风水雾化降尘装置的风轮_喷头设计及雾化机理

作者简介:牛全振(1978-),男,辽宁朝阳人,太原理工大学在读硕士研究生,主要研究方向:机电液一体化。 收稿日期:2007-10-26;修回日期:2008-03-05 0 引 言 在煤矿井下的特殊工作环境中,采用湿式喷雾降尘 是最经济简便的方法。目前常见湿式除尘技术有声波雾 化降尘技术、磁化水降尘技术、预荷电喷雾降尘技术、高 效喷雾降尘技术等,其基本原理都是采用压力水和喷嘴 的喷雾形式,系统中一般要有增压泵或增压器等装置。 本文提出了一种适于煤矿用的风水雾化降尘装 置,该装置可采用液压马达或防爆电机驱动,利用风轮 产生的风力将水雾吹送出去,密集的雾滴将粉尘捕集, 从而实现降尘的目的。 1 风轮-喷头设计 风水雾化降尘装置主要由主机、过滤器、减压阀、 截止阀和防爆开关等部件组成。其中主机由防爆电机、 风轮-喷头、雾化齿盘、锥形罩、悬挂装置等组成。在本 文中,主要提出并论述了一种新型喷头的 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 。 风水雾化降尘装置最关键的部件是集风轮、离心 喷头于一体的风轮-喷头(见图1)。它既产生轴向风流, 又起喷头的作用,与雾化齿盘配合使水雾化。风轮-喷 头主要由前轮毂、后轮毂、叶片、盖板和螺钉联接件组 成。叶片通过其座上的凸台嵌装到前后轮毂边缘的固 定槽内,叶片座内侧呈弧形,与前轮毂紧密配合,以防 止漏水。盖板的作用是防止水流向外喷溅或流出,盖板 中心孔与进水管间留有间隙,使得工作过程中蓄水槽 内与大气相通。前、后轮毂与盖板之间通过联接螺栓和 螺母固定在一起。为防止锈蚀,前、后轮毂的材料可选 用高强度的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 塑料或不锈钢。叶片材料选用工程塑 料,用模具注塑而成。根据所需功率不同,叶片的数量 可以为4～8片。因为该喷头利用了离心雾化的工作原 理,所以属于离心喷头。 该风轮-喷头设计的创新之处主要在于叶片 (见图 2),其内部有一管道,与前轮毂蓄水槽下面的管道直接相 通,管道向外通到叶片端 部,管路是直线的,水路不 易堵塞,且减少了沿程水头 损失。因此,该结构实现了 风轮与喷头的一体化集成。 2 雾化机理 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 2.1 雾化过程概述 当水流通过进水管流入前轮毂的蓄水槽时,由于风 轮-喷头的高速旋转,在离心力作用下,水流呈螺线状向 外甩出,到达蓄水槽壁后随风轮一起旋转。这时,水流进 入了蓄水槽下面的孔道,顺管道一直流到叶片端部,被 图1 风轮-喷头 1-叶片,2-前轮毂,3-盖板,4-联接螺栓、垫片、螺母, 5-进水管,6-后轮毂 图2 叶片 牛全振1,寇子明1,秦国栋2 (1.太原理工大学机械工程学院,山西 太原 030024;2.潞安矿业(集团)有限责任公司,山西 长治 046204) 【摘 要】 设计了一种矿用风水雾化降尘装置的风轮-喷头,其主要特点是集风轮与喷头于一体。分析了碎裂雾 化和撞击雾化的原理,计算了喷射角和雾化齿倾角,分析了雾化齿的参数设计要求,为风轮-喷头和雾化齿的设计 提供了理论依据。 【关键词】 风水雾化降尘装置;风轮-喷头;碎裂雾化;撞击雾化;雾化齿 【中图分类号】 TD367 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003-773X(2008)03-0051-03 TheDesignonFan-sprayerofMineWind-waterAtomizingAspiratingDeviceand AnalysisonAtomizationPrinciple NIUQuan-zhen 1 ,KOUZi-ming,QINGuo-dong 2 (1.CollegeofMechanicalEngineeringTaiyuanUniversityofTechnology,030024,Taiyuan,Shanxi, 2.Lu’anMiningIndustry(Group)Co.Ltd.,Changzhi,046204,Shanxi) 〔Abstract〕 Akindoffan-sprayerofminewind-wateratomizingaspiratingdevicewasdesigned.Itsmanicharacteristointegratefanwith sprayer.Theprinciplesofdisintegratedatomizationandimpactatomizationwereanalyzed.Sprayingangleandrakeangleoftoothwere calcnlated.Designingrequirementofparametersofatomizingteethwasanalyzed,whichsuppliedtheoryfordesignoffan-sprayerand atomizingteeth. 〔Keywords〕 Wind-wateratomizingaspiratingdevice;Fan-sprayer;Disintegration;Atomization;Impactatomization;Atomizingteeth 第23卷第3期(总第102期) 机 械 管 理 开 发 2008年6月 Vol.23 No.3(SUMNo.102) MECHANICALMANAGEMENTAND DEVELOPMENT Jun.2008 风水雾化降尘装置的风轮-喷头设计及雾化机理 51· · 第23卷第3期(总第102期) 机 械 管 理 开 发 2008年6月 甩到大气中。工作中由于叶片处于高速旋转状态,孔口 射流在空气动力、表面张力、粘性力、离心力的作用下分 裂成较大的水滴,这个过程称为碎裂雾化。在距离叶片 端部不远处装有雾化齿盘。初次碎裂后的水滴飞出后撞 到雾化齿盘上,在撞击力的作用下,大水滴碎裂成更多 的微小雾滴,这个过程称为撞击雾化。 2.2 碎裂雾化机理及主要参数 在离心力作用下,水流自叶片端部的孔口喷出, 由于喷头高速旋转,惯性力克服了粘性力和表面张力 的束缚,使得水柱发生碎裂。由于该风轮喷头的喷水 原理与多管式雾化轮近似,因此可用下面的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 公式 估算碎裂后的水滴直径[1] dp=98.5 1 n σ Rρ! (1) 式中dp为水滴平均直径(m);n为风轮-喷头转速(rpm);σ 为水的表面张力(N/m);R为风轮-喷头半径(m);ρ为水 的密度(kg/m3)。当n=2880rpm、R=0.15m时,dp=0.754 mm。从(1)式可知,碎裂雾化的水滴直径主要决定于转 速n和半径R两个参数,转速越高,喷头半径越大,平均 直径越小[2]。 设水流从叶片端部的孔口喷出时的径向速度为ur, 切向速度为ut,风速为ua,风轮转速为n,叶片半径为R, 因此平均直径为dp的液滴出射的合速度用下式计算: u= ur 2 +ut 2 +ua 2! = ur2+(2πRn)2+ua2! (2) 水流的径向流速ur来自于离心力,受转速n、风 轮-喷头半径R、动力粘度μ、叶片内管路粗糙度Δ、流量 Q等参数影响,可用实验或仿真方法得到。例如,使用 CFD前处理软件Gambit建模,再导入到求解器Fluent, 设置好边界条件就可以仿真得到ur。轴向分速度ua等于 叶片边缘的风速,风速由转速n、叶片数Z、叶片形状等 因素决定。 水滴射出方向与切向的夹角α称为喷射角,α和风 力产生的轴向偏角β计算方法如下: α=tan-1( ur 2 +ua 2! ut ). (3) β=tan-1( ua ut 2 +ur 2! ). (4) 2.3 撞击雾化机理 由于初次碎裂雾化后的水滴平均直径较大,一般 为几百微米,所以需要进一步雾化以降低水滴直径。 雾化齿盘(见图3)就是实现二次雾化的关键部件,它由 若干个矩形的雾化齿沿圆周均布安装在盘座上而成。 雾化齿的作用是使初次碎裂后的较大水滴进一步雾 化,使之达到最佳降尘直径50μm左右,其原理即是撞 击雾化。由动量定理可知,当液滴与雾化齿碰撞时,如 果入射速度方向与平面垂直,即入射角为90°时,则液 滴受到的反作用力最大。在撞击前,水滴所受的内部 压力p1与外部气体压力 pg和表面张力压力pσ相平衡 [3], 即: p1=pg+pσ (5) 撞击发生时,由于水滴为流体,在撞击力的作用下发 生流动变形,内部压力p1增大,(5)式的压力平衡被打 破,因此水滴进一步碎裂成许多更小的雾滴,这就是 撞击雾化的机理。 2.4 雾化齿的参数设计 由撞击雾化机理可知,雾化齿的齿数z(或θ2)、宽度 b、安装倾斜角θ1、与叶片边缘的距离d等参数(见图4)的 选择将会对雾化的效果产生重要的影响。 图4示意了水滴撞击雾化齿的过程。喷射角α在旋 转平面上的投影α'(即ua=0时的喷射角)计算式为: α'=tan-1(ur/ut). (6) 因此为了使水滴入射方向与雾化齿垂直,应使雾化齿 宽度方向(图中CB)与叶片半径方向呈α'夹角。 因线段AB≈AB,R、d已知(可取3～5mm),所以 AB=θ2(R+d)=2π(R+d)/z. (7) 由于叶片半径R很大,雾化齿宽度b、θ2都很小,可 以近似认为DC⊥BC,因此宽度b的最小值 bmin(即BC)为 bmin=BC=sinα'·AB=2πsinα'·(R+d)/z. (8) 该式就是齿数z与宽度bmin的关系式,从式中可以看 出,当齿数 z增多时,雾化齿宽度就可以小一些。实际 装置中,宽度b应取bmin的1.5倍,以使无规律飞溅的水 滴能够充分雾化。 雾化齿高度h与风轮-喷头和雾化齿的轴向相对 位置有关,应尽量长些,厚度 t只要能保证雾化齿强度 足够即可。为了使水滴垂直地与雾化齿碰撞,雾化齿 还应与轴向呈β倾角,β可由(4)式计算。 图4 雾化齿的设计参数 图3 雾化齿盘与叶片的相对位置 (下转第54页) 52· · 第23卷第3期(总第102期) 机 械 管 理 开 发 2008年6月 信号,通过标量计算就可以确定旋转体的飞行姿态。 2 实现方法 为了实现上述的测量原理,关键在于磁传感器系 统的设计,本文采用磁通门传感器,对设计中的有关 问题进行探讨。 磁通门传感器是利用某些高导磁率的软磁性材 料作磁芯,以其在交直流磁场作用下的磁饱和特性及 法拉第电磁感应原理而对恒定弱磁场进行测量的一 种器件,具有结构简单、体积小、灵敏度高、功耗低、稳 定性高等优点。磁通门 传感器的结构形式由所 采用的磁芯的几何形状 来决定,本文采用平行 双磁芯的结构,如图5。 根据法拉第电磁感应定律,当外界恒定磁场作用 在传感器上时,感应线圈中产生的感应电动势为[2]: e=-10 -8 W(dΦ/dt)= ∞ n=1 !Enmsin2nπft. 式中:W—感应线圈的匝数;Φ—磁通量;Enm—各次 谐波分量的幅值;n—谐波次数;f—激磁频率。 分析表明,感应电动势各奇次谐波分量的幅值为 零,即只存在偶次谐波分量,其中二次谐波分量的幅 值可近似表示为: E2m≈16×10 -8fμ0WS(Hs/Hm)H0 式中:μ0—铁芯的动态磁导率;S—单根铁芯的有效截 面积;HS—铁芯的饱和磁场强度;Hm—激磁磁场强度 的幅值;H0—被测磁场。 可以看出,磁通门传感器具有方向敏感性,如果 将这种传感器安装在旋转物体上,则随着旋转体的转 动,传感器输出的二次谐波的幅值将发生周期性的变 化,其变化规律与图3一致。 利用磁通门传感器测量旋转体飞行姿态的系统 原理图如图6。 3 结 论 本研究利用零交叉时传感器输出的相位信息对 旋转物体的飞行姿态进行测量,具有不需要磁场的先 验知识、灵敏度变化影响小、只需要标量运算等特点, 具备全天候、昼夜使用的测量能力,显现了良好的发 展趋势和应用前景。本研究的潜在应用包括飞行物体 的辅助导航、角运动历程的确定、空气动力性能分析、 数据校准等。 参考文献 [1]ThomasE.H.MAGSONDE:ADeviceforMakingAngular MeasurementsonSpinningProjectilesWithMagneticSensors, [P].ARL-TR-2310,2000. [2] 张学孚.磁通门技术[M].北京:国防工业出版社,1995. 图4 比率与方位角的关系 图5 磁通门传感器的结构 图6 磁通门传感器测量原理图 3 结 论[4] 1)风水雾化降尘装置的风轮-喷头将风轮与喷头 集成为一体,与农业上常用喷雾机的离心雾化器相比 结构大大简化,而且雾化效果良好,因此具有研究价 值和应用前景。2)该风轮-喷头的雾化由两个步骤组 成:碎裂雾化和撞击雾化。碎裂雾化的原理与普通旋 转雾化器接近,属于离心雾化。撞击雾化实现了二次 雾化或多次雾化,使得雾滴直径更小,可以达到平均 直径50μm左右,而这个尺度的雾滴最有利于对煤尘 的捕集。另外,在流量不变的情况下,撞击雾化使雾滴 的数量大大增加,对降尘十分有利。3)雾化齿的参数 设计对撞击雾化的效果有重要影响,由(8)式反映了齿 数 z和雾化齿宽度b的相互关系,齿数z增多时,宽度b 可以减小,相反齿数少b就要增大。一般来说齿数增多 对雾化有利,但齿数过多又导致齿的加工或安装困难, 雾化齿过密导致通风不利,反而不利于雾流的分布均 匀性。 参考文献 [1] 饶志军.旋转喷雾技术及其机电系统的研究[D].天津大 学硕士学位论文,2005:14. [2] 彭 军.风送式超低量喷雾装置内流场数值模拟研究[D]. 武汉理工大学硕士学位论文.2006:10-13. [3] 曹建明.喷雾学[M].北京:机械工业出版社,2005:18-31. [4] 赵 刚,刘 建.两种离心雾化喷头性能试验研究[J].中国 农机化.2005:69-71. ################################################## (上接第52页) 54· ·