网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算_宗全利

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1.1
材料与方法
试验材料
试验在石河子大学水利建筑工程学院水力学大厅内进行。 试验装置如图 1 所示， 由蓄水池 （长、 3 宽、高分别为 5.0、4.0、1.5 m，总容积为 30.0 m ）、搅拌池（直径和高分别为 1.2 m 和 1.0 m，容
积为 1.131 m3） 、 离心泵、 网式过滤器、 变频柜及控制箱、 电磁及手动阀门、 精密压力表及 TDS-100P 型便携式超声波流量计、进出水管道、排污管道等设备构成。试验开始前，在蓄水池中注入足量清 水或浑水，蓄水池水面应高于搅拌池水面。试验过程中，水流由蓄水池溢流入搅拌池，流入搅拌池 的水在离心泵的作用下从搅拌池经进水管进入过滤器， 在过滤器内经由过滤器滤网过滤后由出水管 流回蓄水池，流回蓄水池的水又在离心泵的作用下进入进水管流经过滤器进行下一个循环，整个试 验装置可以认为是一个完整的循环过滤系统。
(College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi Univercity, Shihezi 832000, China)
Abstract：Filtration is essential to the efficient operation of drip irrigation systems and screen filter is the most common types of filter used in drip irrigation systems. The screen of filter could be clogged by sand particles which can’t pass through the filter mesh pore in the process of filtering. The clogging experiment was carried out to analyze the process and reason of screen clogging, and obtain some parameters of calculating the pressure drop of screen filter after being clogged. According to experimental results, the clogging reason was analyzed by the medium clogging and filtration cake clogging, respectively. The sizes of sand particles in inner layer of filtration cake are large and the sizes in the outer layer are small and uniform. With the large size of mesh pore, the time of screen clogging is short and the screen was easy to be clogged. Under the same size of mesh pore, the time of screen clogging will be shorten with large sand concentration. Based on Darcy’s Law and actual parameters of screen, the relationship between pressure drop of screen and the mesh pore, mesh thickness, mesh porosity, filtration cake thickness, filtration cake porosity was developed theoretically. According to the actual data of the filtration mesh and cake, the pressure drops between the internal and external surface of screen were calculated with the mesh
图 1 滤网堵塞试验装置图 Fig.1 Screen clogging experimental apparatus 1. 蓄水池 7. 变频柜 13. 控制箱 2. 电动机 3. 搅拌池 8. 超声波流量计 9. 进口压力表 14. 出水管 15. 出水管阀门 4. 进水管取水口 10. 网式过滤器 16. 支墩 5. 离心泵 11. 出口压力表 6. 进水管 12. 电磁及手动阀
pore sizes of 430 m, 280 m and 200 m, respectively. The results indicated that the pressure drops increase with the increase of flow rate, mesh thickness and filtration cake thickness. The pressure drops also increase with the decrease of mesh pore and cake porosity. The calculated results of pressure drop were compared with the measured values, which indicated that the predicted pressure drop for each filtration level show a good correlation with the measured pressure drop of filter screen, and the results in this study can reflect the clogging law of screen. Key words：screen filter；screen；clogging reason；filtration cake；pressure drop
网络出版时间：2017-06-15 12:07:28 网络出版地址：/kcms/detail/11.1964.s.20170615.1207.002.html Nhomakorabea农
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网式过滤器滤网堵塞成因分析与压降计算
宗全利 杨洪飞 刘贞姬 葛宇川
（石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000） 摘要：为分析网式过滤器滤网堵塞的过程和成因，并获得滤网堵塞后压降计算的相关参数，对网式

收稿日期：2017-01-02 修回日期：2017-02-23 基金项目：国家自然科学基金项目（11662018） 作者简介：宗全利（1979-），男，教授，博士，主要从事农业资源与环境研究，E-mail：quanli1871@ 通信作者：刘贞姬（1979-），女，副教授，硕士生导师，主要从事工程水力学研究，E-mail：shz_ljz@
引言
在微灌系统中，过滤器是最核心的设备之一。过滤器有离心式、网式、碟片式和组合式过滤器 等。网式过滤器过滤效果好、清洗效率高、不易损毁、拆卸方便、性价比高，因此网式过滤器广泛 应用在现代农业灌溉系统中。但是，好的过滤效果伴随着较高的堵塞率，网式过滤器的滤网堵塞是 制约过滤性能的主要因素。随着各国对农业灌溉基础设施的投入力度加大，现代农业灌溉系统的普 及速度越来越快，过滤器滤网堵塞问题在灌溉进程中越发突出，已经成为亟待解决的难题。解决滤 网堵塞问题对优化现代农业灌溉系统意义重大。 目前国内外对网式过滤器的研究重点主要集中在过滤器过滤性能、 排污性能以及滤网堵塞成因 等方面，其中对过滤性能和排污性能的研究成果较多，主要涉及网式过滤器的水头损失、排污压差 以及排污时间等的试验和计算[1-7]；滤网堵塞方面的研究成果较少，主要涉及堵塞成因和滤网压降 计算 2 部分。针对滤网堵塞成因，国内外一些学者通过试验进行了研究。JUANICO[8]等就处理后污 水对过滤器堵塞性能的影响进行研究， 发现过滤器堵塞是由混合的浮游生物以及悬浮颗粒的积聚造 成的，随着进水流量的增加，堵塞程度加剧，较大的海藻和浮游生物成为堵塞的主要因素，悬浮颗 粒的积聚造成堵塞的影响较小；ADIN 等[9]研究指出滤网堵塞是滴灌用网式过滤器过滤过程中遇到 的一个难题，在试验中，均以来源相同且含有大量有机物的水源进行试验，以滤网孔径、过滤速度 和有机物含量为变量研究滤网堵塞机理，发现滤网堵塞率取决于滤网孔径、过滤速度和有机物含量 等变量，计算得出评估过滤器过滤性能的过滤指数和滤饼阻力；DURAN-ROS[10]和 RAVINA 等[11] 研究了污水通过不同类型过滤器过滤后对灌水器堵塞的效果；刘焕芳[4]和宗全利等[12]研究发现，过 滤流量、过滤时间、含沙量等决定了滤网的堵塞程度；徐新阳等[13]详细介绍了滤饼过滤过程中各物 理量的计算公式、计算机模拟程序的设计，为滤饼过滤过程的研究提供了一种新的研究方法。 国内外一些学者对滤网压降也进行了一定的研究， SCHMIDT[14]研究认为， 在介质过滤过程中， 杂质颗粒积累形成滤饼， 过滤器的特性受到滤饼本身结构特征的影响， 这些结构特征包括粒径分布、 粒子电荷、 内聚特性等， 随着过滤时间增加， 流动阻力和压降增加， 而且压降变化不是线性变化的； 文棋[15]对自清洗过滤器的过滤机理进行了研究，着重研究过滤介质和过滤所形成的滤饼处的压降， 得到了工业用全自动自清洗过滤器的透过度和孔隙度 2 个参数值； 宗全利[16]和刘飞等[17]在试验中发 现，过滤过程中滤饼未建立之前，过滤介质产生的流阻起主要作用，滤网表面形成滤饼后，滤饼对 液流产生的流阻起主要作用； 徐茂云[18]在我国现有微灌用筛网式过滤器水力性能的首次较系统的试 验研究的基础上，提出了推求滤网在不同堵塞情况下过滤器局部水头损失系数的经验公式。 以上分析表明，现有网式过滤器研究成果中对滤网堵塞成因的研究较少， 且主要以污水为灌溉 水源，针对泥沙堵塞滤网过程的试验研究较少，且缺乏滤网堵塞压降的计算方法。为此，本文通过 对网式过滤器滤网堵塞现象的试验研究，详细分析滤网的堵塞成因；通过测量堵塞过程的相关实际 数据，分析过滤过程中滤网内外压降与滤网孔径、滤网厚度、滤网孔隙率、形成滤饼层厚度、滤饼 孔隙率的关系，以期为进一步解决滤网堵塞问题提供分析依据。