噴嘴組合的實(shí)驗(yàn)研究

潘宇

摘要：為研究噴嘴組合形式對霧滴粒徑的影響，針對不同噴霧壓力、噴嘴不同軸向截面，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究的手段對噴嘴組合形式下不同位置的霧滴粒徑進(jìn)行測定，并與數(shù)學(xué)模型最佳降塵粒徑相比較，優(yōu)選出最佳噴霧壓力。結(jié)果表明：隨著噴霧壓力的增大，霧滴粒徑呈減小趨勢，噴霧壓力為2.5MPa時，霧滴粒徑最接近噴霧降塵模型理論數(shù)值;隨著軸向距離的增大，霧滴粒徑出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最小粒徑點(diǎn)出現(xiàn)在距離噴嘴1000mm位置，噴嘴組合實(shí)驗(yàn)研究對噴霧降塵方案的確定有重要的指導(dǎo)意義。

Abstract： In order to study the influence of the nozzle combination form on the droplet size， according to different spray pressures and different axial sections of the nozzle， the experimental research methods were used to determine the droplet size at different positions under the nozzle combination form， and compared with the optimal dustfall particle. In comparison， the optimum spray pressure is preferred. The results show that as the spray pressure increases， the droplet size decreases. When the spray pressure is 2.5MPa， the droplet size is closest to the theoretical value of the spray dust model; as the axial distance increases， the droplet size The particle size tends to decrease first and then increase， and the minimum particle size point appears at a distance of 1000mm from the nozzle. The experimental study of nozzle combination has important guiding significance for the determination of spray dust reduction scheme.

關(guān)鍵詞：噴嘴組合;粒徑;實(shí)驗(yàn)研究

Key words： nozzle combination;particle size;experimental study

中圖分類號：[TD444] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0137-03

0 ?引言

近年來，我國工業(yè)發(fā)展迅速，人民生活水平得到提高，煤碳作為我國基礎(chǔ)性能源，依然在社會生產(chǎn)中扮演重要的角色，有關(guān)學(xué)者預(yù)測在未來30年，這一現(xiàn)象將不會改變。為了能滿足人民對煤炭的需求，眾多研究人員與學(xué)者在煤炭開采效率上而為之努力。煤炭開采量的增加，機(jī)械功率也隨之增大，從而使得工作面的環(huán)境日益惡劣，粉塵的治理也給井下安全帶來嚴(yán)重的隱患。當(dāng)粉塵濃度過高時，不僅對礦工的身體造成傷害，還伴隨著會有爆炸的危險，加速井下設(shè)備的損壞[1]，能見度也會大大降低，因此，粉塵的治理成為礦井下安全的重中之重。為了解決這一問題，提高粉塵的沉降效率，本文提出一種噴嘴組合降塵方式，對治理井下作業(yè)環(huán)境具有重要的意義。近年來，噴嘴組合多用于消防、石油鉆井和農(nóng)業(yè)灌溉等重要領(lǐng)域，但在礦山機(jī)械中卻無人問津，在石油開采過程中，李兆敏[2]用實(shí)驗(yàn)的方法測試了流線型組合噴嘴的射流速度場，對組合噴嘴速度場的軸向速度和徑向分速度加以分析，并得出流場混合段速度存在的內(nèi)在規(guī)律。徐義[3]發(fā)現(xiàn)超高壓射流破巖鉆進(jìn)的弊端，采用不同噴嘴組合的方式對噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，鉆井速度大幅度提高，隨之，鉆井成本也得到進(jìn)一步的降低，并針對不同噴嘴的組合方式，用數(shù)值模擬的方法對井下流場進(jìn)行分析。劉志超[4]提出噴嘴布置方式對瓦斯在管道內(nèi)運(yùn)輸過程中的壓力降產(chǎn)生不同的影響，并得到進(jìn)一步的驗(yàn)證，在計(jì)算機(jī)模擬仿真過程中，得到噴嘴布置方式與壓降的關(guān)系，噴嘴組合布置與低濃度瓦斯運(yùn)輸有著重要的關(guān)系。因此，本文將采用實(shí)驗(yàn)研究的手段對雙噴嘴組合形式進(jìn)行研究，深入探究噴嘴組合形式在不同壓力變化時霧流場不同等軸向間距霧粒粒徑大小、分布范圍，對井下環(huán)境治理奠定良好的基礎(chǔ)。

1 ?理論分析

1.1 降塵機(jī)理

井下除塵形成了以水為主的降塵方式，這一現(xiàn)象將不會改變。噴霧降塵是礦井中使用最廣泛的一種降塵方式，這種方法是將微細(xì)水滴噴向產(chǎn)塵的空間，使之與隨風(fēng)擴(kuò)散的塵粒碰撞，達(dá)到捕集降塵的目的。常規(guī)的噴霧降塵捕塵機(jī)理分為以下四種：慣性碰撞捕塵機(jī)理，擴(kuò)散捕塵機(jī)理，碰撞與截留綜合效應(yīng)分析等[5]。

較大顆粒的塵?？拷F滴時，因其重量較大不受水滴附近空氣流線的影響，依靠慣性力與粉塵相互凝結(jié)，最后受重力作用慢慢沉降，這就是慣性碰撞。擴(kuò)散捕集就是塵粒在接近水滴時，在氣流的作用下跟隨氣流運(yùn)動，在慣性作用下偏離原流線，當(dāng)兩者距離小于各自半徑之和時就會因接觸而被捕集。當(dāng)塵粒粒徑較小時，在布朗運(yùn)動下被捕集叫擴(kuò)散捕集。霧滴與塵粒由于摩擦等帶有不同的電荷而相互吸引、凝結(jié)而沉降，成為惰性凝結(jié)。

1.2 噴霧降塵數(shù)學(xué)模型

2 ?實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

組合噴嘴霧化流場試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，本試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三部分，分別是介質(zhì)輸送裝置、組合噴霧裝置和測量裝置，噴嘴選用口徑為1mm工業(yè)實(shí)心錐不銹鋼霧化噴嘴。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

由噴嘴組合噴霧機(jī)理分析可知，噴霧疊加區(qū)為噴嘴組合的重點(diǎn)，因此，影響噴霧疊加區(qū)霧化效果的主要因素為噴霧壓力、噴嘴軸向距離，實(shí)驗(yàn)方案也圍繞以上兩個主要因素展開。

噴嘴水平噴射，噴嘴組合個數(shù)為2個，查閱掘進(jìn)機(jī)外噴霧相關(guān)資料，兩噴嘴之間的距離約為100mm，所以實(shí)驗(yàn)過程中噴嘴間距選取100mm;根據(jù)掘進(jìn)工作面實(shí)際工況，噴霧壓力為1～3MPa，從1MPa開始，每隔0.5MPa為一個實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)，因此壓力共選5組;為測量不同壓力、噴嘴組合形式霧化疊加區(qū)噴嘴軸線方向上的粒度變化，噴嘴軸線截面距離在400～1200mm內(nèi)變化，從400mm開始，每隔200mm設(shè)置一個截面，因?yàn)殪F化疊加區(qū)較為規(guī)則，取疊加區(qū)中心軸線方向使用噴霧激光粒度儀進(jìn)行采樣，測點(diǎn)布置，噴嘴噴射水平方向?yàn)閤軸正方向;垂直于噴嘴安裝面板的豎直平面向外法線方向?yàn)閥軸正方向，豎直向上方向?yàn)閦軸正方向，激光粒度儀光斑與噴嘴中心在同一水平面上。該實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5個測點(diǎn)，分別為A（400，0，0）、B（600，0，0）、C（800，0，0）、D（1000，0，0）、E（1200，0，0）。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)研究對雙噴嘴組合形式霧化粒徑進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1所示。

為便于觀察，對表1的測量結(jié)果繪制成折線圖。

2.3.1 噴霧壓力與霧滴粒徑的關(guān)系

噴霧壓力是影響噴霧質(zhì)量的重要指標(biāo)，為探究噴霧壓力與霧化流場中霧粒之間潛在的規(guī)律，對激光粒度分析儀測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析同種型號的噴嘴，雙噴嘴組合形式，不同噴霧壓力下霧滴粒度的變化規(guī)律。為更直觀的反映霧滴粒徑的變化情況，本小結(jié)用霧滴索特平均直徑代表該工況下的霧流場，將測點(diǎn)A、B、C、D、E五點(diǎn)的索特平均粒徑繪制成折線圖，如圖4所示。

圖4表達(dá)的是雙噴嘴組合形式不同噴霧壓力下各測點(diǎn)粒度的變化，由圖可以看出，雙噴嘴組合形式下，隨著壓力的增大，各測點(diǎn)霧滴索特平均直徑呈減小趨勢，兩者呈反比。由單噴嘴霧化過程可知，噴霧壓力對初級霧化中有重要作用，壓力越高可以使霧滴在離開噴嘴時得到更大的初速度和更小的初始粒徑。由圖4可以看出，在雙噴嘴組合的疊加區(qū)中，壓力越高時，霧滴索特平均直徑徑越小，但粒徑的變小一方面是單噴嘴在高壓力時產(chǎn)生更大的初速的和更小的霧粒，另一方面是疊加區(qū)霧滴的相互碰撞，又產(chǎn)生了更小的霧滴，結(jié)合單噴嘴霧化特性可知，其后者產(chǎn)生更小霧粒的原因占主要成分，所以，雙噴嘴組合形式下，霧化疊加區(qū)隨著壓力的升高，霧滴碰撞會產(chǎn)生更小粒徑的霧滴。

2.3.2 軸向距離與霧滴索特平均直徑的關(guān)系

雙噴嘴組合形式下不同測點(diǎn)位置與疊加區(qū)索特平均直徑折線圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，噴霧壓力為1MPa時，隨著軸向距離的增加，霧化疊加區(qū)霧滴平均直徑呈減小趨勢，在測點(diǎn)D處達(dá)到最小，最小霧粒平均直徑為74.004μm，在測點(diǎn)D之后，霧滴平均直徑又出現(xiàn)增大的趨勢。噴霧壓力為1.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa時，霧滴平均直徑變化規(guī)律與1MPa類似，均在測點(diǎn)D位置處霧滴平均直徑達(dá)到最小。與單噴嘴2MPa時霧化特性相比，霧滴平均直徑的最大值（A測點(diǎn)）減小，其差值為39.912μm;這說明雙噴嘴疊加區(qū)能夠產(chǎn)生更小粒徑的霧滴，兩個噴嘴噴出的霧滴相互碰撞，發(fā)生了再次霧化，分裂成許多更小的液滴。雙噴嘴組合形式不同壓力下霧化粒徑的最小點(diǎn)均在測點(diǎn)D處，而單噴嘴霧化粒徑的最小點(diǎn)則在測點(diǎn)C處，由此可以得出，雙噴嘴組合形式霧化作用點(diǎn)后移，說明噴嘴霧化疊加區(qū)噴嘴霧滴相互碰撞后霧粒動能并未減少，反而增加;D點(diǎn)之后霧滴粒徑又出現(xiàn)增大的趨勢，其原因有兩方面，一方面霧滴的動能在測點(diǎn)D附近開始銳減，小霧滴會凝結(jié)成較大的霧滴，從而使霧滴的粒度開始變大，也存在霧滴在相互碰撞的過程中，霧粒密度變大，激光粒度儀將相連的兩個或多個霧滴看作一個霧滴來計(jì)算輸出的情況。

液滴粒徑過小會迅速蒸發(fā)，粒徑過大降塵效率很低，分析噴嘴組合實(shí)驗(yàn)研究可得，雙噴嘴組合形式壓力在2.5MPa時，霧滴粒徑范圍30.493μm～132.667μm與理論分析中的30μm～132μm最為相近。

3 ?結(jié)論

①通過對噴霧壓力與霧滴粒徑的實(shí)驗(yàn)研究可知，雙噴嘴組合形式噴霧壓力與霧滴索特平均直徑均成反比關(guān)系，隨著壓力的增大，霧滴粒徑逐漸減小。②通過對噴嘴軸向距離與霧滴索特平均直徑的實(shí)驗(yàn)研究可知，隨著軸向距離距離的增大，霧滴索特平均直徑呈先減小后增大的趨勢，雙噴嘴組合形式霧滴粒徑最小點(diǎn)出現(xiàn)在1000mm處，五噴嘴組合形式粒徑最小值點(diǎn)出現(xiàn)在800mm處。③噴嘴組合形式對霧滴粒徑有積極的作用，液滴間相互碰撞可產(chǎn)生較小粒徑的液滴，噴霧壓力在2.5MPa時，能產(chǎn)生與降塵效果最佳的粒徑范圍。

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