抑塵車霧炮管路系統的設計分析

周紅偉 張鵬 李斌 趙資源

河南森源重工有限公司 河南許昌 461500

1 前言

隨著我國經濟快速發展和城市化進程的加快，環境污染的范圍和程度也在逐漸擴大。霧霾天氣也日益嚴重，人民群眾對藍天碧水的渴望也更加迫切，目前國家在環保上面的財政支出也是每年遞增。為應對城市拆遷及采礦區引起的粉塵，近些年出現了大量的多功能抑塵車。其主要是利用車輛自帶的高壓水泵將常態的水，通過噴霧噴嘴，霧化成50～150 μm的水霧顆粒[1]，再利用大功率軸流風機將水霧顆粒噴灑至粉塵表層或空中，利用水霧對揚塵進行撲捉、聚合、粘結、然后迅速沉降，最后起到降塵、抑塵的目的。該車大量用于城市街道、廣場、建筑工地、堆煤場等各種污染地和揚塵場所。

本文主要分析介紹噴霧管路系統，通過理論分析及試驗對比，從水泵選型、管路設計、噴環設計、噴嘴參數確定及噴霧流量控制等方面進行分析計算，優化噴霧系統管路及連接方式，從而減少壓力損失，提高霧炮噴霧抑塵效果。

2 噴霧管路系統原理

抑塵車的噴霧管路系統一般由水泵、噴環、噴嘴等組成，原理如圖1所示。罐體內的水流經過濾器后進入水泵，通過水泵產生高壓水流，高壓水流通過膠管與噴環連接，噴環上安裝有數十個噴霧噴嘴，高壓水流經過噴嘴霧化后形成極其細小的液滴，液滴與由軸流風機形成的高壓氣流場混合，形成高速的水霧氣流，水霧顆粒大小為微米級別，可以有效地吸附空氣中的粉塵顆粒，最終在自身重力作用下下沉，能夠快速有效地降低大氣中的粉塵污染。根據風機功率和水泵壓力的大小，其最大有效射程可達120 m，有效覆蓋范圍達4萬m2以上[2]。

圖1 噴霧管路系統原理圖

3 噴霧管路設計

根據噴霧管路系統原理，噴霧管路的設計可以劃分為水泵選型、管路設計、噴環設計及噴嘴參數確定3個步驟。

3.1 水泵選型

高壓水泵是實現噴霧抑塵的關鍵核心設備，其對抑塵效果起決定性作用，因此水泵的選型至關重要。抑塵車噴嘴霧化的原理是利用噴環安裝離心式噴嘴，在高壓水流的驅動下，高壓水射流在噴嘴的旋流室內將液體轉化為旋流，再經細小的噴嘴口射出，使液體在出口處獲得一個相對于空氣的較大速度，并擴散霧化，借助霧炮內置的風機形成的高速氣流，將霧化水風送至空中。根據離心式噴嘴的特性，即隨著進口壓力增大，霧化顆粒粒徑會逐漸減小[3]。

目前市場上抑塵車霧炮管路用水泵比較繁雜，有低壓離心泵、單級旋渦泵、高壓柱塞泵等，工作流量范圍為200～400 L/min，工作壓力范圍為1～6 MPa，水泵的流量由噴環安裝的噴嘴型號及數量決定，一般來講，可利用以下公式對水泵選型進行計算：

a.水泵額定流量q的確定

式中，q為霧化噴嘴實際流量，L/min；n為霧化噴嘴數量；k為霧化噴嘴流量特性系數；p為噴嘴工作壓力，MPa，在1.0～8 MPa內選取。

b.為滿足噴霧使用要求，所選水泵的額定流量Q的確定

式中，k為修正系數，取1.1。

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c.水泵額定壓力的確定

式中，h為管段的水頭損失，m；d為管徑，m；q為管段中水的流量，m3/s；l為管段的長度，m。

d.總水頭損失為各管段水頭損失之和∑h，水泵的額定壓力p的確定

式中，k2為系數，取1.1～1.2；ρ為水的密度，kg/m3。

經過計算，本噴霧系統選取某進口高壓柱塞水泵，工作壓力為6 MPa，流量為240 L/min。

多功能抑塵車剛推出時，廠家多采用電機驅動旋渦泵配置，在后來的使用過程中，由于旋渦泵出水壓力小，旋渦泵制約霧炮射程，經過試驗及理論計算，目前高射程的霧炮均采用柱塞泵作為水泵配置。

3.2 管路設計

從高壓水泵輸出的高壓水流必須通過一定長度的管路才能達到噴環，輸送管路中存在壓力損失，所以在管路設計初期，應當重點考慮管路長度、變徑、彎頭數量等。管路的長度越長，彎頭數量越多、以及管徑由大到小的變化，均是引起出水口的壓力損失的因素。高壓水在管路中的壓力損失△P可按以下公式計算：

式中，△ P為壓力損失，N/㎡；λ為管路內壁摩擦系數；L為管路長度，m；d為管路內徑，m；ρ為水的密度，kg/m3；vm為管路內水流平均速度，m/s。

由上式可知，壓力損失與膠管內徑成反比，與長度、水流速度的平方成正比，因此，在噴霧管路的設計中，盡量增加連接管內徑，優化管路走向，減小管路長度，目前抑塵車管路受結構制約，長度已固定，根據實車情況，采用內徑38 mm連接管，影響影響壓力損失最大的因素則是水流速度，采用柱塞泵能夠從根本上增加水流速度的問題。

3.3 噴環設計

通過研究抑塵車作業方式，得出抑塵車主要通過風筒出口的噴環上安裝的數個噴嘴為載體，通過噴嘴霧化的水霧進行抑塵作業，作業過程中消耗流量基本恒定。由圖2所示，噴環上安裝的噴嘴總量為100個，每個噴嘴與風筒端面成一定的夾角，根據理論分析及實際試驗，夾角45°～55°時效果最優。

4 試驗分析

衡量抑塵車霧炮管路設計效果如何，需要通過試驗來驗證，某抑塵車霧炮管路優化前后狀態如圖3、4所示。霧炮噴環及噴環連接管路通徑增加，避免內徑突然變化，同時更換為高壓柱塞水泵。抑塵車工作狀態下，通過控制噴環的開關，可以實現單噴環噴霧作業和雙噴環作業兩種模式，當單噴環作業模式下，噴嘴消耗流量減少，此時水泵壓力為5.4 MPa，水滴霧化顆粒達到微米級，噴霧距離最遠，可以節約用水，單開適合空氣質量稍差的天氣使用；當雙噴環都開啟的情況下，可以調整水泵出水口的調壓卸荷閥，水泵壓力為3.5 MPa，此時噴嘴霧化顆粒比較大，風送距離稍微減小，仍然能夠滿足前期設計的120 m要求，雙開適合空氣質量污

圖2 噴環示意圖

圖3 優化前霧炮管路

圖4 優化后霧炮管路

5 結語

本文通過抑塵車霧炮管路系統的設計分析，以及試驗結果可以得出以下結論：

a.霧炮管路設計中，水泵選型、管路設計、噴環設計這三大部分是關鍵，對抑塵效果起決定作用。

b.流量恒定情況下，在1～6 MPa內，噴嘴霧化效果和壓力成正比，噴嘴在高壓下會生成更細的噴霧顆粒度。

c.可以根據空氣污染程度，選擇采用雙開噴環或單開噴環進行作業，可以有效節約用水。該方案操作方便，經濟實用，效果良好，具有較高的推廣價值。