氣水噴嘴霧化特性實驗研究*

汲銀鳳，陳舉師，張　波，高康寧

(北京科技大學 教育部金屬礦山高效開采與安全重點實驗室，北京 100083)

數字出版日期： 2017-12-19

0　引言

隨著采煤作業機械化水平的不斷提高，煤炭企業產能不斷擴大，生產作業強度越來越高。與此同時，煤礦井下各個作業點尤其是采掘工作面和綜掘工作面的產塵量大幅提升，嚴重影響井下作業和井下工作人員的身體健康[1-4]。目前我國綜掘工作面的除塵技術主要有通風除塵、噴霧除塵、除塵器除塵、風幕除塵、物理化學方法除塵、泡沫除塵等。這些方法對井下粉塵治理有一定的效果，但是并不理想，在運用過程中存在一定的弊端[5-6]。目前國內外煤礦對噴霧降塵的應用比較廣泛，但是由于煤礦一般采用常規壓力型噴嘴，受到噴霧壓力的影響其霧化效果較差，全塵降塵效率較低，且常規噴嘴耗水量大，對煤質和工作環境等會產生不良影響。基于此，有關學者對常壓下可以達到高壓噴霧效果的氣水噴嘴進行了研究[7]。但實際應用中氣水噴嘴的氣體流量及水流量的調節盲目性較大，不僅浪費能源同時也會惡化煤礦井下的生產環境。

氣水噴霧是以壓力水和壓縮空氣作為雙動力的一種新型噴霧方式，可在常壓供水條件下得到高壓噴霧效果，相對于傳統的常規噴霧方式，具有耗水量小、霧化效果好、對水壓要求低及降塵效率高等優勢[7-11]。本文通過實驗研究氣水噴嘴的霧化特性，并結合霧化降塵理論，對氣水噴霧降塵效果的影響因素進行了分析，以期得出氣水噴嘴霧化效果與氣流量、水流量之間的關系，并得到最佳霧化條件，為合理利用水資源、改善煤礦井下環境，提高除塵效率提供依據。

1　氣水噴嘴霧化特性實驗

1.1　氣水噴嘴的結構及原理

氣水噴嘴主要由進氣端、進水端、氣水混合室及噴嘴口4部分組成，結構如圖1所示。其工作原理為：一定壓力的水和氣體分別從進水端和進氣端進入，水流在高速氣體的作用下破碎成含有大量細小氣泡的液絲或液線，氣流和水流在氣水混合室內混合形成穩定的氣泡兩相流，混合體經噴嘴高速噴出時由于混合體的體積膨脹和流體的攪動作用以及周圍空氣的卷入，液體會以微細的水粒從噴嘴口噴出[12-15]。

圖1　氣水噴嘴結構Fig.1　Air-water nozzle structure

通過研究粉塵顆粒沉降理論，得出噴霧降塵所能捕集的最小粒度粉塵與霧滴粒徑之間的關系為：

(1)

式中：dpmin為最小粉塵粒徑，m；μ為空氣動力粘度，Pa/s；Dw為霧滴粒徑，m；Stk為慣性碰撞系數(斯托克斯數)；ρp為粉塵密度，kg/m3；v0為氣流速度，m/s[16]。

由公式(1)可知，霧滴能夠捕集的最小粉塵粒徑dpmin的平方與霧滴粒徑Dw成正比。在外界環境、設備及其他參數條件相同的情況下，要想捕集小粒度的粉塵，霧滴的粒徑Dw也要相應的減小，因而研究霧滴的霧化特性對提高降塵效果十分必要。

本實驗的霧滴粒徑主要選用平均粒徑D50作為衡量噴嘴霧化粒徑的指標參數(D50代表該粒徑以下的顆粒體積占全部顆粒總體積的50%)。一般情況下，霧滴粒徑尺寸越小，霧滴分布均勻性越好，其對呼吸性粉塵的降塵效果就越好。

1.2　實驗裝置及方案

在工程應用中，影響氣水噴嘴霧化效果的主要因素有霧滴粒徑，噴射距離，霧化角及一些外部環境條件如風流，噴嘴使用環境等[9-10]。本文主要研究噴嘴本身對霧化效果的影響，霧化效果除了與混合室及噴嘴本身的結構有關外，主要影響因素還有噴嘴的氣體流量、水流量及氣水流量比的大小。為此，本文通過實驗研究氣水噴嘴的流量特性和霧化特性，并為氣水噴嘴降塵提供理論基礎。

1.2.1實驗裝置

本文的實驗裝置主要由JL-3000型激光粒度分析儀，空壓機，清洗機，氣水噴嘴，氣體流量計，水流量計及計算機等組成。其中空壓機提供壓縮空氣，QL-380A型清洗機提供壓力水，氣水噴嘴的進氣端和進水端分別與進氣管和進水管相連，空氣和水由此進入氣水混合室，在混合室混合后從噴嘴口噴出，可通過流量調節閥調節水流量和氣體流量。實驗系統示意圖如圖2所示。

圖2　氣水噴霧實驗系統示意Fig.2　Schematic of experimental system for air-water spraying

1.2.2實驗方案

本實驗選取清水為霧化介質，選用錐形，扇形，干霧3種氣水噴嘴作為實驗噴嘴，噴嘴出口孔徑均為2 mm，在供水壓強和供氣壓強一定的條件下，實驗噴嘴統一放置在距激光粒度儀中心軸線500 mm處，通過調節閥調節不同的氣體流量和水流量，并使用激光粒度分析儀測量霧滴粒徑分散度。實驗步驟如下：

(1)根據實驗系統示意圖連接好設備，實物如圖3所示，進行實驗。首先固定水流量，調節不同的氣體流量，利用JL-3000型激光分析儀測量粒徑分布情況，為減小誤差可多次測量取平均值；(2)改變水流量大小，調節不同氣體流量，重復(1)中的步驟；(3)更換不同的噴嘴重復(1)(2)中的操作。

圖3　實驗裝置Fig.3　Diagram of experimental device

1.2.3實驗內容

本文的實驗內容主要包括：根據氣水噴霧的特點針對不同結構的噴嘴在實驗室進行噴霧實驗，通過參數調節，對比實驗結果，得出影響噴霧效果的主要因素及其對實驗結果的影響程度，并找出最佳工況條件。

2　實驗結果分析

2.1　氣體流量及水流量對霧化效果的影響

利用連接好的實驗裝置，分別用干霧、扇形、錐形噴嘴進行實驗，分別調節水流量為2，5，10，15及20 L/h，逐漸調大并記錄液體流量，得出霧滴粒徑隨氣體流量的關系曲線如圖4所示。由圖4可知：

圖4　霧滴粒徑隨氣體流量變化情況Fig.4　Drop diameter change with the increase of gas flow

1)在水流量一定的條件下，隨著氣體流量的增加，3種噴嘴的霧滴粒徑均整體呈逐漸減小的趨勢，且下降速度由開始的迅速減小逐漸變慢。

2)水流量一定時，一定范圍內氣體流量越大，氣體相對流速越大，空氣對水的破碎和霧化作用越明顯，故隨著氣體流量的增加霧滴粒徑減小速度較快；超過此范圍后，破碎和霧化作用減弱，霧滴粒徑減小速度變慢。

3)對于干霧噴嘴，當水流量為5 L/h時，出現速度變緩的氣體流量的值為50 L/min，其他水流量條件下，速度變緩時的氣體流量均為60 L/min左右。其最佳工況可能存在于水流量為2或5 L/h，氣體流量為70或80 L/min。

4)對于扇形噴嘴，當氣體流量達到80 L/min時，霧滴粒徑減小的速度開始變緩，且減小速度由快逐漸變慢。最佳工況可能存在于水流量為5 L/h，氣體流量為110或100 L/min。

5)對于錐形噴嘴，當水流量小于10 L/h時，霧滴粒徑減小速度變緩的氣體流量值為90 L/min；當水流量大于10 L/h時，速度變緩時的氣體流量為100 L/min。最佳工況可能存在于氣體流量為140 L/min，水流量為5 L/h。

2.2　最佳霧化條件確定

利用所得數據繪制出霧滴粒徑與氣液比之間的關系曲線如圖5所示。由圖5可知：

圖5　霧滴粒徑隨氣液比的變化Fig.5　Drop diameter change with the increase of vapor liquid ratio

1)隨著氣液比的增加，霧滴粒徑隨著氣液比的增加先迅速減小，超過一定范圍后霧滴粒徑減小速度變緩，并會出現一定幅度的上升趨勢，最后趨于某一極限值，不再發生變化。

2)干霧噴嘴和扇形噴嘴在氣液比分別為960和1 200時霧滴粒徑最小，錐形噴嘴隨著氣液比的增加霧滴粒徑逐漸減小，故當氣液比為1 680時霧化效果最好。

3)增大氣液比，氣泡數量增加，氣泡的總膨脹能增大，較大的氣液比會使氣體在噴嘴出口處占據較大的截面積，將液體擠壓成更薄更細的液絲或液膜，霧滴粒徑隨之快速減小。但是隨著液體流量的相對減小，液體顆粒內氣泡體積液也相對減小，當氣泡的能量不足以克服液體顆粒的表面張力及粘性力時，霧滴粒徑便趨于穩定不會再繼續減小[11]。

2.3　霧滴粒徑分布均勻性與氣水流量之間的關系

利用上述得到的3種氣水噴嘴可能的最佳霧化工況點，其霧滴粒徑數據如表1所示。

霧滴粒徑相對尺寸范圍ΔS的定義：

(2)

ΔS是衡量霧滴粒徑分布均勻性的一個重要參數，ΔS越小，霧滴粒徑分布越均勻[8，16]。從表1可以發現，干霧噴嘴霧滴粒徑相對尺寸范圍ΔS最小為0.628，此時氣體流量80 L/min，水流量5 L/h，氣液比為960，與上一節得出的最佳霧化條件相同；扇形噴嘴ΔS最小為0.862，此時氣體流量100 L/min，水流量5 L/h，氣液比1 200；錐形噴嘴ΔS最小為0.77，氣液比為1 680。這些數值都與上節氣液比圖中得出的結論相同。

表1　不同噴嘴霧化粒徑參數

3種噴嘴在最佳工況條件下霧滴粒徑頻度分布及體積累計分布情況如圖6所示。

圖6　 不同噴嘴最佳霧化條件下霧滴分布均勻性對比Fig.6　Droplet distribution uniformity of different nozzles under the best condition

根據結合表1的霧化粒徑結果可發現，干霧噴嘴、扇形噴嘴及錐形噴嘴噴出的霧滴粒徑分別集中在26～47 μm，26～57 μm，24～50 μm之間。因為霧滴相對尺寸越小，霧滴分布越均勻，根據表1及圖6對比可得出結論：

1)從霧滴粒徑分布情況可以看出，干霧噴嘴噴出的霧滴粒徑比其他2種噴嘴霧滴粒徑小，所需氣體流量更小，說明在相同耗水量條件下，干霧噴嘴所能達到霧化效果更好，可以更好地減輕氣壓對設備的腐蝕，延長設備使用壽命。

2)由于霧滴粒徑大小對粉塵的捕集和沉降作用影響較大，且霧滴粒徑越小，越有利于呼吸性粉塵的捕集，因此在用水量及氣壓或氣體流量受限的綜掘工作面進行降塵時，應該選擇干霧噴嘴較為合適，可同時保證全塵和呼吸性粉塵的降塵效率。

3)3種氣水噴嘴的霧滴粒徑均隨著氣體流量的增加而減小，由于運動時間的影響，噴嘴噴出的液滴在空氣中受到碰撞和蒸發作用明顯，因此實驗過程中會出現霧化粒徑隨氣體流量的增大而增大的誤差。

3　結論

1)水流量一定時，隨著氣體流量及氣液比的增加，霧滴粒徑迅速減小，超過一定范圍后減小速度變緩。故適當增加氣體流量或氣液比可提高降塵效果。

2)實驗用的3種氣水噴嘴的霧滴粒徑分布均在20～60 μm之間，所以氣水噴嘴在耗水量較小的情況下可以達到較好的霧化效果，可以對小粒徑粉塵有較好的降塵效果。

3)在最佳工況條件下，3種噴嘴的氣液比分別為960，1 200，1 680，通過比較不同噴嘴的霧滴平均粒徑大小及霧滴分布均勻性條件可知，在用水受限時應當選用干霧氣水噴嘴較為合適。

[1]時訓先, 蔣仲安, 褚燕燕. 煤礦綜采工作面防塵技術研究現狀及趨勢[J]. 中國安全生產科學技術, 2005, 1(1):41-43.

SHI Xunxian, JIANG Zhongan, CHU Yanyan. Current development and trend of dust control technology research of fully mechanized coalfaces[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2005, 1(1):41-43.

[2]王鵬飛, 劉榮華, 胡海橋, 等. 煤礦井下氣水噴霧霧化特性實驗研究[J]. 煤炭學報, 2017, 42(5): 1213-1220.

WANG Pengfei, LIU Ronghua, WANG Haiqiao, et al. Atomization characteristics of air-water spray in underground coal mine[J]. Journal of China Coal Society, 2017, 42(5):1213-1220.

[3]張小濤,隋金君,曲寶, 等. 采掘工作面噴霧降塵技術研究及應用[J]. 煤礦機械, 2013, 34(8):247-250.

ZHANG Xiaotao, SUI Jinjun, Qu Bao, et al. Research and application of spray dust suppression technology in coal face and heading face[J]. Coal Mine Machinery, 2013, 34(8):247-250.

[4]丁厚成, 楊帆, 張義坤. 綜掘工作面粉塵運移規律及控制技術研究[J]. 安全與環境工程, 2015, 22(4): 82-87.

DING Houcheng, YANG Fan, ZHANG Yikun. Research on dust law migration law and control technology in full-mechanized working face[J]. Journal of Safety and Environmental Engineering, 2015, 22(4):82-87.

[5]陳斌, 郭列錦, 張西民, 等. 噴嘴霧化特性實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2001, 22(2):237-240.

CHEN Bin, GUO Liejin, ZHANG Ximin, et al. Experimental research of the atomization characteristics of a nozzle[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2002, 22(2):237-240.

[6]王鵬飛, 劉榮華, 桂哲, 等. 煤礦井下氣水噴霧霧化特性及降塵效率理論研究[J]. 煤炭學報, 2016, 41(9):2256-2262.

WANG Pengfei, LIU Ronghua, GUI Zhe, et al. Theoretical research on atomization characteristics and dust suppression efficiency of air-water spray in underground coal mine[J]. Journal of China Coal Society, 2016, 41(9):2256-2262.

[7]蔣仲安, 王明, 陳舉師, 等. 氣水噴嘴霧化特征與降塵效果分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2017, 49(2):151-157.

JIANG Zhongan, WANG Ming, CHEN Jushi, et al. Atomization characteristics and suppress mechanism of a gas-water nozzle[J]. Journal of Harbin Institute of technology, 2017, 49(2):151-157.

[8]Barroso J, Lozano A, Barreras F, et al. Analysis and prediction of the spray produced by an internal mixing chamber twin-fluid nozzle[J]. Fuel Processing Technology, 2014, 128:1-9.

[9]武沛武. 綜掘面新型氣水霧化降塵技術實踐[J]. 中州煤炭, 2015, (4): 14-16,29.

WU Peiwu. Practice on new gas water atomization and dust control technology in full-mechanized driving face[J]. China Energy and Environmental Protection, 2015, (4):14-16,29.

[10]桂哲, 劉榮華, 王鵬飛, 等. 供水壓強對氣水噴霧霧化粒度的影響[J]. 礦業工程研究, 2016, 31(3):21-25.

GUI Zhe, LIU Ronghua, WANG Pengfei, et al. Influence of water supply pressure over atomization article size by air-water spray[J]. Mineral Engineering Research, 2016, 31(3):21-25.

[11]梅國暉, 武榮陽, 孟紅記, 等. 氣水霧化噴嘴最佳氣水比的確定[J]. 鋼鐵釩鈦, 2004, 25(2):49-51,70.

MEI Guohui，WU Rongyang, MENG Hongji, et al. Optimal air to water ratio in misting cooling process[J]. Iron Steel Vanadium Titanium, 2004, 25(2):49-51,70.

[12]王延軍, 張天林. 氣-水噴霧加濕降塵技術在涂裝車間的應用[J]. 涂料工業, 2013, 43(3):70-72.

WANG Yanjun, ZHANG Tianlin. Application of air-water spray humidification dust elimination technology in painting shop[J]. Paint & Coatings Industry, 2013, 43(3):70-72.

[13]李萍, 張薇. 內混式氣液霧化噴嘴霧滴粒徑的實驗研究[J]. 小型內燃機與車輛技術, 2006, 35(4):21-24.

LI Ping, ZHANG Wei. Particle diameter investigation on internal mixing air-liquid atomizer[J]. Small Internal Combustion Engine and Vehicle Technique, 2006, 35(4):21-24.

[14]曹建明, 朱輝, 郭廣祥, 等. 空氣助力改善液滴霧化質量的研究[J]. 實驗流體力學, 2013, 27(1):56-60,87.

CAO Jianming, ZHU Hui, GUO Guangxiang, et al. Study on air assistant to improve quality of droplet atomization[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(1):56-60,87.

[15]劉聯勝, 吳晉湘, 傅茂林, 等. 氣泡霧化噴嘴霧化特性實驗[J]. 燃燒科學與技術, 2001, 7(1):62-66.

LIU Liansheng, WU Jinxiang, FU Maolin, et al. Experimental studies on the spray characteristics of effervescent atomizers[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2001, 7(1):62-66.

[16]周剛, 程衛民, 聶文, 等. 高壓噴霧射流霧化及水霧捕塵機理的拓展理論分析[J]. 重慶大學學報, 2012, 35(3):121-126.

ZHOU Gang, CHENG Weimin, NIE Wen, et al. Extended theoretical analysis of jet and atomization under high-pressure spraying and collecting dust mechanism of droplet[J]. Journal of Chongqing University, 2012, 35(3):121-126.