胡金潤，周 萍，陳梅潔

(1.中南大學，湖南 長沙 410000；2.湖南聯(lián)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(tǒng)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(jù)使用環(huán)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(guī)則的編制型金屬絲網具有較深入的研究[5-11]，而對于不規(guī)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(shù)和阻力曲線及相應的規(guī)律，為后續(xù)的產品設計提供了依據(jù).

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(tǒng)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(shù)；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(shù)，而濾網阻力系數(shù)需通過實驗測試獲得.

3 過濾網阻力系數(shù)測試

過濾網阻力損失取決于局部阻力系數(shù)的大小，根據(jù)過濾網鋼絲的目數(shù)、濾網鋼絲的直徑、濾網迎風面積等參數(shù)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(shù)ζ值相差很大，本文通過實驗的方法對該濾網阻力系數(shù)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?shù)貥藴蚀髿鈮毫?，Pa；T為過濾網進口空氣溫度，℃.

過濾網阻力測試系統(tǒng)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(wěn)定流動條件下，在每一點獲取靜壓讀數(shù)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(shù).

Δp=PB-PA.

(5)

由公式(1)、公式(5)得到；

(6)

4 過濾網阻力優(yōu)化

冷卻塔安裝于車體機械間，空間尺寸，系統(tǒng)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(yōu)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(yōu)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(yōu)化后∩形過濾網結構圖

圖6 優(yōu)化后過濾網局部結構圖(mm)

5 過濾網阻力測試數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化前后的過濾網分別在不同的風速進行阻力測試，阻力數(shù)據(jù)如表1所示，局部阻力系數(shù)如表2所示.

表1 過濾網阻力數(shù)據(jù)

表2 過濾網局部阻力系數(shù)

根據(jù)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(shù)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(shù)可知，局部阻力系數(shù)基本不變，風速的變化對局部阻力系數(shù)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?yōu)V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(tǒng)，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(shù)，為后續(xù)類型產品設計提供了依據(jù).