CN115176674B - 一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法 - Google Patents

一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法，包括多孔渗水体，所述多孔渗水体顶部与上顶盖固定连接，多孔渗水体内部开设有渗水腔，上顶盖及渗水腔内穿设有进水管，所述进水管底部与分水管旋转连接，所述多孔渗水体底部与外套管外壁固定连接，所述外套管顶部与排水筒体外壁固定连接，所述排水筒体顶部开放、底部封闭且侧壁开设有导水孔，所述排水筒体外壁套设有弹性套体；本发明解决了现有滴灌灌水器易堵塞的问题。

Description

一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法
技术领域
本发明涉及滴灌灌水器设计领域，具体地指一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法。
背景技术
节水灌溉是现代农业尤其是旱区农业采用的主要灌溉方法，微灌作为一种先进的节水灌溉技术，已在旱区作物的灌溉中广泛采用。通过合理的系统设计和高效的田间管理，微灌可实现对作物根部进行定时适量的灌溉，有效减少地面水分的蒸发，极大提高灌溉水的利用效率。灌水器是微灌系统最为关键的部件，灌水器的结构、水力性能以及质量好坏直接影响到微灌系统的灌水均匀度和可靠性。近几年，人们在现代农业节水技术的快速发展中发现，滴灌是微灌中最节水的灌溉技术，而作为滴灌系统的核心部件，灌水器（滴头)已成为各国对滴管技术研究的重点之一。
近年来，关于微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器的研究逐渐受到一些学者的重视。研究发现，微孔陶瓷灌水器和微孔混凝土灌水器不但水力性能优异,而且能有效避免塑料灌水器的缺陷。文献1“硅藻土微孔陶瓷灌水器制备工艺优化，农业工程学报，2015 ,31(22):70-76 .”公开了一种微孔陶瓷灌水器，该灌水器将粘土、硅藻土和硫酸钙的混合料模压成坯体在1060-1090℃烧成，其中烧结温度为1075℃，硅藻土掺量为15％的灌水器 综合性能最佳，维氏硬度为448MPa、线收缩率为4.9％，开口孔隙率为26.3％，在10KPa水头的流量为1.64L/h。文献2“微孔陶瓷灌水器流量影响因素研究，农业机械学报，2016,47(4): 73-78 .”公开了一种微孔陶瓷灌水器，该灌水器是将粘土、炉渣和硅溶胶的混合料模压成坯体在1050-1100℃烧成，其中通过改变烧结温度改变收缩率，控制孔隙率，继而达到改变微孔陶瓷灌水器流量的目的。
然而目前滴灌灌水器还存在较多的问题，如造价过高，灌水均匀度低，易堵塞等。这些问题极大地阻碍了滴灌技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种造价低，灌水均匀度好的磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器及制备和冲洗方法，解决现有滴灌灌水器易堵塞的问题。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，包括多孔渗水体，所述多孔渗水体顶部与上顶盖固定连接，多孔渗水体内部开设有渗水腔，上顶盖及渗水腔内穿设有进水管，所述进水管底部与分水管旋转连接，所述多孔渗水体底部与外套管外壁固定连接，所述外套管顶部与排水筒体外壁固定连接，所述排水筒体顶部开放、底部封闭且侧壁开设有导水孔，所述排水筒体外壁套设有弹性套体。
优选地，所述外套管底部开设有出水孔。
优选地，所述弹性套体外侧通过固定环安装于排水筒体外壁。
优选地，所述上顶盖、进水管和外套管均为聚乙烯材质，多孔渗水体顶部与上顶盖通过热熔胶密闭连接，进水管与上顶盖通过热熔胶密闭连接，外套管顶部与排水筒体外壁通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体底部与外套管外壁通过热熔胶密闭连接。
优选地，所述分水管为弧形喷管结构，其固定于套管外壁，套管内壁与进水管底部外壁旋转连接。
优选地，所述套管内壁与进水管底部外壁之间设有轴承。
优选地，所述多孔渗水体制备原料按质量份数计分别为：磷石膏40-50份，钾长石50-60份。
另外，本发明还公开上述磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，它包括如下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到灌水器多孔渗水体。
进一步地，它具体包括以下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，磷石膏原料颗粒级配为20-30目筛45~60%（重量）和30-40目筛40~55%（重量），钾长石原料颗粒级配为20-30目筛45~60%（重量）和30-40目筛40~55%（重量），然后将两种原料按以下质量份数混合：磷石膏46份，钾长石54份；
步骤二：加入定量有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在14MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min。
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度1200℃，保温时间为60-90min，得到灌水器多孔渗水体。
另外，本发明还公开上述磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的冲洗方法：它包括如下步骤：
S1：当滴灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水管、分水管流入到多孔渗水体的渗水腔内，在灌水模式下，渗水腔内的水压不足以将弹性套体从排水筒体外壁冲开，此时导水孔被弹性套体遮挡而成封闭状态，渗水腔内的水流在压力作用下从多孔渗水体的微孔渗出；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体的微孔；
S3：当多孔渗水体被堵塞导致流量明显下降时，通过增大灌溉系统首部压力，使得进水管处水压增大，当渗水腔压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式，此时水流将弹性套体从排水筒体外壁冲开，露出导水孔，水流依次经过排水筒体、导水孔、弹性套体与排水筒体之间间隙而流入到外套管内，并最终从其底部的出水孔排出；
S4：水流从出水孔排出的同时，进水管水流流量瞬间增大，经过分水管流的水流流量也瞬间增大，水流从分水管高速喷出的同时，分水管快速旋转，喷出的水束随之做圆周运动，从而冲洗掉渗水腔内壁的堵塞物，并从排水筒体、导水孔、外套管及出水孔排出，达到自动冲洗的目的。
本发明的有益效果：
1、采用本发明提供的方法制备的磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器具有优异的灌水性能。通过改变磷石膏和钾长石的比例，原料颗粒级配及调节多孔渗水体坯体烧结温度，可有效控制灌水器的开口孔隙率和透水系数，灌水均匀度好。由于制备磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的主要原料为工业废料磷石膏和钾长石，有效降低大量磷石膏堆存对环境造成的严重危害。实现了对磷石膏废渣的回收再利用，不仅缓解了我国每年大量产出及堆积的磷石膏对自然环境的污染，而且使灌水器的成本得到了控制，具有良好的市场前景。
2、本发明基于以上问题设计的一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，对于未来滴灌技术的推广具有一定的促进作用，对于节水灌溉技术的发展具有一定的推动作用并且能够有效的废物利用减轻磷石膏堆放所产生的环境污染等问题。
3、滴灌灌水器极易发生堵塞，由于水流通道是灌水器材料的微孔结构，在灌水器内壁表面极易发生物理堵塞和生物堵塞，所以很难对此类堵塞进行处理。本发明借助排水筒体在冲洗工况下弹性套体与排水筒体外壁分离形成泄水通道，利用进水管尾部的分水管，分水管产生高速水流冲洗渗水腔内部，实现自动冲洗渗水腔内壁附着堵塞物的效果。具体地，当灌水器发生堵塞或流量下降时，通过增大首部供水压力，使灌水器内部压力达到灌水器冲洗压力，通过导水孔产生横向压力，弹性套体胀开，与排水筒体管壁分离形成泄水通道，大量水流通过泄水通道流出。灌水器内部水流通过进水管，进入分水管，分水管在较大供水压力作用下，喷嘴产生高速水束，旋转分水管的喷洒图形为圆形，对灌水器内壁进行冲洗，并且水的反作用力使喷嘴产生转动，喷洒出的水束随之做圆周运动，冲洗脱落的堵塞物通过泄水通道排出，达到自动冲洗的目的，有效解决了现有滴灌灌水器易堵塞的问题。
4、本发明利用磷石膏本身和铝硅酸盐反应形成网状结构钙钒石，利用磷石膏在加热过程中分解产生气体，使得渗水体具有很好的透水性，省去了外加造孔剂的工序,简化了工艺。所得的磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器结构简单，制备方便，造价低廉，便于大规模生产，灌水器抗堵能力强，可长期使用。
附图说明
图1 为一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的立体结构示意图；
图2为图1的半剖结构示意图；
图3为图1去掉弹性套体及固定环后的结构示意图；
图4为冲洗工况渗水腔整体流速分布图（a为正视视角，b为俯视视角）；
图5为冲洗工况渗水腔纵向流速分布图；
图6为冲洗工况渗水腔横向流速分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1至3所示，一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，包括多孔渗水体1，所述多孔渗水体1顶部与上顶盖2固定连接，多孔渗水体1内部开设有渗水腔3，上顶盖2及渗水腔3内穿设有进水管4，所述进水管4底部与分水管5旋转连接，所述多孔渗水体1底部与外套管6外壁固定连接，所述外套管6顶部与排水筒体7外壁固定连接，所述排水筒体7顶部开放、底部封闭且侧壁开设有导水孔8，所述排水筒体7外壁套设有弹性套体9。
优选地，所述外套管6底部开设有出水孔10。在本实施例中，外套管6为空心圆柱体结构，其上部固定连接有盖体，盖体与排水筒体7外壁固定连接，外套管6底部固定连接有封板，封板开设有出水孔10。
优选地，所述弹性套体9外侧通过固定环11安装于排水筒体7外壁。通过固定环11的固定作用可以防止弹性套体9发生脱落的现象，在本实施例中，排水筒体7表面为圆柱形结构，弹性套体9可选用圆筒形结构的橡胶筒体结构。
优选地，所述上顶盖2、进水管4和外套管6均为聚乙烯材质，多孔渗水体1顶部与上顶盖2通过热熔胶密闭连接，进水管4与上顶盖2通过热熔胶密闭连接，外套管6顶部与排水筒体7外壁通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体1底部与外套管6外壁通过热熔胶密闭连接。
优选地，所述分水管5为弧形喷管结构，其固定于套管12外壁，套管12内壁与进水管4底部外壁旋转连接。这样设计后，当分水管5喷出高速水流后，由于反作用力的作用，会推动分水管5沿着进水管4作旋转运动。
优选地，所述套管12内壁与进水管4底部外壁之间设有轴承。这样设计后可以大大减小分水管5沿着进水管4作旋转运动的摩擦力。
优选地，所述多孔渗水体1制备原料按质量份数计分别为：磷石膏40-50份，钾长石50-60份。
在本实施例中，磷石膏与钾长石之间配比对渗透系数和抗压强度影响结果见下表1：
确定磷石膏用量为40~50份较为适宜，而钾长石50-60份较为适宜。优选地，磷石膏46份，钾长石54份。
另外，本实施例还公开上述磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的多孔渗水体的制备方法，它包括如下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到灌水器多孔渗水体。
进一步地，它具体包括以下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，磷石膏原料颗粒级配为20-30目筛45~60%（重量）和30-40目筛40~55%（重量），钾长石原料颗粒级配为20-30目筛45~60%（重量）和30-40目筛40~55%（重量），然后将两种原料按以下质量份数混合：磷石膏46份，钾长石54份；
在本实施例中，不同颗粒级配对透水系数的影响结果如下表2：
目前，颗粒级配过大会导致透水系数偏高不适宜灌水器，所以采用相对较小的颗粒级配制备灌水器。本实施例中原料颗粒级配为20~30目筛45~60%和30~40目筛40~55%时，透水系数0.329×10-5m/s~0.345×10-5m/s。优选地，20-30目筛55%和30-40目筛45%。
步骤二：加入定量有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；在本实施例中，有机粘结剂CMC溶液中，CMC与水的质量比1:8，整个有机粘结剂CMC溶液的重量占步骤一中原料配方总重量的1%~1.5%。
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在14MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min。
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度1200℃，保温时间为60-90min，得到灌水器多孔渗水体。
另外，本实施例还公开上述磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的冲洗方法：它包括如下步骤：
S1：当滴灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水管4、分水管5流入到多孔渗水体1的渗水腔3内，在灌水模式下，渗水腔3内的水压不足以将弹性套体9从排水筒体7外壁冲开，此时导水孔8被弹性套体9遮挡而成封闭状态，渗水腔3内的水流在压力作用下从多孔渗水体1的微孔渗出；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔3内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体1的微孔；
S3：当多孔渗水体1被堵塞导致流量明显下降时，通过增大灌溉系统首部压力，使得进水管4处水压增大，当渗水腔3压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式，此时水流将弹性套体9从排水筒体7外壁冲开，露出导水孔8，水流依次经过排水筒体7、导水孔8、弹性套体9与排水筒体7之间间隙而流入到外套管6内，并最终从其底部的出水孔10排出；
S4：水流从出水孔10排出的同时，进水管4水流流量瞬间增大，经过分水管5流的水流流量也瞬间增大，水流从分水管5高速喷出的同时，分水管5快速旋转，喷出的水束随之做圆周运动，从而冲洗掉渗水腔3内壁的堵塞物，并从排水筒体7、导水孔8、外套管6及出水孔10排出，达到自动冲洗的目的。
另外，本实施例通过数值模拟灌水器在冲洗工况下的内部水流流动特性。当滴灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自滴头入口进入进水管，再沿着分水管进入渗水腔，在灌水模式下，排水筒体在弹性套体遮挡而成封闭状态，渗水腔水流在压力作用下从灌水器多孔渗水体渗出。随着灌水次数的增加，水源中的部分细小杂质颗粒会滞留在灌水器渗水腔内，且随着使用时间的增长，灌水器渗水体内壁会滋生藻类微生物，进一步堵塞灌水器。当灌水器被堵塞导致流量明显下降时，通过增大灌溉系统首部压力，当灌水器渗水腔压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式。此时灌水器排水筒体导水孔打开，进入灌水器的水流流量瞬间增大，经过分水管的水流流量也瞬间增大，水流从分水管高速喷出的同时，分水管快速旋转，喷出的水束随之做圆周运动，从而冲洗掉渗水腔内壁的堵塞物，并从出水孔流出。
如图4、5和6所示，从灌水器腔内流速分布图可看出，高速水流出现在灌水器渗水腔边壁，这正是灌水器易堵部位；从灌水器腔内水流流线分布可看出，分水管结构的设计，使得灌水器内部水流紊动增强，水流剧烈扰动及旋涡有利于实现对灌水器内壁的清洗，满足抗堵塞要求。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，包括多孔渗水体（1），所述多孔渗水体（1）顶部与上顶盖（2）固定连接，多孔渗水体（1）内部开设有渗水腔（3），上顶盖（2）及渗水腔（3）内穿设有进水管（4），所述进水管（4）底部与分水管（5）旋转连接，所述多孔渗水体（1）底部与外套管（6）外壁固定连接，所述外套管（6）顶部与排水筒体（7）外壁固定连接，所述排水筒体（7）顶部开放、底部封闭且侧壁开设有导水孔（8），所述排水筒体（7）外壁套设有弹性套体（9）；所述多孔渗水体（1）制备原料按质量份数计分别为：磷石膏40-50份，钾长石50-60份；其特征在于：多孔渗水体（1）的制备方法包括如下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，然后将原料按照已有配合比例混合均匀；
步骤二：加入有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏一段时间；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在一定压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥一段时间；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，得到灌水器多孔渗水体；
所述外套管（6）底部开设有出水孔（10）；
所述分水管（5）为弧形喷管结构，其固定于套管（12）外壁，套管（12）内壁与进水管（4）底部外壁旋转连接；
所述套管（12）内壁与进水管（4）底部外壁之间设有轴承。
2.根据权利要求1所述的一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，其特征在于：所述弹性套体（9）外侧通过固定环（11）安装于排水筒体（7）外壁。
3.根据权利要求1所述的一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，其特征在于：所述上顶盖（2）、进水管（4）和外套管（6）均为聚乙烯材质，多孔渗水体（1）顶部与上顶盖（2）通过热熔胶密闭连接，进水管（4）与上顶盖（2）通过热熔胶密闭连接，外套管（6）顶部与排水筒体（7）外壁通过热熔胶密闭连接，多孔渗水体（1）底部与外套管（6）外壁通过热熔胶密闭连接。
4.根据权利要求1所述的一种磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器，其特征在于：所述多孔渗水体（1）的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：磷石膏和钾长石两种原料分别放入破碎机破碎并依次过20-30目筛和30-40目筛，磷石膏原料颗粒级配为过20-30 目筛的重量占比45~60%和过30-40 目筛的重量占比40~55%，钾长石原料颗粒级配为过20-30 目筛的重量占比45~60%和过30-40 目筛的重量占比40~55%，然后将两种原料按以下质量份数混合：磷石膏46份，钾长石54份；
步骤二：加入定量有机粘结剂CMC溶液混合搅拌均匀，将混合料在密闭容器中陈伏24h；
步骤三：将陈伏后的混合料装入模具中，在14MPa压力下干压成型；
步骤四：将坯体放入到干燥箱中进行干燥，干燥温度为90℃，干燥时间为60min；
步骤五：将坯体放入高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，试验烧成温度1200℃，保温时间为60-90min，得到灌水器多孔渗水体。
5.一种权利要求1所述磷石膏基复合材料自洗滴灌灌水器的冲洗方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1：当滴灌灌水器在正常工作灌水模式下，水流自进水管（4）、分水管（5）流入到多孔渗水体（1）的渗水腔（3）内，在灌水模式下，渗水腔（3）内的水压不足以将弹性套体（9）从排水筒体（7）外壁冲开，此时导水孔（8）被弹性套体（9）遮挡而成封闭状态，渗水腔（3）内的水流在压力作用下从多孔渗水体（1）的微孔渗出；
S2：随着灌水次数的增加，水源中的杂质颗粒会滞留在渗水腔（3）内，且随着使用时间的增长，逐渐堵塞多孔渗水体（1）的微孔；
S3：当多孔渗水体（1）被堵塞导致流量明显下降时，通过增大灌溉系统首部压力，使得进水管（4）处水压增大，当渗水腔（3）压力达到灌水器冲洗额定压力时，灌水器进入冲洗模式，此时水流将弹性套体（9）从排水筒体（7）外壁冲开，露出导水孔（8），水流依次经过排水筒体（7）、导水孔（8）、弹性套体（9）与排水筒体（7）之间间隙而流入到外套管（6）内，并最终从其底部的出水孔（10）排出；
S4：水流从出水孔（10）排出的同时，进水管（4）水流流量瞬间增大，经过分水管（5）的水流流量也瞬间增大，水流从分水管（5）高速喷出的同时，分水管（5）快速旋转，喷出的水束随之做圆周运动，从而冲洗掉渗水腔（3）内壁的堵塞物，并从排水筒体（7）、导水孔（8）、外套管（6）及出水孔（10）排出，达到自动冲洗的目的。
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