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滤料层的配水系统 |
- 配水系统位于滤池的底部，作用是在反洗时均匀分配水流及在过滤时收集过滤出水。
滤池在过滤过程和冲洗过程中，虽然都要求两者的流量在整个滤池面积上均匀分布，但更强调冲洗过程流量的均匀分布，是关系到滤池工作可靠性的关键条件。在过滤时，配水系统对于过滤水在整个滤池面积上的均匀集水也起了重要的作用。
冲洗水分布不均匀会产生两个危害性的后果。一个是在冲洗强度小的面积内，无烟煤滤料得不到足够的清洗，这部分表面上残留着附有悬浮固体的滤料，会逐渐黏结起来，成为球状或片状物，分别称为“泥球”和“泥饼”。“泥球”和“泥饼”出现后，会逐渐长大而不会自己消失，进一步恶化冲洗效果，影响过滤出水的质量。另外在冲洗强度高的面积内，由于流速很大，会冲动承托层，破坏其结构，引起无烟煤滤料和承托层卵石的混合，并使滤料漏进过滤水中，产生“走砂”现象。
- 为了使配水系统设计成为均匀配水的装置，需要了解配水不均匀的原因：
图4-10所示的干渠支管式配水系统，图4-10(a)为立体外形图，图4-10(b)为水流冲洗时的示意图。如图4-10(a)配水系统的中间是一条干管，干管两侧等距接出若干根相互平行的支管，支管下方开两排小孔，与铅垂线成45°角交错排列。冲洗时，水流自小孔流出，再经承托层分配后进入无烟煤滤料层；过滤时，水流方向相反。
- 图4-10中，C处孔眼离B点最远，A处孔眼离B点最近，所以C点与A点孔眼流量差别最大，设水流到A点的路径为I，水流到C点的途径为II，图4-10(b)所示。
图4-10中，路径II要比路径I远，设A点和C点处的孔眼流量分别为QA和QC。
定义配水均匀性系数β为两者的最小流量比，即：β=Qmin/Qmax
式中：Qmin为最小流量，取QA和QC中较小者，m3/s；Qmax为最大流量，取QA和QC中较大者，m3/s。
根据流体力学，孔眼出流流量按下式计算：QA=μAωC√2gHA / QC=μAωC√2gHC
式中：μA、μC分别为A孔和C孔的流量系数；ωA、ωC分别为A孔和C孔的面积。
若μA=μC，ωA=ωC，Hc>HA，则有：β=QA/QC=√HA/HC
上式说明，配水的均匀性取决于A、C两孔处的压力水头HA和HC的相对大小。
忽略支管沿程水头损失和入口处水头损失，则：HC=HA+1/2g(ν20+ν2a)
式中：ν0为干管起端流速，m3/s；νa为支管起端流速，m/s。
所以：β=QA/QC=√HA/HC=√HA/HA+(ν20+ν2a)/2g 式(4-16)
因为ν20+ν2a≥0，所以β≤100%。
式(4-16)指明了提高配水均匀性应努力的方向：
(1)增大孔眼阻力HA，使HA+(ν20+ν2a)/(2g)≈HA，β趋近于100%，这就是大阻力配水的基本原理。
(2)降低干管和支管流速，削弱(ν20+ν2a)/(2g)的影响，同样可使HA+(ν20+ν2a)/(2g)≈H，β趋近于100%，这就是小阻力配水的基本原理。
- 大阻力配水系统
设β0是希望的配水均匀性系数(β0一般要求大于90%)，β≥β0，由式(4-16)得：
HA≥β20(ν20+ν2a)/(1-β20)2g 式(4-17)
式(4-17)表明，欲使配水系统的配水均匀性大于β0，孔眼阻力应超过式(4-17)右边的值。
根据孔眼流速和压力水头的关系，用配水系统的平均孔眼流速νk、平均孔眼流量系数μ和平均孔眼面积ω表示的话，式(4-17)可变化为式(4-18)所示的形式：ν2k≥μ2β20(ν20+ν2a)/(1-β20) 式(4-18)
式中：νk为配水系统的孔眼平均流速；μ为孔眼平均流量系数。
式(4-18)构成了孔眼流速、干管流速、支管流速和配水均匀性系数四者相互间的约束条件，是设计大阻力配水系统流速的理论依据。生产实践中，一般将条件表达式(4-18)简化成所谓的大阻力配水原则，即：孔眼流速>支管流速>干管流速。
根据流速(ν)、流量(Q)和过水断面积(F)三者关系式ν=Q/F，式(4-18)可表达成：
(σk/σa)^4(nk/na)2+(σk/σ0)^4 n2k≤1-β20/μ2β20 式(4-19)
式中：σk为孔眼直径；σ0为干渠等效内直径；σa为支管内直径；nk为孔眼个数；na为支管根数。
式(4-19)是设计大阻力配水系统几何尺寸的理论依据。
由于冲洗流速远大于过滤流速，当冲洗布水均匀时，过滤收集出水也会均匀。所以，设计配水系统时常以反冲洗流量作为计算的依据。
表4-7的有关设计规定，体现了式(4-18)对流速的要求和式((4-19)对几何尺寸的要求。
大阻力配水系统设计规定 表4-7
项目 |
《室外给水设计规范》(GBJ 13-86) |
《给排水工程设计手册》 |
英、美规定 |
ν0(m/s) |
1.0-1.5 |
1.0-1.5 |
＜2 |
νa(m/s) |
1.5-2.0 |
1.5-2.0 |
＜2 |
νk(m/s) |
3-6 |
5-6 |
4-6 |
开孔比(%) |
0.2-0.25 |
0.2-0.25 |
0.15-0.5 |
干管支管面积比 |
- |
1.75-2.0 |
1.75-2.0 |
管长管径比 |
- |
＜60 |
＜60 |
支管中孔(m) |
- |
0.2-0.3 |
0.08-0.3 |
孔眼中距(m) |
- |
- |
0.08-0.3 |
孔眼直径(mm) |
- |
9-12 |
6-1 |
从理论上讲，只要流速和几何尺寸的搭配分别满足式(4-18)和式(4-19)的要求，就可做到配水均匀。从经济角度考虑，建议在满足上述两式基本要求前提下，尽量采用小流速搭配，以利降低能耗，例如干管流速、支管流速和孔眼流速分别采用0.7-1.1m/s、1.4-1.8m/s和3.5-4.5m/s。据国内滤池的调查资料显示，实际使用的干管流速、支管流速和孔眼流速分别为0.63-1.95m/s、1.61-2.64m/s和3.36-7.5m/s，孔眼水头损失为14.7-72.52kPa，滤池配水均匀性系数在90%以上，反洗效果满意。
- 大阻力配水系统的构造
管式大阻力配水系统的构造如图4-11所示。图4-11(a)表示平面布置，由设在滤池中心的一根干管和两侧的许多带孔眼支管构成，支管并均匀布置在滤池面积上。孔眼开在支管下部管中心垂直线的两侧，一般呈45°角，并左右错开，如图4-11(b)所示。一般干管和支管用铸铁管或钢管，但断面大的干管则采用钢筋混凝土渠道。有时为了配合滤池的形状，把干管布置在滤池面 积的侧边外，只布置一排支管。
管式大阻力配水系统是大阻力系统的构造形式，这种系统是伴随常规滤池发展起来的，有长期的使用经验，对于大面积滤池的配水均匀性很可靠，使用这种系统的最大滤池面积已达315m2。
- 小阻力配水系统
在冲洗水头有限的无阀滤池和虹吸滤池设计中，普遍选用小阻力配水方式。
根据式(4-16)引申出来的小阻力配水原理，人们设计出了许多种配水系统，图4-12是其中一种。该配水系统没有支管，并以池底较大的配水空间代替干渠，以开孔比大的滤砖代替支管上的孔眼，通过降低流速水头实现均匀配水。
令νa=0，则式(4-16)可改写为：β=√1/1+(μν0/νk)2 式(4-20)
式中：ν0为配水室进水流速；νk为配水平均孔眼流速；μ为平均孔眼流量系数。
式(4-20)表明，小阻力配水的均匀性取决于流速比(ν0/νk)，进水流速小或孔眼流速大，配水均匀性好，反之配水均匀性差。
根据水力学连续性方程，式(4-20)可表达成另一种形式：β=√1/1+(μaF/BH)2 式(4-21)
式中：a为开孔比(配水孔总面积/滤池总面积)；F为滤池总面积，m2；B为矩形配水室过水断面宽度(垂直纸面)，m；H为矩形配水室过水断面高度，m。
式(4-21)体现了小阻力配水对几何尺寸的基本要求。当滤池面积、配水室高度和宽度已定时，配水均匀性取决于开孔比。开孔比小，孔眼阻力大，配水均匀性好。生产实际中开孔比变化范围较大，在0.72%-47%之间，因此，配水均匀性相差很大。
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