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内镶扁平紊流压力补偿式滴头的研制

编辑:  更新于:2008年10月25日  阅读量:

文章编号:l0074929(2007)010036 02

 

 

内镶扁平紊流压力补偿式滴头的研制

王 栋

(甘肃大禹节水股份有限公司,甘肃酒泉735000)

 

摘要:从滴灌技术关键环节——灌水器研制开发设计的核心问题出发,通过解决在大坡度地彤条件下,因地形复杂落差大、滴灌滴水均匀度不一致,易堵塞等困扰滴灌推广发展的主要问题,以实用性、可靠性、经济性为中心,设计一种适合干旱半干旱地区丘陵、山地地理条件,性能可靠、具有优良灌水均匀性和强抗堵功能的滴灌灌水器,为高效利用干旱半干旱地区有限的水资源提供经济实用的技术途径,对实现西部大开发的宏伟目标,促进东西部地区均衡发展,促进西部地区农牧民脱贫致富具有积极的作用。

 

 

关键词:内镶;压力补偿;灌水器

中图分类号:S2779+5 文献标识码:A

 

 

0 引 言

 

近年来,西北地区大力推广了节水灌溉技术,但普遍存在易堵塞,滴水稳定性、均匀度不高,且价格高、配套过滤设备复杂等问题,特别是在大坡度地形条件下,不同水头滴水均匀度不一致,已成为当前制约滴灌产业发展的技术瓶颈问题,困扰着灌溉经济效益的发挥提高多数地区因地形复杂落差大,受调压能力和滴水均匀度、抗堵塞功能限制,引水下山灌溉问题一直没有得到很好的解决,未能大面积推广,有水却不能充分发挥效益,使得很多农民对滴灌技术望而止步。因此,研发适合丘陵山区推广应用的压力补偿式滴灌管势在必行,因地制宜地推广普及符合我国国情的、适合西北地区经济发展的节水灌溉技术是西北地区特色农业资源开发的重要环节,开发高效能、适应性能优良、低成本、经济适用的节水技术对西北地区经济的发展有着重要的意义。

 

目前,国内解决滴灌易堵塞、过滤配套设备复杂、工程总造价高等问题的主要办法有:改进、简化过滤设备系统;开发生产薄壁滴灌带,降低一次性投资;加大灌水器流道和在普通大流道滴灌管或滴灌管的毛管首端加装调节器来提高出水均匀度但是滴灌系统整体造价仍然居高不下,压力补偿式滴头技术含量高、开发难度大,是鉴别各国滴灌设备生产厂商技术水平高低的主要标志。

 

l 内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头设计原理

 

1.1 压力补偿式滴头工作原理

滴头镶嵌在滴灌管内壁,水由主进水孔进入高压腔,再由高压腔通过稳压进水孔流进紊流流道,在紊流流道内降低水压后通过回水孑L流入稳压腔,由稳压腔通过出水孔流出,流入出水腔,由滴水孔滴出管外。

 

滴头的滴水量是恒定的,主要由3个环节来保证:① 当滴灌管内水压增大时,补偿膜片所承受的压力也增大,则补偿膜片对主进水孔所进来的水的反作用力也增大,此时由主进水孔进入高压腔的水受到阻力从而起到减压作用;② 高压腔内的水由稳压进水孔进入紊流流道,通过紊流流道内的弯曲流道起到第二次减压,而且稳流流道也是保持滴水均匀性的主要部件;③ 当水压特大时,补偿膜片的弹性不能抵抗主水孑L进水压力时,补偿膜片将被迫贴在补偿平台上,此时稳压腔内的水只能从流水槽内小量流出,迫使稳压腔升压。升压后,补偿膜片又离开补偿平台,稳压腔内的水从出水孔流出,这样就起到补偿作用,使高压时的水和低压时的水都能保持均匀的流量。

 

1.2 压力补偿滴头的水力特性

 

灌水器压力与流量的关系一般用下式表示:

Q=KHX                                                                                   (1)

式中:Q为给定压力H下灌水器的流量;H为压力;K为流量系数;x为流量指数。流量指数z表征了灌水器的压力补偿特性,当 值小于04时,一般认为灌水器为压力补偿灌水器;x越接近于0,灌水器的补偿性能就越强。理想的压力补偿器的流量指数等于0,其水力性能曲线为水平线。实际的压力补偿灌水器的水力性能并不完全是水平线,补偿性能要复杂得多,并随补偿原理和结构而变。通常,压力补偿灌水器以10m水头作为标称压力Hn,标称压力下的流量称为标称流量或名义流量Qn,具体补偿性能的最小压力或起始补偿压力P最小、一般为47m,最大补偿压力P最大般为3040m。当压力大于P最大或小于P最小小时,灌水器不再具有补偿功能。某些压力补偿灌水器在压力小于P最小时,具有冲洗功能,其原理是当压力小于P最小时,流道增大,流量加大,这样便可将堵塞物冲洗掉。

 

1.3 内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头的结构设计

 

依据以上技术原理和经验,经过深入细致的研究分析,提出了以弹()性复合材料替代弹性薄片材料,提高压力补偿能力;以互通双流道,提高抗堵塞能力的基本技术构思,如图1所示。

 

1 内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头的结构设计图

 

调节区内的弹()性是由聚氨酯特殊材料制成的特定形状,其具有在水压发生变化后,弹()性膜片发生形变和位移的双向运动。弹()性下开设的双流道进口的断面为一倾斜面,当压力低时,柔性发生的形变和位移覆盖的双流道进口短,水流通过双流道的路程短,水流紊流涡旋形成的阻力小,水头能量损失小。当压力增大时,弹()性膜片发生的形变和位移覆盖的双流道进口长,水流通过双流道的路程长,水流紊流涡旋形成的阻力大,水头能量损失大。可有效实现压力一流量的补偿。弹()性下开设的双流道为互通的双流道,在正常状态下两个流道均正常工作且相互具有自动冲洗功能;在一条通道发生堵塞后,正常工作的流道将对堵塞通道发生自动冲洗作用。

 

2 内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头的设计与制作

 

2.1 材料选取

 

滴头是滴灌管的核心部件,根据滴头的结构设计,主要由3部分组成,即基片、弹性膜片和基片盖片。这3个部件中最重要的部件是弹性(也即柔性)

基片和基片盖片用普通聚乙烯材料即可满足要求。弹性(柔性)膜片:按照滴头的工作原理,柔性膜片的位移和形变决定着内镶贴片上双流道进水口的截面积。因此其对材料的具体要求如下:①密度必须大于1;② 弹性非常好,能随着水压的变化而做相应的调整;③材料的耐磨性好;④加工方便。

依据以上要求,可供选择的热塑性弹性体主要有聚氨酯类热塑性弹性体、SBS热塑性弹性体(密度1.113.1g/cm3)、聚烯烃类热塑性弹性体(密度0.911.24g/cm3)EPDM/PPNBR/PVC热塑性弹性体(密度1.151.24g/cm3)。其中,密度大于1的只有聚氨酯类热。SBS可通过加入填充物将密度提高到1g/cm3。以上 但从弹性来讲,聚氨酯最好,其次是SBS,再其次是NBR/PVC。从耐磨性来讲,在相同柔软度的情况下,也是聚氨酯最好。聚氨酯的综合性能见表1

 

l 聚氯酯的综合性能

 

硬度/邵式

拉伸强度/MPa

伸长率/%

相对密度

50~60

>25

>300

1.2~1.3

 

 

2.2 性能指标

经实验、试制、测试、改进后初步定型的内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头滴灌管,在管径分别为1620mm,水头分别为581420253040455055m的试验条件下,被检测的压力补偿式滴灌管以5m水头为标称压力,标称压力下的流量(2.043 L/h)为标称流量,水头在540m,具有很强的压力一流量补偿功能。在水头小于5m或大于45m的区间,基本不具备压力一流量补偿功能。

经国家节水灌排中心进行综合性指标检测,检测试验结果显示,主要技术指标达到滴水元件A类均匀度标准;① 在工作压力范围中值为入口压力时,流量变异系数小于5%;②压力流量关系式Q=0.9827×H0.1236圳中:滴水元件流态指数m=0.1236<0.22,判定此滴水元件属恒流式产品;③在人口压力为210kPa时,滴灌管组合体均未出现破损,判定此滴灌管工作压力至少可达到180kPa;④在水头压力不断改变的情况下,滴水元件流量均匀系数达到97.915%,说明此滴水元件具有压力补偿能力;⑤该产品滴头镶在滴灌内壁,与外界隔离,不会发生丢失和损坏,压力调节范围广(5~50m),平地铺放最大长度为500m,是国内目前铺放距离最长、压力调节范围最广的滴灌产品;⑥紊流双流道产生的涡流能不断自动清洗水源内的杂质(),有效的防止污物积累,滴头流量和滴头间距能充分满足各种作物的生长要求。

 

3 结语

内镶贴片扁平紊流压力补偿式滴头特殊的互通双水道结构,具有良好的自动冲洗功能,产品的抗堵塞性能较强。其创新性表现在:①在调节区内的柔性膜片是由特殊材料制成的特定形状,其具有在水压发生变化后,柔性膜片发生形变和位移的双向运动;②柔性膜片下开设的双流道进口的断面为一倾斜面,当压力低时,柔性膜片发生的形变和位移覆盖的双流道进口短,水流通过双流道的路程长,水流涡旋形成的阻力大,水头能量损失大。当压力大时,柔性膜片的形变和位移覆盖的双流道进口长,水流通过双流道的路程短,水流螺旋形成的阻力小,水头能量损失小。可有效实现压力一流量的补偿;③ 柔性膜片下开设的双流道为互通的双流道,在正常状态下两个流道均正常工作。流道内形成的螺旋具有自动冲洗流道的功能;在一条通道

发生堵塞后,正常工作的流道将对堵塞通道发生自动冲洗作用。

 

参考文献:

[1]张国祥.微灌水力设计的经验系数法(均匀坡度)[J].喷灌技术,1991(1)

[2] 张国祥.微灌毛管水力学研究[J].喷灌技术,1990(2)

[3] 刘刚,薛基群,张永茂,等.新型螺旋式抗堵塞滴头研制[J].节水灌溉,2002(5)

 

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