易波波, 劉榮華, 王鵬飛, 茍尚旭, 譚烜昊, 張 奎

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隨著礦井設(shè)備機(jī)械化、自動化的程度越來越高，煤礦掘進(jìn)與開采的強(qiáng)度越來越大，生產(chǎn)效率得到了較大提高，生產(chǎn)現(xiàn)場的產(chǎn)塵量也急劇增加，特別是粒徑小于7 um的呼吸性粉塵濃度也大幅上升[1-2]。粉塵濃度過高對設(shè)備的正常運行造成了極大影響，同時懸浮在空氣中的煤塵濃度過高極易發(fā)生爆炸，對一線煤礦工人的生活和工作構(gòu)成了極大的威脅，因此,必須采取切實有效的除塵措施。噴霧降塵具有經(jīng)濟(jì)、簡便和實用等優(yōu)點，在國內(nèi)外煤礦井下和工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[3]。近年，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了大量有關(guān)噴霧除塵機(jī)理與噴霧霧化效果的研究工作[4-5]，如程衛(wèi)民等[6]就不同噴嘴噴霧壓力條件下的霧化粒徑進(jìn)行了實驗研究，得到了不同噴霧噴嘴壓力下的霧化粒度。通常認(rèn)為，在噴嘴選定的條件下，噴霧壓力越高，霧化粒徑越小[7]，對呼吸性粉塵的捕集效果越好。國內(nèi)外學(xué)者在對噴霧降塵影響因素分析時，以前的研究更多的關(guān)注噴嘴供水壓強(qiáng)和噴嘴直徑對霧化效果與降塵效率的影響，而對霧化錐角還未進(jìn)行深入研究。霧化錐角也是反映霧化效果的一個重要參數(shù)。

為此，本文選擇X旋流壓力噴嘴，采用實驗手段，對不同直徑噴嘴在不同壓力下的噴霧霧化錐角進(jìn)行了研究，以期為提高噴霧霧化效果和噴霧降塵效率提供理論指導(dǎo)。

1 實驗系統(tǒng)及方案

1.1 實驗系統(tǒng)

煤礦井下采掘工作面噴霧系統(tǒng)如圖1所示。

巷道模型由入口段、整流段、測量段、噴霧段、軸流風(fēng)機(jī)段及出流段組成。在實驗時為了便于拍照和觀測噴霧霧化角，巷道模型噴霧段由1 cm厚的透明有機(jī)玻璃制作而成，其他部分均由不銹鋼板加工制作而成。實驗系統(tǒng)由智能電磁流量計、數(shù)字式壓強(qiáng)表、轉(zhuǎn)子流量計、X旋流壓力噴嘴、BPZ75/12 型噴霧高壓泵等構(gòu)成。X旋流壓力噴嘴主要由3個部分構(gòu)成，即進(jìn)水端口、X旋流壓力噴嘴內(nèi)部混合段、噴霧出口。供水管與噴嘴進(jìn)水端口相連接，市政管網(wǎng)自來水經(jīng)高壓水泵加壓后在X旋流壓力噴嘴內(nèi)部經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，擠壓，破碎后從噴嘴口噴出一定速度、一定角度的霧滴。實驗通過無極變速旋鈕調(diào)節(jié)高壓水泵轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)入X旋流壓力噴嘴進(jìn)水端口的壓強(qiáng)。

1.2 實驗方案

水在噴嘴旋轉(zhuǎn)混合段混合后，由于中心流速比較高以及液體本身的旋轉(zhuǎn)作用使得中心壓力降低，使得噴嘴噴霧邊界近似于一個拋物錐角，叫做霧化錐角。霧化錐角用α表示，如圖2所示，X旋流壓力噴嘴如圖3所示。自來水在X旋流壓力噴嘴混合段經(jīng)高壓水泵加壓后經(jīng)噴嘴口射出霧化，用德國高速攝像儀對不同直徑的X旋流壓力噴嘴在不同的進(jìn)水壓力下的霧化情況進(jìn)行拍照，拍攝分辨率選用6016×4016，保證照片的清晰度，拍得的照片用專業(yè)圖像處理分析軟件Image Pro Plus進(jìn)行處理分析，計算出噴霧的霧化錐角。

圖1噴霧實驗系統(tǒng)

圖2 霧化錐角

圖3 X旋流壓力噴嘴結(jié)構(gòu)

實驗以X旋流壓力噴嘴為研究對象，選用直徑分別為1.0， 1.2， 1.5， 1.8， 2.0 mm的5種不同直徑的噴嘴，每種直徑噴嘴分別對應(yīng)供水壓強(qiáng)為1.0， 2.0， 3.0， 4.0， 5.0， 6.0， 7.0， 8.0 MPa，在距離噴嘴出口平行于噴霧射流方向150 mm處用德國高速攝像儀進(jìn)行拍照，每組壓力拍攝3張照片，數(shù)據(jù)處理時對3張照片的霧化錐角取平均值。分別拍攝得到5種不同直徑噴嘴在8種不同進(jìn)水壓力下的照片。實驗先固定噴嘴直徑為1.0 mm的噴嘴，用德國高速攝像儀分別間隔3 s對噴霧霧化錐角進(jìn)行拍照，拍取3張樣本照片，拍攝樣本照片如圖4所示。調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，分別拍攝噴嘴直徑為1.0， 1.2， 1.5， 1.8， 2.0 mm對應(yīng)噴嘴進(jìn)水壓力為1.0～8.0 MPa的樣本照片，然后用專業(yè)圖像處理分析軟件Image Pro Plus處理，得到不同直徑不同進(jìn)水壓力的霧化錐角。

圖4 噴霧樣本照片

2 實驗結(jié)果分析

2.1 供水壓強(qiáng)對霧化錐角的影響

通過Origin軟件對實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果進(jìn)行處理，如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)噴嘴直徑為1.0 mm時，進(jìn)水壓強(qiáng)從1.0 MPa升到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角由40.27°增加到52.79°，且隨著供水壓強(qiáng)的增加變化幅度越來越小。當(dāng)噴嘴直徑為1.2 mm時，進(jìn)水壓強(qiáng)從1.0 MPa升到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角由51.40°增加到55.46°，霧化錐角隨著供水壓強(qiáng)的增加的幅度比噴嘴直徑為1.0 mm時增加幅度??；當(dāng)噴嘴直徑為1.5 mm時，噴霧霧化錐角維持在62°左右,與供水壓強(qiáng)的大小無明顯關(guān)系；當(dāng)噴嘴直徑為1.8 mm和2.0 mm時，噴霧霧化錐角隨供水壓強(qiáng)增大而減小，當(dāng)噴嘴直徑為1.8 mm時，供水壓強(qiáng)為1 MPa時，噴霧霧化錐角達(dá)到最大值72.67°，然后隨著供水壓強(qiáng)的增加噴霧霧化錐角逐漸減小，供水壓強(qiáng)由2.0 MPa增加到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角從62.38°下降到59.25°。當(dāng)噴嘴直徑為2.0 mm時，供水壓強(qiáng)由1.0 MPa增加到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角從71.8°下降到65.36°，且降低的幅度比噴嘴直徑為1.8 mm的幅度小。

圖5 不同直徑不同供水壓強(qiáng)的霧化錐角

2.2 噴嘴直徑對霧化錐角的影響

實驗數(shù)據(jù)如表1所示，當(dāng)供水壓強(qiáng)一定時，噴霧霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，且增大的幅度越來越小，當(dāng)噴嘴直徑為1.0 mm時，霧化錐角從40.27°增加到71.80°，當(dāng)噴嘴直徑為2.0 mm時，霧化錐角從52.79°增加到65.36°，由此可以看出，供水壓強(qiáng)一定時，噴嘴直徑越來越大，霧化錐角增加的幅度越來越小，霧化錐角變化的區(qū)間越來越小。從表1可以看出，在X旋流壓力噴嘴直徑為1.0 mm和1.2 mm時，供水壓強(qiáng)增大，水流速度加快，在混合室內(nèi)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、擠壓、破碎之后經(jīng)噴嘴出口射出，此時供水壓強(qiáng)對霧化錐角的影響大于噴嘴直徑的影響，所以噴霧霧化錐角隨著供水壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)噴嘴直徑為1.5 mm時，噴霧霧化錐角與進(jìn)水壓強(qiáng)沒有明顯的關(guān)系，當(dāng)X旋流壓力噴嘴直徑為1.8 mm和2.0 mm時，噴嘴直徑對噴霧霧化角的影響大于噴嘴供水壓強(qiáng)對霧化錐角的影響，供水壓強(qiáng)增大時，在混合室內(nèi)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、擠壓、破碎后經(jīng)噴嘴出口射出，隨著供水壓強(qiáng)越大，噴嘴直徑對高壓狀態(tài)下的水射出的阻力越大，所以噴霧霧化錐角隨著供水壓強(qiáng)的增大而減小。在相同的進(jìn)水壓強(qiáng)條件下，噴霧霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，隨著供水壓強(qiáng)的增加，增大的幅度越來越小。

2.3 噴霧霧化錐角的擬合公式

對實驗數(shù)據(jù)采用回歸方法進(jìn)行分析，選用Rational 2D函數(shù)進(jìn)行擬合，得出不同噴嘴直徑不同供水壓強(qiáng)與噴霧霧化錐角的擬合曲面圖，如圖6所示。用軟件擬合得到的關(guān)系式為：

式中，a為霧化錐角，(°)；x為供水壓強(qiáng)，MPa；y為噴嘴直徑，mm。

其中線性相關(guān)系數(shù)R2=0.95138，為了驗證公式的正確性，每組噴嘴選取供水壓強(qiáng)為4 MPa的霧化錐角進(jìn)行驗證，如表1所示，將實驗得到的數(shù)據(jù)與公式算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出公式計算出的數(shù)據(jù)與實驗得到的數(shù)據(jù)相對誤差均在5%以內(nèi)，所以該計算公式具有一定的參考價值。

圖6 霧化錐角擬合

噴嘴直徑/mm供水壓強(qiáng)/MPa1．02．03．04．05．06．07．08．0實驗數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)相對誤差/%1．040．2744．0846．7847．8348．7750．6452．0352．7947．8346．901．941．251．4052．0452．1052．9552．9753．7854．0855．4652．9554．593．081．563．7961．7760．8362．5062．2160．5862．3260．8062．5060．363．421．872．6762．3862．0061．3361．0760．3959．8659．2561．3363．323．242．071．8071．0270．6469．9369．6868．3268．0265．3669．9368．132．57

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)X旋流壓力噴嘴直徑小于1.5 mm時，噴霧霧化錐角隨著供水壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)噴嘴直徑為1.5 mm時，供水壓強(qiáng)對噴霧霧化錐角大小無明顯影響，當(dāng)噴嘴直徑大于1.5 mm時，噴霧霧化錐角隨著供水壓強(qiáng)的增大而減小。

(2) 當(dāng)供水壓強(qiáng)一定時，霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，且增大的幅度越來越小。

(3) 進(jìn)水壓強(qiáng)越大，對實驗儀器，設(shè)備管道的耐壓要求較大，出于經(jīng)濟(jì)，安全的角度，在工程實際應(yīng)用中宜選擇直徑為1.5 mm的噴嘴。

(4) 擬合公式與實驗數(shù)據(jù)的相對誤差在5%以內(nèi)，誤差較小，可以為科研人員與工程技術(shù)人員借鑒參考，具有較好的應(yīng)用價值。

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