出口直径对内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响

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1、出口直径对内混式空气雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响王鹏飞;谭炬昊;刘荣华;王海桥;李泳俊;田畅【摘要】为了掌握喷嘴出口直径对气水喷雾降尘的影响，基于自行设计的气水喷雾 降尘实验平台，对不同出口直径的空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了 实测，并对实验结果作对比分析.研究结果表明:随着出口直径的增加，喷嘴耗水量几乎 保持线性增长而耗气量呈现指数增长的变化趋势;喷雾射程和雾滴体积分数均随着 出口直径的增大不断增大，而雾化角先增大后减小;出口直径为2.0 mm的喷嘴雾化 质量最好，所形成的雾滴索太尔平均直径D3,2最小，且雾滴粒径呈现正态分布，雾滴 尺寸较为集中;雾滴速度沿喷嘴轴线方向不断衰

2、减，且喷嘴直径越大雾滴速度衰减越 缓慢;随着喷嘴直径的增加，雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律;全尘和呼吸性粉 尘降尘效率随着喷嘴出口直径的增加均有所提高，但增幅较小;综合考虑喷嘴降尘性 能、耗水量和耗气量等因素，在采掘作业场所进行气水喷雾降尘时，选择出口直径为 2.0 3.0 mm的空气雾化喷嘴较为合适.【期刊名称】煤炭学报 【年(卷)，期】2018(043)010 【总页数】9页(P2823-2831) 【关键词】气水喷雾;出口直径;流量特性;雾化粒径;降尘效率 【作者】王鹏飞;谭炬昊;刘荣华;王海桥;李泳俊;田畅【作者单位】湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害治理安全生产实验室，湖南湘 潭

3、 411201;湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖 南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201;湖南科 技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201 ；湖南科技大学煤炭资源清洁利 用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与 安全工程学院，湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭 411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201;湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南湘潭411201【正文语种】中文【中图分类】TD714矿山生产的各个环节均会

4、不同程度地产生粉尘，悬浮在空气中的粉尘不仅危害工人 的身体健康，而且会对井下安全生产造成不利影响1-3。目前，喷雾降尘是矿山 最主要的防尘措施之一，喷雾降尘设施主要包括采掘机内外喷雾、爆破自动喷雾、 破碎转载点喷雾及风流净化水幕等4-6。在矿山现场实践中，采掘作业场所喷雾 降尘通常采用传统的压力型喷嘴，由于供水压力的限制，雾滴粒径较大，降尘效率 低于50%。而且，普通压力喷嘴水流量大，不仅影响矿石（煤）含水率，且污染采场 作业环境7-9。气水喷雾是以压缩空气作为辅助动力的一种新型喷雾方式，具有 耗水量小、雾化效果好、对水压要求低及降尘效率高（特别针对呼吸性粉尘）等优势。 目前，国内外卜学者对气

5、水喷雾降尘开展了部分理论和实验研究工作。国外卜学者 B.Raj MOHAN对洗涤塔内气水喷雾降尘效率开展了理论预测，并与实验结果进行 了对比分析，验证了预测模型的准确性10。国外卜学者Dariusz PROSTANSKI将 气水喷雾应用到矿山掘进机截割头喷雾降尘，工程现场实测表明气水喷雾能够大大 降低工作面粉尘含量，降尘效率较应用前提高约80%11。国内学者曹建明、郑 斌、吉晓莉等，对空气助力喷嘴流量和雾滴粒径开展了较为全面的研究，并讨论了 气液两相流压力等工况参数对空气雾化效果的影响12-15。笔者基于空气动力学、 多相流、气溶胶等相关理论，建立了气水喷雾降尘效率的理论计算数学模型，并采 用

6、模型实验考察了供水压力、供气压力等工况参数对气水喷雾特性及降尘效率的影 响16-17。近几年，国内部分矿山将气水喷雾应用于掘进工作面粉尘防治，相对 于常规压力喷雾，不仅耗水量大大减少，而且取得了良好的降尘效果18-20。以 上的研究成果均只考虑了工况参数（供气压力和供水压力）对喷嘴雾化效果和降尘性 能的影响，而有关喷嘴结构参数，尤其是针对空气帽出口直径的研究鲜见相关报道。 空气帽是空气雾化喷嘴关键部件之一，其出口直径对喷嘴流量、雾滴粒径、雾化角 及降尘性能均有显著影响。因此，笔者借助自行开发的气水喷雾降尘实验平台，分 析喷嘴出口直径对空气雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能的影响，研究成果将为 气

7、水喷雾在矿山采掘作业场所粉尘防治方面的应用提供理论指导和设计依据。1实验系统及方案1.1实验喷嘴选取根据喷嘴内部结构和气液混合方式，可将空气雾化喷嘴分为内混式和外混式两种类 型。内混式空气雾化喷嘴水和空气在喷嘴内部撞击并使水破碎成液滴，雾化效果较 为理想，矿山采掘作业气水喷雾降尘一般采用该类喷嘴。实验选用广东省东莞市鑫 悦净化科技公司生产的SUC型内混式空气雾化喷嘴，雾流形状为实心圆锥，主要 由进水端口、进气端口、液体帽、空气帽等组成，如图1所示。本次实验所采用 空气雾化喷嘴的气、水端口内径均为12.0 mm,喷嘴液体帽注水孔和注气孔直径 分别为1.5 mm和2.0 mm，注气孔数量为4个，空

8、气帽（喷嘴）出口直径为1.5 4.0 mm。图 1 实验所选用喷嘴 Fig.1 Nozzles used in experiment1.2实验系统如图2所示，气水喷雾降尘实验平台主要由模型巷道、供水系统、供气系统、发 尘装置及相关的测量仪器仪表等组成。本次实验所涉及的仪器仪表包括雾滴粒度分 析仪、三维粒子成像测速PIV系统、风速仪、空气质量流量计、电磁流量计、数 字压力表、直读式粉尘浓度测定仪及粉尘采样器等。巷道模型由入口段、整流段、 测量段、喷雾段、除尘风机及出口段等组成。为便于马尔文实时高速喷雾粒度分析 仪和三维粒子成像测速PIV系统的测量，巷道模型喷雾段由透明有机玻璃加工而 成，其他部分

9、均由不锈钢板材制作。图 2 气水喷雾降尘实验平台 Fig.2 Schematic of experimental platform for airwater spraying and dust removal1干粉气溶胶扩散器;2风速仪;3粉尘浓 度测定仪;4一粉尘采样器;5激光发射器;6一接收器;7马尔文粒度分析仪;8一 PIV系统;9一空气雾化喷嘴;10一闸阀;11一数字式压力表;12一电磁流量计;13高 压水泵;14储水箱;15一接市政自来水管;16一整流装置;17一空气压缩机;18减 压阀;19一空气质量流量计 1.3实验方案第1组实验为空气雾化喷嘴流量实验。通过在供气管路和供水管路分

10、别安装空气 质量流量计和电磁流量计，对6种（1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mm）不同出口 直径的空气雾化喷嘴流量变化规律进行测定。图3为实验中所采用的喷嘴流量测 量仪表。第2组实验为喷嘴雾化特性实验，所涉及的雾化特性参数包括雾化角、 雾滴体积分数、射程、喷雾流场、雾滴粒径等。采用高性能数码相机拍摄上述6 种出口直径喷嘴的喷雾流场，并借助Image-Pro Plus6.0后处理软件进行雾化角 和射程的计算。安设在喷雾段一侧的三维粒子成像测速PIV系统实现对喷雾流场 和雾滴速度的测定。实验所采用的PIV系统一次拍摄最大区域为60 cmx60 cm, 为保证拍摄质量本次实验取30

11、cmx30 cm,通过不断移动CCD相机和激光片源， 实现全喷雾流场的拍摄。采用马尔文实时喷雾粒度分析仪测定喷嘴雾滴粒径分布和 雾滴体积分数，如图4所示。选择喷口前方50 cm截面中心作为雾滴性能参数的 采集线，所测定的雾滴粒径参数均为该采集线上全部雾滴的平均值。图3喷嘴流量测量仪表Fig.3 Nozzle flow measurement图4巷道模型和雾滴粒径分析仪Fig.4 Tunnel model and droplet particle size analyzer第3组实验为空气雾化喷嘴降尘性能实验。根据文献17的研究结论，对于内混式 空气雾化喷嘴，当气液两相压力接近时，喷雾降尘效果最

12、佳。将供水压力和供气压 力均调节至0.5 MPa，对上述6种出口直径的空气雾化喷嘴的降尘性能进行了测 定。实验所选用的粉尘为过100目标准工业筛分选出的粒径d150 pm的煤粉， 采用AG410干粉气溶胶扩散器进行发尘，设置发尘量为15 g/min，输送气压为 0.2 MPa。在巷道模型喷雾段前、后测量段内分别布置CCF-1000直读式粉尘浓度 测试仪，对喷雾前、后含尘气流中的粉尘浓度进行测定，从而计算喷雾降尘效率。 在对喷雾前、后测量段内粉尘浓度进行测定时，对全尘和呼吸性粉尘浓度分别进行 了测定。通过对除尘风机进行变频调节，将实验巷道模型测量段内的风速稳定在 1.0 m/s。2实验结果及分析

13、2.1对喷嘴流量的影响图5为喷嘴耗水量与出口直径的关系曲线，图中d为喷嘴出口直径，QL为喷嘴耗 水量，pL为喷嘴供水压力，pair为喷嘴供气压力。从图5可以看出，对于液体帽 结构参数和工况参数固定的空气雾化喷嘴，喷嘴耗水量随着出口直径的增加几乎保 持线性增长，且变化斜率与供水压力成反比，与供气压力成正比。图5出口直径对喷嘴耗水量的影响Fig.5 Effect of outlet diameter on water consumption of nozzle图6为喷嘴耗气量与出口直径的关系曲线。从图6中能够发现，随着出口直径增 加，喷嘴耗气量呈现指数增长的变化趋势，且供气压力越大与供水压力越小时

14、曲线 越陡峭。喷嘴出口直径的增加，提高了空气帽混合室气液两相流的排泄能力，液体 帽注水孔和注气孔的出口压力降低，从而使得喷嘴耗水量和耗气量均随着出口直径 的增大而增大。从实验的过程中还发现，对于出口直径为1.5 mm的空气雾化喷 嘴，当气液两相压差较大时，由于出口直径过小，气液两相流无法顺畅排出，造成 空气帽内压力偏高，影响水或空气的正常注入，无法形成正常喷雾，甚至会出现水 流或气流的倒灌现象。图6出口直径对喷嘴耗气量的影响Fig.6 Effect outlet diameter on air consumption of nozzle2.2对喷嘴雾化特性的影响2.2.1宏观雾化参数将气液两相

15、压力均设置为0.5 MPa，考察出口直径对喷嘴宏观雾化特性参数(雾化 角、喷雾射程、雾滴体积分数)的影响，实验结果见表1。从表1中的不同出口直径的喷嘴宏观雾化特性参数可以发现，随着出口直径的不 断提高，喷雾射程和雾滴体积分数均不断增加。对于内混式空气雾化喷嘴，随着出 口直径的增加，喷嘴耗水量和耗气量均不断提高，导致喷雾射程和雾滴体积分数不 断增大。表1出口直径对喷嘴宏观雾化特性参数的影响Table 1 Effect outlet diameter on macroscopic atomization characteristics parameters d/mma/()s/mCV/10 -61

16、.524.053.6166.92.029.953.8181.22.536.184.0281.83.027.674.5296.43.524.7 65.4307.44.020.736.2317.3注:a为雾化角;s为喷雾射程;CV为雾滴体积分数。从表1中还可以看出，随着出口直径的增加，雾化角呈现先增大后减小的变化规 律，如图7所示。当喷嘴出口直径增大时，喷嘴流量不断增加，提高了喷嘴空气 帽内部气液两相流的旋流强度，有利于增大喷嘴出口气液两相射流径向速度和雾化 角;同时，随着出口直径增加，空气帽混合室气液两相流的排泄能力提高，缩短了 气液两相流的旋流混合时间，影响旋流强度。喷嘴直径较小时(d3.0

17、mm)，喷嘴 排泄能量有限，气液两相有充足的混合时间，此时喷嘴流量对旋流强度的影响占据 主导地位，导致雾化角随出口直径增大而不断增大;当喷嘴直径达到3.0 mm后， 气液两相旋流混合时间不断缩短，喷嘴出口旋流强度受到影响，从而导致雾化角不 增大反而减小21-22。图 7 不同出口直径喷嘴雾化角 Fig.7 Spray angles of nozzles with different outlet diameter图 8 出口直径对 D3,2的影响 Fig.8 Effect of outlet diameter on D3,22.2.2雾化粒径图8为雾滴索太尔平均直径D3,2随喷嘴出口直径变化曲

18、线。从图8可以看出， 供水压力和供气压力固定时，出口直径为1.5 mm的喷嘴所形成的雾滴粒径明显 偏大。从空气雾化喷嘴流量实验结果可知，当出口直径为1.5 mm时，喷嘴气液 质量流量比明显偏低，意味着气体能够提供给单位质量的液滴克服表面张力和黏性力的能量偏低，使 得液滴难以破碎成细小雾滴，造成雾滴粒径偏大。另一方面，由于喷嘴出口直径过 小，液滴颗粒的再次凝聚剧烈，从而增大出口雾滴粒径，影响雾化效果。对出口直径为2.0-4.0 mm的5种空气雾化喷嘴进行分析发现，在相同的供水压 力和供气压力下，出口直径为2.0 mm的喷嘴雾化质量最好，所形成的雾滴索太 尔平均直径D3,2最小。图8显示，当出口直

19、径在2.0 3.0 mm变化时，雾滴粒 径随着出口直径的增大而增大，且供水压力越低变化越明显。出口直径的增大，提 高空气帽的排泄能力，气液两相在空气帽内破碎撞击时间缩短，雾化不完善，造成 雾滴粒径随出口直径增大而不断增大。从图8还可以看出，当出口直径增加至3.0 mm后，继续增加出口直径，雾滴粒径有所下降，但变化不明显，这主要是由于 大直径的喷嘴出口雾滴孔口凝聚效应减弱的原因。图9为供气压力和供水压力均 为0.5 MPa时，不同出口直径喷嘴雾滴粒径分布图。从图9的雾滴粒径分布图的 形态特征可以看出，当出口直径为2.0 mm和2.5 mm时，雾滴粒径接近正态分 布，其雾滴尺寸较为集中;随着出口直

20、径增加，喷嘴所形成的雾滴粒径分布逐渐偏 离正态分布，雾滴尺寸不断发散。图9不同出口直径下的雾滴粒径分布Fig.9 Particle size distribution of droplet under different outlet diameter2.2.3雾滴速度将供水压力和供气压力均设置为0.5 MPa，通过改变空气帽出口直径，考察喷嘴 出口直径对雾滴速度的影响，结果如图10 12所示。图10为不同出口直径喷嘴 下游主流区域（喷嘴下游50 80 cm）雾滴速度矢量图23。从图10中的速度矢量 图可看出，喷嘴下游雾滴速度沿喷嘴轴线方向均呈现不断衰减的变化趋势。从图 10中还可以发现，当喷

21、嘴出口直径小于3.0 mm时，随着喷嘴出口直径的增加， 雾滴最大速度不断增大，由喷嘴出口直径为1.5 mm时的30 m/s增加至3.0 mm 时的38 m/s;当喷嘴直径达到3.5 mm以后，雾滴速度随着出口直径的增加而下降， 如雾滴最大速度由3.0 mm时的38 m/s回落至4.0 mm时的30 m/s。图 10 不同出口直径下的雾流场 Fig.10 Spray flow field under different outlet diameter图11不同出口直径下的雾滴速度衰减曲线Fig.11 Attenuation curves of droplets velocity under di

22、fferent outlet diameter图12不同出口直径下的雾滴速度（喷嘴前方50 cm处）Fig.12 Droplets velocity under different outlet diameter （at 50 cm in front of the nozzle）图11为4种不同出口直径喷嘴雾滴速度沿轴线变化曲线，图中vx为雾滴轴线速 度。图11表现出与图10中相同的变化规律，即雾滴速度沿轴线方向不断衰减， 且随着喷嘴直径增加，雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律。对比图11中4条 曲线还可以发现，随着喷嘴出口直径的增加，雾滴速度沿轴线衰减越趋于缓慢，即 曲线变化斜率越小。对其它

23、工况参数条件下的喷嘴出口直径的影响进行考察，也均 表现出类似的变化规律，即随着喷嘴出口直径的增加雾滴速度先增加，当喷嘴直径 达到3.0 mm后，继续增大喷嘴出口直径，雾滴速度不增加反而下降，如图12所 示。液体在喷嘴内部及出口附近完成雾化形成雾滴，雾滴以较高的初速度沿喷嘴轴线运 动，由于受空气阻力作用，雾滴速度沿喷嘴轴线不断衰减。同时，随着喷嘴出口直 径的增加，喷嘴耗水量及雾滴体积分数均不断增加，单个雾滴颗粒所受空气阻力降 低，导致雾滴速度衰减随着喷嘴出口直径的增加而变缓。从喷嘴流量特性实验可知， 由于喷嘴内部与出口阻力的降低，喷嘴耗水量和耗气量均随着喷嘴出口直径的增加 而增加，意味着气液两相

24、流获得更高的出口动能，导致雾滴速度首先随着出口直径 的增加而增加;但当喷嘴出口直径达到一定值后，出口面积对雾滴速度的影响占据 主导地位，继续增加出口直径，雾滴速度不增加反而有所下降。2.3对降尘性能的影响矿山采掘作业场所压缩空气压力一般维持在0.40.6 MPa，将气液两相压力均设 置为0.5 MPa,对不同出口直径喷嘴进行降尘效果测试，考察降尘效率与出口直 径之间的关系，实验结果见表2。从表2可以发现，实验所采用的发尘器产尘量基 本稳定，喷雾前巷道内粉尘质量浓度接近。同时，由于粉尘规格相同，呼吸性粉尘 所占全尘比例也基本保持一致（约占全尘的20%）。从表2还可以看出，喷雾后测 量段内粉尘质量

25、浓度较喷雾前均有明显下降，证明气水喷雾具有一定的降尘效果。 为了便于对比分析，将实验所测得的全尘和呼吸性粉尘降尘效率绘制成柱状图，如 图13所示。表2不同出口直径的空气雾化喷嘴测量段内粉尘浓度与喷雾降尘效率Table 2Dust concentration in measurement section and dust removal efficiency under different outlet diameter出口直径d/mm全尘质量浓度/(mg-m-3)喷雾前喷雾后全尘效率/%呼尘质量浓度 /(mg-m -3)喷雾前喷雾后呼尘效率/%1.5361.14177.0750.9778.23

26、42.3445.882.0372.07159.5457.1275.3826.696 4.592.5347.56141.3959.3274.2926.5964.213.0359.85138.2961.5771.2323.96 66.373.5384.12142.3662.9481.7425.9468.264.0365.27129.7164.4979.9123.4 670.64图 13 不同出口直径下的降尘效率 Fig.13 Dust suppression efficiency under different outlet diameter图13为不同出口直径喷嘴降尘效率柱状图。从图13可以看出

27、，随着喷嘴出口直 径的增大，全尘和呼吸性粉尘降尘效率均有所提高。对比图13中的6种出口直径 喷嘴所对应的全尘和呼吸性粉尘降尘效率可以发现，喷嘴出口直径为1.5 mm时 的全尘和呼吸性粉尘效率均为最低，特别呼吸性粉尘降尘效率相比于其它出口直径 明显偏低。由空气雾化喷嘴流量和喷雾流场实验结果可知，喷嘴出口直径为1.5 mm时，由于喷雾出口过小，液滴颗粒孔口凝聚效应导致雾滴粒径偏大，且该出 口直径下的喷嘴耗水量和雾滴速度均最小，所以导致该出口直径下的全尘和呼吸性 粉尘效率均为最低。当出口直径在2.04.0 mm变化时，雾滴粒径和速度在一定 范围内呈现先增大后减小的变化规律，而喷嘴耗水量则保持线性增长

28、。虽然雾滴粒 径和速度在出口直径为2.03.0 mm区间有所增大，但由于二者变化幅度均较小， 耗水量对降尘效果的影响占据主导地位，导致全尘和呼吸性粉尘降尘效率均不断增 大。从上述降尘实验结果还能够发现，虽然降尘效率随喷嘴出口直径的增加而有所提高，但增幅较小。喷嘴出口直径由2.0 mm增加至4.0 mm，全尘和呼吸性粉尘降尘效 率仅分别提高7.32%和6.05%，但喷嘴耗水量和耗气量则分别增加至原来的2.16 倍和11.39倍。由以上分析可见，为获得较好的降尘效果，喷嘴出口直径不能过 小。同时，为降低喷雾用水和压缩空气，喷嘴出口直径不宜太大。综合考虑喷嘴降 尘性能、耗水量和耗气量等因素，在采掘作

29、业场所进行气水喷雾降尘时，选择出口 直径为2.0 3.0 mm的空气雾化喷嘴较为合适。3结论(1) 喷嘴耗水量随着喷嘴出口直径的增加几乎保持线性增长，且增幅与供水压力成 反比，与供气压力成正比;随着出口直径增加，喷嘴耗气量呈现指数增长的变化趋 势，且供气压力越大与供水压力越小时曲线越陡峭。(2) 随着喷嘴出口直径的不断提高，喷雾射程和雾滴体积分数均不断增加，雾化角 呈现先增大后减小的变化规律。(3) 出口直径为2.0 mm的喷嘴雾化质量最好，所形成的雾滴索太尔平均直径 D3,2最小，且雾滴粒径呈现正态分布，雾滴尺寸较为集中。(4) 雾滴速度沿喷嘴轴线方向不断衰减，且喷嘴直径越大衰减越趋于缓慢。

30、随着喷 嘴直径的增加，雾滴速度呈现先增大后减小的变化规律。(5) 随着喷嘴出口直径的增加，气水喷雾降尘效率有所提高，但增幅较小。综合考 虑喷嘴降尘性能、耗水量和耗气量等因素，在采掘作业场所进行气水喷雾降尘时， 选择出口直径为2.0 3.0 mm的空气雾化喷嘴较为合适。参考文献【相关文献】1时训先，蒋仲安,周姝嫣，等.综采工作面粉尘分布规律的实验研究J.煤炭学报,2008,33(10):1117- 1121.SHI Xunxian,JIANG Zhongan,ZHOU Shuyan,et al.Experimental study on dust d istribution regularity

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