噴嘴螺旋傾角對霧化性能影響的試驗研究

苗懂艷，高貴軍

（1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原030024；2.山西省礦山流體控制工程實驗室，山西 太原030024）

近年來由于綜采綜掘技術的快速崛起，煤礦井下煤塵引起的環境污染以及社會危害相當嚴重。因此，眾多學者不惜余力研究降低粉塵濃度的技術，發現噴霧是降低煤礦煤塵濃度的最有效，最具效益的措施之一[1-2]，這種方法是利用噴嘴噴射的微小液滴捕獲空氣中的煤塵。對此科研人員做了很多關于噴嘴的工作[3-6]。為此以壓力螺旋噴嘴進行研究，對不同螺旋傾角的噴嘴在不同系統噴射壓力下的霧滴射程、噴嘴霧化角、噴嘴流量、霧粒粒徑分布、霧粒軸向運動速度等進行了整體的試驗研究，以期為提高降塵設備的系統化、智能化、節能化的轉型升級以及提高煤礦噴霧降塵效率的研究帶來啟發[7-9]。

1 試驗裝置及測量方法

1.1 試驗噴嘴

噴嘴結構圖如圖1。噴嘴芯螺旋葉片與水平線之間所形成的夾角α 即為螺旋傾角。噴嘴由噴嘴體、噴嘴芯和壓緊螺帽組成，此結構可防止噴嘴發生堵塞，且容易拆分清理，繼續使用和便于維護，適應井下惡劣的工作環境，噴嘴設計成可分離型[10]，噴嘴芯在噴嘴腔內是間隙配合，噴嘴芯容易取出，在噴嘴發生堵塞時清理比較方便，從而增加噴嘴的使用壽命。

圖1 噴嘴結構圖Fig.1 Nozzle structure diagram

1.2 試驗系統

通過試驗以理解螺旋噴嘴的霧化特性。在太原理工大學礦山流體控制實驗室建立了專用的噴霧特性分析測試系統。用液體水進行噴射試驗，通過加壓、調壓設備將水箱中的自來水加壓至預設壓力，然后從螺旋噴嘴中噴出。在該研究中，OMEC DP-2粒度分析儀用于測量霧場的粒度。試驗在1.2 mm的噴嘴孔和1～3 MPa 壓力下進行, 采用HX-6 高速攝像機記錄和研究噴霧角度。試驗系統如圖2。

圖2 噴嘴霧化性能試驗系統Fig.2 Nozzle atomization performance test system

1.3 測量方法

噴霧在有機玻璃箱內進行，以避免外部空間對試驗的影響。液壓表用于監控噴霧壓力并將其保持在預設值，高速攝像機用于捕捉霧粒子的運動速度和霧化角度，流量計于測量螺旋噴嘴的噴射流量，同時，通過改變噴嘴的相對位置，通過DP-2 粒度分析儀在不同位置測量霧粒尺寸的分布。為了分析和記錄，在噴霧區域建立了坐標系。橫軸L 和縱軸H分別位于噴嘴的軸向和徑向，單位為cm。激光器位置距噴嘴的軸向180 cm，距噴嘴徑向40 cm。

利用DP-2 激光粒度分析儀的激光線測量粒度分布。但仍然難以精確測量液滴的速度、尺寸分布、聚集以及破碎事件。液滴的尺寸通常由D10、D50、D90、D[3,2]、D[4,3]表示。體積中值直徑D50用作液滴的平均粒徑，并且是指體積中總液滴的50%表現出比該特征直徑小的直徑[11]。這里采用索特（Sauter）平均直徑D32（以SMD 表示）[12]。

2 結果討論

2.1 不同噴射壓力下射程與螺旋傾角之間的關系

不同噴射壓力下射程與螺旋傾角之間的關系如圖3。從圖3 中可知，在同一噴射壓力下，隨著噴嘴螺旋傾角的增加，液體的噴射距離變小，當系統壓力達到3 MPa 時，3 種螺旋噴嘴中30°螺旋噴嘴的噴射距離最遠，達到4.7 m 左右。圖3 還表明，液體壓力在1～3 MPa 內隨著噴射壓力的升高，3 種螺旋噴嘴的噴射距離呈近似線性逐漸增加，上升趨勢比較明顯，即壓力增加，液體的沖擊動能增加，噴射距離變遠。

圖3 射程與螺旋傾角之間的關系Fig.3 Relationship between jet distance and spiral inclination

2.2 霧化角度與螺旋傾角之間的關系

霧化角度和螺旋傾角之間的關系如圖4。圖4表明，在同一系統噴射壓力下，隨著噴嘴螺旋傾角的增大，霧化角隨之減小，在系統壓力為2 MPa 情況下，50°螺旋噴嘴的霧化角為 71.3°，40°螺旋噴嘴的霧化角為75.3°，30°螺旋噴嘴的霧化角為77.3°。同時可以看出，對于3 種不同螺旋傾角的噴嘴，當噴霧壓力從1 MPa 增加到2 MPa 時霧化角快速減小，當噴霧壓力在2～3 MPa 內，霧化角緩慢減小。這是因為在系統壓力較小時，噴射流中摻雜的空氣對霧場影響較大，隨著壓力的變大，這種影響逐漸變小,該結論與肖彬[13]等試驗研究結果相同。

圖4 霧化角與螺旋傾角的關系Fig.4 Relationship between atomization angle and spiral inclination

2.3 噴嘴流量與螺旋傾角的關系

噴嘴流量隨噴嘴螺旋傾角的變化曲線如圖5。圖5 顯示，在系統噴射壓力一定時，3 種不同螺旋傾角的噴嘴，隨著噴嘴螺旋傾角的變小，噴嘴流量隨之減小，且在系統噴射壓力2 MPa 時，螺旋傾角對噴嘴流量的影響最小，其減小幅度僅為0.004 L/s,其原因是螺旋傾角越小，射流震蕩頻率較低且液體流線較長，噴射阻力大，不利于液體噴射。圖5 還表明，3 種不同螺旋傾角的噴嘴流量都隨著噴霧壓力的增大而增大。

圖5 噴嘴流量與螺旋傾角的關系Fig.5 The relationship between nozzle flow and spiral inclination

2.4 粒子SMD在不同螺旋傾角噴嘴下的軸向分布

霧粒SMD 在不同螺旋傾角噴嘴下的軸向分布如圖6。可以看出，在相同的軸向位置，隨著噴霧壓力的增加，3 種螺旋噴嘴的霧粒SMD 整體呈下降的趨勢，在3 個不同位置處，當液體壓力在1～2 MPa內，對于30°、40°螺旋噴嘴，霧滴顆粒SMD 急劇下降，當液體壓力在2～3 MPa 內，霧滴顆粒SMD 下降趨勢逐漸變緩，對于50°螺旋噴嘴，變化趨勢正好相反，且在距噴嘴口25 cm 處，30°螺旋噴嘴在系統壓力為 3 MPa 時，霧粒 SMD 最小，最小為 30.04 μm。圖6 同時也表明，在距離噴嘴15～25 cm 的位置，對于3 種不同傾角的螺旋噴嘴，在相同的液體噴射壓力下，隨著距噴嘴噴射口軸向距離的增加，霧粒SMD 快速減小，這是因為隨著距離的增大，在單位體積內氣體逐漸增多而霧化霧粒逐漸減少，此時在霧滴二次霧化的同時也相應的減少了霧化液滴相互之間碰撞集合的可能性，此時液滴聚合效應小于破碎效應，因此霧化液體霧粒SMD 迅速減小。

圖6 霧粒SMD 在不同螺旋傾角噴嘴下的軸向分布Fig.6 Axial distribution of fog particle SMD under different spiral angle nozzles

由圖6 還可以看出，在不同的軸向位置，隨著系統噴霧壓力的增加，3 種螺旋噴嘴的霧粒SMD 整體呈下降的趨勢，同時發現，在相同的系統噴射壓力下，霧粒SMD 隨著噴嘴螺旋傾角的增加而增大，當系統壓力為2 MPa 時，在距噴射口15 cm 處，螺旋傾角對霧粒 SMD 的影響最大，30°～50°螺旋噴嘴的霧粒SMD 變化幅度最大為45 μm，這是因為隨著螺旋傾角的減小，高壓力的液體在經過小的螺旋傾角噴嘴芯后被加速進入螺旋室，1 個旋轉空腔在螺旋室的中心位置處形成，液體射流以相對于周圍氣體以較高的速度從噴嘴噴射而出，高速射流在空氣的微弱擾動下，其振動幅度已經達到未受干擾液體射流直徑的一半，同時受到氣液之間強烈的剪切作用使得噴射液體霧化成微小霧滴。

2.5 霧粒軸向速度與噴嘴螺旋傾角的關系

霧粒軸向速度隨噴嘴螺旋傾角的變化曲線如圖7。從圖7 中可以看出，在相同的噴射壓力下，噴嘴螺旋傾角越大，霧粒運動速度越小，同時在系統噴射壓力為3 MPa 時，霧粒軸向速度受螺旋傾角的影響最大，其速度變化幅度為10.3 m/s。且在噴嘴螺旋傾角相同時，隨系統噴射壓力的增加霧粒軸向運動速度也增大。

圖7 霧粒速度與噴嘴螺旋傾角的關系Fig.7 Relationship between fog particle velocity and nozzle spiral inclination

3 結 語

1）在同一噴射壓力下，液體的噴射距離、噴嘴出口霧化角和霧粒的軸向速度都隨著噴嘴螺旋傾角的增大而減小，當系統壓力在3 MPa 時，3 種螺旋噴嘴中30°螺旋噴嘴的噴射距離最遠，達到4.7 m 左右，且霧粒軸向速度受螺旋傾角的影響最大，其速度變化幅度為10.3 m/s。

2）在同一噴射壓力下，隨著噴嘴螺旋傾角的增大，噴嘴流量和霧粒SMD 也隨之增大，且在距噴嘴口25 cm 處，30°螺旋噴嘴在系統壓力為3 MPa 時，霧粒SMD 最小，最小為30.04 μm。當系統壓力為2 MPa 時，在距噴射口15 cm 處，螺旋傾角對霧粒SMD 的影響最大，30°～50°螺旋噴嘴的霧粒 SMD 變化幅度最大為45 μm。