煤矿井下高压喷雾雾化特性研究

Posted 2023-01-13 特性

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　　近年来，随着开采强度的不断加大和机械化程度的不断提高，煤矿井下采掘工作面的粉尘浓度剧增，作业环境恶化，严重威胁着矿井的安全生产和工人的身体健康。喷雾降尘具有经济､简便和实用等优点，在煤矿井下得到广泛应用。从煤矿的实际应用情况，喷雾降尘效率并不理想，特别是对呼吸性粉尘，其降尘效率达不到40%[1-5]。喷雾降尘效果与雾化特性参数密切相关，主要包括雾滴粒径､雾滴速度､雾化锥角及射程等，其中雾滴粒径是影响喷雾降尘效果的关键因素[6-10]。水的雾化是一个复杂的气､液两相流过程，对雾化特性的研究主要依赖于气体动力学､两相流动力学和数值计算等相关理论[11，12]。目前，除了部分采用理论和数值模拟方法对雾化过程进行研究外，大多采用实验手段对其开展研究[13-20]。因此，笔者选用煤矿井下最常用的螺旋型压力喷嘴，采用自行设计的喷雾降尘实验系统，对雾滴粒径的空间分布以及雾化特性的影响因素进行了全面的研究，研究结果将为煤矿井下喷雾降尘的应用提供理论指导。

　　1 实验系统及方案

　　1.1 实验系统

　　设计了可仿真煤矿井下采掘工作面通风､喷雾等工况的喷雾降尘系统，如图1所示。该系统主要由巷道模型､马尔文实时高速喷雾粒度分析仪､高速摄像仪､BPZ75/12型高压水泵､水箱､毕托管､TSI9565-P风速仪以及相关的阀门､管道等组成。巷道模型由入口段､整流段､测量段､喷雾段､轴流风机及出口段等组成。为便于实验观测和喷雾粒径测量，巷道模型喷雾段采用板厚为1cm的有机玻璃制作，其他部分均由钢板加工制作而成。巷道模型总长度约20m，断面尺寸为0.6m×0.6m，各分段长度见图1。

　　实验系统的轴流风机采用无级变频进行启动和调节，在巷道模型内形成稳定风流，模拟工作面通风。高压泵将水箱内的水加压到一定压力后输送至巷道模型喷雾段内部的喷嘴形成喷雾场，由安设在喷雾段两侧的喷雾粒度分析仪的激光发射器和接收器测量分析喷雾场的粒径分布情况，如图2所示。采用高速摄像仪对雾化锥角和雾流射程进行测量，并将所拍摄照片导入Image-ProPlus6.0后处理软件进行雾化锥角计算。采用毕托管和风速仪，通过动压法测量巷道模型内风流速度。

　　1.2 实验方案

　　实验所选用的喷嘴为煤矿井下最常用的螺旋型压力喷嘴，雾流形状为实心圆锥。第1组实验为雾滴粒径的空间分布实验，选择孔径为1.5mm的喷嘴，对喷雾压力为8MPa下的雾化粒径进行测定。通过移动激光粒度分析仪改变激光测试线与喷嘴的水平和垂直距离，测定雾场不同位置的雾滴粒径分布情况。本组实验根据喷嘴现场应用的位置情况，在喷嘴轴线方向选取5个位置，即离喷嘴50､75､100､125､150cm，并分别用空间坐标表示为(50，0)､(75，0)､(100，0)､(125，0)､(150，0);在离喷嘴100cm的断面上沿轴线垂直方面选择4个位置，即距离轴线0､5､10､15cm，空间坐标表示为(100，0)､(100，5)､(100，15)､(100，20)。各测点空间位置布置如图3所示。第2组实验为喷雾压力的影响实验，对5种(2､4､6､8､10MPa)供水压力下的雾化锥角､雾流射程以及雾化粒度进行测定，实验所选喷嘴同第1组实验。第3组实验为喷嘴直径的影响实验，采用马尔文实时高速喷雾粒度分析仪和高速摄像仪，对5种不同直径的喷嘴(1.0､1.2､1.5､1.8和2.0mm)在喷雾压力为8MPa下的雾化锥角､雾流射程以及雾化粒度进行测定。同时，也对不同直径喷嘴在相同耗水量(5.6L/min)下的喷雾压力及其雾化特性参数进行了测定。。

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