矿用局部通风机现场风量测试方法研究

(安徽理工大学 安徽 淮南 232000)

引言

矿用局部通风机是煤矿生产中必不可少的一套基础设备，其良好的运行状况是保证煤矿安全生产的一个重要因素[1]。为确保煤矿的生产安全,人们需要对局部通风机的风量进行测量,风量的测量数据是规范井下局部通风机的管理和局部通风机所在巷道通风量配置的重要依据。针对矿用局部通风机现场风量测试方法作了深入研究，并提出了一个切实可行的方案，测试成本较低,测量精度高且安装、使用简单，填补了目前国内市场上的空白，在煤矿行业具有广阔的应用前景。

一、实验平台研究

针对矿用局部通风机的风量测试，目前还没有一个切实可行的测试方案。矿用局部通风机的风量不能直接测得，必须首先通过测量风筒测风断面上的平均风速，将其与测风断面面积相乘，才能得到局部通风机的风量[2]。故测量矿用局部通风机风量，主要依靠测量风筒内测风断面上的平均风速来实现。

(一)测风断面流量分析

为了在风流比较平稳的区域选取测风断面，本课题在离扇叶大于5D(D代表风筒直径)的地方选择测风断面。在测风断面上利用毕托管测量各测点压速值，进而算出其风速值。根据测风断面上各个测点的风速值算出此测风断面的平均风速。风量计算公式如下：

Q=S×v

(1)

式中：Q为风机风量，m3/s；

S为测风断面面积，m2；

v为测风区域的平均风速，m/s。

(二)实验装置

本次实验的关键装置为“L”型皮托管。测量流体速度时，皮托管的半球形头部与流体轴线平行，流体经头部中心孔进入内管传送至压力传感器显示值即为流体总压[3]。根据流体总压与静压，由伯努利方程可得：

(2)

式中：v0为气体速度，m/s；

p1为气体总压，Pa；

p2为气体静压，Pa；

ρ为气体密度，kg/m3。

为了使皮托管测量的数据准确，要在风筒外面安装一个固定皮托管的装置，进行实验固定皮托管的夹紧装置需具有如下特点：皮托管安装在夹紧装置上需保证皮托管在测量风速时与风筒始终垂直；安装在夹紧装置的皮托管在受到风力作用时，不能在风筒内部发生偏移，需牢固可靠；皮托管在夹紧装置上能上下移动，这样能随时更换测量点，方便快速进行实验；夹紧装置应该简单且便于加工和安装[4]。

图1 皮托管固定装置示意图

根据以上阐述的夹紧装置所需具备的各种特点以及结合皮托管外形结构特点，设计出如下图1夹紧装置示意图所示的夹紧装置。

实验选用型号为YYT-2000倾斜式微型测压计作为测压仪器测量压力，其结构简单、操作方便、测量结果准确性高且价格低廉。利用微压计测量压力时，所测压力应按如下式计算：

P=9.8LK

(3)

式中：P为微压计所测压力，Pa；

L为微压计测量管液柱长度，mm；

K为倾斜常数。

(三)实验方法

将对旋式风机出口处的四个静压孔利用三通玻璃管彼此相连，最后接入倾斜式微型测压计，所测压力即为断面平均速压[5]。由于静压孔设在风机出口处由伯努利方程列出如下式：

(4)

式中：hw为沿程阻力损失。风机出口处沿程阻力损失基本为零(hw=0)，所以可得如下式：

(5)

由式(5)可得，微压计所测压力即为流体平均动压，由此即可算出管道流体平均风速，进而求出其通风量。

调整皮托管的测头，至测风断面轴心处，将其总压孔接嘴接入另一倾斜式微压计高压源接口上，静压孔接嘴接入微压计低压源接口上[6]。

启动风机，读出风机出口处所测压力值，并读出当皮托管测头在轴心处所测的速压值。本次实验所用风筒直径为400mm，轴心处与筒壁垂直距离为200mm，每次将皮托管沿径向移动10mm，并分别读取这15个测点的速压值[7]。调节对旋式通风机的通风量，并重复步骤四，分别读取并记录数据。

二、实验数据处理与分析

(一)数据处理

通过改变对旋式风机两个电机的转速，逐渐增大风筒内风流的速度，测定不同风量时管道测风断面测点的风流速度整理出如下数据。

表1 平均风速为6.0875m/s时速压测试记录表Table 1 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

表2 平均风速为7.6297m/s时速压测试记录表Table 2 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

以测点为横坐标轴X，其相对应的风速为纵坐标轴Y，制作如下坐标图。

图2平均风速为6.0875m/s时测点对应风速图
Fig.2 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 6.0875m/s

图3平均风速为7.6297m/s时测点对应风速图
Fig.3 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 7.6297m/s

第一组数据中测点13的风速值与平均风速的相对误差为0.018%，第二组数据中测点13的风速值与平均风速的相对误差为2.25%，由于数据误差在允许范围内，不同风量下测点13的风速值可作为平均风速。

三、结论

(1)通过搭建实验平台，测量不同测点处的风速值。从实验数据可知，离风筒轴心130mm的测点13的风速值与平均风速值相等，最大误差不超过2.25%；(2)对于某一直径的通风机，一定会存在一个平均风速点，随风量的变化，其位置变化不大。