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微灌系统全自动反冲洗过滤器的试验与设计

时间:2019-02-11 13:28作者:rxjh
摘要:微灌系统的水过滤器是整个系统的关键设备之一。随着微灌系统自动化程度的提高,该设备的自动化程度要求越来越高。为此,概述了微灌系统水过滤器现状和全自动反清洗过滤

摘要:微灌系统的水过滤器是整个系统的关键设备之一。随着微灌系统自动化程度的提高,该设备的自动化程度要求越来越高。为此,概述了微灌系统水过滤器现状和全自动反清洗过滤器的特点,设计了全自动反冲洗过滤器的结构与控制系统,并对过滤器的水力驱动系统进行了试验研究和设计。

    关键词:农业工程;微灌;设计与试验;反冲洗过滤器

    中图分类号:S227.9+4          文献标识码:A       文章编号:1003─188X(2006)07─0143─03
    0 引言
    随着水资源的日益紧张,微灌作为一种最为节水的先进灌溉技术之一,目前已被世界上 100 多个国家采用,也是今后农业生产的大势所趋。全自动反冲洗水过滤器是温室微灌系统的关键设备之一,如果该系统操作不正常,轻者有可能使滴头堵塞,重者有可能导致管路堵塞,使整个微灌系统瘫痪,所以该设备的自动化程度和可靠性对保障整个微灌系统高效运行是十分重要的。国内温室微灌系统现在使用的大多数为沙石过滤器和离心式过滤器,自动化程度低,性能不太稳定,而且一套系统必须有两个过滤器,在反冲洗时替换使用,在国外已很少使用。因此,全自动反冲洗水过滤器的研究开发可以提高我国工厂化农业准备的整体技术水平和自动化水平[1~ 3]
    1 全自动反冲洗过滤器的结构原理
     目前反冲洗过滤器的结构形式比较多,对于自动化程度要求很高的结构形式,大多采用水力驱动的反冲洗过滤器,本研究结合国内外的结构形式和自己的试验研究结果,设计了如图 1 所示的全自动反冲洗过滤器。其工作原理如下[4,8,9]:
    过滤水从入水口(1)流入过滤器,经粗滤网(10)初步过滤后,再通过细滤网(2)过滤,流向出水口(4),杂质被截留。当杂质聚在细滤网内时便形成压差,压差达到预定值时,由控制器打开电子阀门(7),产生一股很强的反冲洗水经排污口(6)流向大气。反冲洗在吸污组件(9)上产生一股吸力,清洁吸污嘴相对的细滤网面。反冲洗水经过排污管(3),再通过液动马达(5)流向阀门,带动整个吸污组件和吸污管做旋转和轴向运动,确保吸污嘴清扫到整个滤网。当吸滤网内外压差低于设定值时,冲洗完成,关闭阀门,吸污组件和吸污管由弹簧复位。整个系统的操作由总控制器根据实际的操作需要来编程控制,冲洗时间约为 10~15s。
           
    2 水力驱动系统的设计与试验研究
    2.1 过滤器水力设计
    2.1.1 过滤流速的确定
    水流通过滤网时的速度称为过滤速度。在过滤面积一定时,过滤速度越大,过滤器的过滤能力越大,但会使某些污物容易“挤过”滤网,使过滤后的水质达不到使用要求。如果过滤速度过小,为了达到一定的过滤能力,则需要较大的滤网面积,这样会使过滤器的体积变大,造价升高。一般的自清洗过滤器的过滤速度都在 0.5~3m/s 之间。
    2.1.2 过滤能力的计算
      在设计过滤流速时,通过过滤器的流量称为设计流量,也叫过滤能力。其计算公式为[5]
             
       由于过滤器中的水流状态复杂,很难用式(2)计算出过滤器的水头损失。因此,规定在通过设计流量时,过滤器进出口之间的总水头差即为水头损失,这个水头损失一般通过试验确定。根据试验资料可以用式(3)的形式表示过滤器的水头损失与过滤流量之间的关系,即
             
        其中, K 为过滤器的水头损失系数,与过滤器的形状、滤网的有效面积系数和过滤器的制造质量有关。
    2.2 水力驱动装置试验与设计
    2.2.1 驱动装置试验模型
    利用滤液自身液压能转化为机械能,驱动液动转子做旋转运动,并同时依靠滤筒与排污口外部压差推动液动转子做轴向运动,从而带动实现自清洗装置的旋转和轴向运动。为验证该驱动装置的可行性,特别设计了一个模拟试验装置,试验装置如图
    2 所示,参数如下:
    工作介质:水
    筒身材料:塑料
    介质流速/m·s-1:1
    工作压力/MPa:0.1
    转子材料:薄铝片
    筒身外形/mm:100(内径半径)
    尺寸/mm:160(长)
    液动转子外形尺寸/mm:前盖半径 85,后盖半径 95,叶片宽 20
    液动转子的试验表明:出水口未堵塞时,筒身内始终未能充满液体,液动转子仅仅是转动,而且转动速度较慢,效果不明显,轴向无运动;将出水口堵塞,在筒身内冲水阶段,液动转子类似上一种情况,转动效果不明显,轴向无运动;当筒身充满液体,将出水口打开,转子开始迅速转动,并随之有明显的轴向运动,测得旋转和轴向运动速率近似成 1:2 的关系。
             
    2.2.2 水力驱动叶轮的设计
    上述试验说明了这种液动转子是可以运行的,为了进一步地使该驱动系统在全自动反冲洗过滤器上得到应用,设计的全自动自清洗过滤器的驱动装置与该简化装置成比例放大 30:1,其叶轮的形状如图 3 所示。在 0.6MPa 的压差下,其驱动扭矩测得为0.25×68=17N·m,周向和轴向的运动速度接近 1:2,对驱动反冲洗过滤器的反冲洗转子十分重要,有了这个定量值,可以设计出不同需要直径的反冲洗过滤器。
    3 结语
     综上所述,该过滤器与传统过滤器相比,其优点主要体现在:
    1) 精度高。由于滤网可以根据需求更换规格,过滤的精度最高可达 5μm,可过滤一些蛋白质、细菌类微生物以及滑石粉等细小物质。
    2) 冲洗过程不间断供水。反冲洗所需水量极少,而且整个系统不需要停机,照常供水,这是传统过滤器所不能做到的。
    3) 全自动化操作。过滤器设计结构精巧,内部滤网系统分成粗滤和精滤两个层次。在污物清除的方式上,可以根据滤网压差自动控制,也可在电子设定的方式下定时冲洗,可以设定冲洗间隔时间、冲洗过程的时间等,能完全满足现代工业生产自动化要求。
    4) 全自动反冲洗过滤器除了能够有效地应用在工厂化农业的智能温室滴灌系统以外,在工业冷却水、补充水和循环水系统也能得到很好的应用。它能够减少系统内的污物沉淀,如热交换器等设备上沉淀物形成,使之不影响冷却效果,并能防止结垢、形成斑点及腐蚀等现象。
                
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