如圖1所示。

    試驗裝置由蓄水池、攪拌泵、供水泵、過濾器系統和監測設備等組成。離心過濾器設置在系統首部,作為一級過濾,篩網過濾器設置在離心過濾器的后面,作為二級過濾。流量計、差壓傳感器與數據采集器連接,再將數據采集器與電腦相連,通過電腦對測量值進行連續監測和記錄。在3個測壓點處安裝高精密壓力表,用來不定時校核壓差傳感器的監測值。在過濾器系統進水口處和出流口處安裝流量調節閥和出流閘閥,在系統進出口處設置含沙水流采樣點。

    (4)試驗方法。試驗前將取好的土樣風干并過2 mm篩子備用。按試驗設計含沙率在蓄水池內配制試驗設計的泥沙水,待泥沙水攪拌均勻后啟動供水泵開始試驗,然后通過流量調節閥和系統出流閘閥快速調節好試驗設計的流量和供水壓力(0.2MPa),開啟監測設備對各級過濾器的局部水頭損失值H和系統流量值Q進行監測和記錄,監測值采樣間隔設定為30s,參考灌水均勻度要求[2],以系統流量偏差20%作為衡量和判斷過濾器嚴重堵塞和開始反沖洗的指標,達到該指標就停機結束本次試驗。利用統計分析的方法對2類過濾系統的水利性能進行對比分析,通過激光粒度儀對系統過濾后的泥沙粒徑進行分析,對2類過濾系統過濾后泥沙的中值粒徑d50和粗端粒徑(分離極限)d98進行比較分析。

    2　試驗結果與分析

    2.1　清水條件下局部水頭損失比較

    過濾系統中,水頭損失主要是水流通過各級過濾器時產生的能量損耗,是過濾系統的一項重要性能指標。考慮到首部過濾系統管道連接比較緊湊,管路產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。在本試驗中,過濾系統總局部水頭損失是由離心過濾器的局部水頭損失和篩網/疊片過濾器的局部水頭損失2部分組成。圖2為4種過濾系統在清水條件下,局部水頭損失隨系統過流量的變化曲線。4種組合過濾系統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的局部水頭損失要明顯大于離心篩網類過濾系統,流量越大,對應的差值越大。將目數相同(或接近)的2類過濾系統進行比較,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4 m左右。在同一類型過濾系統中,水頭損失變化曲線基本平行,目數越大局部水頭損失值較大,且大目數與小目數在不同流量下對應的局部水頭損失值相差基本相同,疊片類和篩網類的均值分別為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較離心篩網過濾系統的局部水頭損失大,即能量損耗大。在滴灌系統正常運行時,離心疊片類過濾系統對系統運行能量供應方面要求較高,需要較高的進口壓力。在能量損耗方面,離心篩網類過濾系統的運行性能優于離心疊片類過濾系統。

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

    分析認為主要是由于過濾元件差異引起的局部水頭損失的差異。本試驗過濾系統的局部水頭損失主要包括一級(離心)過濾器和二級(篩網/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由進出口斷面形式發生改變而造成的局部水頭損失;②由過濾器元件產生的過濾阻力而增加的額外局部水頭損失。過濾元件的水流運動屬于孔口出流,由此產生的局部水頭損失可細分為水流進出微孔時產生的局部水頭損失和水流在微孔中流動時產生的沿程水頭損失2部分。可采用以下公式表示:

    H = H離心+H進出+H進出孔+H孔中(1)

    式中:H為過濾系統局部水頭損失,m;H離心為離心過濾器局部水頭損失,m;H進出為二級過濾器進出口局部水頭損失,m;H進出孔為二級過濾器過濾元件中水流進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。

    在清水試驗中,離心過濾器、二級過濾的進出口結構固定不變,其局部水頭損失系數為一固定值,結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相同或接近時,各過濾系統H離心、H進出和H進出孔對應的值相等。而H孔中為沿程水頭損失,依據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的長度呈正相關。水流在篩網過元件微孔中流經的長度為網絲直徑,由于其直徑很小,對應的水頭損失很小,在實際計算中可以忽略不計;但對于疊片過濾元件而言,水流在微孔中流經的長度為疊片凹槽的長度,其長度相對較長,是網絲直徑的數十倍,對應的水頭損失值較大,不能忽略。因此,離心疊片過濾系統的局部水頭損失比離心篩網過濾系統大。

    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類過濾系統初始局部水頭損失的變化規律與清水條件下類似。圖3繪制出了各過濾系統處理含沙量為0.3%的水時的初始局部水頭損失變化規律曲線。從圖3中可以看出,離心疊片類過濾系統的局部水頭損失要明顯高于離心篩網類過濾系統,隨著流量的增大,疊片類高出篩網類的值越大。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>離心80目篩網,且同一類型過濾系統局部水頭損失變化規律相同。相同流量下,4種過濾系統局部水頭損失隨水質的變化比較明顯,進口水流含沙量越大,對應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生摩擦阻力,液體克服阻力做功,引起運動液體機械能的損失[4],對于本試驗而言即系統局部水頭損失。在高含沙水流條件下,含沙量越大,水流的粘滯系數越大,且大于相同溫度下清水的粘滯系數[5]。粘滯系數越大,水流內摩擦力做功消耗的機械能就越大,即水頭損失就越大。因此,相同流量下過濾系統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的距離較長,從而產生水頭損失就較大,其離心疊片類過濾系統初始局部水頭損失明顯高于離心篩網類。

    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的一個重要指標。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]來衡量過濾系統的泥沙處理能力。3種水質在不同流量下,經4種過濾系統過濾后,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,細顆粒含量較多,經各過濾系統過濾后粗顆粒含量間的差別對d50影響不大;②經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,再經二級過濾器處理后,其變化在d50上表現得就更加不明顯。d98為過濾系統的分離極限,表示泥沙中最粗泥沙顆粒的粒徑,本試驗中3種含沙水經2類4種過濾系統過濾以后的d98見表4。若灌水器流道直徑按800μm計算,這4種過濾系統對應的d98均小于80μm[8],都能滿足滴灌的水質處理要求。從表4中可以看出相同類型過濾系統過濾以后的泥沙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處理后的d98明顯小于離心篩網類,由此可以說明離心疊片過濾系統在泥沙處理方面優于離心篩網類過濾系統。分析認為主要原因是水流在篩網網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,進入過濾系統下游;而疊片凹槽較長,粗沙在凹槽內受到的阻力較大,不易穿過過濾元件進入過濾系統下游,因此離心疊片類過濾系統的泥沙處理能力優于離心篩網類過濾系統。

    3　結　語

    從能量損耗角度比較,2類過濾系統的局部水頭損失差異很大,相同流量下離心篩網類局部水頭損失明顯低于離心疊片類過濾系統,即離心篩網類過濾系統的水力性能優于離心疊片類過濾系統,過流量越大篩網類過濾系統優勢越明顯。從泥沙處理能力方面比較,2類過濾系統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類,即離心疊片類過濾系統要優于離心篩網類過濾系統。綜合分析,在能量供應富余條件下,可采用離心疊片類過濾系統,其中離心75目疊片過濾系統即可滿足常用灌水器的水質要求;若能量供應欠缺和灌水器灌水頻率不高時,采用離心篩網類過濾系統較好,其中離心80目篩網過濾系統即可滿足要求;如果灌水器流道較小,對水質要求較高時,建議采用離心疊片類過濾系統。

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