趙　杰,　王海橋,2,　陳世強(qiáng),2

(1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南省礦山通風(fēng)與除塵裝備工程技術(shù)研究中心, 湖南 湘潭 411201)

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濕式共振柵阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究

趙杰1,王海橋1,2,陳世強(qiáng)1,2

(1.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南省礦山通風(fēng)與除塵裝備工程技術(shù)研究中心, 湖南 湘潭 411201)

為研究濕式共振柵阻力特性,根據(jù)樁柱群繞流理論,建立了不同規(guī)格尺寸的共振柵的平均阻力系數(shù)的計(jì)算模型。在自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)共振柵的阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,獲得了用于分析不同類型共振柵阻力系數(shù)的計(jì)算模型。結(jié)果表明:隨著風(fēng)速的增加,有、無噴霧時(shí)共振柵的阻力系數(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)值均下降。當(dāng)速度為4～7 m/s時(shí),下降趨勢(shì)不明顯,基本趨于穩(wěn)定；當(dāng)速度大于7 m/s時(shí),理論值高于實(shí)驗(yàn)值20%。該研究驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性。

礦井排風(fēng); 共振柵; 阻力特性; 實(shí)驗(yàn)

0　引　言

在風(fēng)井排風(fēng)濕式除塵過程中,除塵系統(tǒng)的阻力對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)有著直接的影響[1]。阻力大,則將造成排風(fēng)風(fēng)量不足,從而影響礦井風(fēng)量。濕式共振柵風(fēng)井除塵系統(tǒng)因其阻力小,除塵效率高,可應(yīng)用在礦井風(fēng)井排風(fēng)口的風(fēng)流凈化。濕式共振柵除塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備是共振柵,其作用是使柵弦間隙形成水膜,更好地與粉塵結(jié)合和凝并,同時(shí)在弦上形成下降水流,清洗被柵弦捕集的粉塵[2-3],其共振柵的阻力特性是礦井排風(fēng)除塵技術(shù)的關(guān)鍵。在濕式共振柵阻力研究方面,宮麗虹等[4-6]對(duì)濕式振動(dòng)纖維柵除塵技術(shù)中的纖維柵阻力進(jìn)行了分析研究,認(rèn)為當(dāng)水附著在纖維柵上,受氣流擾動(dòng)后,水在纖維上的變形對(duì)氣流有一定的導(dǎo)流作用,而這種變形有利于降低纖維柵阻力;葛世友等[7-9]通過實(shí)驗(yàn)研究,分別分析了噴霧壓力、纖維層數(shù)和纖維層間距對(duì)除塵系統(tǒng)阻力的影響情況,得出在噴霧壓力越大,纖維層數(shù)越多,層間距越小時(shí),系統(tǒng)阻力越大。學(xué)者對(duì)濕式共振柵除塵系統(tǒng)的阻力分析取得了一定的成果,但針對(duì)不同間距直徑比的共振柵的阻力特性研究較少。

筆者根據(jù)樁柱群繞流理論,研究不同規(guī)格尺寸共振柵的平均阻力系數(shù)計(jì)算模型;為驗(yàn)證該計(jì)算模型的有效性,制作共振柵,建立實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行共振柵的阻力實(shí)驗(yàn)。

1　阻力系數(shù)數(shù)學(xué)模型的建立

影響共振柵阻力的主要因素有過濾風(fēng)速,平均阻力系數(shù)和噴水量及共振柵的結(jié)構(gòu)等,但起主導(dǎo)作用的仍是共振柵的結(jié)構(gòu),即共振柵的鋼弦間距直徑比。根據(jù)單根鋼弦的長(zhǎng)度直徑比,可以將鋼弦看成是無限長(zhǎng)圓柱體。因此,在研究其阻力特性時(shí),可按無限長(zhǎng)圓柱體繞流來近似分析,并假設(shè)在阻力平方區(qū)時(shí),流體繞流無限長(zhǎng)圓柱體的阻力系數(shù)為定值。當(dāng)多根鋼弦并列排列時(shí),共振柵總阻力可以根據(jù)平面力系疊加原理,考慮相鄰兩根鋼弦彼此之間的影響系數(shù),先求出整塊共振柵的平均阻力系數(shù),然后計(jì)算總阻力。

當(dāng)兩根相同直徑的圓柱體并列排列,方向垂直于流向時(shí),彼此之間存在一個(gè)橫向阻力影響系數(shù)K。查閱文獻(xiàn)顯示,該影響系數(shù)K與雷諾數(shù)、圓柱體直徑和來流流速無關(guān),而僅與兩圓柱體之間的間距與其直徑的比值H/D相關(guān),則圓柱體橫向排列時(shí)的平均阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為[10]

(1)

CD——單根圓柱體阻力系數(shù);

M——橫向并排的圓柱體根數(shù);

K——兩圓柱體橫向阻力影響系數(shù)。

橫向阻力影響系數(shù)K,按式(1)計(jì)算[10],

(2)

式中,H/D為兩圓柱體之間的間距與直徑比,>1。

根據(jù)濕式共振柵除塵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理,要使鋼弦在受風(fēng)流擾動(dòng)時(shí)能夠形成橫向共振,且有利于水在鋼弦間形成水膜,需滿式(3)[11-12]

(3)

式中:σL——水的表面張力,常溫下為7.275×10-2N/m;

B0——邦德數(shù),表示靜止液體重力與表面張力作用的相對(duì)大小,當(dāng)B0<<1時(shí)[13],可以忽略液體重力,即水在鋼弦上能夠產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象;

θ——液體與鋼弦表面接觸角,通過實(shí)驗(yàn)確定;

ρL——噴霧液體的密度,kg/m3。

(4)

Cd——單根鋼弦阻力系數(shù),在有噴霧、無噴霧狀態(tài)，分別由實(shí)驗(yàn)確定。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1共振柵的制作

濕式共振柵除塵系統(tǒng)主要由噴霧段、共振柵除塵段及脫水段三部分組成。工作原理是,當(dāng)含塵氣流流經(jīng)該除塵系統(tǒng)時(shí),在噴霧作用下,粉塵被霧滴和共振柵捕集,經(jīng)擋水板脫水后,凈化空氣排至大氣。濕式共振柵除塵系統(tǒng)如圖1所示。共振柵由兩片柵板組成,其中柵板間距為50 mm。單片柵板由一定直徑、且具有良好防腐性能的鋼弦(不銹鋼絲)按一定間距并排組成,其結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖1　濕式共振柵除塵系統(tǒng)示意Fig. 1　Schematic drawing of wet resonant grille dust removal system

圖2　柵板結(jié)構(gòu)示意Fig. 2　Grille plate schematic drawing

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置由通風(fēng)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、共振柵和測(cè)試系統(tǒng)組成。通風(fēng)動(dòng)力為軸流通風(fēng)機(jī),為滿足實(shí)驗(yàn)風(fēng)速要求,風(fēng)機(jī)采用變頻控制;噴霧系統(tǒng)由BPZ75/12型高壓水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、DX-801XB00150型數(shù)字式壓力表、供水管、噴嘴組成。噴嘴選用SS-10W不銹鋼噴嘴,噴射角度120°,流量7 L/min;水泵選用BPZ75/12型高壓泵,壓力范圍0～12 MPa;共振柵由不銹鋼絲繞制而成,其結(jié)構(gòu)見圖2。測(cè)試系統(tǒng)選用TSI 9565-P多功能風(fēng)速儀,測(cè)量風(fēng)速時(shí),測(cè)量范圍,0～50 m/s,精度,±0.02 m/s;測(cè)量靜壓時(shí),測(cè)量范圍,-3 735～3 735 Pa,精度為±1 Pa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?制作了鋼弦直徑為0.35 mm,間距0.75 mm的共振柵,其過濾面積為575 mm×525 mm。將共振柵放置在橫截面為600 mm×600 mm,長(zhǎng)5 500 mm的矩形風(fēng)管內(nèi)。噴霧方向采用順噴,并布置在風(fēng)管斷面中心距共振柵上游側(cè)400 mm處。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置見圖3。

1、8 畢托管; 2、7 風(fēng)速儀; 3 壓力表; 4 智能電磁流量計(jì); 5 高壓水泵; 6 儲(chǔ)水箱; 9 入口混合段; 10、15 整流段; 11、16 測(cè)量段; 12 矩形風(fēng)管段; 13 噴嘴; 14 共振柵; 17 變頻風(fēng)機(jī); 18 出口段

圖3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

Fig. 3Sketch of experiment system

2.3實(shí)驗(yàn)方法

共振柵由多根鋼弦繞制而成,在分析其阻力時(shí),類似于流體繞流圓柱群的阻力。根據(jù)已有的理論,阻力損失可按式(5)計(jì)算:

(5)

式中:ΔP——阻力,Pa;

Cd——阻力系數(shù);

ρ——流體密度,kg/m3;

v——流體風(fēng)速,m/s。

為分析噴霧對(duì)共振柵阻力特性的影響,本實(shí)驗(yàn)擬從兩方面入手,即在不同風(fēng)速下,分別針對(duì)有噴霧和無噴霧時(shí)的共振柵阻力損失進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)共分四個(gè)工況進(jìn)行:無噴霧、無共振柵;無噴霧、有共振柵;有噴霧、有共振柵;有噴霧、無共振柵。

3　結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中,將無噴霧、有共振柵狀態(tài)下的共振柵段靜壓差減去無噴霧、無共振柵狀態(tài)下的共振柵段靜壓差得到無噴霧下共振柵段的實(shí)際阻力損失。將有噴霧、有共振柵狀態(tài)下的共振柵段靜壓差減去有噴霧、無共振柵狀態(tài)下的共振柵段靜壓差得到有噴霧下共振柵段的實(shí)際阻力損失。通過實(shí)驗(yàn)得到共振柵板阻力損失數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù),結(jié)合共振柵阻力計(jì)算式(5)可分別求出共振柵在有噴霧和無噴霧狀態(tài)下的阻力系數(shù),見圖4,其中Cd1、Cd2分別為無噴霧、有噴霧狀態(tài)下的共振柵實(shí)際阻力系數(shù)。

根據(jù)表1數(shù)據(jù),繪制有、無噴霧情況下的共振柵阻力損失曲線見圖5,其中P1、P2分別對(duì)應(yīng)無噴霧、有噴霧狀態(tài)下的共振柵阻力損失。

表1　共振柵阻力測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1　Resistance test date of resonant grille

圖4　阻力系數(shù)曲線Fig. 4　Resistance coefficient curve

圖5　共振柵阻力曲線Fig. 5　Resistance curve of resonant grille

從圖4可看出,無論噴霧是否存在,當(dāng)隨著過濾風(fēng)速v不斷增大時(shí),共振柵的阻力系數(shù)整體上均呈下降趨勢(shì)。但風(fēng)速在4～7 m/s時(shí),這種變化不夠明顯,趨于穩(wěn)定。通過計(jì)算氣流繞流鋼弦的雷諾數(shù)得出,在2～4 m/s時(shí),Re為6×105～9×105之間;在4～8.7 m/s時(shí),Re在1.3×106～2.8×106之間。在該雷諾數(shù)范圍下,阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)與Hoerne無限長(zhǎng)圓柱體的繞流阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線想吻合。同時(shí),有噴霧時(shí)共振柵阻力系數(shù)的下降速率明顯大于無噴霧時(shí)。從圖7可看出,當(dāng)噴水量、噴水壓力、共振柵結(jié)構(gòu)一定時(shí),共振柵板阻力損失均隨風(fēng)速增加而增加,且在有噴霧情況下的增長(zhǎng)速率大于無噴霧時(shí)。

圖6　無噴霧時(shí)阻力理論值實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 6　Resistance comparison of theoretical values with experimental values without spray

圖7　有噴霧時(shí)阻力理論值實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Fig. 7　Resistance comparison of theoretical values with experimental values within spray

當(dāng)共振柵斷面尺寸為575 mm×525 mm,鋼弦直徑為0.35 mm,鋼弦間距0.75 mm時(shí)。實(shí)驗(yàn)確定有噴霧下單根鋼弦的繞流阻力系數(shù)為0.002 5,無噴霧下單根鋼弦的繞流阻力系數(shù)為0.001 4。將以上數(shù)據(jù)代入式(4),得出單片柵板在有噴霧和無噴霧下的理論平均阻力系數(shù)分別為1.178、2.077。并將該理論平均阻力系數(shù)代入式(5)求出共振柵阻力損失理論值,最后與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,見圖(6)、(7)。

從圖(6)、(7)看出,理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,證明了式(4)的有效性。但在風(fēng)速達(dá)到7 m/s后,理論值高出實(shí)驗(yàn)值20%,說明在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)理論公式不符合實(shí)際。究其原因在于,當(dāng)液滴附著在鋼弦上時(shí),隨著風(fēng)速的不斷增加,液滴在鋼弦上的存在形式的改變對(duì)風(fēng)流起到一定的導(dǎo)流作用,因此阻力損失實(shí)際值相對(duì)于理論計(jì)算值小。

4　結(jié)　論

(1)濕式共振柵除塵方法對(duì)礦井排風(fēng)凈化有較大的適用價(jià)值,其共振柵阻力系數(shù)是應(yīng)用的關(guān)鍵,本文采用了理論與實(shí)驗(yàn)的方法分析濕式共振柵阻力特性。

(2)根據(jù)樁柱群繞流理論,結(jié)合相鄰圓柱體阻力影響系數(shù),推導(dǎo)了單片柵板平均阻力系數(shù)計(jì)算模型;通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了共振柵分別在有噴霧和無噴霧下的阻力系數(shù)變化趨勢(shì),隨著風(fēng)速增加,阻力系數(shù)均呈現(xiàn)出一定程度的下降,在風(fēng)速為4～7 m/s時(shí),阻力系數(shù)趨于平穩(wěn)。在有噴霧狀態(tài)下,共振柵的阻力隨風(fēng)速增加而增加的速率明顯大于無噴霧狀態(tài)。

(3)根據(jù)樁柱群繞流理論推導(dǎo)的單片柵板平均阻力系數(shù)計(jì)算模型經(jīng)與實(shí)驗(yàn)對(duì)比,理論和實(shí)驗(yàn)基本一致,但在風(fēng)速大于7 m/s時(shí),理論值比實(shí)際值偏大。單片柵板平均阻力系數(shù)計(jì)算模型可作為工程應(yīng)用計(jì)算的理論依據(jù)。

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(編輯李德根)

Research on resistance characteristics and experiments of wet resonant grille

ZHAOJie1,WANGHaiqiao1,2,CHENShiqiang1,2

(1.School of Mining & Safety Engineering, Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China;2.Hunan Province Engineering Research Center of Mine Ventilation & Dust Removal Equipment, Xiangtan 411201, China)

This paper is intended to study the resistance characteristics of wet resonant grille. The study is specifically performed by establishing the calculation model of average resistance coefficient for different sizes of resonant grille applying the theory of the flow around pile group; and identifying these resistance characteristics on the self-made experimental platform and thereby obtaining the calculation model designed for analyzing different types of resonant gate resistance coefficient by combining theory with experiments. The results show that with the increase in air velocity comes a drop in the theoretical and experimental values in resistance coefficient for resonant grille, with or without spray; with the velocity of 4～7 m/s there follows this decline whose trend is not significant and which tends to be almost stabilized; and with the velocity over 7 m/s there occurs the theoretical values 20% higher than the experimental values . This research verifies the effectiveness of the proposed calculation model.

mine ventilation; resonant grille; resistance characteristics; experimental research

2014-11-27

國家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1361118);湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JJ8016；2015JJ2061);煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南科技大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(201105)

簡(jiǎn)介： 王海橋(1962-),男,湖北省武漢人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向:通風(fēng)安全及空氣調(diào)節(jié),E-mail:hqwang1962@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.018

TD724

2095-7262(2015)01-0082-05

A