X旋流壓力噴嘴霧化錐角實驗研究*

易波波, 劉榮華, 王鵬飛, 茍尚旭, 譚烜昊, 張 奎

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院， 湖南 湘潭市 411201)

0 引 言

隨著礦井設備機械化、自動化的程度越來越高，煤礦掘進與開采的強度越來越大，生產效率得到了較大提高，生產現場的產塵量也急劇增加，特別是粒徑小于7 um的呼吸性粉塵濃度也大幅上升[1-2]。粉塵濃度過高對設備的正常運行造成了極大影響，同時懸浮在空氣中的煤塵濃度過高極易發生爆炸，對一線煤礦工人的生活和工作構成了極大的威脅，因此,必須采取切實有效的除塵措施。噴霧降塵具有經濟、簡便和實用等優點，在國內外煤礦井下和工業中得到廣泛的應用[3]。近年，國內外學者相繼開展了大量有關噴霧除塵機理與噴霧霧化效果的研究工作[4-5]，如程衛民等[6]就不同噴嘴噴霧壓力條件下的霧化粒徑進行了實驗研究，得到了不同噴霧噴嘴壓力下的霧化粒度。通常認為，在噴嘴選定的條件下，噴霧壓力越高，霧化粒徑越小[7]，對呼吸性粉塵的捕集效果越好。國內外學者在對噴霧降塵影響因素分析時，以前的研究更多的關注噴嘴供水壓強和噴嘴直徑對霧化效果與降塵效率的影響，而對霧化錐角還未進行深入研究。霧化錐角也是反映霧化效果的一個重要參數。

為此，本文選擇X旋流壓力噴嘴，采用實驗手段，對不同直徑噴嘴在不同壓力下的噴霧霧化錐角進行了研究，以期為提高噴霧霧化效果和噴霧降塵效率提供理論指導。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗系統

煤礦井下采掘工作面噴霧系統如圖1所示。

巷道模型由入口段、整流段、測量段、噴霧段、軸流風機段及出流段組成。在實驗時為了便于拍照和觀測噴霧霧化角，巷道模型噴霧段由1 cm厚的透明有機玻璃制作而成，其他部分均由不銹鋼板加工制作而成。實驗系統由智能電磁流量計、數字式壓強表、轉子流量計、X旋流壓力噴嘴、BPZ75/12 型噴霧高壓泵等構成。X旋流壓力噴嘴主要由3個部分構成，即進水端口、X旋流壓力噴嘴內部混合段、噴霧出口。供水管與噴嘴進水端口相連接，市政管網自來水經高壓水泵加壓后在X旋流壓力噴嘴內部經過旋轉，擠壓，破碎后從噴嘴口噴出一定速度、一定角度的霧滴。實驗通過無極變速旋鈕調節高壓水泵轉速來改變進入X旋流壓力噴嘴進水端口的壓強。

1.2 實驗方案

水在噴嘴旋轉混合段混合后，由于中心流速比較高以及液體本身的旋轉作用使得中心壓力降低，使得噴嘴噴霧邊界近似于一個拋物錐角，叫做霧化錐角。霧化錐角用α表示，如圖2所示，X旋流壓力噴嘴如圖3所示。自來水在X旋流壓力噴嘴混合段經高壓水泵加壓后經噴嘴口射出霧化，用德國高速攝像儀對不同直徑的X旋流壓力噴嘴在不同的進水壓力下的霧化情況進行拍照，拍攝分辨率選用6016×4016，保證照片的清晰度，拍得的照片用專業圖像處理分析軟件Image Pro Plus進行處理分析，計算出噴霧的霧化錐角。

圖1噴霧實驗系統

圖2 霧化錐角

圖3 X旋流壓力噴嘴結構

實驗以X旋流壓力噴嘴為研究對象，選用直徑分別為1.0， 1.2， 1.5， 1.8， 2.0 mm的5種不同直徑的噴嘴，每種直徑噴嘴分別對應供水壓強為1.0， 2.0， 3.0， 4.0， 5.0， 6.0， 7.0， 8.0 MPa，在距離噴嘴出口平行于噴霧射流方向150 mm處用德國高速攝像儀進行拍照，每組壓力拍攝3張照片，數據處理時對3張照片的霧化錐角取平均值。分別拍攝得到5種不同直徑噴嘴在8種不同進水壓力下的照片。實驗先固定噴嘴直徑為1.0 mm的噴嘴，用德國高速攝像儀分別間隔3 s對噴霧霧化錐角進行拍照，拍取3張樣本照片，拍攝樣本照片如圖4所示。調節流量調節閥，分別拍攝噴嘴直徑為1.0， 1.2， 1.5， 1.8， 2.0 mm對應噴嘴進水壓力為1.0～8.0 MPa的樣本照片，然后用專業圖像處理分析軟件Image Pro Plus處理，得到不同直徑不同進水壓力的霧化錐角。

圖4 噴霧樣本照片

2 實驗結果分析

2.1 供水壓強對霧化錐角的影響

通過Origin軟件對實驗數據和實驗結果進行處理，如圖5所示。從圖5可以看出，當噴嘴直徑為1.0 mm時，進水壓強從1.0 MPa升到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角由40.27°增加到52.79°，且隨著供水壓強的增加變化幅度越來越小。當噴嘴直徑為1.2 mm時，進水壓強從1.0 MPa升到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角由51.40°增加到55.46°，霧化錐角隨著供水壓強的增加的幅度比噴嘴直徑為1.0 mm時增加幅度小；當噴嘴直徑為1.5 mm時，噴霧霧化錐角維持在62°左右,與供水壓強的大小無明顯關系；當噴嘴直徑為1.8 mm和2.0 mm時，噴霧霧化錐角隨供水壓強增大而減小，當噴嘴直徑為1.8 mm時，供水壓強為1 MPa時，噴霧霧化錐角達到最大值72.67°，然后隨著供水壓強的增加噴霧霧化錐角逐漸減小，供水壓強由2.0 MPa增加到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角從62.38°下降到59.25°。當噴嘴直徑為2.0 mm時，供水壓強由1.0 MPa增加到8.0 MPa時，噴霧霧化錐角從71.8°下降到65.36°，且降低的幅度比噴嘴直徑為1.8 mm的幅度小。

圖5 不同直徑不同供水壓強的霧化錐角

2.2 噴嘴直徑對霧化錐角的影響

實驗數據如表1所示，當供水壓強一定時，噴霧霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，且增大的幅度越來越小，當噴嘴直徑為1.0 mm時，霧化錐角從40.27°增加到71.80°，當噴嘴直徑為2.0 mm時，霧化錐角從52.79°增加到65.36°，由此可以看出，供水壓強一定時，噴嘴直徑越來越大，霧化錐角增加的幅度越來越小，霧化錐角變化的區間越來越小。從表1可以看出，在X旋流壓力噴嘴直徑為1.0 mm和1.2 mm時，供水壓強增大，水流速度加快，在混合室內經過旋轉、擠壓、破碎之后經噴嘴出口射出，此時供水壓強對霧化錐角的影響大于噴嘴直徑的影響，所以噴霧霧化錐角隨著供水壓強的增大而增大，當噴嘴直徑為1.5 mm時，噴霧霧化錐角與進水壓強沒有明顯的關系，當X旋流壓力噴嘴直徑為1.8 mm和2.0 mm時，噴嘴直徑對噴霧霧化角的影響大于噴嘴供水壓強對霧化錐角的影響，供水壓強增大時，在混合室內經過旋轉、擠壓、破碎后經噴嘴出口射出，隨著供水壓強越大，噴嘴直徑對高壓狀態下的水射出的阻力越大，所以噴霧霧化錐角隨著供水壓強的增大而減小。在相同的進水壓強條件下，噴霧霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，隨著供水壓強的增加，增大的幅度越來越小。

2.3 噴霧霧化錐角的擬合公式

對實驗數據采用回歸方法進行分析，選用Rational 2D函數進行擬合，得出不同噴嘴直徑不同供水壓強與噴霧霧化錐角的擬合曲面圖，如圖6所示。用軟件擬合得到的關系式為：

式中，a為霧化錐角，(°)；x為供水壓強，MPa；y為噴嘴直徑，mm。

其中線性相關系數R2=0.95138，為了驗證公式的正確性，每組噴嘴選取供水壓強為4 MPa的霧化錐角進行驗證，如表1所示，將實驗得到的數據與公式算出的數據進行對比分析，得出公式計算出的數據與實驗得到的數據相對誤差均在5%以內，所以該計算公式具有一定的參考價值。

圖6 霧化錐角擬合

噴嘴直徑/mm供水壓強/MPa1．02．03．04．05．06．07．08．0實驗數據擬合數據相對誤差/%1．040．2744．0846．7847．8348．7750．6452．0352．7947．8346．901．941．251．4052．0452．1052．9552．9753．7854．0855．4652．9554．593．081．563．7961．7760．8362．5062．2160．5862．3260．8062．5060．363．421．872．6762．3862．0061．3361．0760．3959．8659．2561．3363．323．242．071．8071．0270．6469．9369．6868．3268．0265．3669．9368．132．57

3 結 論

(1) 當X旋流壓力噴嘴直徑小于1.5 mm時，噴霧霧化錐角隨著供水壓強的增大而增大，當噴嘴直徑為1.5 mm時，供水壓強對噴霧霧化錐角大小無明顯影響，當噴嘴直徑大于1.5 mm時，噴霧霧化錐角隨著供水壓強的增大而減小。

(2) 當供水壓強一定時，霧化錐角隨著噴嘴直徑的增大而增大，且增大的幅度越來越小。

(3) 進水壓強越大，對實驗儀器，設備管道的耐壓要求較大，出于經濟，安全的角度，在工程實際應用中宜選擇直徑為1.5 mm的噴嘴。

(4) 擬合公式與實驗數據的相對誤差在5%以內，誤差較小，可以為科研人員與工程技術人員借鑒參考，具有較好的應用價值。

參考文獻：

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