Ａ型虹吸式过滤器的设计计算

 前　言
     虹吸式过滤器也称无伐滤池,虹吸式过滤器广泛应用于地表水净化、地下水除铁除锰、循环水旁流过滤、生产废水除悬浮杂质、有机污水经生化处理和二次沉淀池处理之后的后续过滤以及室内游泳池水的过滤,是一种理想的水处理设备。从目前提供该设备的产品介绍,作者认为,在该设备的设计中,存在一些不合理的参数选取:其一,普遍采用5ｍｉｎ的反冲洗时间,实际太长;其二,过滤速度一般用10ｍ/ｈ,该参数偏高;其三,期终水头损失都在1 5～1 7ｍ,略高了一点,就会导致过滤质量不佳,也是反冲洗时间增长的原因,导致不良的循环操作。本文作者针对虹吸式过滤器的诸多不足,浅谈在设计中的参数选取。
     虹吸式过滤器根据其结构形式和过滤材料的不同,分为Ａ型虹吸式过滤器和Ｂ型虹吸式过滤器。它们除了在结构形式上存在差异外,其过滤流程也不相同。本文主要介绍Ａ型虹吸式过滤器,如图1所示,Ｂ型虹吸式过滤器将在以后的文章中作详细介绍。
    1　Ａ型虹吸式过滤器工作原理及工作流程　　
    Ａ型过滤器的本体由锥形隔板和支承网分成三部分,即冲洗水贮槽、过滤区和集水区。过滤开始时,自然澄清的水由高位槽经进水管进入过滤器,杂质被滤层截留后,清水进入集水区,再经连通管到达冲洗水贮槽,当液位达到ａ点时,就从出水口流至清水贮槽。由于需克服滤层的阻力,进水液位应高于点,虹吸管中液位就处于ｂ点,在过滤的过程中,随着滤层阻力的不断增加,虹吸管中的液位就会不断的上升。
                  
      当虹吸管中的液面逐渐上升至ｃ点,水就从虹吸辅助管流下,由于在进入虹吸辅助管处的旋涡吸气作用及流经辅助扩大管处的水流挟气作用。虹吸管中的空气就经由抽气管被水流带至水封中逸出,并使虹吸管形成负压。**后,当虹吸管中负压达到一定程度时,就形成虹吸作用。冲洗贮槽中贮存的清水经连通管、集水区冲洗滤料层,冲洗水则经虹吸上升管、虹吸下降管从水封中排出。这样就自动地由过滤周期转入反冲洗周期,如图2所示。
     此时,冲洗水贮槽中的液位开始下降。当降至ｅ点时,虹吸破坏管管口露出液面,空气被吸入而使虹吸作用中断,反冲洗周期自动停止,进入第二个过滤周期。
     从运行过程可见,冲洗水量取决于冲洗水贮槽的容积,而冲洗水强度则取决于液位ａ,ｅ之间的平均位差与液位ｄ之间的落差,以及水流在反冲洗时所受的阻力。冲洗强度的大小还可以通过虹吸下降管末端的冲洗强度调节器来控制。因此,虹吸过滤器的冲洗完全可以按照实际需要加以严格的控制。而且在设计数据确定后,运转中不会发生大的偏差,从而避免了冲洗不足或冲洗过头的弊端。
                  
    2　Ａ型过滤器的计算
    2 1　主要设计依据
    （1）过滤能力:按ｑ=100ｍ3/ｈ计算
    （2）过滤速度:ｖ=7ｍ/ｈ
    （3）反冲洗时间:τ=240ｓ
    （4）反冲洗强度:ｐ=15升/ｍ2·ｓ
    （5）虹吸形成时间:Ｔ1=120～180ｓ（实测）
    （6）过滤周期:Ｔ2=24ｈ（实测）
    （7）期终水头损失值:Ｈ=1 4ｍ
    2.2　设备主体计算
    （1）进入分配水箱入水管径计算
             
              
             
              
              
     2 4　设备尺寸及配管计算
    （1）进水口高度的确定
    进入过滤器的起始水头必须克服滤层的阻力,才能保证过滤能正常进行,一般取100～150ｍｍ。即进水口应高出ｂ点150ｍｍ。
    （2）滤层高度（包括支承层）取1200ｍｍ。
    （3）冲洗水贮槽贮水高度3500ｍｍ,ａ,ｅ位差3200ｍｍ。
    （4）集水区高度应考虑水能均布,高度取800ｍｍ。
    （5）设备主体总高度为:5500ｍｍ。
    （6）水封高度取700ｍｍ,主要考虑除泥和调节器的正常使用。
    虹吸动能是冲洗水箱平均水位与水封水位之间的液位差Ｈ0
                  
    （7）虹吸过滤器期终水头损失就是ｃ,ａ之差,该项位差取1400ｍｍ。如果太低将会频繁反洗,造成浪费太大。如果太高过滤水质无法保证。建议在1400～1700ｍｍ。在设计中ｃ,ａ之间的角度一般在30°左右为宜。
    （8）虹吸系统管径计算
    根据经验:果吸上升管流速ｗ1取2ｍ/ｓ;虹吸下降管流速ｗ2取3ｍ/ｓ。
    ①虹吸上升管Ｄ1
    计算此段管径时要考虑进水与反洗水量之和。
    实际水量Ｇ=15升/ｍ2 ｓ×7 2ｍ2/1000＋50/3600=0 122ｍ3/ｓ
                 
    （9）设备管路系统管选取
    ①进水管　?Φ159×4
    ②虹吸上升管　?Φ325×6
    ③虹吸下降管　?Φ273×6
    ④连通管　?Φ219×4两根作外联通（验算其流速为0 22ｍ/ｓ,产生的阻力降可忽略不计）
    若采用内联通方式可用3根Φ219×4钢管均布,作者在设计中就是采用的内连通方式。
    ⑤辅助虹吸　其主要起抽气的作用选用Φ45×3和Φ57×3管道,Φ45×3用作缩颈管。
    ⑥虹吸破坏管　其作用是在虹吸末期引入空气破坏虹吸,选用Φ32×3管道。
    ⑦强制虹吸管　在需提前进入虹吸反洗过程时,可开启此管水伐,强制产生虹吸,选用Φ32×3管道。在正常情况下一般不用强制虹吸。
    3　设计总结与说明
    （1）本设计合理,定位尺寸设定准确,按此设计制作的虹吸式过滤器,除每年工厂大检修时进行人工清洗过滤层外,平时运转过程中,不用清洗,过滤液质量很稳定。
    （2）滤料中千层片和石英砂定期清洗无损耗。根据出水的质量可以定制不同厚度和间隙的千层片,采用1ｍｍ厚度和间隙1ｍｍ的聚丙烯千层片。豆石层厚度200～300ｍｍ,选用粒径20～40ｍｍ。石英砂选用粒径4～6ｍｍ,高度250～300ｍｍ。
    （3）虹吸破坏管端头需安装虹吸破坏浮筒,以保证空气的顺利进入。
    （4）虹吸下降管末端所设锥形冲洗强度调节器,在初期一次调好一般不动,其作用是保证达到规定的冲洗强度。
    （5）本设计中,反洗时间采用240ｓ,有许多设备生产厂的设计时间为5ｍｉｎ,作者认为时间太长,需反洗水量太多,冲洗水贮槽太大,势必造成一种浪费。根据上海电化厂的测试表明,经过150～180ｓ的冲洗,滤层已冲洗干净。因此,取240ｓ反冲洗时间是完全能满足要求的。
    （6）还可采用将反冲洗水封槽的标高降低,来提高虹吸动能。