(安徽理工大學(xué) 安徽 淮南 232000)

引言

礦用局部通風(fēng)機(jī)是煤礦生產(chǎn)中必不可少的一套基礎(chǔ)設(shè)備，其良好的運(yùn)行狀況是保證煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[1]。為確保煤礦的生產(chǎn)安全,人們需要對(duì)局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量,風(fēng)量的測(cè)量數(shù)據(jù)是規(guī)范井下局部通風(fēng)機(jī)的管理和局部通風(fēng)機(jī)所在巷道通風(fēng)量配置的重要依據(jù)。針對(duì)礦用局部通風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量測(cè)試方法作了深入研究，并提出了一個(gè)切實(shí)可行的方案，測(cè)試成本較低,測(cè)量精度高且安裝、使用簡(jiǎn)單，填補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的空白，在煤礦行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

針對(duì)礦用局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量測(cè)試，目前還沒(méi)有一個(gè)切實(shí)可行的測(cè)試方案。礦用局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不能直接測(cè)得，必須首先通過(guò)測(cè)量風(fēng)筒測(cè)風(fēng)斷面上的平均風(fēng)速，將其與測(cè)風(fēng)斷面面積相乘，才能得到局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量[2]。故測(cè)量礦用局部通風(fēng)機(jī)風(fēng)量，主要依靠測(cè)量風(fēng)筒內(nèi)測(cè)風(fēng)斷面上的平均風(fēng)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(一)測(cè)風(fēng)斷面流量分析

為了在風(fēng)流比較平穩(wěn)的區(qū)域選取測(cè)風(fēng)斷面，本課題在離扇葉大于5D(D代表風(fēng)筒直徑)的地方選擇測(cè)風(fēng)斷面。在測(cè)風(fēng)斷面上利用畢托管測(cè)量各測(cè)點(diǎn)壓速值，進(jìn)而算出其風(fēng)速值。根據(jù)測(cè)風(fēng)斷面上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速值算出此測(cè)風(fēng)斷面的平均風(fēng)速。風(fēng)量計(jì)算公式如下：

Q=S×v

(1)

式中：Q為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/s；

S為測(cè)風(fēng)斷面面積，m2；

v為測(cè)風(fēng)區(qū)域的平均風(fēng)速，m/s。

(二)實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵裝置為“L”型皮托管。測(cè)量流體速度時(shí)，皮托管的半球形頭部與流體軸線平行，流體經(jīng)頭部中心孔進(jìn)入內(nèi)管傳送至壓力傳感器顯示值即為流體總壓[3]。根據(jù)流體總壓與靜壓，由伯努利方程可得：

(2)

式中：v0為氣體速度，m/s；

p1為氣體總壓，Pa；

p2為氣體靜壓，Pa；

ρ為氣體密度，kg/m3。

為了使皮托管測(cè)量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，要在風(fēng)筒外面安裝一個(gè)固定皮托管的裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)固定皮托管的夾緊裝置需具有如下特點(diǎn)：皮托管安裝在夾緊裝置上需保證皮托管在測(cè)量風(fēng)速時(shí)與風(fēng)筒始終垂直；安裝在夾緊裝置的皮托管在受到風(fēng)力作用時(shí)，不能在風(fēng)筒內(nèi)部發(fā)生偏移，需牢固可靠；皮托管在夾緊裝置上能上下移動(dòng)，這樣能隨時(shí)更換測(cè)量點(diǎn)，方便快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；夾緊裝置應(yīng)該簡(jiǎn)單且便于加工和安裝[4]。

圖1 皮托管固定裝置示意圖

根據(jù)以上闡述的夾緊裝置所需具備的各種特點(diǎn)以及結(jié)合皮托管外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如下圖1夾緊裝置示意圖所示的夾緊裝置。

實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)為YYT-2000傾斜式微型測(cè)壓計(jì)作為測(cè)壓儀器測(cè)量壓力，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高且價(jià)格低廉。利用微壓計(jì)測(cè)量壓力時(shí)，所測(cè)壓力應(yīng)按如下式計(jì)算：

P=9.8LK

(3)

式中：P為微壓計(jì)所測(cè)壓力，Pa；

L為微壓計(jì)測(cè)量管液柱長(zhǎng)度，mm；

K為傾斜常數(shù)。

(三)實(shí)驗(yàn)方法

將對(duì)旋式風(fēng)機(jī)出口處的四個(gè)靜壓孔利用三通玻璃管彼此相連，最后接入傾斜式微型測(cè)壓計(jì)，所測(cè)壓力即為斷面平均速壓[5]。由于靜壓孔設(shè)在風(fēng)機(jī)出口處由伯努利方程列出如下式：

(4)

式中：hw為沿程阻力損失。風(fēng)機(jī)出口處沿程阻力損失基本為零(hw=0)，所以可得如下式：

(5)

由式(5)可得，微壓計(jì)所測(cè)壓力即為流體平均動(dòng)壓，由此即可算出管道流體平均風(fēng)速，進(jìn)而求出其通風(fēng)量。

調(diào)整皮托管的測(cè)頭，至測(cè)風(fēng)斷面軸心處，將其總壓孔接嘴接入另一傾斜式微壓計(jì)高壓源接口上，靜壓孔接嘴接入微壓計(jì)低壓源接口上[6]。

啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，讀出風(fēng)機(jī)出口處所測(cè)壓力值，并讀出當(dāng)皮托管測(cè)頭在軸心處所測(cè)的速壓值。本次實(shí)驗(yàn)所用風(fēng)筒直徑為400mm，軸心處與筒壁垂直距離為200mm，每次將皮托管沿徑向移動(dòng)10mm，并分別讀取這15個(gè)測(cè)點(diǎn)的速壓值[7]。調(diào)節(jié)對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量，并重復(fù)步驟四，分別讀取并記錄數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

(一)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)改變對(duì)旋式風(fēng)機(jī)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，逐漸增大風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)流的速度，測(cè)定不同風(fēng)量時(shí)管道測(cè)風(fēng)斷面測(cè)點(diǎn)的風(fēng)流速度整理出如下數(shù)據(jù)。

表1 平均風(fēng)速為6.0875m/s時(shí)速壓測(cè)試記錄表Table 1 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

表2 平均風(fēng)速為7.6297m/s時(shí)速壓測(cè)試記錄表Table 2 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

以測(cè)點(diǎn)為橫坐標(biāo)軸X，其相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為縱坐標(biāo)軸Y，制作如下坐標(biāo)圖。

圖2平均風(fēng)速為6.0875m/s時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)速圖
Fig.2 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 6.0875m/s

圖3平均風(fēng)速為7.6297m/s時(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)風(fēng)速圖
Fig.3 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 7.6297m/s

第一組數(shù)據(jù)中測(cè)點(diǎn)13的風(fēng)速值與平均風(fēng)速的相對(duì)誤差為0.018%，第二組數(shù)據(jù)中測(cè)點(diǎn)13的風(fēng)速值與平均風(fēng)速的相對(duì)誤差為2.25%，由于數(shù)據(jù)誤差在允許范圍內(nèi)，不同風(fēng)量下測(cè)點(diǎn)13的風(fēng)速值可作為平均風(fēng)速。

三、結(jié)論

(1)通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速值。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，離風(fēng)筒軸心130mm的測(cè)點(diǎn)13的風(fēng)速值與平均風(fēng)速值相等，最大誤差不超過(guò)2.25%；(2)對(duì)于某一直徑的通風(fēng)機(jī)，一定會(huì)存在一個(gè)平均風(fēng)速點(diǎn)，隨風(fēng)量的變化，其位置變化不大。