軌道車輛冷卻塔進(jìn)風(fēng)口過(guò)濾網(wǎng)阻力特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

胡金潤(rùn)，周 萍，陳梅潔

(1.中南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南聯(lián)誠(chéng)軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412001)

軌道交通復(fù)合冷卻塔安裝在車輛設(shè)備間，冷卻風(fēng)通過(guò)車輛頂部過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)入冷卻塔，通過(guò)換熱器進(jìn)行熱交換后從車底吹出，頂部過(guò)濾網(wǎng)的目的在于防止外界的雜物及柳絮進(jìn)入而影響系統(tǒng)換熱性能[1-3]，工作示意如圖1所示.

圖1 冷卻塔進(jìn)出風(fēng)示意圖

通風(fēng)過(guò)濾網(wǎng)通常根據(jù)使用環(huán)境和工況的不同，設(shè)計(jì)上存在較大的差異性，通常需考慮使用條件、過(guò)濾能力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、來(lái)流風(fēng)速等要求，確定濾網(wǎng)的開(kāi)孔率和孔的直徑.國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)規(guī)則的編制型金屬絲網(wǎng)具有較深入的研究[5-11]，而對(duì)于不規(guī)則的V形和∩形阻力特性研究較少.

本文對(duì)V形和∩形過(guò)濾網(wǎng)阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，并對(duì)原過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)，測(cè)得了3種類型濾網(wǎng)的阻力系數(shù)和阻力曲線及相應(yīng)的規(guī)律，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了依據(jù).

1 過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征

頂部過(guò)濾網(wǎng)，原通風(fēng)網(wǎng)格采用V字形結(jié)構(gòu)如圖2所示.

為保證過(guò)濾網(wǎng)的整體強(qiáng)度，在V形底部設(shè)置了圓形鋼桿，網(wǎng)格密度為2×2 mm，如圖3所示.

圖2 V形過(guò)濾網(wǎng)

圖3 V形過(guò)濾網(wǎng)局部圖(mm)

2 過(guò)濾網(wǎng)阻力計(jì)算

冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)類似于空氣低速在管道中流動(dòng)，屬于不可壓縮流體流動(dòng)，過(guò)濾網(wǎng)阻力通常采用黏性流體伯努利方程、半經(jīng)驗(yàn)的方法研究其局部阻力，計(jì)算公式為

(1)

公式中：Δp為過(guò)濾網(wǎng)局部阻力，Pa；g為重力加速度，m2/s；ζ為局部阻力系數(shù)；υ為空氣平均速度，m/s.

通常情況下，空氣平局流速、重力加速度易得到，因此在考慮過(guò)濾網(wǎng)的阻力計(jì)算時(shí)必須已知局部阻力系數(shù)，而濾網(wǎng)阻力系數(shù)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得.

3 過(guò)濾網(wǎng)阻力系數(shù)測(cè)試

過(guò)濾網(wǎng)阻力損失取決于局部阻力系數(shù)的大小，根據(jù)過(guò)濾網(wǎng)鋼絲的目數(shù)、濾網(wǎng)鋼絲的直徑、濾網(wǎng)迎風(fēng)面積等參數(shù)有關(guān)，由于軌道交通車輛冷卻塔頂部用過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)形狀、大小不一，國(guó)內(nèi)外資料中推薦的通風(fēng)濾網(wǎng)局部阻力系數(shù)ζ值相差很大，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)該濾網(wǎng)阻力系數(shù)進(jìn)行測(cè)試研究[12]，測(cè)試原理如圖4所示.

圖 4 濾網(wǎng)阻力測(cè)試原理圖

應(yīng)用沿流線的伯努利方程，可知

(2)

公式中：υ為空氣平均速度，m/s；ρ為過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)口空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；P1為沿線點(diǎn)1的壓強(qiáng)，Pa；P0為沿線點(diǎn)0的壓強(qiáng)，Pa；Z1為沿線點(diǎn)1的位置高度，m；Z0為沿線點(diǎn)0的位置高度，m.

利用沿線伯努利方程可知，測(cè)試點(diǎn)0和1處于同一流線上，因此Z1=Z0，則有

(3)

ρ=(B+PA)/[287×(273+T)]，

(4)

公式中：PA為過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)口空氣靜壓，Pa；B為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)大氣壓力，Pa；T為過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)口空氣溫度，℃.

過(guò)濾網(wǎng)阻力測(cè)試系統(tǒng)由變頻風(fēng)機(jī)、整流柵、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)調(diào)頻裝置及測(cè)量空氣體積流量、溫度和壓力用的儀器儀表等組成.

風(fēng)道采用矩形風(fēng)道，測(cè)量過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)出口空氣靜壓用的測(cè)壓孔，距過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)出口100 mm處分別布置A、B兩點(diǎn)，距離每一避面中心為1/8的管道寬度處均勻地設(shè)置4個(gè)直徑?2 mm的測(cè)壓孔[12]，可連接至單個(gè)畢托靜壓管上，在穩(wěn)定流動(dòng)條件下，在每一點(diǎn)獲取靜壓讀數(shù)并進(jìn)行平均計(jì)算，測(cè)量值計(jì)為PA和PB.

通過(guò)儀器測(cè)量得到，測(cè)量點(diǎn)A和測(cè)量點(diǎn)B的靜壓值PA和PB，及管道進(jìn)風(fēng)口溫度T、測(cè)試地海拔、濕度等參數(shù).

Δp=PB-PA.

(5)

由公式(1)、公式(5)得到；

(6)

4 過(guò)濾網(wǎng)阻力優(yōu)化

冷卻塔安裝于車體機(jī)械間，空間尺寸，系統(tǒng)性能及進(jìn)風(fēng)量確定，不改變過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾效果的前提下，降低過(guò)濾網(wǎng)的阻力，加大網(wǎng)格的通道面積，展開(kāi)了如下優(yōu)化；

(a)為增到進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)面積，改變以往V型排布結(jié)構(gòu)為半圓弧型結(jié)構(gòu)；

(b)改變過(guò)濾網(wǎng)加強(qiáng)桿的位置，減少因加強(qiáng)桿遮擋的進(jìn)風(fēng)面積；

(c)在考慮了安裝空間的情況下，增大進(jìn)風(fēng)口10%迎風(fēng)面積.

優(yōu)化后的∩形過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格密度為1×1 mm如圖5、圖6所示.

圖5 優(yōu)化后∩形過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 優(yōu)化后過(guò)濾網(wǎng)局部結(jié)構(gòu)圖(mm)

5 過(guò)濾網(wǎng)阻力測(cè)試數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化前后的過(guò)濾網(wǎng)分別在不同的風(fēng)速進(jìn)行阻力測(cè)試，阻力數(shù)據(jù)如表1所示，局部阻力系數(shù)如表2所示.

表1 過(guò)濾網(wǎng)阻力數(shù)據(jù)

表2 過(guò)濾網(wǎng)局部阻力系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試得到了不同風(fēng)量下，過(guò)濾網(wǎng)阻力曲線和局部阻力系數(shù)如圖7、圖8所示.

通過(guò)對(duì)V形和∩形2種不同結(jié)構(gòu)的濾網(wǎng)阻力進(jìn)行測(cè)試，可知，在保證原通風(fēng)面積不變的情況下，將2 mm×2 mm的V形過(guò)濾網(wǎng)改為1 mm×1 mm的∩形過(guò)濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，濾網(wǎng)阻力并沒(méi)有增加，阻力平均降低約33.9%.

V形過(guò)濾網(wǎng)在風(fēng)速大于10 m/s時(shí)，阻力增長(zhǎng)速率較快，∩形過(guò)濾網(wǎng)阻力與風(fēng)速增長(zhǎng)較于平緩.

3種類型過(guò)濾網(wǎng)在不同風(fēng)速下，由測(cè)試得到的阻力和局部阻力系數(shù)可知，局部阻力系數(shù)基本不變，風(fēng)速的變化對(duì)局部阻力系數(shù)幾乎沒(méi)有影響.

∩形過(guò)濾網(wǎng)在加大迎風(fēng)面積10%的情況下，阻力平均降低約30.7%.

6 總 結(jié)

(1)通過(guò)測(cè)試V和∩兩種不同濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的阻力，可知在不改變迎風(fēng)面積的情況下，可通過(guò)改變?yōu)V網(wǎng)結(jié)構(gòu)有效地降低冷卻塔過(guò)濾網(wǎng)阻力.

(2)對(duì)于該∩形結(jié)構(gòu)的濾網(wǎng)，在工程允許的情況下，有效加大迎風(fēng)面積可較大的降低濾網(wǎng)阻力.

(3)本文設(shè)置了一種過(guò)濾網(wǎng)阻力測(cè)試系統(tǒng)，采用畢托管測(cè)速原理，得到了過(guò)濾網(wǎng)在不同風(fēng)速下的阻力特性及局部阻力系數(shù)，為后續(xù)類型產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了依據(jù).