防爆無軌膠輪車阻火器性能分析研究

范江鵬

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

隨著煤礦輔助運輸的飛速發展，防爆柴油機無軌膠輪車以其機動、高效的特點得到了廣大煤礦用戶的認可[1-2]。但同時對防爆柴油機無軌膠輪車的駕駛舒適性、動力性能以及排放性能等提出了更高的要求。尤其是近年來，要求其達到國Ⅲ及以上排放標準，必然導致各類尾氣后處理技術應用于防爆柴油機車輛上。而此類設備，無一例外為達到增加尾氣與催化劑接觸面積的目的，采用蜂窩狀孔隙結構，造成防爆柴油機無軌膠輪車排氣背壓增大，使得柴油機動力損失嚴重，降低了設備的經濟性[3]。本文通過理論計算和試驗相結合的方法，對不同間隙的阻火器的阻火性能進行研究，對提高防爆柴油機無軌膠輪車動力性和排放性能具有參考意義。

1 阻火理論

阻火器作為防爆無軌膠輪車隔爆性能的關鍵元部件，其厚度以及間隙大小直接決定了阻火器的阻火效果[4-6]。阻火器是通過其內部的狹隙結構，將火焰分成若干火焰束，并通過與邊界層碰撞而釋放能量，從而使火焰溫度降低，最終實現火焰淬熄[7-9]。

周凱元大量實驗指出阻火器間隙高度不宜高于1.4 mm[10]。GB 3836.11—2008指出甲烷氣體的最大試驗安全間隙為1.14 mm。MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中規定：阻火器間隙不大于0.5 mm，阻火層長度不小于50 mm。綜上所述，本文以煤炭行業標準中規定的阻火器厚度50 mm為基礎，研究間隙為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm阻火器的阻火性能。

2 計算分析

2.1 數值模擬

為簡化計算，將阻火器簡化為二維模型，考慮到模型的對稱性，只取二維模型的一半作為計算區域，具體模型如圖1所示。具體邊界參數如表1所示。

圖1 阻火器簡化模型

表1 邊界條件

根據雷諾數的計算公式：

2 300

(1)

式中：ρ為預混氣體的密度，由于大部分為空氣，包含少量甲烷，所以近似按空氣密度計算，kg/m3；V′為氣體的流速，m/s；d為平均管徑，m；η為動力黏度，kg/ms。

由式(1)可知，該模擬計算屬于湍流模型，因此采用最廣泛的k-ε二方程湍流模型描述甲烷氣體在氧氣中燃燒的湍流特性。

2.2 計算結果及分析

不同阻火器間隙的溫度分布云圖如圖2所示。隨著阻火器間隙的不斷增大，其淬熄距離也逐漸增大，對于間隙為0.8 mm、1.0 mm的阻火器，其出口處的火焰溫度小于1 700 K，表明阻火成功。而對于間隙1.2 mm、1.4 mm的阻火器，其出口火焰溫度在1 800 K以上，表明阻火失敗。

圖2 不同阻火器間隙的溫度分布云圖

圖3為不同間隙的阻火器對壓力損失的影響。從圖中可以看出，對于相同間隙的阻火器，隨著氣體流速的增加，阻火器的壓力損失也大幅度地增加；對于相同的氣流速度，隨著阻火器間隙的增大，壓力損失逐漸減小；當間隙達到1.6 mm時，對壓力損失的影響可忽略不計。

圖3 不同阻火器間隙對壓力損失的影響

如圖4所示，隨著柵欄間隙的增加，通過阻火器的氣流速度也逐漸增大；柵欄入口處擴張腔在上下壁面處產生湍流；氣體在穿過阻火層后進入出口擴張腔時，由于管徑縮小氣流速度有所增加，而且隨著柵欄間隙的增加氣流速度增加。這主要是由于隨著柵欄間隙的增加，阻火器有效通氣面積加大，從而流出阻火器的氣體量也隨之增加；阻火器柵欄板的數量減少，氣流與壁面的摩擦阻力也減小。

圖4 不同阻火器間隙速度云圖

3 試驗研究

為驗證數值模擬結果的準確性，制作0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm以及1.4 mm間隙的阻火器，阻火器厚度均為50 mm，阻火器樣件如圖5所示，對上述樣件進行隔爆試驗。

圖5 阻火器樣件

為使實驗符合實際使用工況，將阻火器固定在某型廢氣處理箱上，在廢氣處理箱的進氣口以及出氣口位置處設置甲烷充氣口和排氣口；在遠離阻火器端設置火花塞，以保證足夠的火焰傳播速度；在箱體頂部設置壓力傳感器，用以監測爆炸壓力，確認箱內混合氣體是否被火花塞引燃。

試驗時，將廢氣處理箱以及阻火器整體放入防爆壓力罐中，通過中控臺將防爆壓力罐與廢氣處理箱中充入甲烷，使得甲烷濃度控制在8.5%，氧氣濃度控制在19%。待混合氣體濃度均勻后，通過火花塞將箱內甲烷引燃，通過防爆壓力罐中的壓力傳感器，判斷火焰是否通過阻火器將防爆壓力罐中的可燃氣體引燃，以此判斷阻火器是否阻火成功，試驗儀器如圖6和圖7所示。同一阻火器樣件進行10次隔爆試驗，如果10次試驗均隔爆成功，則認為阻火器阻火成功；否則認定阻火失敗，試驗結果如表2所示。

圖6 阻火器隔爆試驗

圖7 隔爆試驗中控臺

表2 試驗結果

注：√表示隔爆成功；×表示失爆。

試驗結果表明，阻火器間隙在小于1.0 mm的情況下，阻火器阻火成功，但是當阻火器間隙為1.2 mm和1.4 mm時，分別在進行第7次和第5次隔爆試驗時，阻火器失敗，這與理論計算的結果相符合。

4 結論

通過理論分析以及探索性試驗研究，阻火器間隙小于1.0 mm時，阻火器可阻火成功。因此，防爆無軌膠車通過采用大間隙的阻火器，可有效提高防爆柴油機的通氣效率，降低排氣背壓；對于提升防爆柴油機無軌膠輪車的動力性能及燃油經濟性起重要作用。