Effects of the underdrain design on the pressure drop in sand filters

Pujol, Toni; Arbat, Gerard; Bové, Josep; Puig‐Bargués, Jaume; Duran–Ros, Miquel; Velayos, Joaquim; Cartagena, F. Ramírez de

doi:10.1016/j.biosystemseng.2016.07.005

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“…Figures 8 and 10 confirmed the departure from uniform conditions as the flow approached the underdrain element. Arbat et al [12] and Pujol et al [15] proposed a simplified pressure drop model to take this effect into account. In their analytical model, the granular bed was divided into two regions: region 1 far from the underdrain in which the flow was essentially uniform, and region 2 close to the underdrain with a non-uniform flow behavior.…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

“…In region 2, both major and minor loss terms were modified according to a reduction in the number of channels available. In region 2, [12,15] assumed a linear decrease in the available diameter for the water flow from D f (=200 mm; filter diameter) to D s = (4A i,u /π) 1/2 = 27.2 mm; equivalent diameter of the slots open area). The extent of region 2 was calculated by matching the virtual surface area of a scaled underdrain to the filter cross-sectional area A f .…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

“…However, this is not always accomplished in commercial filters since the effect of having underdrain slots with an open area lower than that of the crosssectional filter implies a flow concentration towards the drainage [14]. Arbat et al [12] and Pujol et al [15] aimed to solve this problem by including non-uniform flow corrections to analytical pressure drop equations within the granular packed bed. The modifications of the equations took into account the variation in the number of water channels available when approaching the underdrain element.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Assessment of Different Pressure Drop-Flow Rate Equations in a Pressurized Porous Media Filter for Irrigation Systems

Graciano-Uribe

Pujol

Puig‐Bargués

et al. 2021

Water

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The small open area available at the slots of underdrains in pressurized granular bed filters for drip irrigation implies: (1) the existence of a region with non-uniform flow, and (2) local values of modified particle Reynolds number >500. These flow conditions may disagree with those accepted as valid for common pressure drop-flow rate correlations proposed for packed beds. Here, we carried out detailed computational fluid dynamics (CFD) simulations of a laboratory filter to analyze the results obtained with five different equations of head losses in porous media: (1) Ergun, (2) Darcy-Forchheimer, (3) Darcy, (4) Kozeny-Carman and (5) power function. Simulations were compared with experimental data at different superficial velocities obtained from previous studies. Results for two silica sand media indicated that all equations predicted total filter pressure drop values within the experimental uncertainty range when superficial velocities <38.3 m h−1. At higher flow rates, Ergun equation approximated the best to the observed results for silica sand media, being the expression recommended. A simple analytical model of the pressure drop along flow streamlines that matched CFD simulation results was developed.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Assessment of Different Pressure Drop-Flow Rate Equations in a Pressurized Porous Media Filter for Irrigation Systems

Graciano-Uribe

Pujol

Puig‐Bargués

et al. 2021

Water

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“…Los filtros de arena son los que ofrecen una elevada protección en las instalaciones de riego por goteo [13] ya que consiguen una reducción más eficaz de los sólidos en suspensión presentes en las aguas de riego [7], evitando mejor la obturación [6]. Algunos autores han estudiado la influencia del diseño del drenaje de los filtros de arena en la pérdida de carga [14,15,16], pero ninguno de ellos ha X CONGRESO IBÉRICO DE AGROINGENIERÍA X CONGRESSO IBÉRICO DE AGROENGENHARIA 3 -6 septiembre 2019, Huesca -España analizado cómo el diseño del filtro afecta a la obturación de los goteros. Por otra parte, los filtros de arena tienen que someterse a contralavados periódicos para liberar las partículas retenidas en el medio si se quiere garantizar su buen funcionamiento [17].…”

Section: Introductionunclassified

unclassified

Efecto de diferentes diseños de drenajes de filtros de arena en la obturación de goteros utilizando aguas residuales regeneradas

Torres¹,

Roš²,

Arbat³

et al. 2019

Congreso Ibérico De Agroingeniería

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Resumen: Los filtros de arena son los que se recomiendan habitualmente cuando se utilizan aguas regeneradas en instalaciones de riego por goteo, si bien se desconoce el efecto de sus distintos diseños de drenaje en la prevención del atascamiento de los goteros. Por este motivo, en este trabajo se ha analizado el efecto en la obturación de goteros provocado por el uso de filtros de arena con distintos modelos de drenaje que operaron con agua residual regenerada durante 1000 h. Al inicio, mitad y final del experimento se determinó el caudal emitido de todos y cada uno de los 226 goteros que había en cada uno de los 12 laterales de riego. Los resultados indican que se produjo una reducción significativa (p<0.05) del caudal medido del 8% a las 500 h y del 11% a las 1000 h respecto al inicial. La posición del gotero también tuvo un efecto significativo a partir de las 500 h de operación. Los caudales de los goteros fueron significativamente inferiores (p<0.05) únicamente en los últimos 2 m de los laterales, hallándose los valores mínimos en los dos últimos goteros. El número de goteros totalmente obturados fue del 1.2% con el filtro de drenaje de medio poroso, del 1.0% con el drenaje de cúpulas insertadas y del 0.6% con el filtro de brazos colectores.Palabras clave: riego por goteo, filtración, filtros granulares, atascamiento. IntroducciónEl uso de aguas residuales regeneradas en agricultura resulta una alternativa viable para hacer frente a las cada vez más comunes situaciones de escasez de agua [1], a la vez que permite liberar aguas de mejor calidad para otros usos [2].La mejor técnica para la aplicación en riego agrícola de las aguas residuales regeneradas desde un punto de vista sanitario y ambiental es el riego por goteo [3,4], aunque esta tecnología presenta un problema importante en el atascamiento de los goteros [3,5]. La obturación de los goteros depende de múltiples factores como el tipo de agua utilizada, el tipo de emisor, las condiciones de mantenimiento y el sistema de filtrado [6,7]. Los goteros autocompensantes [8,9], integrados [9] y los de caudales elevados [5,10] son más resistentes a la obturación.Existe un amplio consenso en que la filtración es una operación esencial para prevenir la obturación de los goteros [11], aunque no la consigue evitar completamente [12]. Los filtros de arena son los que ofrecen una elevada protección en las instalaciones de riego por goteo [13] ya que consiguen una reducción más eficaz de los sólidos en suspensión presentes en las aguas de riego [7], evitando mejor la obturación [6]. Algunos autores han estudiado la influencia del diseño del drenaje de los filtros de arena en la pérdida de carga [14,15,16], pero ninguno de ellos ha

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Hydraulic performance analysis of new versus commercial nozzle design for pressurised porous media filters

Graciano-Uribe,

Pujol,

Duran-Ros

et al. 2024

Irrig Sci

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Rapid water filtration with pressurised porous media filters is extensively applied in drip irrigation systems. In double-chamber filters, the underdrains are fixed to the base of the inner plate to sustain the media above while draining water. Here, a new underdrain design intended to reduce the filter energy consumption is presented. The main difference with commercial underdrain units corresponds to the distribution of the slots, being in a horizontal plate to uniformise the flow trajectories inside the porous media. Both commercial and new underdrain designs have been tested in laboratory in both filtration and backwashing modes with three media types, two media heights, and superficial velocities ranging from 20 to 120 m h−1. In filtration mode, results indicate that the new design reduces the filter pressure drop by 31% at 60 m h−1 in comparison with the commercial one. The exploration with an analytical model that correctly reproduces the filter pressure drop, reveals that its value at 60 m h−1 is only 15% higher than the ideal scenario (uniform flow throughout the porous media bed). In backwashing mode, the pressure drop in comparison with the commercial design is reduced by 65% at 80 m h−1, while having the same trend for the bed expansion, which is also predicted by a simple analytical expression. Thus, the new underdrain design produces a more homogeneous fluidised regime than the commercial one at low-moderate superficial velocities.

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Effects of the underdrain design on the pressure drop in sand filters

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Efecto de diferentes diseños de drenajes de filtros de arena en la obturación de goteros utilizando aguas residuales regeneradas

Hydraulic performance analysis of new versus commercial nozzle design for pressurised porous media filters

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