抑塵車(chē)霧炮管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

周紅偉 張鵬 李斌 趙資源

河南森源重工有限公司 河南許昌 461500

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染的范圍和程度也在逐漸擴(kuò)大。霧霾天氣也日益嚴(yán)重，人民群眾對(duì)藍(lán)天碧水的渴望也更加迫切，目前國(guó)家在環(huán)保上面的財(cái)政支出也是每年遞增。為應(yīng)對(duì)城市拆遷及采礦區(qū)引起的粉塵，近些年出現(xiàn)了大量的多功能抑塵車(chē)。其主要是利用車(chē)輛自帶的高壓水泵將常態(tài)的水，通過(guò)噴霧噴嘴，霧化成50～150 μm的水霧顆粒[1]，再利用大功率軸流風(fēng)機(jī)將水霧顆粒噴灑至粉塵表層或空中，利用水霧對(duì)揚(yáng)塵進(jìn)行撲捉、聚合、粘結(jié)、然后迅速沉降，最后起到降塵、抑塵的目的。該車(chē)大量用于城市街道、廣場(chǎng)、建筑工地、堆煤場(chǎng)等各種污染地和揚(yáng)塵場(chǎng)所。

本文主要分析介紹噴霧管路系統(tǒng)，通過(guò)理論分析及試驗(yàn)對(duì)比，從水泵選型、管路設(shè)計(jì)、噴環(huán)設(shè)計(jì)、噴嘴參數(shù)確定及噴霧流量控制等方面進(jìn)行分析計(jì)算，優(yōu)化噴霧系統(tǒng)管路及連接方式，從而減少壓力損失，提高霧炮噴霧抑塵效果。

2 噴霧管路系統(tǒng)原理

抑塵車(chē)的噴霧管路系統(tǒng)一般由水泵、噴環(huán)、噴嘴等組成，原理如圖1所示。罐體內(nèi)的水流經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入水泵，通過(guò)水泵產(chǎn)生高壓水流，高壓水流通過(guò)膠管與噴環(huán)連接，噴環(huán)上安裝有數(shù)十個(gè)噴霧噴嘴，高壓水流經(jīng)過(guò)噴嘴霧化后形成極其細(xì)小的液滴，液滴與由軸流風(fēng)機(jī)形成的高壓氣流場(chǎng)混合，形成高速的水霧氣流，水霧顆粒大小為微米級(jí)別，可以有效地吸附空氣中的粉塵顆粒，最終在自身重力作用下下沉，能夠快速有效地降低大氣中的粉塵污染。根據(jù)風(fēng)機(jī)功率和水泵壓力的大小，其最大有效射程可達(dá)120 m，有效覆蓋范圍達(dá)4萬(wàn)m2以上[2]。

圖1 噴霧管路系統(tǒng)原理圖

3 噴霧管路設(shè)計(jì)

根據(jù)噴霧管路系統(tǒng)原理，噴霧管路的設(shè)計(jì)可以劃分為水泵選型、管路設(shè)計(jì)、噴環(huán)設(shè)計(jì)及噴嘴參數(shù)確定3個(gè)步驟。

3.1 水泵選型

高壓水泵是實(shí)現(xiàn)噴霧抑塵的關(guān)鍵核心設(shè)備，其對(duì)抑塵效果起決定性作用，因此水泵的選型至關(guān)重要。抑塵車(chē)噴嘴霧化的原理是利用噴環(huán)安裝離心式噴嘴，在高壓水流的驅(qū)動(dòng)下，高壓水射流在噴嘴的旋流室內(nèi)將液體轉(zhuǎn)化為旋流，再經(jīng)細(xì)小的噴嘴口射出，使液體在出口處獲得一個(gè)相對(duì)于空氣的較大速度，并擴(kuò)散霧化，借助霧炮內(nèi)置的風(fēng)機(jī)形成的高速氣流，將霧化水風(fēng)送至空中。根據(jù)離心式噴嘴的特性，即隨著進(jìn)口壓力增大，霧化顆粒粒徑會(huì)逐漸減小[3]。

目前市場(chǎng)上抑塵車(chē)霧炮管路用水泵比較繁雜，有低壓離心泵、單級(jí)旋渦泵、高壓柱塞泵等，工作流量范圍為200～400 L/min，工作壓力范圍為1～6 MPa，水泵的流量由噴環(huán)安裝的噴嘴型號(hào)及數(shù)量決定，一般來(lái)講，可利用以下公式對(duì)水泵選型進(jìn)行計(jì)算：

a.水泵額定流量q的確定

式中，q為霧化噴嘴實(shí)際流量，L/min；n為霧化噴嘴數(shù)量；k為霧化噴嘴流量特性系數(shù)；p為噴嘴工作壓力，MPa，在1.0～8 MPa內(nèi)選取。

b.為滿(mǎn)足噴霧使用要求，所選水泵的額定流量Q的確定

式中，k為修正系數(shù)，取1.1。

1

c.水泵額定壓力的確定

式中，h為管段的水頭損失，m；d為管徑，m；q為管段中水的流量，m3/s；l為管段的長(zhǎng)度，m。

d.總水頭損失為各管段水頭損失之和∑h，水泵的額定壓力p的確定

式中，k2為系數(shù)，取1.1～1.2；ρ為水的密度，kg/m3。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，本噴霧系統(tǒng)選取某進(jìn)口高壓柱塞水泵，工作壓力為6 MPa，流量為240 L/min。

多功能抑塵車(chē)剛推出時(shí)，廠(chǎng)家多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋渦泵配置，在后來(lái)的使用過(guò)程中，由于旋渦泵出水壓力小，旋渦泵制約霧炮射程，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及理論計(jì)算，目前高射程的霧炮均采用柱塞泵作為水泵配置。

3.2 管路設(shè)計(jì)

從高壓水泵輸出的高壓水流必須通過(guò)一定長(zhǎng)度的管路才能達(dá)到噴環(huán)，輸送管路中存在壓力損失，所以在管路設(shè)計(jì)初期，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮管路長(zhǎng)度、變徑、彎頭數(shù)量等。管路的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，彎頭數(shù)量越多、以及管徑由大到小的變化，均是引起出水口的壓力損失的因素。高壓水在管路中的壓力損失△P可按以下公式計(jì)算：

式中，△ P為壓力損失，N/㎡；λ為管路內(nèi)壁摩擦系數(shù)；L為管路長(zhǎng)度，m；d為管路內(nèi)徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；vm為管路內(nèi)水流平均速度，m/s。

由上式可知，壓力損失與膠管內(nèi)徑成反比，與長(zhǎng)度、水流速度的平方成正比，因此，在噴霧管路的設(shè)計(jì)中，盡量增加連接管內(nèi)徑，優(yōu)化管路走向，減小管路長(zhǎng)度，目前抑塵車(chē)管路受結(jié)構(gòu)制約，長(zhǎng)度已固定，根據(jù)實(shí)車(chē)情況，采用內(nèi)徑38 mm連接管，影響影響壓力損失最大的因素則是水流速度，采用柱塞泵能夠從根本上增加水流速度的問(wèn)題。

3.3 噴環(huán)設(shè)計(jì)

通過(guò)研究抑塵車(chē)作業(yè)方式，得出抑塵車(chē)主要通過(guò)風(fēng)筒出口的噴環(huán)上安裝的數(shù)個(gè)噴嘴為載體，通過(guò)噴嘴霧化的水霧進(jìn)行抑塵作業(yè)，作業(yè)過(guò)程中消耗流量基本恒定。由圖2所示，噴環(huán)上安裝的噴嘴總量為100個(gè)，每個(gè)噴嘴與風(fēng)筒端面成一定的夾角，根據(jù)理論分析及實(shí)際試驗(yàn)，夾角45°～55°時(shí)效果最優(yōu)。

4 試驗(yàn)分析

衡量抑塵車(chē)霧炮管路設(shè)計(jì)效果如何，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，某抑塵車(chē)霧炮管路優(yōu)化前后狀態(tài)如圖3、4所示。霧炮噴環(huán)及噴環(huán)連接管路通徑增加，避免內(nèi)徑突然變化，同時(shí)更換為高壓柱塞水泵。抑塵車(chē)工作狀態(tài)下，通過(guò)控制噴環(huán)的開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)單噴環(huán)噴霧作業(yè)和雙噴環(huán)作業(yè)兩種模式，當(dāng)單噴環(huán)作業(yè)模式下，噴嘴消耗流量減少，此時(shí)水泵壓力為5.4 MPa，水滴霧化顆粒達(dá)到微米級(jí)，噴霧距離最遠(yuǎn)，可以節(jié)約用水，單開(kāi)適合空氣質(zhì)量稍差的天氣使用；當(dāng)雙噴環(huán)都開(kāi)啟的情況下，可以調(diào)整水泵出水口的調(diào)壓卸荷閥，水泵壓力為3.5 MPa，此時(shí)噴嘴霧化顆粒比較大，風(fēng)送距離稍微減小，仍然能夠滿(mǎn)足前期設(shè)計(jì)的120 m要求，雙開(kāi)適合空氣質(zhì)量污

圖2 噴環(huán)示意圖

圖3 優(yōu)化前霧炮管路

圖4 優(yōu)化后霧炮管路

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)抑塵車(chē)霧炮管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，以及試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

a.霧炮管路設(shè)計(jì)中，水泵選型、管路設(shè)計(jì)、噴環(huán)設(shè)計(jì)這三大部分是關(guān)鍵，對(duì)抑塵效果起決定作用。

b.流量恒定情況下，在1～6 MPa內(nèi)，噴嘴霧化效果和壓力成正比，噴嘴在高壓下會(huì)生成更細(xì)的噴霧顆粒度。

c.可以根據(jù)空氣污染程度，選擇采用雙開(kāi)噴環(huán)或單開(kāi)噴環(huán)進(jìn)行作業(yè)，可以有效節(jié)約用水。該方案操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，效果良好，具有較高的推廣價(jià)值。