防爆无轨胶轮车阻火器性能分析研究

2021-10-16范江鹏

煤矿机电 2021年4期

范江鹏

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

0 引言

随着煤矿辅助运输的飞速发展，防爆柴油机无轨胶轮车以其机动、高效的特点得到了广大煤矿用户的认可[1-2]。但同时对防爆柴油机无轨胶轮车的驾驶舒适性、动力性能以及排放性能等提出了更高的要求。尤其是近年来，要求其达到国Ⅲ及以上排放标准，必然导致各类尾气后处理技术应用于防爆柴油机车辆上。而此类设备，无一例外为达到增加尾气与催化剂接触面积的目的，采用蜂窝状孔隙结构，造成防爆柴油机无轨胶轮车排气背压增大，使得柴油机动力损失严重，降低了设备的经济性[3]。本文通过理论计算和试验相结合的方法，对不同间隙的阻火器的阻火性能进行研究，对提高防爆柴油机无轨胶轮车动力性和排放性能具有参考意义。

1 阻火理论

阻火器作为防爆无轨胶轮车隔爆性能的关键元部件，其厚度以及间隙大小直接决定了阻火器的阻火效果[4-6]。阻火器是通过其内部的狭隙结构，将火焰分成若干火焰束，并通过与边界层碰撞而释放能量，从而使火焰温度降低，最终实现火焰淬熄[7-9]。

周凯元大量实验指出阻火器间隙高度不宜高于1.4 mm[10]。GB 3836.11—2008指出甲烷气体的最大试验安全间隙为1.14 mm。MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中规定：阻火器间隙不大于0.5 mm，阻火层长度不小于50 mm。综上所述，本文以煤炭行业标准中规定的阻火器厚度50 mm为基础，研究间隙为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm阻火器的阻火性能。

2 计算分析

2.1 数值模拟

为简化计算，将阻火器简化为二维模型，考虑到模型的对称性，只取二维模型的一半作为计算区域，具体模型如图1所示。具体边界参数如表1所示。

图1 阻火器简化模型

表1 边界条件

根据雷诺数的计算公式：

2 300

(1)

式中：ρ为预混气体的密度，由于大部分为空气，包含少量甲烷，所以近似按空气密度计算，kg/m3；V′为气体的流速，m/s；d为平均管径，m；η为动力黏度，kg/ms。

由式(1)可知，该模拟计算属于湍流模型，因此采用最广泛的k-ε二方程湍流模型描述甲烷气体在氧气中燃烧的湍流特性。

2.2 计算结果及分析

不同阻火器间隙的温度分布云图如图2所示。随着阻火器间隙的不断增大，其淬熄距离也逐渐增大，对于间隙为0.8 mm、1.0 mm的阻火器，其出口处的火焰温度小于1 700 K，表明阻火成功。而对于间隙1.2 mm、1.4 mm的阻火器，其出口火焰温度在1 800 K以上，表明阻火失败。

图2 不同阻火器间隙的温度分布云图

图3为不同间隙的阻火器对压力损失的影响。从图中可以看出，对于相同间隙的阻火器，随着气体流速的增加，阻火器的压力损失也大幅度地增加；对于相同的气流速度，随着阻火器间隙的增大，压力损失逐渐减小；当间隙达到1.6 mm时，对压力损失的影响可忽略不计。

图3 不同阻火器间隙对压力损失的影响

如图4所示，随着栅栏间隙的增加，通过阻火器的气流速度也逐渐增大；栅栏入口处扩张腔在上下壁面处产生湍流；气体在穿过阻火层后进入出口扩张腔时，由于管径缩小气流速度有所增加，而且随着栅栏间隙的增加气流速度增加。这主要是由于随着栅栏间隙的增加，阻火器有效通气面积加大，从而流出阻火器的气体量也随之增加；阻火器栅栏板的数量减少，气流与壁面的摩擦阻力也减小。

图4 不同阻火器间隙速度云图

3 试验研究

为验证数值模拟结果的准确性，制作0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm间隙的阻火器，阻火器厚度均为50 mm，阻火器样件如图5所示，对上述样件进行隔爆试验。

图5 阻火器样件

为使实验符合实际使用工况，将阻火器固定在某型废气处理箱上，在废气处理箱的进气口以及出气口位置处设置甲烷充气口和排气口；在远离阻火器端设置火花塞，以保证足够的火焰传播速度；在箱体顶部设置压力传感器，用以监测爆炸压力，确认箱内混合气体是否被火花塞引燃。

试验时，将废气处理箱以及阻火器整体放入防爆压力罐中，通过中控台将防爆压力罐与废气处理箱中充入甲烷，使得甲烷浓度控制在8.5%，氧气浓度控制在19%。待混合气体浓度均匀后，通过火花塞将箱内甲烷引燃，通过防爆压力罐中的压力传感器，判断火焰是否通过阻火器将防爆压力罐中的可燃气体引燃，以此判断阻火器是否阻火成功，试验仪器如图6和图7所示。同一阻火器样件进行10次隔爆试验，如果10次试验均隔爆成功，则认为阻火器阻火成功；否则认定阻火失败，试验结果如表2所示。