范江鵬

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著煤礦輔助運輸?shù)娘w速發(fā)展，防爆柴油機無軌膠輪車以其機動、高效的特點得到了廣大煤礦用戶的認(rèn)可[1-2]。但同時對防爆柴油機無軌膠輪車的駕駛舒適性、動力性能以及排放性能等提出了更高的要求。尤其是近年來，要求其達(dá)到國Ⅲ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，必然導(dǎo)致各類尾氣后處理技術(shù)應(yīng)用于防爆柴油機車輛上。而此類設(shè)備，無一例外為達(dá)到增加尾氣與催化劑接觸面積的目的，采用蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu)，造成防爆柴油機無軌膠輪車排氣背壓增大，使得柴油機動力損失嚴(yán)重，降低了設(shè)備的經(jīng)濟性[3]。本文通過理論計算和試驗相結(jié)合的方法，對不同間隙的阻火器的阻火性能進(jìn)行研究，對提高防爆柴油機無軌膠輪車動力性和排放性能具有參考意義。

1 阻火理論

阻火器作為防爆無軌膠輪車隔爆性能的關(guān)鍵元部件，其厚度以及間隙大小直接決定了阻火器的阻火效果[4-6]。阻火器是通過其內(nèi)部的狹隙結(jié)構(gòu)，將火焰分成若干火焰束，并通過與邊界層碰撞而釋放能量，從而使火焰溫度降低，最終實現(xiàn)火焰淬熄[7-9]。

周凱元大量實驗指出阻火器間隙高度不宜高于1.4 mm[10]。GB 3836.11—2008指出甲烷氣體的最大試驗安全間隙為1.14 mm。MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》中規(guī)定：阻火器間隙不大于0.5 mm，阻火層長度不小于50 mm。綜上所述，本文以煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的阻火器厚度50 mm為基礎(chǔ)，研究間隙為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm阻火器的阻火性能。

2 計算分析

2.1 數(shù)值模擬

為簡化計算，將阻火器簡化為二維模型，考慮到模型的對稱性，只取二維模型的一半作為計算區(qū)域，具體模型如圖1所示。具體邊界參數(shù)如表1所示。

圖1 阻火器簡化模型

表1 邊界條件

根據(jù)雷諾數(shù)的計算公式：

2 300

(1)

式中：ρ為預(yù)混氣體的密度，由于大部分為空氣，包含少量甲烷，所以近似按空氣密度計算，kg/m3；V′為氣體的流速，m/s；d為平均管徑，m；η為動力黏度，kg/ms。

由式(1)可知，該模擬計算屬于湍流模型，因此采用最廣泛的k-ε二方程湍流模型描述甲烷氣體在氧氣中燃燒的湍流特性。

2.2 計算結(jié)果及分析

不同阻火器間隙的溫度分布云圖如圖2所示。隨著阻火器間隙的不斷增大，其淬熄距離也逐漸增大，對于間隙為0.8 mm、1.0 mm的阻火器，其出口處的火焰溫度小于1 700 K，表明阻火成功。而對于間隙1.2 mm、1.4 mm的阻火器，其出口火焰溫度在1 800 K以上，表明阻火失敗。

圖2 不同阻火器間隙的溫度分布云圖

圖3為不同間隙的阻火器對壓力損失的影響。從圖中可以看出，對于相同間隙的阻火器，隨著氣體流速的增加，阻火器的壓力損失也大幅度地增加；對于相同的氣流速度，隨著阻火器間隙的增大，壓力損失逐漸減??；當(dāng)間隙達(dá)到1.6 mm時，對壓力損失的影響可忽略不計。

圖3 不同阻火器間隙對壓力損失的影響

如圖4所示，隨著柵欄間隙的增加，通過阻火器的氣流速度也逐漸增大；柵欄入口處擴張腔在上下壁面處產(chǎn)生湍流；氣體在穿過阻火層后進(jìn)入出口擴張腔時，由于管徑縮小氣流速度有所增加，而且隨著柵欄間隙的增加氣流速度增加。這主要是由于隨著柵欄間隙的增加，阻火器有效通氣面積加大，從而流出阻火器的氣體量也隨之增加；阻火器柵欄板的數(shù)量減少，氣流與壁面的摩擦阻力也減小。

圖4 不同阻火器間隙速度云圖

3 試驗研究

為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，制作0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm間隙的阻火器，阻火器厚度均為50 mm，阻火器樣件如圖5所示，對上述樣件進(jìn)行隔爆試驗。

圖5 阻火器樣件

為使實驗符合實際使用工況，將阻火器固定在某型廢氣處理箱上，在廢氣處理箱的進(jìn)氣口以及出氣口位置處設(shè)置甲烷充氣口和排氣口；在遠(yuǎn)離阻火器端設(shè)置火花塞，以保證足夠的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋辉谙潴w頂部設(shè)置壓力傳感器，用以監(jiān)測爆炸壓力，確認(rèn)箱內(nèi)混合氣體是否被火花塞引燃。

試驗時，將廢氣處理箱以及阻火器整體放入防爆壓力罐中，通過中控臺將防爆壓力罐與廢氣處理箱中充入甲烷，使得甲烷濃度控制在8.5%，氧氣濃度控制在19%。待混合氣體濃度均勻后，通過火花塞將箱內(nèi)甲烷引燃，通過防爆壓力罐中的壓力傳感器，判斷火焰是否通過阻火器將防爆壓力罐中的可燃?xì)怏w引燃，以此判斷阻火器是否阻火成功，試驗儀器如圖6和圖7所示。同一阻火器樣件進(jìn)行10次隔爆試驗，如果10次試驗均隔爆成功，則認(rèn)為阻火器阻火成功；否則認(rèn)定阻火失敗，試驗結(jié)果如表2所示。

圖6 阻火器隔爆試驗

圖7 隔爆試驗中控臺

表2 試驗結(jié)果

注：√表示隔爆成功；×表示失爆。

試驗結(jié)果表明，阻火器間隙在小于1.0 mm的情況下，阻火器阻火成功，但是當(dāng)阻火器間隙為1.2 mm和1.4 mm時，分別在進(jìn)行第7次和第5次隔爆試驗時，阻火器失敗，這與理論計算的結(jié)果相符合。

4 結(jié)論

通過理論分析以及探索性試驗研究，阻火器間隙小于1.0 mm時，阻火器可阻火成功。因此，防爆無軌膠車通過采用大間隙的阻火器，可有效提高防爆柴油機的通氣效率，降低排氣背壓；對于提升防爆柴油機無軌膠輪車的動力性能及燃油經(jīng)濟性起重要作用。