軌道車輛冷卻塔進風口過濾網阻力特性的實驗測試

胡金潤，周 萍，陳梅潔

(1.中南大學，湖南 長沙 410000；2.湖南聯誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412001)

軌道交通復合冷卻塔安裝在車輛設備間，冷卻風通過車輛頂部過濾網進入冷卻塔，通過換熱器進行熱交換后從車底吹出，頂部過濾網的目的在于防止外界的雜物及柳絮進入而影響系統換熱性能[1-3]，工作示意如圖1所示.

圖1 冷卻塔進出風示意圖

通風過濾網通常根據使用環境和工況的不同，設計上存在較大的差異性，通常需考慮使用條件、過濾能力、結構強度、來流風速等要求，確定濾網的開孔率和孔的直徑.國內外學者主要對規則的編制型金屬絲網具有較深入的研究[5-11]，而對于不規則的V形和∩形阻力特性研究較少.

本文對V形和∩形過濾網阻力測試實驗方法進行了研究，并對原過濾網進行了改進，測得了3種類型濾網的阻力系數和阻力曲線及相應的規律，為后續的產品設計提供了依據.

1 過濾網結構特征

頂部過濾網，原通風網格采用V字形結構如圖2所示.

為保證過濾網的整體強度，在V形底部設置了圓形鋼桿，網格密度為2×2 mm，如圖3所示.

圖2 V形過濾網

圖3 V形過濾網局部圖(mm)

2 過濾網阻力計算

冷卻系統空氣側類似于空氣低速在管道中流動，屬于不可壓縮流體流動，過濾網阻力通常采用黏性流體伯努利方程、半經驗的方法研究其局部阻力，計算公式為

(1)

公式中：Δp為過濾網局部阻力，Pa；g為重力加速度，m2/s；ζ為局部阻力系數；υ為空氣平均速度，m/s.

通常情況下，空氣平局流速、重力加速度易得到，因此在考慮過濾網的阻力計算時必須已知局部阻力系數，而濾網阻力系數需通過實驗測試獲得.

3 過濾網阻力系數測試

過濾網阻力損失取決于局部阻力系數的大小，根據過濾網鋼絲的目數、濾網鋼絲的直徑、濾網迎風面積等參數有關，由于軌道交通車輛冷卻塔頂部用過濾網結構形狀、大小不一，國內外資料中推薦的通風濾網局部阻力系數ζ值相差很大，本文通過實驗的方法對該濾網阻力系數進行測試研究[12]，測試原理如圖4所示.

圖 4 濾網阻力測試原理圖

應用沿流線的伯努利方程，可知

(2)

公式中：υ為空氣平均速度，m/s；ρ為過濾網進口空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m2/s；P1為沿線點1的壓強，Pa；P0為沿線點0的壓強，Pa；Z1為沿線點1的位置高度，m；Z0為沿線點0的位置高度，m.

利用沿線伯努利方程可知，測試點0和1處于同一流線上，因此Z1=Z0，則有

(3)

ρ=(B+PA)/[287×(273+T)]，

(4)

公式中：PA為過濾網進口空氣靜壓，Pa；B為當地標準大氣壓力，Pa；T為過濾網進口空氣溫度，℃.

過濾網阻力測試系統由變頻風機、整流柵、風道、風機調頻裝置及測量空氣體積流量、溫度和壓力用的儀器儀表等組成.

風道采用矩形風道，測量過濾網進出口空氣靜壓用的測壓孔，距過濾網進出口100 mm處分別布置A、B兩點，距離每一避面中心為1/8的管道寬度處均勻地設置4個直徑?2 mm的測壓孔[12]，可連接至單個畢托靜壓管上，在穩定流動條件下，在每一點獲取靜壓讀數并進行平均計算，測量值計為PA和PB.

通過儀器測量得到，測量點A和測量點B的靜壓值PA和PB，及管道進風口溫度T、測試地海拔、濕度等參數.

Δp=PB-PA.

(5)

由公式(1)、公式(5)得到；

(6)

4 過濾網阻力優化

冷卻塔安裝于車體機械間，空間尺寸，系統性能及進風量確定，不改變過濾網過濾效果的前提下，降低過濾網的阻力，加大網格的通道面積，展開了如下優化；

(a)為增到進風口的進風面積，改變以往V型排布結構為半圓弧型結構；

(b)改變過濾網加強桿的位置，減少因加強桿遮擋的進風面積；

(c)在考慮了安裝空間的情況下，增大進風口10%迎風面積.

優化后的∩形過濾網結構，網格密度為1×1 mm如圖5、圖6所示.

圖5 優化后∩形過濾網結構圖

圖6 優化后過濾網局部結構圖(mm)

5 過濾網阻力測試數據分析

優化前后的過濾網分別在不同的風速進行阻力測試，阻力數據如表1所示，局部阻力系數如表2所示.

表1 過濾網阻力數據

表2 過濾網局部阻力系數

根據試驗測試得到了不同風量下，過濾網阻力曲線和局部阻力系數如圖7、圖8所示.

通過對V形和∩形2種不同結構的濾網阻力進行測試，可知，在保證原通風面積不變的情況下，將2 mm×2 mm的V形過濾網改為1 mm×1 mm的∩形過濾網結構，濾網阻力并沒有增加，阻力平均降低約33.9%.

V形過濾網在風速大于10 m/s時，阻力增長速率較快，∩形過濾網阻力與風速增長較于平緩.

3種類型過濾網在不同風速下，由測試得到的阻力和局部阻力系數可知，局部阻力系數基本不變，風速的變化對局部阻力系數幾乎沒有影響.

∩形過濾網在加大迎風面積10%的情況下，阻力平均降低約30.7%.

6 總 結

(1)通過測試V和∩兩種不同濾網結構的阻力，可知在不改變迎風面積的情況下，可通過改變濾網結構有效地降低冷卻塔過濾網阻力.

(2)對于該∩形結構的濾網，在工程允許的情況下，有效加大迎風面積可較大的降低濾網阻力.

(3)本文設置了一種過濾網阻力測試系統，采用畢托管測速原理，得到了過濾網在不同風速下的阻力特性及局部阻力系數，為后續類型產品設計提供了依據.