离心叠片与离心筛网过滤系统性能比较试验

离心叠片与离心筛网过滤系统性能比较试验

叶成恒1,3,范兴科1,2,姜　珊1,3

    (1.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100;2.西北农林科技大学,陕西杨凌712100;3.中国科学院研究生院,北京100049)

    摘　要：以离心叠片过滤系统和离心筛网过滤系统为研究对象,通过田间模拟试验,对2类过滤系统的水力性能及其泥沙处理能力进行比较研究。结果表明:在能量损耗方面,离心筛网类过滤系统的水力性能优于离心叠片类,过流量越大优势越明显;在泥沙处理方面,离心叠片类过滤系统处理后泥沙分离极限d98明显小于离心筛网类过滤系统,离心叠片类过滤系统泥沙处理能力明显优于离心筛网类过滤系统。该结果可为滴灌过滤系统,特别是小型移动式滴灌过滤系统的合理设计和有效配置提供参考。

    关键词:过滤系统;局部水头损失;泥沙处理;离心叠片式;离心筛网式

    中图分类号:S277.9　　　文献标识码:A

    叠片过滤器是国内外近年来发展起来的一种新型的过滤设备,与广泛应用的筛网过滤器相比具有许多相似之处,都具有安装简单、体积小和运行操作方便等优点,尤其是在反冲洗时,不像沙石过滤器那样需要较高的技术水平,非常适合于小型农户经营的滴灌系统。叠片过滤器片槽的复合内截面提供了类似于沙石过滤器中产生的三维的过滤,其过滤效果和过滤精度较高,随着加工工艺的简化和价格的降低,也将是未来滴灌过滤系统中使用较多的一类过滤器[1]。本文以离心过滤器作一级过滤,分别以筛网过滤器和叠片过滤器作二级过滤,组合成离心-筛网过滤系统和离心-叠片过滤系统,通过田间模拟试验对2类过滤系统水力学特性和泥沙处理效果进行比较研究。

    1　试验材料与方法

    (1)试验材料。离心过滤器、筛网过滤器(80目和120目)和叠片过滤器(75目和120目);精度0.1%的差压传感器、高精密压力表和流量计;配置含沙水所需的土样,其中黏粒(<0.002 mm)含量为5.24%,粉粒(0.002~0.05 mm)含量为69.24%,沙粒(0.05~2mm)含量为25.52%。

    (2)试验设计。①清水试验设计。在供水压力(0.2 MPa相同条件下,分别测定4个过滤系统在流量为5,10,15,20,2530,35 m3/h时的局部水头损失。②含沙水试验设计。在供水压力(0.2 MPa)相同的条件下,采用3因素完全试验设计:系统过流量(15,20,、25 m3/h);含沙量(0.1%、0.2%、0.3%);过滤系统(离心-80目筛网、离心-120目筛网、离心-75目叠片、离心-120目叠片)。

    (3)试验装置。试验装置如图1所示。

    试验装置由蓄水池、搅拌泵、供水泵、过滤器系统和监测设备等组成。离心过滤器设置在系统首部,作为一级过滤,筛网过滤器设置在离心过滤器的后面,作为二级过滤。流量计、差压传感器与数据采集器连接,再将数据采集器与电脑相连,通过电脑对测量值进行连续监测和记录。在3个测压点处安装高精密压力表,用来不定时校核压差传感器的监测值。在过滤器系统进水口处和出流口处安装流量调节阀和出流闸阀,在系统进出口处设置含沙水流采样点。

    (4)试验方法。试验前将取好的土样风干并过2 mm筛子备用。按试验设计含沙率在蓄水池内配制试验设计的泥沙水,待泥沙水搅拌均匀后启动供水泵开始试验,然后通过流量调节阀和系统出流闸阀快速调节好试验设计的流量和供水压力(0.2MPa),开启监测设备对各级过滤器的局部水头损失值H和系统流量值Q进行监测和记录,监测值采样间隔设定为30s,参考灌水均匀度要求[2],以系统流量偏差20%作为衡量和判断过滤器严重堵塞和开始反冲洗的指标,达到该指标就停机结束本次试验。利用统计分析的方法对2类过滤系统的水利性能进行对比分析,通过激光粒度仪对系统过滤后的泥沙粒径进行分析,对2类过滤系统过滤后泥沙的中值粒径d50和粗端粒径(分离极限)d98进行比较分析。

    2　试验结果与分析

    2.1　清水条件下局部水头损失比较

    过滤系统中,水头损失主要是水流通过各级过滤器时产生的能量损耗,是过滤系统的一项重要性能指标。考虑到首部过滤系统管道连接比较紧凑,管路产生的沿程水头损失较小,为了研究方便,忽略连接管道的沿程水头损失,全部概化为局部水头损失。在本试验中,过滤系统总局部水头损失是由离心过滤器的局部水头损失和筛网/叠片过滤器的局部水头损失2部分组成。图2为4种过滤系统在清水条件下,局部水头损失随系统过流量的变化曲线。4种组合过滤系统的局部水头损失均随着流量的增加而增加,呈二次抛物线的形式。从图2中可以看出,离心叠片类过滤系统的局部水头损失要明显大于离心筛网类过滤系统,流量越大,对应的差值越大。将目数相同(或接近)的2类过滤系统进行比较,水头损失差值见表1。从表1中可以看出,流量在5~15 m3/h时,相差较小,不到1 m;当流量超过20 m3/h以后,差值明显增大,开始超过1 m;在流量为35m3/h时,达4 m左右。在同一类型过滤系统中,水头损失变化曲线基本平行,目数越大局部水头损失值较大,且大目数与小目数在不同流量下对应的局部水头损失值相差基本相同,叠片类和筛网类的均值分别为0.13 m和0.31 m,其差值见表2。

    由此说明离心叠片类过滤系统较离心筛网过滤系统的局部水头损失大,即能量损耗大。在滴灌系统正常运行时,离心叠片类过滤系统对系统运行能量供应方面要求较高,需要较高的进口压力。在能量损耗方面,离心筛网类过滤系统的运行性能优于离心叠片类过滤系统。

    注:①D75-S80为离心75目叠片过滤系统与离心80目筛网过滤系统局部水头损失差值;②D120-S120为离心120目叠片过滤系统与离心120目筛网过滤系统局部水头损失差值。

    分析认为主要是由于过滤元件差异引起的局部水头损失的差异。本试验过滤系统的局部水头损失主要包括一级(离心)过滤器和二级(筛网/叠片)过滤器局部水头损失2部分,其中二级过滤器局部水头损失又可以分为以下2部分[3]:①由进出口断面形式发生改变而造成的局部水头损失;②由过滤器元件产生的过滤阻力而增加的额外局部水头损失。过滤元件的水流运动属于孔口出流,由此产生的局部水头损失可细分为水流进出微孔时产生的局部水头损失和水流在微孔中流动时产生的沿程水头损失2部分。可采用以下公式表示:

    H = H离心+H进出+H进出孔+H孔中(1)

    式中:H为过滤系统局部水头损失,m;H离心为离心过滤器局部水头损失,m;H进出为二级过滤器进出口局部水头损失,m;H进出孔为二级过滤器过滤元件中水流进出微孔口局部水头损失,m;H孔中为水流在过滤元件微孔中的沿程水头损失,m。

    在清水试验中,离心过滤器、二级过滤的进出口结构固定不变,其局部水头损失系数为一固定值,结合局部水头损失计算公式[4]可以得出:流量相同且二级过滤器目数相同或接近时,各过滤系统H离心、H进出和H进出孔对应的值相等。而H孔中为沿程水头损失,依据沿程水头损失计算公式[4]可得:沿程水头损失与水流在微孔中流经的长度呈正相关。水流在筛网过元件微孔中流经的长度为网丝直径,由于其直径很小,对应的水头损失很小,在实际计算中可以忽略不计;但对于叠片过滤元件而言,水流在微孔中流经的长度为叠片凹槽的长度,其长度相对较长,是网丝直径的数十倍,对应的水头损失值较大,不能忽略。因此,离心叠片过滤系统的局部水头损失比离心筛网过滤系统大。

    2.2　含沙水流条件下初始局部水头损失比较

    在含沙水流条件下,2类过滤系统初始局部水头损失的变化规律与清水条件下类似。图3绘制出了各过滤系统处理含沙量为0.3%的水时的初始局部水头损失变化规律曲线。从图3中可以看出,离心叠片类过滤系统的局部水头损失要明显高于离心筛网类过滤系统,随着流量的增大,叠片类高出筛网类的值越大。相同流量下,局部水头损失为:离心120叠片>离心75目叠片>离心120目筛网>离心80目筛网,且同一类型过滤系统局部水头损失变化规律相同。相同流量下,4种过滤系统局部水头损失随水质的变化比较明显,进口水流含沙量越大,对应的局部水头损失越大(见表3)。

    造成液体能量损失的根本原因是液体的粘滞性,由于粘滞性的存在液体在流动过程中就会产生摩擦阻力,液体克服阻力做功,引起运动液体机械能的损失[4],对于本试验而言即系统局部水头损失。在高含沙水流条件下,含沙量越大,水流的粘滞系数越大,且大于相同温度下清水的粘滞系数[5]。粘滞系数越大,水流内摩擦力做功消耗的机械能就越大,即水头损失就越大。因此,相同流量下过滤系统初始局部水头损失随含沙量增大而增大,且都高于清水时的局部水头损失。由于水流在叠片过滤元件微孔中流经的距离较长,从而产生水头损失就较大,其离心叠片类过滤系统初始局部水头损失明显高于离心筛网类。

    2.3　泥沙处理能力比较

    灌水器的堵塞与否,与灌溉水中的污物粒径大小有直接关系[6],颗粒粒径越大,就越容易造成堵塞,因此过滤后水流中泥沙粒径大小是衡量过滤系统的一个重要指标。本文以过滤后泥沙颗粒的中值粒径d50和分离极限(粗端粒径)d98[7]来衡量过滤系统的泥沙处理能力。3种水质在不同流量下,经4种过滤系统过滤后,水流中泥沙的d50差别不大,都为6~8μm。

    其主要原因有:①过滤系统对泥沙的处理主要是针对粒径较大的粗沙,泥沙本身粗颗粒含量较少,细颗粒含量较多,经各过滤系统过滤后粗颗粒含量间的差别对d50影响不大;②经过离心过滤器的处理,原本含量较少的粗沙部分就变得更少,再经二级过滤器处理后,其变化在d50上表现得就更加不明显。d98为过滤系统的分离极限,表示泥沙中最粗泥沙颗粒的粒径,本试验中3种含沙水经2类4种过滤系统过滤以后的d98见表4。若灌水器流道直径按800μm计算,这4种过滤系统对应的d98均小于80μm[8],都能满足滴灌的水质处理要求。从表4中可以看出相同类型过滤系统过滤以后的泥沙d98变化不大,不同类型间的差异较明显,离心叠片类过滤系统处理后的d98明显小于离心筛网类,由此可以说明离心叠片过滤系统在泥沙处理方面优于离心筛网类过滤系统。分析认为主要原因是水流在筛网网孔中穿流的距离较短,部分粗沙在水流的冲力和压力的作用下挤过筛网,进入过滤系统下游;而叠片凹槽较长,粗沙在凹槽内受到的阻力较大,不易穿过过滤元件进入过滤系统下游,因此离心叠片类过滤系统的泥沙处理能力优于离心筛网类过滤系统。

    3　结　语

    从能量损耗角度比较,2类过滤系统的局部水头损失差异很大,相同流量下离心筛网类局部水头损失明显低于离心叠片类过滤系统,即离心筛网类过滤系统的水力性能优于离心叠片类过滤系统,过流量越大筛网类过滤系统优势越明显。从泥沙处理能力方面比较,2类过滤系统过滤后泥沙中值粒径d50差异不大,但是分离极限d98差异比较明显,离心叠片类小于离心筛网类,即离心叠片类过滤系统要优于离心筛网类过滤系统。综合分析,在能量供应富余条件下,可采用离心叠片类过滤系统,其中离心75目叠片过滤系统即可满足常用灌水器的水质要求;若能量供应欠缺和灌水器灌水频率不高时,采用离心筛网类过滤系统较好,其中离心80目筛网过滤系统即可满足要求;如果灌水器流道较小,对水质要求较高时,建议采用离心叠片类过滤系统。

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