旋渦離心混合式噴嘴霧化特性實驗研究*

王 健，劉榮華, 2，王鵬飛, 2，譚煊昊，石佚捷，田 暢

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旋渦離心混合式噴嘴霧化特性實驗研究*

王 健1，劉榮華1, 2，王鵬飛1, 2，譚煊昊1，石佚捷1，田 暢1

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭市 411201)

為提高旋渦離心混合式噴嘴工況場所降塵效果，基于現有的噴霧降塵模擬實驗系統，采用實驗手段系統研究了該噴嘴霧化場中的霧滴粒徑的空間分布以及霧化參數的各影響因素。研究表明：在噴嘴軸線方向，因距噴嘴距離的增加，霧滴粒徑不斷增大；在距噴嘴一定距離縱斷面方向上，霧滴粒徑由外向內逐漸減小，但減小幅度較緩慢；由于供水壓力的增加，噴嘴流量逐漸加大，霧滴粒徑不斷減小。在相同的供水壓力下，噴嘴流量因噴嘴直徑的增加不斷增大；噴霧場中的霧滴粒徑隨著噴嘴直徑的增加也逐漸增大，且增幅較大。在相同供水量條件下，由于噴嘴直徑的增加，噴霧壓力逐漸減小，霧滴粒徑逐漸增大。

混合式噴嘴；霧化參數；霧滴粒徑；噴嘴直徑；供水壓力

0 引 言

進入20世紀以來，隨著科技的發展和大型機械化設備應用的不斷提高，礦山安全問題日趨突出。尤其工礦場所的粉塵濃度劇增，作業環境惡化，對其安全生產和工作人員的身體健康產生極大的危害[1?3]。塵肺病目前是工業及煤礦危害最大的一種職業病，由塵肺病引起的傷殘和死亡人數，在國內外都十分驚人。塵肺病案列數量逐年增加，據我國某機構統計，每年塵肺病的死亡人數為工傷事故死亡人數的數倍。由于壓力噴嘴具有結構簡單、經濟、方便和實用等多項優勢，因而在工業和煤礦井下得到廣泛應用[4?8]。

然而，從噴嘴的實際應用情況來看，井下應用效果并不是太好。噴霧降塵效率與多種參數密切相關，主要有霧滴粒徑、霧滴速度、供水壓力、霧化錐角、供水流量及射程等[9?12]。其中霧滴粒徑是影響噴霧降塵效率的關鍵性因素。噴霧降塵是一個復雜的氣體—顆粒兩相流過程[13?15]。張道福在擾動風流1.2 m/s下測定了6種噴嘴在8 MPa固定供水壓力下的霧化特性和粒徑分布，得出最佳噴嘴類型和相關特征系數[16]。目前，對霧化過程進行的研究仍大多采用實驗手段進行，但也有一些采用理論和數值模擬的方法詳細分析了霧化粒徑的影響因素。因此，為系統分析影響霧滴粒徑參數變化的情況，選用煤礦井下常用的旋渦離心混合式噴嘴進行了較詳細的實驗研究。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗系統

本系統主要由巷道模型、BPZ75/12型高壓水泵、馬爾文實時高速噴霧粒度分析儀、水箱、L型畢托管、TSI19565-P型風速儀以及相關閥門、管道等組成(如圖1所示)。

1.2 實驗方案

實驗選用的噴嘴為煤礦井下常用的旋渦離心混合式噴嘴，霧流場形狀為實心圓錐。第1組實驗為霧滴粒徑空間分布的實驗，在供水壓力為6 MPa下，選用直徑為1.2 mm的噴嘴進行霧滴粒徑測定。根據實際應用情況，在噴嘴水平方向選取3個位置，分別距離噴嘴50，100，150 cm，分別用空間坐標(50，0)、 (100，0)、(150，0)表示；在距噴嘴水平100 cm的縱斷面上分別取4個位置，分別距噴嘴水平線0，5，10，15 cm，空間坐標表示為(100，0)，(100，5)，(100，10)，(100，15)。

第2組實驗為供水壓力影響實驗，對選用噴嘴直徑為1.5 mm，在8種供水壓力(1，2，3，4，5，6，7，8 MPa)下的霧滴粒徑進行測定。

第3組實驗為噴嘴直徑影響實驗，在供水壓力6 MPa下，對不同直徑噴嘴(0.8，1.0，1.2，1.5，1.8，2.0 mm)的霧滴粒徑進行測定。同時，也對相同供水量(5.6 L/min)下不同直徑噴嘴的供水壓力及霧滴粒徑進行了研究。

1—AG410干粉氣溶膠擴散器；2—畢托管；3，18—TSI9565風速儀；4，19—CCF-7000直讀式粉塵濃度測定儀；5，20—CCZ-20型粉塵采樣器；6—激光發射器；7—接收器；8—馬爾文粒度分析儀；9—高速攝像儀；10—霧化噴嘴；11—閘閥；12—數字式壓力表；13—智能電磁流量計；14—BPZ75/12型高壓水泵；15—儲水箱

2 實驗結果及分析

2.1 霧化粒徑空間分布

表1為直徑1.2 mm的噴嘴在供水壓力6 MPa時，測得各空間位置噴霧場中的霧滴粒徑數據。為直觀的分析霧滴粒徑空間分布情況，將表1中的實驗數據進行整理，繪制出霧滴粒徑沿水平和縱向的分布圖(見圖2和圖3)。

由表1和圖2、圖3可發現，在描述霧滴的所有特征參數中，D90最大，D10最小。為方便分析霧滴粒徑的變化情況，選擇特征粒徑D50作為衡量霧滴粒徑大小的指標。由圖2可以得出，沿噴嘴水平方向，隨著距離的遞增，描述霧滴粒徑的5種參數(D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3])都表現出增大趨勢，如激光粒度儀對(50，0)、(100，0)、(150，0)不同位置進行粒徑測定，D50由89.95 μm增加到95.68 μm和112.40 μm，分別增加了5.73 μm和16.72 μm，增幅明顯，且增幅逐漸變大。

表1 不同位置的霧滴粒徑參數

注：分布跨度是對顆粒密度的一種度量，其值越小，顆粒越集中。

圖3為霧化粒徑沿縱向分布曲線。從圖3可以發現，隨著距噴嘴水平線的距離增加，霧化粒徑不斷增大，如D50由(100，0)處的95.68 μm逐漸增大至99.87，103.40，108.80 μm，僅分別增加5 μm左右，增幅緩慢。從表1還可以看出，隨著距噴嘴軸向和徑向距離的增加分布跨度逐漸增大，說明霧場中大顆粒數相對較多。分析其原因：高壓水經過噴嘴內部充分擾動以及在噴嘴出口處高速噴出與空氣的擠壓作用破碎成霧滴，在沿噴嘴軸向方向霧滴濃度較高，粒徑較小。由于霧滴之間以及霧滴與空氣的相互作用力造成卷吸效應，讓不斷運動的霧滴之間相互凝聚，從而造成霧滴粒徑在軸向方向不斷增加；霧滴本身由于重力作用向下墜落，與其他霧滴碰撞凝聚，在徑向方向霧滴粒徑也不斷變大。

圖2 霧化粒徑沿水平方向分布曲線

圖3 霧化粒徑沿縱向分布曲線

2.2 供水壓力的影響

表2為不同供水壓力下的霧滴粒徑參數。從表2可以看出，隨著供水壓力的增加，噴嘴流量不斷遞增，并基本符合以下理論關系式：

式中，為噴嘴流量，L/min；為供水壓力，MPa；為實驗系數。對實驗數據進行綜合分析，得出該噴嘴的實驗系數=3.69。

從表2可以發現，描述霧滴粒徑大小的所有參數(D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3])都隨著供水壓力的增加而減小。再結合表2，當供水壓力為1 MPa時，D50為143.6 μm，當壓力由2 MPa增大至5 MPa時，對應的D50分別減小至125.2，120.7，119.1 μm和121.8 μm，但減小幅度并不明顯；當供水壓力由6 MPa提升至8 MPa時，D50分別減小至110.5，105.99，101.23 μm，分別減小4.51，4.76 μm，減小幅度較為平穩。

由表2還可以看出，分布跨度隨著供水壓力的增大而呈現減小的趨勢，但當壓力增加至4 MPa時，顆粒分布密度反而呈現增大趨勢。如當壓力從1 MPa逐漸增大至4 MPa時，分布跨度從1.762減小至1.2，繼續增大供水壓力時，顆粒粒徑的分布跨度反而呈現增大的趨勢。說明繼續增大壓力，雖然霧滴粒徑減小，但是表征霧滴粒徑參數中相對尺寸大的顆粒數量較多。分析其原因：隨著供水壓力增大，具有較高壓力勢能的高壓水在噴嘴內部受到的擾動就越激烈，碰撞強度也就越大，在出口處壓力勢能轉換為動能，與空氣的擠壓作用也逐漸遞增，形成的霧滴粒徑也就越小。影響噴霧降塵效率的因素很多，但單位時間噴嘴流量及霧滴粒徑是其重要因素，并因噴嘴流量的增加及霧滴粒徑的減小而增大。因此，建議實際應用時設置噴嘴供水壓力為6 MPa較為合適。

2.3 噴嘴直徑的影響

表3為不同直徑噴嘴在供水壓力6 MPa下的霧滴粒徑參數。從表3可以得出，在相同供水壓力下，因噴嘴直徑的遞增，噴嘴流量不斷變大。如直徑從0.8 mm增加到2.0 mm時，噴嘴流量從3.53 L/min增大到13.69 L/min，增幅明顯。由此可見，隨著噴嘴直徑的增大，噴嘴流量逐漸變大，單位時間的霧化水量不斷增大，對捕獲粉塵有利。

表2 相同直徑噴嘴在各壓力下的霧滴粒徑參數

表3 不同直徑噴嘴在相同壓力下的霧滴粒徑參數

圖4為不同直徑噴嘴在供水壓力6 MPa下的的霧滴粒徑累計分布。再結合表3的數據可看出，在相同供水壓力下，噴霧形成的霧滴粒徑隨著噴嘴直徑的增加而逐漸變大。如D50由噴嘴直徑0.8 mm的81.36 μm，增加到2.0 mm時的156.82 μm，增加了75.46 μm，霧滴粒徑增加顯著。由表3還可以發現，在噴嘴直徑從1.8 mm增加到2.0 mm時，表征粒徑大小的各參數都有急劇增大的現象。由于粉塵的捕集和沉降有益于改善工作環境質量，而其又與噴霧場中霧滴粒徑的大小至關重要，霧滴粒徑越小，呼吸性粉塵越容易沉降。因此，在使用時選用噴嘴直徑不大于1.2 mm較為 有效。

圖5為噴嘴流量5.6 L/min，6種直徑噴嘴供水壓力的變化。從圖5可以發現在相同供水量條件下，供水壓力因噴嘴直徑的變大而不斷減小。如直徑由0.8 mm增大到1.5 mm時，供水壓力由15.4 MPa遞減到2.3 MPa，減小了13.1 MPa，減小幅度約85%。

圖6為各直徑噴嘴的霧滴粒徑參數。從圖6可以看出，在相同供水量下，因噴嘴直徑的增大，霧滴粒徑不斷增大。在噴嘴直徑從0.8 mm逐漸增加到1.8 mm時，表征霧滴粒徑的參數增長都比較緩慢，但從1.8 mm增加到2.0 mm時，表征霧滴粒徑的各參數都有一個突然增大的現象。如D50由噴嘴直徑0.8 mm時的81.36 μm，增加到1.8 mm和2.0 mm的107.05 μm和156.82 μm，分別增加了25.69 μm和75.46 μm，增幅趨勢明顯。由此可見，在相同供水量下，供水壓力隨著噴嘴直徑的增加而急劇減小，且霧滴粒徑隨著噴嘴直徑的增加而增加，幅度逐漸變大。由此可知，在工礦場所降塵過程中，為提高降塵效率，應該選擇直徑較小的噴嘴，但噴嘴直徑過小，容易被水中的雜質造成堵塞。綜合上述分析，在實際應用降塵時，選用噴嘴直徑為1.2 mm較為合理。

(a) 噴嘴直徑0.8 mm；(b) 噴嘴直徑1.0 mm；(c) 噴嘴直徑1.2 mm；(d) 噴嘴直徑1.5 mm；(e) 噴嘴直徑1.8 mm；(f) 噴嘴直徑2.0 mm

圖5 各直徑噴嘴的供水壓力

圖6 霧化粒徑與噴嘴直徑的關系

3 結 論

(1)在噴嘴水平線方向，因距離的增加，霧滴粒徑逐漸增大，且增幅也逐漸增大。在水平線任一縱斷面上，霧滴粒徑由外向內逐漸減小，但減小幅度較 緩慢。

(2) 隨著供水壓力的遞增，霧滴粒徑與噴嘴流量呈相反變化趨勢，不僅令霧滴粒徑逐漸減小，同時不斷增加噴嘴流量，越容易沉降粉塵。且在壓力3 MPa增加到5 MPa時，霧滴粒徑減小幅度不明顯；繼續增大壓力到6 MPa時，減小幅度反而增大，但較為平穩。

(3) 在相同的供水壓力下，霧滴粒徑和噴嘴流量都隨著噴嘴直徑的增加而不斷增大，為提高噴嘴降塵效果，噴嘴直徑應較小。在實際應用中噴嘴的直徑宜選用1.2 mm。

(4) 在相同供水量下，供水壓力因噴嘴直徑的增加快速下降，并且霧滴粒徑也由于噴嘴直徑的增加而緩慢增加，不利于粉塵的捕獲和沉降。

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國家自然科學基金面上項目(51574123)；湖南省自然科學基金青年基金項目(2017JJ3076).

(2018?08?12

王 健(1994—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為礦井通風和粉塵防治，Email：746992774@qq. com。