一种过滤器叠片结构及叠片式过滤器的制作方法

本发明涉及农业节水灌溉技术领域，尤其是关于一种过滤器叠片结构及叠片式过滤器。

背景技术：

水资源的短缺已成为全球性的问题，这一问题对粮食安全、经济安全、人口安全等一系列的问题产生了巨大的影响。经过长期的研究发展，微灌已经成为现在普及的灌溉方式，这种方式的运用大幅度降低了农业用水量，但是其对于水质的要求是较为严格的。如果不能有效的去除灌溉水中的各类杂质，会严重影响水的质量，造成各级设备的堵塞，严重的会造成整个微灌系统的瘫痪和报废。以引用黄河水的河套灌区为例，其引水中的主要杂质是泥沙，泥沙的过滤效率就成为了灌溉系统是否成功的关键。经过过滤器的性能试验研究发现，现有的灌溉系统中几种过滤器对于泥沙的过滤都有一定的限制，主要去除大颗粒的泥沙，而粒径较小的悬浮型泥沙得不到有效的去除。叠片过滤器的过滤效率是一个亟待解决的问题，而叠片是叠片式过滤器的核心，故改造叠片式过滤器的最有效方法就是对叠片进行改造。

由于叠片过滤器的应用在中小型农户中较为广泛，大量的科研学者试图从多方面来解决过滤器的效率问题，虽然对于内部叠片的研究还没有大范围的展开，但也取得了一些成果。目前也有很多专家学者提出了许多对于叠片的优化方案，如：北京市控制工程研究所李永华等(申请公布号：CN104888511A)公开了一种改变叠片形状的设计，该设计通过将传统的圆盘式叠片改造为花瓣式叠片有效的增加了叠片的外缘边长，与此同时增加了流道的数量，在一定程度上增加了泥沙沉降的区域，但由于其流道的结构较为简单，虽然增加了流道数量但是对过滤的效率和精度并没有明显改善。

又如中国水利水电科学研究院吴文勇等(申请公布号：CN104785003 A)公开了一种新型的等流道截面过滤器叠片，其圆环形片体的流道为半圆式流道，且内外流道截面半径相同，在一定意义上克服了传统叠片能耗高和不易清洁的问题，但是过滤效率较低。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的过滤器叠片结构及叠片式过滤器，可有效地改善过滤效率，降低过滤所带来的水头损失。

根据本发明的一个方面，提供一种过滤器叠片结构，该结构包括环形的叠片，所述叠片上设有截面呈五角星形状的流道。

进一步，所述流道的截面形状为应用koch分形曲线二阶图形中的中间三分之一部分的五角星形状。

进一步，所述流道截面的每个尖角均进行倒圆角。所述流道截面的尖角采用倒圆角的设计，便于加工出准确尺寸的流道；另外，圆角的弧度有利于提高反冲洗时的冲洗效率，而尖角处易存积难以清洗的杂质。

进一步，所述流道的外侧截面尺寸大于其内侧的截面尺寸。所述叠片的流道截面根据过滤的方向由外侧向内侧逐渐缩小，缩小规律遵循线性方程规律。

进一步，所述叠片上均布有多个相同的所述流道。所述流道的走向分别与其在所述叠片外侧边沿处的切线夹角为67°。

进一步，所述叠片的上下两侧均设有所述流道。多个叠片叠加后，下方叠片的上侧面的流道与上方叠片的下侧面的流道可能会组合成多种不同的新流道，提高过滤效率。

进一步，所述叠片的内径与外径的比值范围为0.75-0.8:1，所述流道长度为20(±2)mm。

进一步，所述叠片的材料主要包括壳聚糖纤维和聚乙烯。还包括少量的塑料耐寒柔软剂和有机砷。其中，壳聚糖纤维占12.5％，聚乙烯占85.9％，还需要添加1.0％的塑料耐寒柔软剂以及0.6％的有机砷。

进一步，所述叠片制造成型后，利用枯草芽孢杆菌溶液进行浸泡。枯草芽孢杆菌溶液浓度优选为10⁸CFU/g，浸泡时间优选为24小时。

根据本发明的另一个方面，本发明还提出一种叠片式过滤器，包括多个上述的过滤器叠片结构。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提出的过滤器叠片可以提高过滤器的过滤效率，有效的提供更多泥沙颗粒的沉降区域，使用范围广。

(2)本发明的叠片的截面设计形式在保证原有过滤精度的前提下提供了更大的过流面积，在通过相同体积水量的前提下其所产生的水头损失在一定程度上低于传统叠片。

(3)本发明在叠片的制作中使用到壳聚糖纤维，凝结悬浮的微生物，在物理过滤的同时起到生物过滤的作用，兼具消毒杀菌的作用。并且在叠片制作结束后，本发明提出使用枯草芽孢杆菌溶液浸渍叠片的方法令过滤器不但可以成功的过滤物理杂质，同时还能有效的防止生物膜的产生，令其随过滤器的反冲洗流出水体，减少生物妨碍过滤的几率并大大降低了灌水器的堵塞几率。

附图说明

图1为koch曲线构造二阶图形的示意图；

图2为根据本发明实施例的流道截面的示意图；

图3为根据本发明实施例的叠片的示意图；

图4为图3中A处放大示意图；

图5为图3中B处放大示意图；

图6为根据本发明实施例的叠片式过滤器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本申请通过改造叠片流道以改善过滤效率。将分形理论应用到叠片式过滤器流道的设计中，利用其复杂的几何构造为需要过滤的水源提供面积充足的流道以及扩充沙粒沉降区域，该叠片结构可提高过滤器的设计过流能力以及过滤效率，有效的拦截细小泥沙，同时在一定程度上降低过滤过程的水头损失。

本申请对传统叠片的材料进行改造。传统叠片所采用的材料是PP，PP具有质量轻、韧性好和耐化学性好的优点，但是其尺寸精度低、刚性不足，会出现后收缩现象，脱模后容易发生老化、变脆或变形。在长期的过滤中，会有许多泥沙颗粒对叠片进行冲撞造成流道内部许多“伤痕”，经过长期的积累将造成过滤器的过滤效率大大降低，严重将使其报废。本发明将壳聚糖纤维和枯草芽孢杆菌溶液运用到叠片的制作中，使过滤器能够同时进行物理过滤以及生物过滤。

在根据本申请的一个实施例中，参考图3、图4和图5，提供一种过滤器叠片结构，该结构包括环形的叠片，所述叠片上设有截面呈五角星形状的流道。

所述流道采用中等长度时，可以达到较好的过滤效果。过短的流道会导致过滤的不充分；过长的流道又会导致过滤以及反冲洗的困难。本发明经过对多种流道长度的模型进行模拟计算得出适应性最为优良的流道长度范围，认为其在保证过滤效果的同时能降低不必要的水头损失。

所述流道的截面形状为应用koch分形曲线二阶图形中的中间三分之一部分的五角星形状。如图2所示，该形状具有很好的自相似特性，可提高叠片结构的复杂度，提高过滤效率。

所述流道的截面形状的主要设计理念是基于分形中的koch曲线展开的，koch曲线的主要思想是：在一条直线的左右三分之一处截成三段，即三等分一条线段；再用一个等边三角形替代第一步划分三等分的中间部分；并在每一条直线上，重复上一步，koch曲线的构造可参考图1。

在保证叠片流道截面的内切圆不变的前提下，利用koch分形曲线构造截面的复杂形状，利用其复杂的自相似结构，可以达到两个目的：

第一，使截面面积有所增大。由于水头损失是流体机械能的损失，在速度不变的前提下，使流道的长度和截面面积的比值尽量小，以达到减小水头损失的目的。当分形曲线的引入有效的增加了过流截面的面积时，使同一时间内相同速度的水流，令过流量大大增加，有效的降低了水头损失，使过滤能耗变小，过滤更为经济。

第二，提高流道的复杂程度。传统叠片的流道只有三个尖角，且底角两处的过滤沉淀性能较差，在大量泥沙涌入的情况下并不适宜泥沙的沉降，而利用分形曲线进行的截面构造可以有效的增加流道内的低速区，本发明所选用的koch曲线利用三角形状的自相似性质，将截面上的尖角区增加了两倍，由于叠片过滤器的主要原理是利用低速区使泥沙沉降达到过滤的效果，此发明中将低速尖角取由三个增加到五个，使得低速区面积增大，将效益较低的两处底角忽略，本发明的泥沙沉降率近似为传统叠片流道的三倍。为更多沙粒的沉积提供了可能。

所述流道截面的每个尖角均进行倒圆角。所述流道截面的尖角采用倒圆角的设计，便于加工出准确尺寸的流道；另外，圆角的弧度有利于提高反冲洗时的冲洗效率，而尖角处易存积难以清洗的杂质。

所述流道的外侧截面尺寸大于其内侧的截面尺寸。所述叠片的流道截面根据过滤的方向由外侧向内侧逐渐缩小，缩小规律遵循线性方程规律。

所述叠片上均布有多个相同的所述流道。所述流道的走向分别与其在所述叠片外侧边沿处的切线夹角为67°。

所述叠片的上下两侧均设有所述流道。多个叠片叠加后，下方叠片的上侧面的流道与上方叠片的下侧面的流道可能会组合成多种不同的新流道，提高过滤效率。

所述叠片的内径与外径的比值范围优选为0.75-0.8:1，所述流道长度大约在20(±2)mm。

所述叠片的材料主要包括壳聚糖纤维和聚乙烯。还包括少量的塑料耐寒柔软剂和有机砷。其中，优选地，壳聚糖纤维占12.5％，聚乙烯占85.9％，还需要添加1.0％的塑料耐寒柔软剂以及0.6％的有机砷。通过湿拉的方法制作壳聚糖纤维。

所述叠片制造成型后，利用枯草芽孢杆菌溶液进行浸泡。枯草芽孢杆菌溶液浓度优选为10⁸CFU/g，浸泡时间优选为24小时，浸泡后即完成叠片的制作。

本发明的叠片材料不仅避免了在传统叠片材料所使用的pp所带来的一系列不便，并且在一定程度上凝絮了悬浮的微生物和沙粒，使其更容易沉淀并被过滤，与此同时，还能够达到制微生物的聚集，防止形成大片的生物膜，促进微生物的分解和死亡的作用。

首先流道中混入的壳聚糖菌剂在过滤的过程中会持续的缓慢释放，在长期的过滤中抑制生物膜的行程，有效的加速生物膜的分解，令其可以在过滤过程中充分剥落，随冲洗水流一起流出过滤器；其次利用灌溉水中菌群的拮抗菌剂进行叠片的浸渍，可以有效的抑制菌群的结群并令其只能沉降而不能附着在叠片上，利用这一优势可以在反冲洗时将脱落沉降的堵塞物质冲出过滤器。极大程度的为微灌系统的使用带来便利，降低了灌水器所承受的压力。

本发明还提出一种叠片式过滤器，如图6所示，包括多个上述的过滤器叠片结构。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。