煤礦降塵泡沫噴頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

任萬興,郭 慶,王德明,左兵召

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

煤礦降塵泡沫噴頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

任萬興1,2,郭 慶1,王德明1,2,左兵召1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)

為了得到適用于煤礦降塵的泡沫噴頭最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),在闡述泡沫噴頭設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上,定義了泡沫的壓縮系數(shù),導(dǎo)出了泡沫體積與壓力之間的函數(shù)關(guān)系式。由關(guān)系式可知,泡沫的體積在輸送管道的出口處會(huì)發(fā)生膨脹,在管道出口的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置豁口,泡沫將會(huì)沿著豁口方向發(fā)生對(duì)稱膨脹而呈扇形擴(kuò)散。根據(jù)此原理,設(shè)計(jì)了泡沫噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu),理論上計(jì)算出了泡沫噴頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)泡沫噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了一系列的優(yōu)化實(shí)驗(yàn),最終確定了最佳尺寸,并對(duì)加工出來的噴頭進(jìn)行了模擬噴灑實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明該噴頭具有流量大、噴射距離遠(yuǎn)、分散均勻、擴(kuò)散范圍廣的特點(diǎn),且其噴出的泡沫能夠有效地覆蓋產(chǎn)塵點(diǎn),降塵效率高,能夠滿足煤礦井下采掘工作面降塵的需要。

降塵;泡沫;噴頭;粉塵

Key words:dust control;foam;nozzle;dust

粉塵是煤礦生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一,不僅會(huì)導(dǎo)致礦工身患?jí)m肺病,而且會(huì)發(fā)生爆炸,導(dǎo)致重大事故的發(fā)生,給礦工、企業(yè)和國家?guī)砹司薮蟮臑?zāi)難和損失[1-2]。為了防治粉塵,國內(nèi)外廣泛采用煤層注水、噴霧降塵、除塵器除塵、通風(fēng)除塵、化學(xué)抑塵等技術(shù)[3-6],這些技術(shù)對(duì)粉塵的治理雖然起到了一定的作用,但這些技術(shù)降塵效率不高,井下粉塵災(zāi)害依然嚴(yán)重。因此,中國礦業(yè)大學(xué)粉塵防治課題組研發(fā)了泡沫降塵新技術(shù),并在國內(nèi)30多家煤礦進(jìn)行了推廣與應(yīng)用。噴頭是泡沫降塵技術(shù)中重要的組成部分,其結(jié)構(gòu)直接影響到最終的降塵效果。

噴頭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、噴霧除塵等領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。目前普遍應(yīng)用的有機(jī)械式噴頭、Y型噴頭、旋轉(zhuǎn)式噴頭、螺旋式噴頭和組合式噴頭等[7-10]。這些噴頭都是通過擠壓或者撞擊使液體分散,他們僅僅適用于單相流體,對(duì)于兩相或多相流體則容易破壞其穩(wěn)定性。泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定的兩相流體系,在其流動(dòng)過程中不能受過度的擠壓和撞擊,否則會(huì)造成泡沫破裂或霧化,因此必須針對(duì)泡沫流體的特點(diǎn),研制專用的泡沫噴頭。

1 基本原理

泡沫在管道輸送的過程中,由于受到管壁及泡沫之間的擠壓作用,其體積會(huì)比自由空間內(nèi)的體積小,即泡沫從管內(nèi)流入自由空間時(shí)體積會(huì)發(fā)生膨脹。為了研究方便,假定泡沫為球體,對(duì)泡沫從管內(nèi)流入自由空間時(shí)的體積變化進(jìn)行分析。

定義泡沫在單位壓力增量下引起的體積變化率為泡沫的壓縮系數(shù),它與彈性模量互為倒數(shù)[11]。其表達(dá)式[11]為

將上式變形,并積分得

式中,Vi為泡沫的初始體積,m3;V為泡沫變形后體積,m3;pi為泡沫承受的壓力,Pa;p0為大氣壓力,Pa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和推導(dǎo),可以計(jì)算出ω=4.62× 10-6Pa,因此泡沫所承受壓力變化后的體積計(jì)算公式為

由該式可以得出,管道出口處泡沫體積的變化取決于大氣壓力p0與管內(nèi)壓力pi的大小。當(dāng)p0＞pi時(shí),泡沫收縮,體積變小;當(dāng)p0=pi,泡沫體積不變;當(dāng)p0＜pi時(shí),泡沫體積膨脹。降塵泡沫在輸送管道內(nèi)部的壓力pi大于管道外界壓力p0,所以泡沫在管道的出口處將會(huì)發(fā)生體積膨脹,如果沿著管道出口兩側(cè)的對(duì)稱方向上設(shè)置豁口,則泡沫將會(huì)先沿著管道兩側(cè)的豁口方向膨脹,因此將會(huì)呈扇形向?qū)ΨQ的方向擴(kuò)散。

2 噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述基本原理,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),確定噴頭的內(nèi)表面為半橢球面,出口為V型槽,V型槽的兩條邊帶有圓弧,并關(guān)于噴頭軸線對(duì)稱,而且和內(nèi)部半橢球面相貫,形成帶有內(nèi)凸圓弧狀狹長的噴口。

圖1是泡沫噴頭的結(jié)構(gòu)示意,其中(a)為垂直于V型槽的軸剖面,(b)為噴頭出口的俯視圖,(c)為噴頭的擴(kuò)散角。噴頭結(jié)構(gòu)包含6個(gè)參數(shù):噴頭入口斷面直徑D,V型槽角度的一半θ,擴(kuò)散角度α,V型槽中間寬度d1,V型槽兩端寬度d2,V型槽切深h。其中確定了θ,d1,d2和h四個(gè)參數(shù)就決定了噴頭的結(jié)構(gòu)。

圖1 泡沫噴頭結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the foam nozzle

3 關(guān)鍵參數(shù)的理論計(jì)算

V型槽的角度直接影響泡沫的擴(kuò)散角度及泡沫擴(kuò)散面的厚度,從而影響捕獲粉塵的效率。該參數(shù)只能通過實(shí)驗(yàn)找出擴(kuò)散角α和半V型槽角度θ之間的關(guān)系,然后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及參考文獻(xiàn)[12],擬合出下述經(jīng)驗(yàn)公式:

根據(jù)噴頭出口處B點(diǎn)(此點(diǎn)的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下參數(shù)相等)和噴頭內(nèi)A點(diǎn)的伯努利方程(圖1),再結(jié)合式(3),可以導(dǎo)出噴頭出口處泡沫流速的表達(dá)式:

另外,噴頭過流斷面面積As由噴頭兩側(cè)的V型槽面積SV和噴頭出口正斷面面積Sd兩部分組成,由幾何關(guān)系可以導(dǎo)出

同時(shí),過流斷面面積As又可表示為

4 關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

由于噴頭關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)d1,d2和h是通過式(4)～(7)理論計(jì)算而得,當(dāng)給定氣源壓力,理論上只有一組結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴頭流量Q0和擴(kuò)散角α相對(duì)應(yīng),當(dāng)改變氣源壓力時(shí),不同的氣源壓力對(duì)應(yīng)著不同組的結(jié)構(gòu)參數(shù),但是同一氣源壓力下,理論上各結(jié)構(gòu)參數(shù)是惟一的,且相互之間獨(dú)立。為了更好地滿足實(shí)際需要,取θ=18.5°不變,在d1,d2和h理論計(jì)算結(jié)果的上下范圍內(nèi),分別選取5組數(shù)據(jù),制作不同的噴頭,并在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建泡沫噴灑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),以噴頭流量和擴(kuò)散角的目標(biāo)設(shè)計(jì)值為評(píng)定指標(biāo),測(cè)試各參數(shù)不同取值條件下,噴頭流量和壓力分別與氣源壓力的變化曲線,從而對(duì)噴頭各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置與系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括自制的?2 000 mm×1 000mm儲(chǔ)水罐、G105-2螺桿泵,VW-4/8型無油潤滑水冷活塞式空氣壓縮機(jī),渦街氣體流量計(jì)、電磁流量計(jì)、發(fā)泡器、調(diào)節(jié)閥門和試驗(yàn)管路若干,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)氣體管路上的調(diào)節(jié)閥,并保持空壓機(jī)流量穩(wěn)定,在不同壓力下測(cè)試不同尺寸噴頭的流量和擴(kuò)散角度。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.2 The sketch map of the experimental system

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

4.2.1 切深h對(duì)擴(kuò)散角和流量的影響

在d1,d2為固定值不變的條件下(d1=4 mm,d2= 8 mm),切深h分別取10,11,12,13,14 mm,分別在不同的氣源壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn)。泡沫流量與擴(kuò)散角隨切深的變化關(guān)系如圖3所示。從圖3中可以看出,當(dāng)切深h為10 mm時(shí),噴頭擴(kuò)散角度隨壓力的變化在90°附近平緩波動(dòng),且噴頭流量隨著壓力的增大變化比較平緩,氣源壓力為0.6 MPa時(shí),噴頭流量Q0=10.8 m3/h,擴(kuò)散角α=86°,與設(shè)計(jì)目標(biāo)值比較接近。

4.2.2 開口寬度d2對(duì)擴(kuò)散角和流量的影響

在d1,h為固定值不變的條件下(d1=4 mm,h= 10 mm),d2分別為7,8,9,10,11 mm,分別在不同的氣源壓力條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),泡沫流量與擴(kuò)散角隨開口寬度d2的變化關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出,當(dāng)開口寬度d2為9 mm時(shí),噴頭擴(kuò)散角度隨壓力的變化在90°附近平緩波動(dòng),且噴頭流量隨著壓力的增大變化比較平緩,氣源壓力為0.6 MPa時(shí),噴頭流量Q0=10.5 m3/h,擴(kuò)散角α=90°,與設(shè)計(jì)目標(biāo)值比較接近。

4.2.3 開口寬度d1對(duì)擴(kuò)散角和流量的影響

在d2,h為固定值不變的條件下(d2=9 mm,h= 10 mm),d1分別為2,3,4,5,6 mm,分別在不同的氣源壓力條件下進(jìn)行試驗(yàn),泡沫流量與擴(kuò)散角隨開口寬度d1的變化關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)開口寬度d1為5 mm,噴頭擴(kuò)散角度隨壓力的變化在90°附近平緩波動(dòng),且噴頭流量隨著壓力的增大變化比較平緩,氣源壓力為0.6 MPa時(shí),噴頭流量Q0=10.9 m3/ h,擴(kuò)散角α=93°,與設(shè)計(jì)目標(biāo)值比較接近。

圖3 h變化時(shí)噴頭流量與和擴(kuò)散角與壓力的關(guān)系Fig.3 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when h changes

圖4 d2變化時(shí)噴頭流量與擴(kuò)散角與壓力的關(guān)系Fig.4 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when d2changes

圖5 d1變化時(shí)噴頭流量與擴(kuò)散角與壓力的關(guān)系Fig.5 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when d1changes

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析,最終確定扇形泡沫噴頭尺寸如下:入口直徑D為25 mm;d1為5 mm,d2為9 mm,h為10 mm。圖6是實(shí)際加工出來的泡沫噴頭,圖7是利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氣源壓力為0.6 MPa時(shí)泡沫噴頭的噴射效果,此時(shí)噴頭流量Q0=10.9m3/h,擴(kuò)散角α=93°。

圖6 實(shí)際加工出來的泡沫噴頭Fig.6 The foam nozzle

采用此結(jié)構(gòu)噴頭在煤礦井下綜掘工作面進(jìn)行應(yīng)用,在直徑為1.5 m的綜掘機(jī)切割滾筒后面,圓弧狀布置6個(gè)噴頭,正常運(yùn)行時(shí),供氣壓力0.5 MPa,測(cè)得噴頭流量Q0=9.8 m3/h,擴(kuò)散角α=92°,與噴頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)值比較接近。此時(shí)在工作面回風(fēng)側(cè)5 m處測(cè)試降塵效率,測(cè)得對(duì)呼吸性粉塵的降塵效率達(dá)到了75.9%,對(duì)全塵的降塵效率達(dá)到了87.6%,分別是噴霧降塵的2.8倍和2.5倍,測(cè)試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的噴頭具有很好的擴(kuò)散與覆蓋性能,能滿足井下降塵的需要。

圖7 泡沫噴頭的噴射效果Fig.7 The spraying effect of the nozzle

5 結(jié) 論

(1)提出了泡沫噴頭的設(shè)計(jì)原理。定義了泡沫的壓縮系數(shù),推導(dǎo)出了泡沫體積與壓力之間的關(guān)系式,由關(guān)系式可知管道出口處泡沫體積的變化取決于管道外大氣壓力與管內(nèi)壓力的大小,當(dāng)管外大氣壓力大于管內(nèi)壓力時(shí),泡沫體積收縮;當(dāng)管外大氣壓力等于管內(nèi)壓力時(shí),泡沫體積不變;當(dāng)管外大氣壓力小于管內(nèi)壓力時(shí),泡沫體積膨脹。降塵泡沫在輸送管道內(nèi)部的壓力大于管道外界壓力,因此泡沫在管道的出口處將會(huì)沿著管道兩側(cè)設(shè)置的豁口方向發(fā)生體積膨脹,從而呈扇形向?qū)ΨQ的方向擴(kuò)散。

(2)根據(jù)泡沫噴頭的設(shè)計(jì)原理,確定了噴頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)是出口為帶有內(nèi)凸圓弧V型槽狀狹長的噴口,內(nèi)表面為半橢球面,并關(guān)于噴口軸線對(duì)稱。推導(dǎo)出了擴(kuò)散角、出口流速及過流面積等噴頭參數(shù)的計(jì)算公式,計(jì)算出了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體尺寸。

(3)在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究了V型槽的切深、開口寬度分別對(duì)噴頭流量與擴(kuò)散角的影響規(guī)律,確定了噴頭的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù),并對(duì)加工出來了的噴頭進(jìn)行了模擬噴灑實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的噴頭流量與擴(kuò)散角均達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)值,且應(yīng)用過程中降塵效率高,能夠滿足煤礦井下采掘工作面降塵的需要。

(4)研制出來的泡沫噴頭具有流量大,噴射距離遠(yuǎn),分散均勻,擴(kuò)散范圍廣的特點(diǎn),能有效覆蓋產(chǎn)塵點(diǎn)。

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The design and optim ization of foam nozzle for dust control underground coalm ine

RENWan-xing1,2,GUO Qing1,WANG De-ming1,2,ZUO Bing-zhao1
(1.Faculty ofSafety Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.State Key Laboratory ofCoalResourcesand SafeMining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221008,China)

In order to obtain the optimal key structure parameters of foam nozzle applied to dust control underground coalmine,the design principle of foam nozzle was elaborated.Meanwhile the compressibility of foam was defined and the calculation formula about volume change of foam caused by pressure variation was deduced.From the formula,the volume expansion would occurwhen the foam flows out the pipeline,if the two gapswere setat the pipeline end symmetrically,the fan-shaped diffusion would appear along the gaps because of the volume expansion.Based on these principles,the internal structure of the nozzle was designed and the key structure parameters were theoretically calculated.By using the experimental system constructed in the lab,a series of optimized experiments were carried out,and the optimum sizes of the key structure parameters were obtained.The foam nozzle with optimum structure parameters was produced,and the simulation spraying experiments and the practical application were carried out using the produced foam nozzle.The results of experiments and application show that the foam nozzle has the advantages,such as large flow quantity,far jetting distance,uniform dispersion and wide diffusion range.Furthermore,the foam spraying from the foam nozzle can effectively cover the dust sources,which will have a remarkable effect on dust control at working face underground coalmines.

TD714

A

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10.13225/j.cnki.jccs.2013.1340

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2013-09-14 責(zé)任編輯:畢永華

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104153);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2011QNB11)

任萬興(1980—),男,河南封丘人,副教授。E-mail:rwxcom@163.com