風(fēng)速與噴嘴安裝角對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

劉志超 李 彬 李艷波

(河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

風(fēng)速與噴嘴安裝角對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

劉志超 李 彬 李艷波

(河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

為了研究射霧器中噴嘴安裝角度和風(fēng)速對(duì)單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，設(shè)計(jì)了由供風(fēng)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)組成的遠(yuǎn)程射霧器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用高速動(dòng)態(tài)數(shù)字?jǐn)z像儀對(duì)不同的風(fēng)速和噴嘴安裝角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，即在風(fēng)機(jī)開啟時(shí)分別測(cè)定不同工況下細(xì)水霧單顆粒的運(yùn)動(dòng)，并利用MATLAB繪制細(xì)水霧單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖，得到了不同風(fēng)速和噴嘴安裝角度對(duì)細(xì)水霧單顆粒運(yùn)動(dòng)的關(guān)系：當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，單顆粒的運(yùn)動(dòng)速度提高；噴嘴的安裝角度對(duì)單顆粒的運(yùn)動(dòng)幾乎沒有影響。

單顆粒 運(yùn)動(dòng) 風(fēng)速 安裝角度

近年來，隨著采煤、采石等行業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)械化水平大幅增高，在開采、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生了大量的粉塵，嚴(yán)重威脅工礦企業(yè)的安全生產(chǎn)和職工的身體健康[1]。粉塵不僅會(huì)引發(fā)爆炸，降低能見度和磨損設(shè)備對(duì)安全生產(chǎn)造成威脅[2]，還會(huì)對(duì)人體健康帶來不良的影響，長(zhǎng)期處于高粉塵濃度的地方工作，很容易引發(fā)塵肺病、角膜炎、哮喘性支氣管炎等癥狀[3-4]。因此，降塵除塵已逐漸成為一項(xiàng)亟待解決的社會(huì)問題[5]。

21世紀(jì)初，粒徑小于2.5 μm的粉塵對(duì)人類健康的危害引起了人們的高度重視[6-7]。各種除塵方法迅速發(fā)展，噴霧除塵因其具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在眾多除塵方法中脫穎而出。近年來噴霧除塵技術(shù)得到了不斷改進(jìn)：C.R.Mack Cali和B.Osk從實(shí)驗(yàn)中觀察到，塵粒與水滴碰撞時(shí)受到界面張力的阻礙，若塵粒的慣性作用力小于界面張力，塵粒不會(huì)被捕捉，這一發(fā)現(xiàn)為后來的研究提供了基礎(chǔ)[8]；陳明基等[9]運(yùn)用流體力學(xué)理論進(jìn)行分析研究，提出了計(jì)算捕塵效率的方法；劉江虹[10]利用三維激光多普勒測(cè)速計(jì)和自適性相位多普勒速度計(jì)系統(tǒng)(三維LDV/APV系統(tǒng))對(duì)設(shè)計(jì)的小型低速風(fēng)洞進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)通風(fēng)對(duì)霧滴的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)形成渦旋，霧滴平均粒徑隨風(fēng)速增加而增大，霧滴運(yùn)動(dòng)距離與霧通量成反比，但是基本上不影響霧滴速度和霧滴粒徑的大??；周剛等[11-12]認(rèn)為高壓噴霧時(shí)，噴嘴出口附近的一次霧化是由噴嘴內(nèi)部形成的空穴和湍流主導(dǎo)的，而空氣動(dòng)力則影響著液滴的二次霧化過程；馬素平等[13]提出了無論在哪種場(chǎng)合下，水霧粒度、水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度、空間含水量和供水壓力有著直接關(guān)系，因而降塵效率主要取決于供水壓力和水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，但對(duì)于粒徑小于0.5 μm的微細(xì)粉塵，壓力型霧化噴嘴噴霧無法達(dá)到降塵的目的。

以上研究工作表明提高細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度有利于提高噴霧除塵的效率，但是很少有綜合對(duì)比分析風(fēng)速與噴嘴安裝角度對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)速度的影響。本課題對(duì)不同噴嘴安裝角度和不同風(fēng)速下水霧場(chǎng)單顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為噴霧除塵主要裝置——射霧器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和降塵效率的提高提供了一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)的基本原理

根據(jù)中低壓細(xì)水霧除塵中通用的風(fēng)速，選定實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)速變化范圍，并搭建一個(gè)能夠產(chǎn)生細(xì)水霧的實(shí)驗(yàn)裝置，然后利用高速動(dòng)態(tài)數(shù)字?jǐn)z像儀測(cè)定不同風(fēng)速和噴嘴安裝角度下形成的細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析研究風(fēng)速和噴嘴安裝角度對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)的影響[14]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了供風(fēng)系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。供風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)筒分漸縮風(fēng)筒、柱形導(dǎo)風(fēng)筒和錐形導(dǎo)風(fēng)筒3段。所設(shè)計(jì)的射霧器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 射霧器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕?個(gè)部分組成，即包括水箱、水泵和噴嘴的噴霧系統(tǒng)與制造風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒。3段風(fēng)筒的具體參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)筒具體尺寸

實(shí)驗(yàn)中將離心風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒通過管路連接以達(dá)到遠(yuǎn)程送風(fēng)的目的。噴嘴安裝在風(fēng)筒出口，細(xì)水霧顆粒由風(fēng)流場(chǎng)送往遠(yuǎn)處。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案的確定

具體的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)方案示意

詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下。

(1)開啟風(fēng)機(jī)，利用熱線式風(fēng)速風(fēng)量?jī)x分別調(diào)出0、6、7、8、9和10 m/s共6種不同風(fēng)速，并在風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)旋鈕上分別做標(biāo)記，關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

(2)開啟離心泵，調(diào)節(jié)位于噴嘴上游的減壓閥，使壓力表的讀數(shù)為1 MPa，關(guān)閉離心泵。

(3)將噴嘴的安裝角度調(diào)為0°，啟動(dòng)離心泵，待水霧穩(wěn)定后，打開高速攝像儀，通過計(jì)算機(jī)工作界面進(jìn)行調(diào)整，選擇最清晰的工作界面參數(shù)。

(4)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，分別調(diào)節(jié)風(fēng)速至0、6、7、8、9、10 m/s，待水霧穩(wěn)定后拍攝，分別記錄不同風(fēng)速下的細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

(5)關(guān)閉離心泵和風(fēng)機(jī)，依次調(diào)整噴嘴的安裝角度為15°、30°、45°和60°，并分別重復(fù)步驟(3)、(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本實(shí)驗(yàn)利用控制單一變量法進(jìn)行，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，達(dá)到減少因人為因素造成的測(cè)量誤差，采用在風(fēng)速調(diào)節(jié)器上進(jìn)行標(biāo)記的方式確定不同風(fēng)速對(duì)應(yīng)的旋鈕位置，并選擇晴朗無風(fēng)天氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以減小自然風(fēng)對(duì)水霧穩(wěn)定性的影響。經(jīng)過多次測(cè)量篩選后得到以下結(jié)果。

3.1 噴嘴安裝角度對(duì)細(xì)水霧單顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

不同噴嘴安裝角度下的單顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，分別用不同顏色的線條描述噴嘴安裝角度為0°、15°、30°、45°和60°時(shí)單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)以噴嘴出口為原點(diǎn)，當(dāng)顆粒位移為0時(shí)，細(xì)水霧顆粒表現(xiàn)為細(xì)水霧流場(chǎng)初始狀態(tài)。由圖3可知：此時(shí)的單顆粒運(yùn)動(dòng)速度均為2 m/s；細(xì)水霧顆粒位移很小，約為9.56×10-5m，運(yùn)動(dòng)速度在風(fēng)流場(chǎng)的作用下急速增大，達(dá)到最大值11.11 m/s；在位移約為0.06 m時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過波動(dòng)達(dá)到最小值3 m/s；當(dāng)細(xì)水霧顆粒位移小于0.06 m時(shí)，風(fēng)流場(chǎng)由于受到噴嘴的影響擾動(dòng)較大，細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)也受到很大影響，波動(dòng)較大；當(dāng)位移大于0.06 m時(shí)，在穩(wěn)定風(fēng)流場(chǎng)的影響下，細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大至7 m/s左右。從圖3中可以看出，5種不同噴嘴安裝角度下細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡幾乎完全重合，噴嘴的安裝角度對(duì)細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)影響很小，甚至可以忽略不計(jì)。

圖3 噴嘴安裝角度對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

3.2 風(fēng)速對(duì)細(xì)水霧單顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

圖4給出了風(fēng)速分別為6、7、8、9和10 m/s時(shí)單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)同樣以噴嘴出口為原點(diǎn)，當(dāng)顆粒位移為0時(shí)，單顆粒運(yùn)動(dòng)速度為2 m/s，為細(xì)水霧初始狀態(tài)。細(xì)水霧初始狀態(tài)相同且噴嘴安裝角度相同，因此細(xì)水霧流場(chǎng)相同。由圖4可知，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，雖然單顆粒的位移-速度曲線變化趨勢(shì)基本一致，但單顆粒的運(yùn)動(dòng)速度隨風(fēng)速的改變而改變，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，單顆粒運(yùn)動(dòng)速度隨之增大，具體結(jié)果如表2所示。

圖4 風(fēng)速對(duì)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)的影響

通過對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以看出：當(dāng)風(fēng)速從6 m/s依次增加到10 m/s時(shí)，細(xì)水霧顆粒的最大速度從9.25 m/s依次增加到10.76 m/s，最小速度從2.56 m/s依次增加到2.93 m/s，穩(wěn)定速度從6 m/s依次增加到6.83 m/s。細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)隨風(fēng)速的改變而改變，因此，在實(shí)際的細(xì)水霧除塵過程中，可以通過改變風(fēng)流場(chǎng)的風(fēng)速，達(dá)到調(diào)節(jié)細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)速度，提高除塵效率的目的。

表2 不同風(fēng)速下細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度

Table 2 Moving speeds of the single particle of mist under the different wind speeds m/s

風(fēng) 速細(xì)水霧顆粒運(yùn)動(dòng)速度最大速度最小速度穩(wěn)定速度69.252.56679.632.656.13810.032.736.41910.392.846.571010.762.936.83

4 結(jié) 論

利用自行設(shè)計(jì)和制造的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在中低壓細(xì)水霧除塵的噴水壓力和風(fēng)速的前提下，通過對(duì)5種噴嘴安裝角度和6種不同風(fēng)速30種工況下細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定，得到了細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)與射霧器風(fēng)速和噴嘴安裝角度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到：細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)更多地受到風(fēng)速的影響，當(dāng)風(fēng)速變化的時(shí)候，雖然單顆粒的位移-速度曲線變化趨勢(shì)基本一致，但單顆粒的運(yùn)動(dòng)速度隨風(fēng)速的增加而增加。因此在細(xì)水霧除塵技術(shù)中可以采用改變射霧器風(fēng)速的措施來調(diào)節(jié)細(xì)水霧顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，從而達(dá)到提高除塵效率的目的。

[1] 趙光宇.煤礦粉塵危害及等級(jí)劃分的探討[J].山西煤炭，2008,28(4):49-51. Zhao Guangyu.Discussion on mine dust harm and dust grade [J].Shanxi Coal,2008,28(4):49-51.

[2] 王東武,四旭飛,張延松.某煤礦一起特別重大煤塵爆炸事故分析[J].煤,2012,21(8):55-56. Wang Dongwu,Si Xufei,Zhang Yansong.Analysis of explosion accident caused by the coal dust in a coal mine[J].Coal,2012,21(8):55-56.

[3] 蓋冰冰,陳達(dá)民,虞慧婷,等.某機(jī)械制造企業(yè)粉塵作業(yè)人員塵肺危害現(xiàn)狀調(diào)查[J].環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué),2012(5):265-268. Gai Bingbing,Chen Damin,Yu Huiting,et al.Survey on the status and risk of pneumoconiosis among workers exposed to dust in machinery[J].J Environ Occup Med,2012(5):265-268.

[4] 方 新.新建大型煤礦粉塵危害現(xiàn)狀分析[J].安徽預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2006,12(1):15-16. Fang Xin.Analysis on status of dust hazard in new large coal mine[J].Anhui J Prev Med,2006,12(1):15-16.

[5] 高永華，宏 哲.燃煤電廠超細(xì)粉塵的危害及控制[J].能源環(huán)境保護(hù)，2010,24(3):5-8. Gao Yonghua，Hong Zhe.Harm and control of ultrafine particulates in coal-fired power plants[J].Energy Environmental Protection,2010,24(3):5-8.

[6] Giby Joseph，CSB Hazard Investigation Team.Combustible dusts：a serious industrial hazard[J].Journal of Hazardous Materials,2007,142(3):589-591.

[7] Zhi Yuan,Nima Khakzad,Faisal Khan,et al.Risk-based optimal safety measure allocation for dust explosions[J].Safety Science,2015,74:79-92.

[8] Tripathi S N，Harrison R G.Scavenging of electrified radioactive aerosol[J].Atmospheric Environment，2001,35(33):5817-5821.

[9] 陳海安.高壓噴霧在炮采工作面應(yīng)用研究[D].西安：西安科技大學(xué),2010. Chen Haian.Study on Application of High-pressure Spray in Blasting Face[D].Xi′an：Xi′an University of Science and Technology,2010.

[10] 劉江虹,朱 偉,廖光煊.LDV /APV系統(tǒng)研究縱向通風(fēng)作用下細(xì)水霧霧場(chǎng)特性[J].中國(guó)工程科學(xué)， 2012，14(11):75-81. Liu Jianghong,Zhu Wei,Liao Guangxuan.Experimental study on the water mist under longitudinal ventilation using LDV/APV system[J].Engineering Sciences,2012,14(11):75-81.

[11] 周 剛,程衛(wèi)民,聶 文,等.高壓噴霧射流霧化及水霧捕塵機(jī)理的拓展理論分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012,35(3):121-126. Zhou Gang,Cheng Weimin,Nie Wen，et al.Extended theoretical analysis of jet and atomization under high-pressure spraying and collecting dust mechanism of droplet[J].Journal of Chongqing University,2012,35(3):121-126.

[12] 周 剛，聶 文,程衛(wèi)民，等.煤礦綜放工作面高壓霧化降塵對(duì)粉塵顆粒微觀參數(shù)影響規(guī)律分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(10):2053-2059. Zhou Gang,Nie Wen，Cheng Weimin,et al.Influence regulation analysis of high-pressure atomization dust-settling to dust particle′s microscopic parameters in fully mechanized caving coal face [J].Journal of China Coal Society,2014,39(10):2053-2059.

[13] 馬素平,寇子明.噴霧降塵機(jī)理的研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005,30(3):297-300. Ma Suping,Kou Ziming.Study on mechanism of reducing dust by spray[J].Journal of China Coal Society,2005,30(3):297-300.

[15] 周 剛,程衛(wèi)民,王 剛，等.綜放工作面粉塵場(chǎng)與霧滴場(chǎng)耦合關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010,35(10):1660-1664. Zhou Gang,Cheng Weimin,Wang Gang,et al.Experiment research of the coupling relationship between dust field and droplet field about fully mechanized and roof caving workface[J].Journal of China Coal Society,2010,35(10):1660-1664.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Effect of the Wind Speed and the Nozzle Angle on Single Particle of Mist

Liu Zhichao Li Bin Li Yanbo

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454003，China)

In order to study the effects of nozzle angle and wind on movement trajectories of single particle，the experimental platform which was made up of wind supple system，mist supple system and test system was designed.High speed digital camera was adopted to make experiments on different wind speeds and nozzle angles.Through measuring the movement of a single particle under different working conditions when fan is on，the single particle trajectory of mist was drawn by using MATLAB，and the relationship between a single particle trajectory and the wind speed the nozzle angle was obtained.The speed of single particle is improved when the wind increases，and the nozzle angle has little effect on the movement of single particle.

Single particle，Motion，Wind speed，Mounting angle

2015-05-02

河南理工大學(xué)熱能工程重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：509927)，河南理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目(編號(hào)：B2010-41)。

劉志超(1961—)，男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

X936

A

1001-1250(2015)-09-122-04