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)
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,要求其達到國Ⅲ及以上排放標準,必然導致各類尾氣后處理技術應用于防爆柴油機車輛上。而此類設備,無一例外為達到增加尾氣與催化劑接觸面積的目的,采用蜂窩狀孔隙結構,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重,降低了設備的經(jīng)濟性[3]。本文通過理論計算和試驗相結合的方法,對不同間隙的阻火器的阻火性能進行研究,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。
阻火器作為防爆無軌膠輪車隔爆性能的關鍵元部件,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)部的狹隙結構,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)標準中規(guī)定的阻火器厚度50 mm為基礎,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。
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。
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??;當間隙達到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
為驗證數(shù)值模擬結果的準確性,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,在廢氣處理箱的進氣口以及出氣口位置處設置甲烷充氣口和排氣口;在遠離阻火器端設置火花塞,以保證足夠的火焰?zhèn)鞑ニ俣?;在箱體頂部設置壓力傳感器,用以監(jiān)測爆炸壓力,確認箱內(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氣體引燃,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。同一阻火器樣件進行10次隔爆試驗,如果10次試驗均隔爆成功,則認為阻火器阻火成功;否則認定阻火失敗,試驗結果如表2所示。
圖6 阻火器隔爆試驗
圖7 隔爆試驗中控臺
表2 試驗結果
注:√表示隔爆成功;×表示失爆。
試驗結果表明,阻火器間隙在小于1.0 mm的情況下,阻火器阻火成功,但是當阻火器間隙為1.2 mm和1.4 mm時,分別在進行第7次和第5次隔爆試驗時,阻火器失敗,這與理論計算的結果相符合。
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。