礦用局部通風機現場風量測試方法研究

(安徽理工大學 安徽 淮南 232000)

引言

礦用局部通風機是煤礦生產中必不可少的一套基礎設備，其良好的運行狀況是保證煤礦安全生產的一個重要因素[1]。為確保煤礦的生產安全,人們需要對局部通風機的風量進行測量,風量的測量數據是規范井下局部通風機的管理和局部通風機所在巷道通風量配置的重要依據。針對礦用局部通風機現場風量測試方法作了深入研究，并提出了一個切實可行的方案，測試成本較低,測量精度高且安裝、使用簡單，填補了目前國內市場上的空白，在煤礦行業具有廣闊的應用前景。

一、實驗平臺研究

針對礦用局部通風機的風量測試，目前還沒有一個切實可行的測試方案。礦用局部通風機的風量不能直接測得，必須首先通過測量風筒測風斷面上的平均風速，將其與測風斷面面積相乘，才能得到局部通風機的風量[2]。故測量礦用局部通風機風量，主要依靠測量風筒內測風斷面上的平均風速來實現。

(一)測風斷面流量分析

為了在風流比較平穩的區域選取測風斷面，本課題在離扇葉大于5D(D代表風筒直徑)的地方選擇測風斷面。在測風斷面上利用畢托管測量各測點壓速值，進而算出其風速值。根據測風斷面上各個測點的風速值算出此測風斷面的平均風速。風量計算公式如下：

Q=S×v

(1)

式中：Q為風機風量，m3/s；

S為測風斷面面積，m2；

v為測風區域的平均風速，m/s。

(二)實驗裝置

本次實驗的關鍵裝置為“L”型皮托管。測量流體速度時，皮托管的半球形頭部與流體軸線平行，流體經頭部中心孔進入內管傳送至壓力傳感器顯示值即為流體總壓[3]。根據流體總壓與靜壓，由伯努利方程可得：

(2)

式中：v0為氣體速度，m/s；

p1為氣體總壓，Pa；

p2為氣體靜壓，Pa；

ρ為氣體密度，kg/m3。

為了使皮托管測量的數據準確，要在風筒外面安裝一個固定皮托管的裝置，進行實驗固定皮托管的夾緊裝置需具有如下特點：皮托管安裝在夾緊裝置上需保證皮托管在測量風速時與風筒始終垂直；安裝在夾緊裝置的皮托管在受到風力作用時，不能在風筒內部發生偏移，需牢固可靠；皮托管在夾緊裝置上能上下移動，這樣能隨時更換測量點，方便快速進行實驗；夾緊裝置應該簡單且便于加工和安裝[4]。

圖1 皮托管固定裝置示意圖

根據以上闡述的夾緊裝置所需具備的各種特點以及結合皮托管外形結構特點，設計出如下圖1夾緊裝置示意圖所示的夾緊裝置。

實驗選用型號為YYT-2000傾斜式微型測壓計作為測壓儀器測量壓力，其結構簡單、操作方便、測量結果準確性高且價格低廉。利用微壓計測量壓力時，所測壓力應按如下式計算：

P=9.8LK

(3)

式中：P為微壓計所測壓力，Pa；

L為微壓計測量管液柱長度，mm；

K為傾斜常數。

(三)實驗方法

將對旋式風機出口處的四個靜壓孔利用三通玻璃管彼此相連，最后接入傾斜式微型測壓計，所測壓力即為斷面平均速壓[5]。由于靜壓孔設在風機出口處由伯努利方程列出如下式：

(4)

式中：hw為沿程阻力損失。風機出口處沿程阻力損失基本為零(hw=0)，所以可得如下式：

(5)

由式(5)可得，微壓計所測壓力即為流體平均動壓，由此即可算出管道流體平均風速，進而求出其通風量。

調整皮托管的測頭，至測風斷面軸心處，將其總壓孔接嘴接入另一傾斜式微壓計高壓源接口上，靜壓孔接嘴接入微壓計低壓源接口上[6]。

啟動風機，讀出風機出口處所測壓力值，并讀出當皮托管測頭在軸心處所測的速壓值。本次實驗所用風筒直徑為400mm，軸心處與筒壁垂直距離為200mm，每次將皮托管沿徑向移動10mm，并分別讀取這15個測點的速壓值[7]。調節對旋式通風機的通風量，并重復步驟四，分別讀取并記錄數據。

二、實驗數據處理與分析

(一)數據處理

通過改變對旋式風機兩個電機的轉速，逐漸增大風筒內風流的速度，測定不同風量時管道測風斷面測點的風流速度整理出如下數據。

表1 平均風速為6.0875m/s時速壓測試記錄表Table 1 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

表2 平均風速為7.6297m/s時速壓測試記錄表Table 2 Speed test record at an average wind speed of 6.0875 m/s

以測點為橫坐標軸X，其相對應的風速為縱坐標軸Y，制作如下坐標圖。

圖2平均風速為6.0875m/s時測點對應風速圖
Fig.2 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 6.0875m/s

圖3平均風速為7.6297m/s時測點對應風速圖
Fig.3 The corresponding wind speed map when the average wind speed is 7.6297m/s

第一組數據中測點13的風速值與平均風速的相對誤差為0.018%，第二組數據中測點13的風速值與平均風速的相對誤差為2.25%，由于數據誤差在允許范圍內，不同風量下測點13的風速值可作為平均風速。

三、結論

(1)通過搭建實驗平臺，測量不同測點處的風速值。從實驗數據可知，離風筒軸心130mm的測點13的風速值與平均風速值相等，最大誤差不超過2.25%；(2)對于某一直徑的通風機，一定會存在一個平均風速點，隨風量的變化，其位置變化不大。