煤矿降尘泡沫喷头的设计与优化

任万兴,郭 庆,王德明,左兵召

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008)

煤矿降尘泡沫喷头的设计与优化

任万兴1,2,郭 庆1,王德明1,2,左兵召1

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116;2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏徐州 221008)

为了得到适用于煤矿降尘的泡沫喷头最优结构参数,在阐述泡沫喷头设计原理的基础上,定义了泡沫的压缩系数,导出了泡沫体积与压力之间的函数关系式。由关系式可知,泡沫的体积在输送管道的出口处会发生膨胀,在管道出口的两侧对称设置豁口,泡沫将会沿着豁口方向发生对称膨胀而呈扇形扩散。根据此原理,设计了泡沫喷头的内部结构,理论上计算出了泡沫喷头的关键结构参数。在实验室构建了实验系统,对泡沫喷头的结构参数进行了一系列的优化实验,最终确定了最佳尺寸,并对加工出来的喷头进行了模拟喷洒实验与实际应用。结果表明该喷头具有流量大、喷射距离远、分散均匀、扩散范围广的特点,且其喷出的泡沫能够有效地覆盖产尘点,降尘效率高,能够满足煤矿井下采掘工作面降尘的需要。

降尘;泡沫;喷头;粉尘

Key words:dust control;foam;nozzle;dust

粉尘是煤矿生产中的主要灾害之一,不仅会导致矿工身患尘肺病,而且会发生爆炸,导致重大事故的发生,给矿工、企业和国家带来了巨大的灾难和损失[1-2]。为了防治粉尘,国内外广泛采用煤层注水、喷雾降尘、除尘器除尘、通风除尘、化学抑尘等技术[3-6],这些技术对粉尘的治理虽然起到了一定的作用,但这些技术降尘效率不高,井下粉尘灾害依然严重。因此,中国矿业大学粉尘防治课题组研发了泡沫降尘新技术,并在国内30多家煤矿进行了推广与应用。喷头是泡沫降尘技术中重要的组成部分,其结构直接影响到最终的降尘效果。

喷头在农业生产、喷雾除尘等领域已经获得广泛的应用。目前普遍应用的有机械式喷头、Y型喷头、旋转式喷头、螺旋式喷头和组合式喷头等[7-10]。这些喷头都是通过挤压或者撞击使液体分散,他们仅仅适用于单相流体,对于两相或多相流体则容易破坏其稳定性。泡沫属于热力学不稳定的两相流体系,在其流动过程中不能受过度的挤压和撞击,否则会造成泡沫破裂或雾化,因此必须针对泡沫流体的特点,研制专用的泡沫喷头。

1 基本原理

泡沫在管道输送的过程中,由于受到管壁及泡沫之间的挤压作用,其体积会比自由空间内的体积小,即泡沫从管内流入自由空间时体积会发生膨胀。为了研究方便,假定泡沫为球体,对泡沫从管内流入自由空间时的体积变化进行分析。

定义泡沫在单位压力增量下引起的体积变化率为泡沫的压缩系数,它与弹性模量互为倒数[11]。其表达式[11]为

将上式变形,并积分得

式中,Vi为泡沫的初始体积,m3;V为泡沫变形后体积,m3;pi为泡沫承受的压力,Pa;p0为大气压力,Pa。

根据实验测试和推导,可以计算出ω=4.62× 10-6Pa,因此泡沫所承受压力变化后的体积计算公式为

由该式可以得出,管道出口处泡沫体积的变化取决于大气压力p0与管内压力pi的大小。当p0＞pi时,泡沫收缩,体积变小;当p0=pi,泡沫体积不变;当p0＜pi时,泡沫体积膨胀。降尘泡沫在输送管道内部的压力pi大于管道外界压力p0,所以泡沫在管道的出口处将会发生体积膨胀,如果沿着管道出口两侧的对称方向上设置豁口,则泡沫将会先沿着管道两侧的豁口方向膨胀,因此将会呈扇形向对称的方向扩散。

2 喷头的内部结构

根据上述基本原理,经过反复实验,确定喷头的内表面为半椭球面,出口为V型槽,V型槽的两条边带有圆弧,并关于喷头轴线对称,而且和内部半椭球面相贯,形成带有内凸圆弧状狭长的喷口。

图1是泡沫喷头的结构示意,其中(a)为垂直于V型槽的轴剖面,(b)为喷头出口的俯视图,(c)为喷头的扩散角。喷头结构包含6个参数:喷头入口断面直径D,V型槽角度的一半θ,扩散角度α,V型槽中间宽度d1,V型槽两端宽度d2,V型槽切深h。其中确定了θ,d1,d2和h四个参数就决定了喷头的结构。

图1 泡沫喷头结构Fig.1 The structure of the foam nozzle

3 关键参数的理论计算

V型槽的角度直接影响泡沫的扩散角度及泡沫扩散面的厚度,从而影响捕获粉尘的效率。该参数只能通过实验找出扩散角α和半V型槽角度θ之间的关系,然后再根据实验进行优化。

根据大量实验数据及参考文献[12],拟合出下述经验公式:

根据喷头出口处B点(此点的参数与标准大气压条件下参数相等)和喷头内A点的伯努利方程(图1),再结合式(3),可以导出喷头出口处泡沫流速的表达式:

另外,喷头过流断面面积As由喷头两侧的V型槽面积SV和喷头出口正断面面积Sd两部分组成,由几何关系可以导出

同时,过流断面面积As又可表示为

4 关键参数的优化实验

由于喷头关键结构参数d1,d2和h是通过式(4)～(7)理论计算而得,当给定气源压力,理论上只有一组结构参数与喷头流量Q0和扩散角α相对应,当改变气源压力时,不同的气源压力对应着不同组的结构参数,但是同一气源压力下,理论上各结构参数是惟一的,且相互之间独立。为了更好地满足实际需要,取θ=18.5°不变,在d1,d2和h理论计算结果的上下范围内,分别选取5组数据,制作不同的喷头,并在实验室构建泡沫喷洒实验系统,以喷头流量和扩散角的目标设计值为评定指标,测试各参数不同取值条件下,喷头流量和压力分别与气源压力的变化曲线,从而对喷头各结构参数进行优化。

4.1 实验装置与系统

实验装置主要包括自制的ϕ2 000 mm×1 000mm储水罐、G105-2螺杆泵,VW-4/8型无油润滑水冷活塞式空气压缩机,涡街气体流量计、电磁流量计、发泡器、调节阀门和试验管路若干,实验系统的原理如图2所示。实验时,调节气体管路上的调节阀,并保持空压机流量稳定,在不同压力下测试不同尺寸喷头的流量和扩散角度。

图2 实验系统原理Fig.2 The sketch map of the experimental system

4.2 实验数据与分析

4.2.1 切深h对扩散角和流量的影响

在d1,d2为固定值不变的条件下(d1=4 mm,d2= 8 mm),切深h分别取10,11,12,13,14 mm,分别在不同的气源压力条件下进行试验。泡沫流量与扩散角随切深的变化关系如图3所示。从图3中可以看出,当切深h为10 mm时,喷头扩散角度随压力的变化在90°附近平缓波动,且喷头流量随着压力的增大变化比较平缓,气源压力为0.6 MPa时,喷头流量Q0=10.8 m3/h,扩散角α=86°,与设计目标值比较接近。

4.2.2 开口宽度d2对扩散角和流量的影响

在d1,h为固定值不变的条件下(d1=4 mm,h= 10 mm),d2分别为7,8,9,10,11 mm,分别在不同的气源压力条件下进行实验,泡沫流量与扩散角随开口宽度d2的变化关系如图4所示。从图4中可以看出,当开口宽度d2为9 mm时,喷头扩散角度随压力的变化在90°附近平缓波动,且喷头流量随着压力的增大变化比较平缓,气源压力为0.6 MPa时,喷头流量Q0=10.5 m3/h,扩散角α=90°,与设计目标值比较接近。

4.2.3 开口宽度d1对扩散角和流量的影响

在d2,h为固定值不变的条件下(d2=9 mm,h= 10 mm),d1分别为2,3,4,5,6 mm,分别在不同的气源压力条件下进行试验,泡沫流量与扩散角随开口宽度d1的变化关系如图5所示。可以看出,当开口宽度d1为5 mm,喷头扩散角度随压力的变化在90°附近平缓波动,且喷头流量随着压力的增大变化比较平缓,气源压力为0.6 MPa时,喷头流量Q0=10.9 m3/ h,扩散角α=93°,与设计目标值比较接近。

图3 h变化时喷头流量与和扩散角与压力的关系Fig.3 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when h changes

图4 d2变化时喷头流量与扩散角与压力的关系Fig.4 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when d2changes

图5 d1变化时喷头流量与扩散角与压力的关系Fig.5 The relationship of flow,diffusion angle with pressure when d1changes

4.3 实验结果

根据实验数据与分析,最终确定扇形泡沫喷头尺寸如下:入口直径D为25 mm;d1为5 mm,d2为9 mm,h为10 mm。图6是实际加工出来的泡沫喷头,图7是利用上述实验系统气源压力为0.6 MPa时泡沫喷头的喷射效果,此时喷头流量Q0=10.9m3/h,扩散角α=93°。

图6 实际加工出来的泡沫喷头Fig.6 The foam nozzle

采用此结构喷头在煤矿井下综掘工作面进行应用,在直径为1.5 m的综掘机切割滚筒后面,圆弧状布置6个喷头,正常运行时,供气压力0.5 MPa,测得喷头流量Q0=9.8 m3/h,扩散角α=92°,与喷头结构的设计目标值比较接近。此时在工作面回风侧5 m处测试降尘效率,测得对呼吸性粉尘的降尘效率达到了75.9%,对全尘的降尘效率达到了87.6%,分别是喷雾降尘的2.8倍和2.5倍,测试结果表明该结构的喷头具有很好的扩散与覆盖性能,能满足井下降尘的需要。

图7 泡沫喷头的喷射效果Fig.7 The spraying effect of the nozzle

5 结 论

(1)提出了泡沫喷头的设计原理。定义了泡沫的压缩系数,推导出了泡沫体积与压力之间的关系式,由关系式可知管道出口处泡沫体积的变化取决于管道外大气压力与管内压力的大小,当管外大气压力大于管内压力时,泡沫体积收缩;当管外大气压力等于管内压力时,泡沫体积不变;当管外大气压力小于管内压力时,泡沫体积膨胀。降尘泡沫在输送管道内部的压力大于管道外界压力,因此泡沫在管道的出口处将会沿着管道两侧设置的豁口方向发生体积膨胀,从而呈扇形向对称的方向扩散。

(2)根据泡沫喷头的设计原理,确定了喷头的内部结构。其结构是出口为带有内凸圆弧V型槽状狭长的喷口,内表面为半椭球面,并关于喷口轴线对称。推导出了扩散角、出口流速及过流面积等喷头参数的计算公式,计算出了关键结构参数的具体尺寸。

(3)在实验室构建了实验系统,研究了V型槽的切深、开口宽度分别对喷头流量与扩散角的影响规律,确定了喷头的最佳结构参数,并对加工出来了的喷头进行了模拟喷洒实验与实际应用,结果表明该结构的喷头流量与扩散角均达到了设计的目标值,且应用过程中降尘效率高,能够满足煤矿井下采掘工作面降尘的需要。

(4)研制出来的泡沫喷头具有流量大,喷射距离远,分散均匀,扩散范围广的特点,能有效覆盖产尘点。

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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

0253-9993(2014)06-1102-05

任万兴,郭 庆,王德明,等.煤矿降尘泡沫喷头的设计与优化[J].煤炭学报,2014,39(6):1102-1106.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1340

Ren Wanxing,Guo Qing,Wang Deming,etal.The design and optimization of foam nozzle for dust control underground coalmine[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1102-1106.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1340

2013-09-14 责任编辑:毕永华

国家自然科学基金资助项目(51104153);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011QNB11)

任万兴(1980—),男,河南封丘人,副教授。E-mail:rwxcom@163.com