高海拔地區(qū)鐵路站車(chē)?yán)鴼饬斔拖到y(tǒng)風(fēng)機(jī)的選型研究

張文兵，洪 蔚，董大為，水春雨，侯世全，于曉瑩

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

高海拔地區(qū)鐵路站車(chē)?yán)鴼饬斔拖到y(tǒng)風(fēng)機(jī)的選型研究

張文兵1，洪 蔚2，董大為2，水春雨2，侯世全2，于曉瑩2

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

垃圾氣力輸送系統(tǒng)是近年發(fā)展起來(lái)的一種高效、衛(wèi)生的垃圾輸運(yùn)方式，用于車(chē)站，尤其是新建高架車(chē)站，可解決人工輸運(yùn)候車(chē)室垃圾及旅客列車(chē)?yán)a(chǎn)生的不利影響。垃圾氣力輸送系統(tǒng)主要通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流來(lái)攜帶輸送垃圾，因此，風(fēng)機(jī)的選型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)尤為重要。以蘭新鐵路吐魯番北站垃圾氣力輸送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，利用流體力學(xué)原理及公式對(duì)西藏日喀則地區(qū)所適用的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，為高海拔地區(qū)垃圾氣力輸送系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選型提供參考。結(jié)果得出同一系統(tǒng)，將風(fēng)機(jī)流量提高至原流量的1.24倍，可在西藏日喀則地區(qū)獲得與零海拔地區(qū)相同的垃圾輸送效果。

高海拔地區(qū)；鐵路車(chē)站；垃圾氣力輸送；風(fēng)機(jī)；選型

垃圾氣力管道輸送系統(tǒng)是指通過(guò)預(yù)先鋪設(shè)好的管道系統(tǒng)，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流，由高速氣流將生活垃圾攜帶至中央垃圾收集站，再經(jīng)氣固分離，垃圾由垃圾車(chē)運(yùn)送至垃圾處置場(chǎng)，尾氣經(jīng)除塵除臭后達(dá)標(biāo)排放，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高效、衛(wèi)生的垃圾輸運(yùn)方法[1-3]。據(jù)調(diào)研，目前鐵路客站普遍采用人工收集輸運(yùn)候車(chē)室垃圾及列車(chē)?yán)?，不僅清運(yùn)工作效率低，而且在運(yùn)輸過(guò)程中易造成垃圾遺撒，產(chǎn)生異味滋生病菌，引發(fā)二次污染[4-5]。此外，在新建的高架車(chē)站，垃圾車(chē)及平板車(chē)不能進(jìn)入站臺(tái)，垃圾幾乎完全依靠人工收集、運(yùn)輸，加上高架站臺(tái)沒(méi)有垃圾運(yùn)輸通道，清潔工人只能從旅客電梯或者樓梯清運(yùn)轉(zhuǎn)送垃圾，增加了站內(nèi)交通壓力，給旅客通行帶來(lái)阻礙[6-7]。而垃圾氣力管道輸送系統(tǒng)能有效解決人工收集輸運(yùn)所產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，為鐵路站車(chē)?yán)斶\(yùn)帶來(lái)創(chuàng)造性的革新。

垃圾氣力輸送系統(tǒng)主要是通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流來(lái)攜帶垃圾，因此，風(fēng)機(jī)的選型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)尤為重要。隨著地面海拔的升高，大氣壓強(qiáng)和空氣密度均隨之下降，空氣稀薄[8]，因此，同一個(gè)系統(tǒng)，使用同樣的風(fēng)機(jī)，在海拔不同的地區(qū)，攜帶垃圾的效果是不同的。在蘭新鐵路吐魯番北站使用的垃圾氣力輸送系統(tǒng)，選用的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為22 000 m3/h，全壓為8 kPa，共設(shè)置3臺(tái)風(fēng)機(jī)，兩用一備，風(fēng)機(jī)串聯(lián)安裝，則風(fēng)量仍為22 000 m3/h，全壓為16 kPa。本文擬以此風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)西藏日喀則地區(qū)的大氣壓強(qiáng)、空氣密度及適用的風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型計(jì)算，為高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)選型提供參考。

1 大氣壓強(qiáng)和空氣密度與海拔的關(guān)系

1.1 大氣壓強(qiáng)與海拔的關(guān)系

大氣壓強(qiáng)隨著海拔高度的升高而降低，海拔每上升100 m，氣壓降低1 000 Pa，即

(1)

式中P——大氣壓強(qiáng)，Pa；

h——海拔高度，m。

日喀則地區(qū)平均海拔為3 836 m，則該地的大氣壓強(qiáng)約為63×103Pa。

1.2 空氣密度與海拔的關(guān)系

根據(jù)克拉珀龍方程

ρ=PM/RT

式中ρ——空氣密度，kg/m3；

P——大氣壓強(qiáng)，Pa；

M——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，M=29 g/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，R=8.314 J/mol·K；

T——熱力學(xué)溫度，日喀則地區(qū)平均溫度為6.3 ℃，則T=273.15+6.3=279.45 K。

786g/m3=0.786kg/m3

即日喀則地區(qū)空氣密度為0.786kg/m3，僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度的0.61。

2 高海拔地區(qū)垃圾氣力輸送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的選型

本小節(jié)討論及計(jì)算基于以下假設(shè)：(1)垃圾為剛性球形物體，直徑不變，垃圾在無(wú)限流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)；(2)忽略海拔、空氣密度對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響[9]；垃圾袋尺寸、垃圾密度相同。

2.1 風(fēng)機(jī)風(fēng)量的選擇2.1.1 氣流對(duì)垃圾的推動(dòng)力與海拔的關(guān)系

垃圾氣力輸送系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，先由人工將垃圾袋投入垃圾投放口，當(dāng)垃圾到達(dá)一定量時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生高速氣流，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)一段時(shí)間后，管道內(nèi)流速達(dá)到設(shè)定的輸運(yùn)速度，垃圾投放口底部排放閥打開(kāi)，垃圾進(jìn)入輸送主管道，高速氣流隨即攜帶垃圾前往垃圾中央收集站。

垃圾輸送管道中高速氣流對(duì)垃圾的推動(dòng)力可由繞流阻力描述，繞流阻力公式如下

(2)

式中FR——運(yùn)動(dòng)物體所受流體的阻力，N；

ds——球形物體的直徑，m；

ρa(bǔ)——流體密度，kg/m3；

ν——受繞流物體擾動(dòng)以前流體相對(duì)于繞流物體的流速，即風(fēng)速，m/s；

CD——繞流阻力系數(shù)，為雷諾數(shù)Re=νd/υ的函數(shù)，無(wú)量綱，本系統(tǒng)中，風(fēng)速為ν=31.14 m/s，垃圾袋直徑d=0.4 m，流體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)υ=15.7×10-6m2/s，則Re=8×105。根據(jù)CD與Re的關(guān)系圖[10]，當(dāng)Re≥2.5×105時(shí)，CD接近常數(shù)0.2。

假設(shè)在日喀則地區(qū)使用的垃圾氣力輸送系統(tǒng)與蘭新鐵路吐魯番北站為同一套系統(tǒng)，所有設(shè)備、技術(shù)參數(shù)均相同，則式(2)中as不變，考察風(fēng)速ν和空氣密度ρa(bǔ)對(duì)繞流阻力FR的影響。

1.提升中國(guó)執(zhí)行AP-BEPS的能力?；贏P-BEPS的國(guó)內(nèi)落地業(yè)務(wù)需求，優(yōu)化中國(guó)稅務(wù)機(jī)關(guān)國(guó)際稅收征管組織體系，優(yōu)化配置實(shí)施AP-BEPS的國(guó)際稅收業(yè)務(wù)管理資源，持續(xù)提升執(zhí)行AP-BEPS的組織管理能力。全面推進(jìn)國(guó)際稅收信息化管理，強(qiáng)化國(guó)際稅收信息化質(zhì)效管理，利用信息技術(shù)協(xié)助AP-BEPS的執(zhí)行管理，持續(xù)提升實(shí)施AP-BEPS的信息化管理能力。

(1)風(fēng)速ν對(duì)FR的影響

(3)

風(fēng)機(jī)通量Q不變，則風(fēng)速ν不變，因此，可不考慮風(fēng)速對(duì)FR的影響。

(2)空氣密度對(duì)FR的影響

2.1.2 高海拔地區(qū)增大推動(dòng)力的措施

垃圾袋尺寸和垃圾密度不變，風(fēng)速ν增大，雷諾數(shù)Re同時(shí)增大，CD不變。

2.2 風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的選擇

垃圾氣力管道輸送系統(tǒng)中，純空氣流的總壓損為沿程壓力損失和局部壓力損失之和。投入垃圾后，系統(tǒng)變成兩相流，總壓損為沿程壓力損失、加速壓力損失、彎管壓力損失、提升物料壓力損失和局部壓力損失幾部分組成[11]。在本系統(tǒng)中，加速壓力損失、彎管壓力損失、提升物料壓力損失均較小，故主要考慮沿程壓損和局部壓損[12]。

沿程壓損

(4)

局部壓損

(5)

式中,m為固氣質(zhì)量比，無(wú)量綱；K=νs/ν，為終極固體顆粒流速與終極氣體流速之比，無(wú)量綱；λ為純空氣流摩擦阻力系數(shù)，無(wú)量綱；ζ為局部阻力系數(shù)，無(wú)量綱；l為直管長(zhǎng)度，m；d為直管管徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；ν為斷面平均流速，m/s。

零海拔地區(qū)，系統(tǒng)總壓損為

高海拔地區(qū)，系統(tǒng)總壓損為

Δp′=Δp=16 000 Pa

由于風(fēng)機(jī)廠家型錄上標(biāo)稱(chēng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓為零海拔時(shí)的風(fēng)壓，若要使得在日喀則地區(qū)使用的風(fēng)機(jī)風(fēng)壓達(dá)到16 000 Pa，則根據(jù)風(fēng)機(jī)定律換算成零海拔地區(qū)的風(fēng)壓為

3 結(jié)論

(1)對(duì)同一系統(tǒng)，根據(jù)繞流阻力公式，空氣密度減小，繞流阻力變小，即氣流對(duì)垃圾的推力減小。

(2)提高系統(tǒng)的空氣通量可抵消空氣密度對(duì)繞流阻力即空氣對(duì)垃圾推力的影響，即將風(fēng)機(jī)流量提高至原流量的1.24倍，可在日喀則地區(qū)獲得與零海拔地區(qū)相同的垃圾輸送效果。

(3)在日喀則地區(qū)適用的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為28 160m3/h，全壓為26 260Pa。

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Selection of Fan for Pneumatic Garbage Conveying System of Railway Stations in High Altitude Areas

ZHANG Wen-bing1， HONG Wei2， DONG Da-wei2， SHUI Chun-yu2， HOU Shi-quan2， YU Xiao-ying2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China;2.Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

Pneumatic garbage conveying system， an efficient and sanitary garbage conveying mode， has been developing rapidly in recent years. The application of this system in railway station， especially in elevated railway station， can solve adverse effects caused by manual clearing garbage off waiting rooms and trains. With the system， garbage is carried away by high-speed airflow generated by fan. Therefore， the selection of fan is very important for the system. Based on the parameters of the fan employed in the pneumatic garbage conveying system in Turpan， the parameters of the fan applicable to Shigatse area are analyzed and calculated so as to provide

for the selection of fan for pneumatic garbage conveying system in high altitude areas. The result shows that increasing the airflow of the fan to 1.24 times， the system used in Shigatse can obtain the same function as that used in low altitude area.

High altitude area; Railway station; Pneumatic garbage conveying; Fan; Selection

2014-06-04；

2014-06-10

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2013Z001-A)

張文兵(1971—)，男，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)給水排水專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：290200205@qq.com。

1004-2954(2015)03-0144-03

X705

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.034