一种砂石过滤器气水反冲洗系统的制作方法

本发明属于农田水利行业过滤及反冲洗系统技术领域，具体涉及一种砂石过滤器气水反冲洗系统。

背景技术：

砂石过滤器通常应用在微灌系统首部工程，主要过滤原水中有机物、泥沙、固体颗粒等杂质，以确保过滤后水质满足使用要求。反冲洗是清洗砂石过滤器滤料表面吸附和孔隙截留的杂质，水在砂石过滤器中以自下向上逆方向流动，滤料在水流作用下膨胀升高，滤料颗粒之间发生碰撞和摩擦，随后杂质脱落被清除干净。砂石过滤器传统反冲洗方式即单独使用清水冲洗，并在实际工程中应用多年，是一种较为常见的反冲洗方式。清水单独清洗滤料时，滤料膨胀高度一般在15~20cm左右，冲洗时间一般控制在8分钟左右。砂石过滤器通常组合使用，当砂石过滤器水头损失达到预设值后，自动控制系统启动水动三向阀，改变砂石过滤器内部水流方向，从而完成砂石过滤器内部滤料清洗工作。

砂石过滤器采用传统清水单独清洗模式，能够在一定程度上保证滤料清洁，但是使用过程存在以下问题，反冲洗时水流强度偏大容易出现滤料流失，强度偏小无法完成滤料内部杂质彻底清除，合适的反冲洗水流强度对于砂石过滤器意义重大。目前砂石过滤器采用气水反冲洗的研究主要在实验室内，通过空压机将空气输入过滤器集水腔，与水流混合后经滤帽进入滤料腔内，在气体和水流共同作用下，滤料碰撞摩擦机率增强，其内部杂质得到清除。气水反冲洗存在以下优点，能够降低水流强度，耗水量得到大幅度下降，滤料流失现象得到控制，反冲洗后滤料的清洁度明显优于传统清水单独冲洗模式。

本专利发明人发表论文“微灌砂滤料的表层过滤和气水反冲洗试验研究”，研究发现气水反冲洗排污水浊度下降速率较快，能够在较短时间内完成滤料清洁。在相同的水流强度条件下，传统反冲洗之后滤料内部未被彻底清洁，加大反冲洗强度仍有大量污水排出。气水反冲洗之后的滤料清洁度更高，新一轮过滤周期得到明显改善，减少了反冲洗频率。目前气水反冲洗加气方式比较粗放，通常必须配备空压机，布气均匀性较差，反冲洗存在死角，本专利针对以上问题，设计一种砂石过滤器气水反冲洗系统，旨在提高气体在过滤器内部分布均匀性，通过低成本投入实现现有砂石过滤器全自动气水反冲洗。

如授权公告号为cn207203571u的专利公开了一种带加气反冲洗功能的微灌砂石过滤器，该专利主要通过在砂石过滤器支撑托板上增加多孔橡胶膜片，空压机将气体输入多孔橡胶膜片内部，后经出气口进入到砂石过滤器内部，实现气水反冲洗。但是该专利需要对现有砂石过滤器支撑托板结构做较大改动，多孔橡胶膜片气孔容易堵塞从而影响布气均匀性，并且空压机占地空间大且能耗高，因而该专利在实际应用过程中存在一定困难。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的砂石过滤器气水反冲洗系统，用于有效解决目前砂石过滤器气水反冲洗过程存在的问题，促使气体与水充分混合，实现反冲洗无死角，改善反冲洗效果，为水利灌溉系统持续稳定地提供安全用水。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种砂石过滤器气水反冲洗系统，其特征在于包括组合式砂石过滤器、气水混合装置、自动充气装置和自动控制装置，其中组合式砂石过滤器的进水口通过水动三向阀分别与进水管和排污管并联，组合式砂石过滤器的出水口通过气水混合装置分别与出水管和输气管并联，砂石过滤器内包括支撑托板、固定于支撑托板上的滤帽及填充于滤帽上的滤料；

气水混合装置通过法兰固定于管道上，气水混合装置内部设有气水混合腔，该气水混合腔内部由下至上依次设有自由翻转式分水器、伞形挡水板、环形气管和金属网，其中分水器表面布置有喷水孔，伞形挡水板开口向下且设置于与分水器喷水孔相对的正上方，金属网和环形气管分别固定于气水混合腔的内侧壁上，环形气管密封贯穿气水混合腔侧壁且通过电磁阀和气锁快速接头与输气管连接；

自动充气装置内部设有微型气泵、控制器、气罐和压力传感器，控制器根据压力传感器监测值，启动微型气泵工作，实现装置自动化充气过程；

自动控制装置用于控制并联设置水动三向阀及并联设置气水混合装置中电磁阀的切换，实现组合式砂石过滤器过滤与反冲洗过程的自由切换。

进一步优选，所述分水器是由夹角为60°扇形分水单元组成的圆形分水器，该扇形分水单元通过夹角弹簧固定于气水混合腔的内侧壁上且在夹角弹簧的作用下能够实现扇形分水单元的自由翻转，过滤过程中扇形分水单元翻转成竖直向下，反冲洗过程中扇形分水单元翻转成水平方向，分水器表面布置有喷水孔用于通过减少过流面积提高水流速度。

进一步优选，所述环形气管内侧布置有水平向下倾斜且对准分水器与伞形挡水板之前区域的气孔。

进一步优选，所述伞形挡水板与水平状态下分水器喷水孔方向相对，该伞形挡水板的角度为斜向下45°，用于进一步提高水流紊流程度，便于与气体充分混合。

进一步优选，所述金属网采用301不锈钢金属烧结网，孔径控制在5mm。

进一步优选，所述自动充气装置通过压力传感器监测气罐压力，采用低能耗微型气泵持续稳定地为气罐提供气体。

本发明所述的砂石过滤器气水反冲洗系统的运行方法，其特征在于具体过程为：待过滤原水通过进水管进入砂石过滤器内部，水中杂质被截流在滤料孔隙或吸附在滤料表面，过滤后水通过滤帽进入集水腔，随后进入田间管网；随着砂石过滤器内部杂质不断增多，当水头损失达到预设值时，自动控制装置控制启动反冲洗过程，逐个完成砂石过滤器的清洗工作，水动三向阀根据自动控制装置指令改变内部水流通道，其它砂石过滤器过滤后水反方向进入待清洗砂石过滤器内部，滤料在水流作用下发生膨胀，杂质随着滤料碰撞摩擦脱落，随后经过排污口排出，通过在砂石过滤器出水口设置气水混合装置，在气体的作用下实现滤料膨胀，加强滤料之间的膨胀摩擦，提高反冲洗效率保证过滤出水水质，采用低能耗微型气泵为气罐充气，过滤期间完成气罐的充气过程，反冲洗时自动控制装置启动气水混合装置侧面电磁阀，气体与水经过气水混合装置充分混合，随后进入砂石过滤器内部完成反冲洗过程。

进一步优选，所述气水混合装置采用法兰方式与管道连接，反冲洗时自动控制装置通过信号线输出指令打开电磁阀，自动充气装置内部气体通过输气管进入气水混合装置，气体通过环形气管上的气孔喷出，气孔开孔向下倾斜，反冲洗水流自下而上进入气水混合装置，分水器在夹角弹簧作用下处于水平状态，水流通过分水器上的喷水孔喷出，由于过水断面减小，水流流速迅速提高，水流流态从管流变为射流，喷水孔均匀分布在四个同心圆上，水流经过喷水孔后与正上方伞形挡水板碰撞，伞形挡水板实现喷射水流紊动状态，气体通过气孔进入伞形挡水板与分水器之间区域，气体和水在复杂的水流紊动下实现充分混合，水流携带气体经过金属网，进一步提升和稳定水中气体分布均匀度，系统过滤时分水器在水流重力作用下处于竖直向下方向，反冲洗时分水器在夹角弹簧以及向上水流作用下处于水平方向，由于分水器上喷水孔数量较少，水流流态从管流变成射流，故分水器会受到水流推力从而实现其自由上下翻转。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：通过设置气水混合装置，提高气体与水的混合均匀程度，在气体作用下滤料碰撞摩擦增强，滤料孔隙及表面的杂质更容易脱落，提升反冲洗后滤料的清洁度，过滤周期得到延长，反冲洗耗水量和耗电量明显下降，对于维护水利灌溉系统的健康运行起到重要作用。

附图说明

图1是本发明过滤过程的结构示意图；

图2是本发明反冲洗过程的结构示意图；

图3是本发明中气水混合装置的结构示意图；

图4是环形气管的结构示意图；

图5是分水器的结构示意图；

图6是分水器与伞形挡水板的结构示意图；

图7是金属网的结构示意图。

图中：1-进水管，2-水动三向阀，3-砂石过滤器，4-自动控制装置，5-滤料，6-滤帽，7-集水腔，8-气水混合装置，801-法兰，802-螺孔，803-气水混合腔，804-金属网，805-夹角弹簧，806-分水器，807-环形气管，808-喷水孔，809-气孔，810-伞形挡水板，9-电磁阀，10-出水管，11-信号线，12-气锁快速接头，13-输气管，14-自动充气装置，15-控制器，16-微型气泵，17-压力传感器，18-气罐，19-排污管。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的技术方案，一种砂石过滤器气水反冲洗系统，包括组合式砂石过滤器3、气水混合装置8、自动充气装置14和自动控制装置4，其中组合式砂石过滤器3的进水口通过水动三向阀2分别与进水管1和排污管19并联，组合式砂石过滤器3的出水口通过气水混合装置8分别与出水管10和输气管13并联，砂石过滤器3内包括支撑托板、固定于支撑托板上的滤帽6及填充于滤帽6上的滤料5，支撑托板下部为集水腔7；气水混合装置8通过法兰801及连接螺孔802固定于管道上，气水混合装置8内部设有气水混合腔803，该气水混合腔803内部由下至上依次设有自由翻转式分水器806、伞形挡水板810、环形气管807和金属网804，其中分水器806表面布置喷水孔808，伞形挡水板810开口向下且设置于与分水器806喷水孔808相对的正上方，金属网804和环形气管807分别固定于气水混合腔803的内侧壁上，环形气管807密封贯穿气水混合腔803侧壁且通过电磁阀9和气锁快速接头12与输气管13连接；自动充气装置14内部设有微型气泵16、控制器15、气罐18和压力传感器17，控制器15根据压力传感器17监测值，启动微型气泵16工作，实现装置自动化充气过程；自动控制装置4通过信号线11控制并联设置的水动三向阀2及并联设置的气水混合装置8中电磁阀9的切换，实现组合式砂石过滤器3过滤与反冲洗过程的自由切换。

本发明所述分水器806是由夹角为60°扇形分水单元组成的圆形分水器，该扇形分水单元通过夹角弹簧805固定于气水混合腔803的内侧壁上且在夹角弹簧805的作用下能够实现扇形分水单元自由翻转，过滤过程中扇形分水单元翻转成竖直向下，反冲洗过程中扇形分水单元翻转成水平方向，分水器806表面布置喷水孔808用于通过减少过流面积提高水流速度。所述环形气管807内侧布置有水平向下倾斜且对准分水器806与伞形挡水板之前区域的气孔809。所述伞形挡水板810与水平状态下分水器806喷水孔808方向相对，该伞形挡水板的角度为斜向下45°，用于进一步提高水流紊流程度，便于与气体充分混合。所述金属网804采用301不锈钢金属烧结网，孔径控制在5mm。所述自动充气装置14通过压力传感器17监测气罐18压力，采用低能耗微型气泵16持续稳定地为气罐18提供气体。

本发明所述的砂石过滤器气水反冲洗系统的运行方法，具体运行过程为：第一阶段为砂石过滤器3过滤，待过滤原水经过水泵加压后进入进水管1，通过水动三向阀2进入砂石过滤器3内部，杂质被截留在滤料5孔隙或吸附在其表面，过滤后水经过滤帽6进入集水腔7，通过连接管路进入田间管网，最后被输送到大田作物根区土壤，具体过程如图1所示。第二个阶段为砂石过滤器3反冲洗，随着滤料5截留杂质不断增多，砂石过滤器3水头损失不断增大，当达到预设值后系统开始反冲洗，传统单纯水反冲洗模式具体过程为，按程序对每个砂石过滤器3依次进行反冲洗，通过自动控制装置4启动水动三向阀2，调整其内部过流通道，反冲洗过程如图2所示，过滤后水部分进入田间管网，部分进入需要反冲洗的砂石过滤器3，水流首先通过连接管路进入集水腔7，经滤帽6进入砂石过滤器3内部，在水流作用下滤料5发生膨胀，滤料5吸附和截留的杂质开始脱落，携带杂质的排污水通过水动三向阀2后经排污管19排出。而本系统设置气水混合装置8，加气反冲洗过程水流方向与传统单纯水反冲洗相同，区别在于气体的来源及布气方式，具体表现为自动充气装置14通过压力传感器17监测气罐18内部压力，控制器15根据设定的压力范围值启动微型气泵16工作，为加气反冲洗提供稳定流量气体。气水混合装置8采用法兰801方式与管道连接，反冲洗时自动控制装置4通过输出指令打开电磁阀9，自动充气装置14内部气体通过输气管13进入气水混合装置8，气体通过环形气管807上气孔809喷出，气孔809开孔角度与水平夹角为45°，反冲洗水流自下而上进入气水混合装置8，分水器806在夹角弹簧805作用下处于水平状态，水流通过分水器806上的喷水孔808，由于过水断面减小，水流流速迅速提高，水流流态从管流变为射流，喷水孔808均匀分布在四个同心圆上，水流经过喷水孔808后与正上方伞形挡水板810碰撞，伞形挡水板810采用伞形结构能够更好的实现喷射水流紊动状态，气体通过气孔809进入伞形挡水板810与分水器806之间，气体和水在复杂的水流紊动下实现充分混合，水流携带气体经过金属网804，进一步提升和稳定水中气体分布均匀度；系统过滤时分水器806在水流重力作用下处于竖直向下方向，反冲洗时分水器806在夹角弹簧805以及向上水流作用下处于水平方向，由于分水器806上喷水孔808数量较少，水流流态从管流变成射流，故分水器806会收到水流推力从而实现其自由上下翻转。

以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。