轨道车辆冷却塔进风口过滤网阻力特性的实验测试

胡金润，周 萍，陈梅洁

(1.中南大学，湖南 长沙 410000；2.湖南联诚轨道装备有限公司，湖南 株洲 412001)

轨道交通复合冷却塔安装在车辆设备间，冷却风通过车辆顶部过滤网进入冷却塔，通过换热器进行热交换后从车底吹出，顶部过滤网的目的在于防止外界的杂物及柳絮进入而影响系统换热性能[1-3]，工作示意如图1所示.

图1 冷却塔进出风示意图

通风过滤网通常根据使用环境和工况的不同，设计上存在较大的差异性，通常需考虑使用条件、过滤能力、结构强度、来流风速等要求，确定滤网的开孔率和孔的直径.国内外学者主要对规则的编制型金属丝网具有较深入的研究[5-11]，而对于不规则的V形和∩形阻力特性研究较少.

本文对V形和∩形过滤网阻力测试实验方法进行了研究，并对原过滤网进行了改进，测得了3种类型滤网的阻力系数和阻力曲线及相应的规律，为后续的产品设计提供了依据.

1 过滤网结构特征

顶部过滤网，原通风网格采用V字形结构如图2所示.

为保证过滤网的整体强度，在V形底部设置了圆形钢杆，网格密度为2×2 mm，如图3所示.

图2 V形过滤网

图3 V形过滤网局部图(mm)

2 过滤网阻力计算

冷却系统空气侧类似于空气低速在管道中流动，属于不可压缩流体流动，过滤网阻力通常采用黏性流体伯努利方程、半经验的方法研究其局部阻力，计算公式为

(1)

公式中：Δp为过滤网局部阻力，Pa；g为重力加速度，m2/s；ζ为局部阻力系数；υ为空气平均速度，m/s.

通常情况下，空气平局流速、重力加速度易得到，因此在考虑过滤网的阻力计算时必须已知局部阻力系数，而滤网阻力系数需通过实验测试获得.

3 过滤网阻力系数测试

过滤网阻力损失取决于局部阻力系数的大小，根据过滤网钢丝的目数、滤网钢丝的直径、滤网迎风面积等参数有关，由于轨道交通车辆冷却塔顶部用过滤网结构形状、大小不一，国内外资料中推荐的通风滤网局部阻力系数ζ值相差很大，本文通过实验的方法对该滤网阻力系数进行测试研究[12]，测试原理如图4所示.

图 4 滤网阻力测试原理图

应用沿流线的伯努利方程，可知

(2)

公式中：υ为空气平均速度，m/s；ρ为过滤网进口空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m2/s；P1为沿线点1的压强，Pa；P0为沿线点0的压强，Pa；Z1为沿线点1的位置高度，m；Z0为沿线点0的位置高度，m.

利用沿线伯努利方程可知，测试点0和1处于同一流线上，因此Z1=Z0，则有

(3)

ρ=(B+PA)/[287×(273+T)]，

(4)

公式中：PA为过滤网进口空气静压，Pa；B为当地标准大气压力，Pa；T为过滤网进口空气温度，℃.

过滤网阻力测试系统由变频风机、整流栅、风道、风机调频装置及测量空气体积流量、温度和压力用的仪器仪表等组成.

风道采用矩形风道，测量过滤网进出口空气静压用的测压孔，距过滤网进出口100 mm处分别布置A、B两点，距离每一避面中心为1/8的管道宽度处均匀地设置4个直径∅2 mm的测压孔[12]，可连接至单个毕托静压管上，在稳定流动条件下，在每一点获取静压读数并进行平均计算，测量值计为PA和PB.

通过仪器测量得到，测量点A和测量点B的静压值PA和PB，及管道进风口温度T、测试地海拔、湿度等参数.

Δp=PB-PA.

(5)

由公式(1)、公式(5)得到；

(6)

4 过滤网阻力优化

冷却塔安装于车体机械间，空间尺寸，系统性能及进风量确定，不改变过滤网过滤效果的前提下，降低过滤网的阻力，加大网格的通道面积，展开了如下优化；

(a)为增到进风口的进风面积，改变以往V型排布结构为半圆弧型结构；

(b)改变过滤网加强杆的位置，减少因加强杆遮挡的进风面积；

(c)在考虑了安装空间的情况下，增大进风口10%迎风面积.

优化后的∩形过滤网结构，网格密度为1×1 mm如图5、图6所示.

图5 优化后∩形过滤网结构图

图6 优化后过滤网局部结构图(mm)

5 过滤网阻力测试数据分析

优化前后的过滤网分别在不同的风速进行阻力测试，阻力数据如表1所示，局部阻力系数如表2所示.

表1 过滤网阻力数据

表2 过滤网局部阻力系数

根据试验测试得到了不同风量下，过滤网阻力曲线和局部阻力系数如图7、图8所示.

通过对V形和∩形2种不同结构的滤网阻力进行测试，可知，在保证原通风面积不变的情况下，将2 mm×2 mm的V形过滤网改为1 mm×1 mm的∩形过滤网结构，滤网阻力并没有增加，阻力平均降低约33.9%.

V形过滤网在风速大于10 m/s时，阻力增长速率较快，∩形过滤网阻力与风速增长较于平缓.

3种类型过滤网在不同风速下，由测试得到的阻力和局部阻力系数可知，局部阻力系数基本不变，风速的变化对局部阻力系数几乎没有影响.

∩形过滤网在加大迎风面积10%的情况下，阻力平均降低约30.7%.

6 总 结

(1)通过测试V和∩两种不同滤网结构的阻力，可知在不改变迎风面积的情况下，可通过改变滤网结构有效地降低冷却塔过滤网阻力.

(2)对于该∩形结构的滤网，在工程允许的情况下，有效加大迎风面积可较大的降低滤网阻力.

(3)本文设置了一种过滤网阻力测试系统，采用毕托管测速原理，得到了过滤网在不同风速下的阻力特性及局部阻力系数，为后续类型产品设计提供了依据.