高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賽衣旦·艾力　盛祥民　崔春亮　陳志卿　力提甫　雷建花

摘要? ? 本文提出了高壓直沖技術(shù)和無壓過濾技術(shù)的設(shè)計(jì)思想，開展了無壓過濾器主體結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)。通過濾網(wǎng)流速、流量、尺寸、開孔率等設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)出了一種大流量的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)。此種濾網(wǎng)的濾筒直徑為60 cm、長度為120 cm。該濾網(wǎng)具有過濾面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、過水量大的特點(diǎn)，同時(shí)具有污水自由出流過濾的能力。

關(guān)鍵詞? ? 過濾器濾網(wǎng);過濾;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)? ? F426.22? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）03-0161-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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，新疆高效節(jié)水灌溉面積已經(jīng)超過266.67萬hm2，高效節(jié)水灌溉的水源大部分是地表水，由各級(jí)渠道輸水，泥沙、有機(jī)質(zhì)、漂浮物含量比較大。

傳統(tǒng)的砂石過濾器、網(wǎng)式過濾器和疊片過濾器等泵后有壓過濾器都存在要消耗5～10 m水頭、運(yùn)行成本高等問題，因而自由出流式過濾器的研發(fā)成為亟待解決的問題。新疆水利水電科學(xué)研究院針對(duì)該問題展開了高壓直沖無壓過濾器的研發(fā)，其過濾形式都是自由出流，清水進(jìn)入水泵加壓，不產(chǎn)生額外的水頭損失，較泵后過濾器降低5～10 m水頭的能耗。另外，該設(shè)備的排污水能夠自動(dòng)回收并重復(fù)利用，不浪費(fèi)水。

過濾是從液體中分離固體顆粒的過程，其基本原理是在壓差的作用下，使液體、固體兩相混合通過多孔介質(zhì)（過濾介質(zhì)），而固體顆粒則截留于介質(zhì)上，從而達(dá)到液固分離的目的[1]。

在具體的過濾過程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮影響因素。如尺寸、形狀、分布等固體顆粒的特性、流體的粘性特性、去除物質(zhì)的數(shù)量、過濾過程的斷續(xù)性、連續(xù)性及固體粒子在懸浮液中的密集度等[2]。這一過程有2個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是該液體的流動(dòng)屬于壓差、年度等宏觀流體力學(xué)因素和毛細(xì)現(xiàn)象、凝絮現(xiàn)象等微觀物化因素引起的滯流運(yùn)動(dòng);二是懸浮于液體中連續(xù)不斷地沉積的固體顆粒沉積在介質(zhì)表面上形成濾餅，使得沉積濾餅不斷受到壓縮，并隨著過濾的進(jìn)行，流動(dòng)阻力不斷增加，影響過濾過程的因素十分復(fù)雜。因此，設(shè)計(jì)與分析任何一種過濾過程，都是基于上述基本特點(diǎn)來進(jìn)行的[3]。本研究試圖將過濾和沖洗的液體區(qū)分，通過水流的自然水勢(shì)實(shí)現(xiàn)固液分離，進(jìn)而降低整體過濾裝置的能耗。

1? ? 設(shè)計(jì)思想

高壓直沖技術(shù)是利用高壓水柱直沖清洗濾網(wǎng)的一種過濾器清洗技術(shù)。其設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)一種特殊的濾網(wǎng)與沖洗裝置配合的結(jié)構(gòu)，以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水方式，利用加壓水泵提供的高壓水柱對(duì)附著于濾網(wǎng)表面的顆粒進(jìn)行沖刷，從而完成對(duì)過濾器的清洗。

無壓過濾技術(shù)是利用水流的自然水勢(shì)的一種過濾器過濾技術(shù)。其設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)一種恰當(dāng)?shù)臑V網(wǎng)進(jìn)出水的結(jié)構(gòu)，水源利用自然水勢(shì)通過濾網(wǎng)，使得帶過濾的固體顆粒附著于濾網(wǎng)表面，從而完成對(duì)水源的過濾。

當(dāng)污水通過水勢(shì)能流經(jīng)濾網(wǎng)時(shí)，待過濾固體顆粒將附著在濾網(wǎng)上。當(dāng)檢測(cè)到濾網(wǎng)內(nèi)外兩側(cè)水勢(shì)差較大時(shí)，水泵將會(huì)開啟，高壓水流通過排污管形成高壓水柱直接沖洗濾網(wǎng)，將濾網(wǎng)上的固體顆粒沖離濾網(wǎng)，進(jìn)入待定的儲(chǔ)污裝置內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該過濾器的高壓沖洗無壓過濾。

2? ? 高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器工作原理

過濾器的工作原理為污水從水池（或水箱）經(jīng)濾網(wǎng)流入過濾器腔體，經(jīng)過濾網(wǎng)的過濾作用后，由過濾水直接進(jìn)入管道。當(dāng)污水區(qū)水位變化過程中出現(xiàn)漲幅聚變時(shí)，說明濾網(wǎng)表面的固體顆粒較多影響了水的流通，開啟排污水泵將沖洗水通過排污腔形成高壓水柱，高壓水柱將附著在濾網(wǎng)上的固體顆粒及其他雜質(zhì)沖出，完成1次清洗過程，整個(gè)沖洗過程為30～120 s。高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器在運(yùn)行過程中污水過濾和濾網(wǎng)清洗是2套相互獨(dú)立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在直沖排污的同時(shí)，不影響過濾器的正常供水。該結(jié)構(gòu)使得該設(shè)備具有連續(xù)過濾、沖洗排污方便等優(yōu)點(diǎn)。

3? ? 高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器的設(shè)計(jì)

高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器由濾網(wǎng)、連接板、連接法蘭及其相關(guān)的連接機(jī)架、沖洗裝置等組成，本文主要介紹濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

3.1? ? 濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)

3.1.1? ? 過濾速度的確定。過濾速度是水流通過濾網(wǎng)時(shí)的速度，流速偏大將會(huì)產(chǎn)生較大的水損以致增加設(shè)備運(yùn)行成本，而流速偏小將使同等過流量的條件下的濾網(wǎng)面積更大，將會(huì)增加設(shè)備制造成本。因此，設(shè)計(jì)過濾流速的確定將直接影響過濾器處理污水能力、設(shè)備運(yùn)行成本和設(shè)備制造成本。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)資料[4-5]，網(wǎng)式過濾器的過濾速度約為0.1～0.2 m/s，由于本文設(shè)計(jì)的水流沒有加壓設(shè)置，設(shè)計(jì)時(shí)將過濾速度選定為0.1 m/s。

3.1.2? ? 濾網(wǎng)流量的確定。設(shè)計(jì)流量即為過濾器的過流量，設(shè)計(jì)流量是設(shè)計(jì)過濾流速時(shí)通過過濾器的流量，相關(guān)計(jì)算公式如下[6]：

Q=3.6×103 f×A×V（1）

式（1）中，Q為過濾器的設(shè)計(jì)流量（m3/h），A為過濾器中濾網(wǎng)的實(shí)際使用面積（m2），f為濾網(wǎng)的凈面積系數(shù)，V為設(shè)計(jì)過濾速度（m/s）。

濾網(wǎng)在過濾器中為圓形，濾網(wǎng)的實(shí)際使用面積可由圓筒展開計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

A=π×D×L（2）

式（2）中，D為過濾器濾網(wǎng)卷筒的直徑（m），L為過濾器濾網(wǎng)卷筒的長度（m）。

根據(jù)新疆高效節(jié)水灌溉工程應(yīng)用市場(chǎng)調(diào)研，一個(gè)系統(tǒng)控制的灌溉面積33.33～100.00 hm2，系統(tǒng)流量為150～450 m3/h。綜合高效節(jié)水灌溉工程投資與管理水平、農(nóng)業(yè)土地集約化管理方式以及未來農(nóng)業(yè)土地流轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，本設(shè)計(jì)選擇灌溉流量為300 m3/h。

3.1.3? ? 濾網(wǎng)尺寸的確定。將已經(jīng)確定的流速0.1 m/s、設(shè)計(jì)流量300 m3/h和公式（2）依次代入公式（1），可得關(guān)系式：

300=3.6×103 f×A×0.1=3 600 f×π×D×L×0.1（3）

得到濾網(wǎng)卷筒直徑、長度和濾網(wǎng)凈面積系數(shù)的關(guān)系函數(shù)式：

0.265 3=f×D×L（4）

將元件的長細(xì)比λ帶入式（4）得：

濾網(wǎng)規(guī)格的選擇主要取決于所用濾網(wǎng)的目數(shù)，結(jié)合新疆高效節(jié)水工程和國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)綜合選定120目濾網(wǎng)，濾網(wǎng)的凈面積系數(shù)f取0.4[6]。從受力和穩(wěn)定角度考慮，元件的長細(xì)比一般為1<λ<5，根據(jù)λ的大小繪制不同λ與D的關(guān)系曲線（圖1）。綜合考慮排污裝置，本設(shè)計(jì)選定λ=2時(shí)的濾網(wǎng)卷筒直徑、長度為最終設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)值確定為濾網(wǎng)圓筒直徑為60 cm，長度120 cm。

3.1.4? ? 濾網(wǎng)骨架材料選擇及開孔率計(jì)算。為了濾網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，濾網(wǎng)骨架需要滿足結(jié)構(gòu)抗壓、抗拉的強(qiáng)度要求，綜合防腐、防銹及其結(jié)構(gòu)性能的要求，本設(shè)計(jì)選定不銹鋼材料作為濾網(wǎng)骨架，選定厚度為1.0 mm，開孔形式為等腰三角形排列，要求開孔度達(dá)到0.5[6-7]，其計(jì)算公式如下：

式（6）中，P為篩網(wǎng)骨架的開孔率，N為篩網(wǎng)骨架表面的開孔總數(shù)（本設(shè)計(jì)共9萬個(gè)），d1為開孔直徑（mm），Dg為篩網(wǎng)骨架直徑（mm），L為篩網(wǎng)骨架長度（mm）。

由此可得P為0.50，在此條件下，濾網(wǎng)骨架開孔度滿足要求。

3.2? ? 過濾器出水口的設(shè)計(jì)

該過濾器為潛水無壓過濾器，所以進(jìn)水口即為濾網(wǎng)表面網(wǎng)孔。該過濾器出水口接入取水設(shè)備，需要連接管段和法蘭，因而只需進(jìn)行過濾器出水口設(shè)計(jì)即可。

（1）出水口管徑的確定。出水口管徑的大小取決于過濾器的設(shè)計(jì)流量和濾網(wǎng)的過濾速度，其流體力學(xué)的計(jì)算公式如下：

式（7）中，d為過濾器出水口管道的直徑（m），Q為過濾器的設(shè)計(jì)流量（m3/h），v為過濾器出水口管道的速度（m/s）。

本設(shè)計(jì)中流量為300 m3/h，綜合本設(shè)計(jì)過濾器的自由出流的特點(diǎn)、新疆高效節(jié)水灌溉工程和微灌過濾器篩網(wǎng)相關(guān)文獻(xiàn)資料[8]，出水口管道的流速選擇1.2 m/s。經(jīng)計(jì)算得出水口管道直徑為325 mm。考慮到連接管段較短，設(shè)計(jì)管徑確定為325 mm的不銹鋼管道。

（2）出水口連接法蘭的選定。出水管的公稱直徑為DN 300，工作壓力為0.6 MPa，而法蘭選配確定為DN 300、PN 0.6 MPa的法蘭。

4? ? 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提出了一種新型高壓直沖無壓網(wǎng)式過濾器的設(shè)計(jì)理念，該設(shè)計(jì)理念包括2點(diǎn)，一是高壓直沖，即利用加壓水泵提供的高壓水柱對(duì)附著于濾網(wǎng)表面的顆粒進(jìn)行沖刷，從而完成對(duì)過濾器的清洗;二是無壓過濾，即水源利用自然水勢(shì)通過濾網(wǎng)，使得帶過濾的固體顆粒附著于濾網(wǎng)表面，從而實(shí)現(xiàn)無壓過濾[9]。

本文設(shè)計(jì)了一種無壓過濾器的濾網(wǎng)，濾網(wǎng)濾筒的直徑為 60 cm、長度為120 cm。該過濾器的濾網(wǎng)具有過濾面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、過水量大等特點(diǎn)，同時(shí)具有污水自由出流過濾網(wǎng)的能力。

本文主要針對(duì)濾網(wǎng)開展了設(shè)計(jì)，而高壓直沖的研究和相關(guān)配套元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析并未在此文描述，使得對(duì)該過濾器整體性的研究不完善，未來還會(huì)繼續(xù)針對(duì)該過濾器的研究發(fā)表論述。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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