兩種不同流道結構的疊片水頭損失研究

2019-05-17 07:48:50崔春亮盛祥明雷建花陳志卿

水資源與水工程學報 2019年2期

崔瑞，崔春亮，盛祥明，雷建花，陳志卿

(1.新疆水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊 830049；2.新疆農業節水工程技術中心，新疆烏魯木齊 830049)

1 研究背景

網式、疊片、介質過濾器做為常用3種過濾器廣泛地應用在滴灌系統首部中，其中由于疊片過濾器中的疊片具有獨特流道結構，使其具有過濾效率高、使用壽命長等特點。目前對疊片過濾器性能的研究集中在試驗、研制和數值模擬等方面。阿不都·沙拉木等[1]、秦天云等[2-3]分別通過試驗分析了在過濾含藻類的地表水時，疊片過濾器過濾效果上優于網式過濾器；在渾水條件下疊片過濾器的除沙效率大于網式過濾器。楊萬龍等[4]、劉廣榮等[5]、王棟等[6]、王燕燕[7]、張娟娟等[8]、李楠等[9]在疊片過濾器的研制上對其結構進行了優化，使得目前國內產品的性能和過濾效果與國外同類產品相當。肖新棉等[10-11]、李浩等[12]用CFD軟件對疊片過濾器的內部流場進行了數值模擬，分別得出了疊片的最優層數和過濾器進口管路與濾筒之間的最優夾角。此外新疆水科院針對自主研發的幾種形式的疊片過濾器也進行了相關的試驗研究，如申祥民等[13]對三芯和多連體組合疊片過濾器進行了水力學性能試驗研究，在水頭損失上得出三芯疊片過濾器優于多連體組合疊片過濾器。崔春亮等[14]針對疊片過濾器與國外同類產品進行了對比試驗，結果表明自主研發的高性能疊片過濾器的過流性能、抗壓能力和過濾精度均達到了國外同類產品的技術水平。王君等[15]針對自主研發的疊片過濾器進行了研究，通過試驗得出其水頭損失與其他疊片過濾器水頭損失規律相同。

新疆水科院在2010年申請了疊片生產工藝的發明專利——用電鑄法生產疊片過濾器疊片模具的工藝，2012年獲得專利號ZL 2010 1 6534331.5。2015年又研發出新型復合流道疊片-多級復合流道疊片，專利號ZL 2013 2 0094335.5，該研發成果針對傳統疊片即單一的直線型流道進行了改進。

2 復合流道疊片結構設計

2.1 復合流道疊片介紹

本文采用的多級復合流道疊片見圖1，將此疊片裝入3"的疊片過濾器中，疊片過濾器(耐壓等級為0.8 MPa)見圖2。本次試驗在新疆水利水電科學研究院過濾器檢測試驗平臺測試完成。

本次試驗研究所采用的新型疊片的特點是：將原有的傳統直線型流道即一級過濾形式優化為兩級流道過濾，其中一級流道的過濾精度為60目，二級流道過濾精度為120目。新型疊片的過濾精度與外形尺寸均采用傳統直線型流道疊片，這樣使得復合流道疊片可以進行兩級過濾，即60目初級過濾與120目精細過濾，同時簡化了新的模具結構設計，便于批量生產，使其具有產業化的能力。

圖1復合疊片外觀圖圖2水動疊片過濾器圖

2.2 復合流道疊片的設計參數

(1)疊片形式：為圓環狀結構、疊片上下表面有V型溝槽，結構如圖3所示。

(2)疊片設計參數：疊片外徑(一級流道外徑)為57.5 mm；二級流道外徑(一級流道內徑)為52.5 mm；二級流道內徑為42.5 mm；流道斜度為27°；溝槽深0.14 mm；一級流道流道數量(雙面)480條；二級流道流道數量(雙面)960條；一級流道槽寬1.5 mm，二級流道槽寬0.75 mm；疊片厚度1.2 mm。

圖3復合流道疊片結構圖(單位：mm)

3 試驗裝置與測試數據

(1)試驗儀器設備：水泵、進水口壓力表、3"三組濾芯疊片過濾器(設計過流能力為60 m3/h)，出口壓力表、流量控制平臺、回水管道。圖4為本次試驗裝置示意圖。

(2)本次試驗疊片過濾器裝入的疊片為自主研制的復合流道疊片(下文簡稱復合疊片)和傳統直線型流道疊片(下文簡稱傳統疊片)。

(3)試驗測量數據：試驗共設置了7組不同流量，測試并收集兩種疊片的水頭損失的數據，主要采集以下幾方面的數據：水泵流量；進水口壓力值；出水口壓力值；進出口壓差即水頭損失。

4 結果與分析

試驗對過濾器中兩種不同流道結構的疊片進行了水力學性能測試，兩種疊片流量與水頭損失關系見表1和圖5。

從表1和圖5分析可知，隨著流量的增加，測試的兩種疊片的水頭損失都在逐漸增加，并且水頭損失與流量呈現冪函數的關系，相關系數R2均達到0.99以上。通過表1中數據分析，當流量范圍為40～50 m3/h時，復合疊片的水頭損失在2.0 m之內，而傳統疊片的水頭損失達到2.22 m；當流量超過55 m3/h，尤其是達到設計過流能力(60 m3/h)時，兩種疊片的水頭損失均有較大幅度的增加，但復合疊片水頭損失增加幅度明顯小于傳統疊片。

圖4 試驗裝置示意圖

圖6為兩種疊片流量與水頭損失差值關系曲線。從圖6可以看出，隨著流量的增加，傳統疊片與復合疊片的水頭損失差值在逐漸加大，二者的水頭損失差值與流量呈現出線性關系，相關系數R2為0.98。從而進一步說明隨著流量的增加復合疊片的水頭損失要明顯小于傳統疊片。

產生上述現象的原因是由于復合疊片和傳統疊片的流道布置方式的差異所造成的。雖然兩種疊片的流道長度均于為15 mm，但是復合疊片的流道長度由兩部分組成，其中一級流道長度為5 mm，二級流道長度為10 mm，由于復合疊片的一級流道過濾精度為60目，所對應的溝槽寬度比二級流道過濾精度為120目的寬。當水流經過兩種疊片時，復合的水頭損失是60目流道的水頭損失與120目流道的水頭損失之和，而傳統疊片流道尺寸統一為120目，所以5 mm長度的60目流道水頭損失要小于對應長度的120目流道水頭損失，故而復合疊片的總水頭損失小于傳統疊片的水頭損失。