湿式共振栅阻力特性的实验研究

赵　杰,　王海桥,2,　陈世强,2

(1.湖南科技大学 能源与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心, 湖南 湘潭 411201)



湿式共振栅阻力特性的实验研究

赵杰1,王海桥1,2,陈世强1,2

(1.湖南科技大学 能源与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201;2.湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心, 湖南 湘潭 411201)

为研究湿式共振栅阻力特性,根据桩柱群绕流理论,建立了不同规格尺寸的共振栅的平均阻力系数的计算模型。在自制实验平台上对共振栅的阻力特性进行了实验。通过理论与实验相结合的方法,获得了用于分析不同类型共振栅阻力系数的计算模型。结果表明:随着风速的增加,有、无喷雾时共振栅的阻力系数的理论与实验数值均下降。当速度为4～7 m/s时,下降趋势不明显,基本趋于稳定；当速度大于7 m/s时,理论值高于实验值20%。该研究验证了计算模型的有效性。

矿井排风; 共振栅; 阻力特性; 实验

0　引　言

在风井排风湿式除尘过程中,除尘系统的阻力对通风系统有着直接的影响[1]。阻力大,则将造成排风风量不足,从而影响矿井风量。湿式共振栅风井除尘系统因其阻力小,除尘效率高,可应用在矿井风井排风口的风流净化。湿式共振栅除尘系统中的关键设备是共振栅,其作用是使栅弦间隙形成水膜,更好地与粉尘结合和凝并,同时在弦上形成下降水流,清洗被栅弦捕集的粉尘[2-3],其共振栅的阻力特性是矿井排风除尘技术的关键。在湿式共振栅阻力研究方面,宫丽虹等[4-6]对湿式振动纤维栅除尘技术中的纤维栅阻力进行了分析研究,认为当水附着在纤维栅上,受气流扰动后,水在纤维上的变形对气流有一定的导流作用,而这种变形有利于降低纤维栅阻力;葛世友等[7-9]通过实验研究,分别分析了喷雾压力、纤维层数和纤维层间距对除尘系统阻力的影响情况,得出在喷雾压力越大,纤维层数越多,层间距越小时,系统阻力越大。学者对湿式共振栅除尘系统的阻力分析取得了一定的成果,但针对不同间距直径比的共振栅的阻力特性研究较少。

笔者根据桩柱群绕流理论,研究不同规格尺寸共振栅的平均阻力系数计算模型;为验证该计算模型的有效性,制作共振栅,建立实验台,进行共振栅的阻力实验。

1　阻力系数数学模型的建立

影响共振栅阻力的主要因素有过滤风速,平均阻力系数和喷水量及共振栅的结构等,但起主导作用的仍是共振栅的结构,即共振栅的钢弦间距直径比。根据单根钢弦的长度直径比,可以将钢弦看成是无限长圆柱体。因此,在研究其阻力特性时,可按无限长圆柱体绕流来近似分析,并假设在阻力平方区时,流体绕流无限长圆柱体的阻力系数为定值。当多根钢弦并列排列时,共振栅总阻力可以根据平面力系叠加原理,考虑相邻两根钢弦彼此之间的影响系数,先求出整块共振栅的平均阻力系数,然后计算总阻力。

当两根相同直径的圆柱体并列排列,方向垂直于流向时,彼此之间存在一个横向阻力影响系数K。查阅文献显示,该影响系数K与雷诺数、圆柱体直径和来流流速无关,而仅与两圆柱体之间的间距与其直径的比值H/D相关,则圆柱体横向排列时的平均阻力系数经验公式为[10]

(1)

CD——单根圆柱体阻力系数;

M——横向并排的圆柱体根数;

K——两圆柱体横向阻力影响系数。

横向阻力影响系数K,按式(1)计算[10],

(2)

式中,H/D为两圆柱体之间的间距与直径比,>1。

根据湿式共振栅除尘系统结构原理,要使钢弦在受风流扰动时能够形成横向共振,且有利于水在钢弦间形成水膜,需满式(3)[11-12]

(3)

式中:σL——水的表面张力,常温下为7.275×10-2N/m;

B0——邦德数,表示静止液体重力与表面张力作用的相对大小,当B0<<1时[13],可以忽略液体重力,即水在钢弦上能够产生毛细现象;

θ——液体与钢弦表面接触角,通过实验确定;

ρL——喷雾液体的密度,kg/m3。

(4)

Cd——单根钢弦阻力系数,在有喷雾、无喷雾状态，分别由实验确定。

2　实　验

2.1共振栅的制作

湿式共振栅除尘系统主要由喷雾段、共振栅除尘段及脱水段三部分组成。工作原理是,当含尘气流流经该除尘系统时,在喷雾作用下,粉尘被雾滴和共振栅捕集,经挡水板脱水后,净化空气排至大气。湿式共振栅除尘系统如图1所示。共振栅由两片栅板组成,其中栅板间距为50 mm。单片栅板由一定直径、且具有良好防腐性能的钢弦(不锈钢丝)按一定间距并排组成,其结构见图2所示。

图1　湿式共振栅除尘系统示意Fig. 1　Schematic drawing of wet resonant grille dust removal system

图2　栅板结构示意Fig. 2　Grille plate schematic drawing

2.2实验系统

实验装置由通风系统、喷雾系统、共振栅和测试系统组成。通风动力为轴流通风机,为满足实验风速要求,风机采用变频控制;喷雾系统由BPZ75/12型高压水泵、转子流量计、DX-801XB00150型数字式压力表、供水管、喷嘴组成。喷嘴选用SS-10W不锈钢喷嘴,喷射角度120°,流量7 L/min;水泵选用BPZ75/12型高压泵,压力范围0～12 MPa;共振栅由不锈钢丝绕制而成,其结构见图2。测试系统选用TSI 9565-P多功能风速仪,测量风速时,测量范围,0～50 m/s,精度,±0.02 m/s;测量静压时,测量范围,-3 735～3 735 Pa,精度为±1 Pa。

根据实验目的,制作了钢弦直径为0.35 mm,间距0.75 mm的共振栅,其过滤面积为575 mm×525 mm。将共振栅放置在横截面为600 mm×600 mm,长5 500 mm的矩形风管内。喷雾方向采用顺喷,并布置在风管断面中心距共振栅上游侧400 mm处。实验系统布置见图3。

1、8 毕托管; 2、7 风速仪; 3 压力表; 4 智能电磁流量计; 5 高压水泵; 6 储水箱; 9 入口混合段; 10、15 整流段; 11、16 测量段; 12 矩形风管段; 13 喷嘴; 14 共振栅; 17 变频风机; 18 出口段

图3实验系统布置

Fig. 3Sketch of experiment system

2.3实验方法

共振栅由多根钢弦绕制而成,在分析其阻力时,类似于流体绕流圆柱群的阻力。根据已有的理论,阻力损失可按式(5)计算:

(5)

式中:ΔP——阻力,Pa;

Cd——阻力系数;

ρ——流体密度,kg/m3;

v——流体风速,m/s。

为分析喷雾对共振栅阻力特性的影响,本实验拟从两方面入手,即在不同风速下,分别针对有喷雾和无喷雾时的共振栅阻力损失进行实验分析。实验共分四个工况进行:无喷雾、无共振栅;无喷雾、有共振栅;有喷雾、有共振栅;有喷雾、无共振栅。

3　结果与分析

实验中,将无喷雾、有共振栅状态下的共振栅段静压差减去无喷雾、无共振栅状态下的共振栅段静压差得到无喷雾下共振栅段的实际阻力损失。将有喷雾、有共振栅状态下的共振栅段静压差减去有喷雾、无共振栅状态下的共振栅段静压差得到有喷雾下共振栅段的实际阻力损失。通过实验得到共振栅板阻力损失数据见表1。

根据表1数据,结合共振栅阻力计算式(5)可分别求出共振栅在有喷雾和无喷雾状态下的阻力系数,见图4,其中Cd1、Cd2分别为无喷雾、有喷雾状态下的共振栅实际阻力系数。

根据表1数据,绘制有、无喷雾情况下的共振栅阻力损失曲线见图5,其中P1、P2分别对应无喷雾、有喷雾状态下的共振栅阻力损失。

表1　共振栅阻力测试数据Table 1　Resistance test date of resonant grille

图4　阻力系数曲线Fig. 4　Resistance coefficient curve

图5　共振栅阻力曲线Fig. 5　Resistance curve of resonant grille

从图4可看出,无论喷雾是否存在,当随着过滤风速v不断增大时,共振栅的阻力系数整体上均呈下降趋势。但风速在4～7 m/s时,这种变化不够明显,趋于稳定。通过计算气流绕流钢弦的雷诺数得出,在2～4 m/s时,Re为6×105～9×105之间;在4～8.7 m/s时,Re在1.3×106～2.8×106之间。在该雷诺数范围下,阻力系数的变化趋势与Hoerne无限长圆柱体的绕流阻力系数随雷诺数变化曲线想吻合。同时,有喷雾时共振栅阻力系数的下降速率明显大于无喷雾时。从图7可看出,当喷水量、喷水压力、共振栅结构一定时,共振栅板阻力损失均随风速增加而增加,且在有喷雾情况下的增长速率大于无喷雾时。

图6　无喷雾时阻力理论值实验值对比Fig. 6　Resistance comparison of theoretical values with experimental values without spray

图7　有喷雾时阻力理论值实验值对比Fig. 7　Resistance comparison of theoretical values with experimental values within spray

当共振栅断面尺寸为575 mm×525 mm,钢弦直径为0.35 mm,钢弦间距0.75 mm时。实验确定有喷雾下单根钢弦的绕流阻力系数为0.002 5,无喷雾下单根钢弦的绕流阻力系数为0.001 4。将以上数据代入式(4),得出单片栅板在有喷雾和无喷雾下的理论平均阻力系数分别为1.178、2.077。并将该理论平均阻力系数代入式(5)求出共振栅阻力损失理论值,最后与实验值进行对比,见图(6)、(7)。

从图(6)、(7)看出,理论计算值与实验值吻合较好,证明了式(4)的有效性。但在风速达到7 m/s后,理论值高出实验值20%,说明在该风速区间内理论公式不符合实际。究其原因在于,当液滴附着在钢弦上时,随着风速的不断增加,液滴在钢弦上的存在形式的改变对风流起到一定的导流作用,因此阻力损失实际值相对于理论计算值小。

4　结　论

(1)湿式共振栅除尘方法对矿井排风净化有较大的适用价值,其共振栅阻力系数是应用的关键,本文采用了理论与实验的方法分析湿式共振栅阻力特性。

(2)根据桩柱群绕流理论,结合相邻圆柱体阻力影响系数,推导了单片栅板平均阻力系数计算模型;通过实验对比分析了共振栅分别在有喷雾和无喷雾下的阻力系数变化趋势,随着风速增加,阻力系数均呈现出一定程度的下降,在风速为4～7 m/s时,阻力系数趋于平稳。在有喷雾状态下,共振栅的阻力随风速增加而增加的速率明显大于无喷雾状态。

(3)根据桩柱群绕流理论推导的单片栅板平均阻力系数计算模型经与实验对比,理论和实验基本一致,但在风速大于7 m/s时,理论值比实际值偏大。单片栅板平均阻力系数计算模型可作为工程应用计算的理论依据。

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(编辑李德根)

Research on resistance characteristics and experiments of wet resonant grille

ZHAOJie1,WANGHaiqiao1,2,CHENShiqiang1,2

(1.School of Mining & Safety Engineering, Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China;2.Hunan Province Engineering Research Center of Mine Ventilation & Dust Removal Equipment, Xiangtan 411201, China)

This paper is intended to study the resistance characteristics of wet resonant grille. The study is specifically performed by establishing the calculation model of average resistance coefficient for different sizes of resonant grille applying the theory of the flow around pile group; and identifying these resistance characteristics on the self-made experimental platform and thereby obtaining the calculation model designed for analyzing different types of resonant gate resistance coefficient by combining theory with experiments. The results show that with the increase in air velocity comes a drop in the theoretical and experimental values in resistance coefficient for resonant grille, with or without spray; with the velocity of 4～7 m/s there follows this decline whose trend is not significant and which tends to be almost stabilized; and with the velocity over 7 m/s there occurs the theoretical values 20% higher than the experimental values . This research verifies the effectiveness of the proposed calculation model.

mine ventilation; resonant grille; resistance characteristics; experimental research

2014-11-27

国家自然科学基金煤炭联合基金项目(U1361118);湖南省自然科学基金资助项目(13JJ8016；2015JJ2061);煤矿安全开采技术湖南省重点实验室(湖南科技大学)开放基金资助项目(201105)

简介： 王海桥(1962-),男,湖北省武汉人,教授,博士,博士生导师,研究方向:通风安全及空气调节,E-mail:hqwang1962@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.01.018

TD724

2095-7262(2015)01-0082-05

A