高压直冲无压网式过滤器的主体结构设计

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　　摘要    本文提出了高压直冲技术和无压过滤技术的设计思想，开展了无压过滤器主体结构滤网的设计。通过滤网流速、流量、尺寸、开孔率等设计计算，设计出了一种大流量的滤网结构。此种滤网的滤筒直径为60 cm、长度为120 cm。该滤网具有过滤面积大、结构稳定、过水量大的特点，同时具有污水自由出流过滤的能力。
　　关键词    过滤器滤网;过滤;设计
　　中图分类号    F426.22        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）03-0161-02
　　開放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Design  of  Main  Structure  of  High  Pressure  Direct  Flushing  Screen  Filter
　　Saiyidan ai-li 1，2    SHENG Xiang-min 1，2 *    CUI Chun-liang 1，2    CHEN Zhi-qing 1，2    LI Ti-fu 1，2    LEI Jian-hua 1，2
　　（1 Xinjiang Water Resources Research Institute，Urumqi Xinjiang 830049; 2 Urumqi Xishui Water-saving Equipment Research and Development Center）
　　Abstract    In this paper，the design concepts of high pressure direct flush to the filter screen technology and natural head filtration technology were put forward，the design of the main structure of filter without pressure was carried out.Through the design and calculation of the flow rate，flow，size and opening rate of the filter，a filter screen structure with large flow was designed.The filter cartridge of this filter screen was 60 cm in diameter and 120 cm in length.The filter screen had the characteristics of large filtering area，stable structure and more water flow，and it also had the ability of sewage free flow filtration.
　　Key words    filter screen;filtration;design
　　目前，新疆高效节水灌溉面积已经超过266.67万hm2，高效节水灌溉的水源大部分是地表水，由各级渠道输水，泥沙、有机质、漂浮物含量比较大。
　　传统的砂石过滤器、网式过滤器和叠片过滤器等泵后有压过滤器都存在要消耗5～10 m水头、运行成本高等问题，因而自由出流式过滤器的研发成为亟待解决的问题。新疆水利水电科学研究院针对该问题展开了高压直冲无压过滤器的研发，其过滤形式都是自由出流，清水进入水泵加压，不产生额外的水头损失，较泵后过滤器降低5～10 m水头的能耗。另外，该设备的排污水能够自动回收并重复利用，不浪费水。
　　过滤是从液体中分离固体颗粒的过程，其基本原理是在压差的作用下，使液体、固体两相混合通过多孔介质（过滤介质），而固体颗粒则截留于介质上，从而达到液固分离的目的[1]。
　　在具体的过滤过程设计时，应综合考虑影响因素。如尺寸、形状、分布等固体颗粒的特性、流体的粘性特性、去除物质的数量、过滤过程的断续性、连续性及固体粒子在悬浮液中的密集度等[2]。这一过程有2个显著的特点：一是该液体的流动属于压差、年度等宏观流体力学因素和毛细现象、凝絮现象等微观物化因素引起的滞流运动;二是悬浮于液体中连续不断地沉积的固体颗粒沉积在介质表面上形成滤饼，使得沉积滤饼不断受到压缩，并随着过滤的进行，流动阻力不断增加，影响过滤过程的因素十分复杂。因此，设计与分析任何一种过滤过程，都是基于上述基本特点来进行的[3]。本研究试图将过滤和冲洗的液体区分，通过水流的自然水势实现固液分离，进而降低整体过滤装置的能耗。
　　1    设计思想
　　高压直冲技术是利用高压水柱直冲清洗滤网的一种过滤器清洗技术。其设计思想是设计一种特殊的滤网与冲洗装置配合的结构，以适当的进水方式，利用加压水泵提供的高压水柱对附着于滤网表面的颗粒进行冲刷，从而完成对过滤器的清洗。
　　无压过滤技术是利用水流的自然水势的一种过滤器过滤技术。其设计思想是设计一种恰当的滤网进出水的结构，水源利用自然水势通过滤网，使得带过滤的固体颗粒附着于滤网表面，从而完成对水源的过滤。
　　当污水通过水势能流经滤网时，待过滤固体颗粒将附着在滤网上。当检测到滤网内外两侧水势差较大时，水泵将会开启，高压水流通过排污管形成高压水柱直接冲洗滤网，将滤网上的固体颗粒冲离滤网，进入待定的储污装置内，进而实现该过滤器的高压冲洗无压过滤。 　　2    高压直冲无压网式过滤器工作原理
　　过滤器的工作原理为污水从水池（或水箱）经滤网流入过滤器腔体，经过滤网的过滤作用后，由过滤水直接进入管道。当污水区水位变化过程中出现涨幅聚变时，说明滤网表面的固体颗粒较多影响了水的流通，开启排污水泵将冲洗水通过排污腔形成高压水柱，高压水柱将附着在滤网上的固体颗粒及其他杂质冲出，完成1次清洗过程，整个冲洗过程为30～120 s。高压直冲无压网式过滤器在运行过程中污水过滤和滤网清洗是2套相互独立的系统结构。在直冲排污的同时，不影响过滤器的正常供水。该结构使得该设备具有连续过滤、冲洗排污方便等优点。
　　3    高压直冲无压网式过滤器的设计
　　高压直冲无压网式过滤器由滤网、连接板、连接法兰及其相关的连接机架、冲洗装置等组成，本文主要介绍滤网的设计。
　　3.1    滤网的设计
　　3.1.1    过滤速度的确定。过滤速度是水流通过滤网时的速度，流速偏大将会产生较大的水损以致增加设备运行成本，而流速偏小将使同等过流量的条件下的滤网面积更大，将会增加设备制造成本。因此，设计过滤流速的确定将直接影响过滤器处理污水能力、设备运行成本和设备制造成本。根据国内外的相关文献资料[4-5]，网式过滤器的过滤速度约为0.1～0.2 m/s，由于本文设计的水流没有加压设置，设计时将过滤速度选定为0.1 m/s。
　　3.1.2    滤网流量的确定。设计流量即为过滤器的过流量，设计流量是设计过滤流速时通过过滤器的流量，相关计算公式如下[6]：
　　Q=3.6×103 f×A×V（1）
　　式（1）中，Q为过滤器的设计流量（m3/h），A为过滤器中滤网的实际使用面积（m2），f为滤网的净面积系数，V为设计过滤速度（m/s）。
　　滤网在过滤器中为圆形，滤网的实际使用面积可由圆筒展开计算，其计算公式如下：
　　A=π×D×L（2）
　　式（2）中，D为过滤器滤网卷筒的直径（m），L为过滤器滤网卷筒的长度（m）。
　　根据新疆高效节水灌溉工程应用市场调研，一个系统控制的灌溉面积33.33～100.00 hm2，系统流量为150～450 m3/h。综合高效节水灌溉工程投资与管理水平、农业土地集约化管理方式以及未来农业土地流转的趋势，本设计选择灌溉流量为300 m3/h。
　　3.1.3    滤网尺寸的确定。将已经确定的流速0.1 m/s、设计流量300 m3/h和公式（2）依次代入公式（1），可得关系式：
　　300=3.6×103 f×A×0.1=3 600 f×π×D×L×0.1（3）
　　得到滤网卷筒直径、长度和滤网净面积系数的关系函数式：
　　0.265 3=f×D×L（4）
　　将元件的长细比λ带入式（4）得：
　　滤网规格的选择主要取决于所用滤网的目数，结合新疆高效节水工程和国家相关规范标准，本设计综合选定120目滤网，滤网的净面积系数f取0.4[6]。从受力和稳定角度考虑，元件的长细比一般为1<λ<5，根据λ的大小绘制不同λ与D的关系曲线（图1）。综合考虑排污装置，本设计选定λ=2时的滤网卷筒直径、长度为最终设计值，设计值确定为滤网圆筒直径为60 cm，长度120 cm。
　　3.1.4    滤网骨架材料选择及开孔率计算。为了滤网整体结构的稳定性，滤网骨架需要满足结构抗压、抗拉的强度要求，综合防腐、防锈及其结构性能的要求，本設计选定不锈钢材料作为滤网骨架，选定厚度为1.0 mm，开孔形式为等腰三角形排列，要求开孔度达到0.5[6-7]，其计算公式如下：
　　式（6）中，P为筛网骨架的开孔率，N为筛网骨架表面的开孔总数（本设计共9万个），d1为开孔直径（mm），Dg为筛网骨架直径（mm），L为筛网骨架长度（mm）。
　　由此可得P为0.50，在此条件下，滤网骨架开孔度满足要求。
　　3.2    过滤器出水口的设计
　　该过滤器为潜水无压过滤器，所以进水口即为滤网表面网孔。该过滤器出水口接入取水设备，需要连接管段和法兰，因而只需进行过滤器出水口设计即可。
　　（1）出水口管径的确定。出水口管径的大小取决于过滤器的设计流量和滤网的过滤速度，其流体力学的计算公式如下：
　　式（7）中，d为过滤器出水口管道的直径（m），Q为过滤器的设计流量（m3/h），v为过滤器出水口管道的速度（m/s）。
　　本设计中流量为300 m3/h，综合本设计过滤器的自由出流的特点、新疆高效节水灌溉工程和微灌过滤器筛网相关文献资料[8]，出水口管道的流速选择1.2 m/s。经计算得出水口管道直径为325 mm。考虑到连接管段较短，设计管径确定为325 mm的不锈钢管道。
　　（2）出水口连接法兰的选定。出水管的公称直径为DN 300，工作压力为0.6 MPa，而法兰选配确定为DN 300、PN 0.6 MPa的法兰。
　　4    结论
　　本设计提出了一种新型高压直冲无压网式过滤器的设计理念，该设计理念包括2点，一是高压直冲，即利用加压水泵提供的高压水柱对附着于滤网表面的颗粒进行冲刷，从而完成对过滤器的清洗;二是无压过滤，即水源利用自然水势通过滤网，使得带过滤的固体颗粒附着于滤网表面，从而实现无压过滤[9]。
　　本文设计了一种无压过滤器的滤网，滤网滤筒的直径为 60 cm、长度为120 cm。该过滤器的滤网具有过滤面积大、结构稳定、过水量大等特点，同时具有污水自由出流过滤网的能力。
　　本文主要针对滤网开展了设计，而高压直冲的研究和相关配套元件的结构设计与受力分析并未在此文描述，使得对该过滤器整体性的研究不完善，未来还会继续针对该过滤器的研究发表论述。
　　5    参考文献
　　[1] 付海明，沈恒根.纤维过滤器过滤理论的研究进展[J].中国粉体技术，2003，9（1）：41-46.
　　[2] 曲爱平.深层过滤理论基础研究[J].化学工程，1999，27（5）：30-33.
　　[3] 叶德海.大流量直冲洗筛网过滤器研究[D].北京：北京工业大学，2006.
　　[4] ANON.self cleaning water filter[J].Process Engineering，1984，2（1）：27-29.
　　[5] CLARENBURG L A，PIELCAAR H W.Aerosol filters（II）：theory of pre-ssure drop across single component glass fibre filters[J].Chem Ens Sci，1968，23：773-781.
　　[6] 董文楚.微灌用滤网过滤器设计原理与方法[J].中国农村水利水电，1996（12）：15-19.
　　[7] 宗全利，刘焕芳，郑铁刚，等.微灌用网式新型自清洗过滤器的设计与试验研究[J].灌溉排水学报，2010，29（1）：78-82.
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　　[9] 柴海东.微灌系统中过滤器的使用[J].现代化农业，2016（10）：55-56.
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