自动喷雾降尘（精选7篇）
自动喷雾降尘 篇1
煤尘被称为煤矿五害之一, 污染环境, 危害职工身体健康, 一定条件下还可发生爆炸。治理煤尘对矿井安全和职工健康意义重大, 洒水降尘是非常有效的方法。
喷雾装置的控制方式很多, 随着传感器和现代电子技术的发展, 出现了以PLC+传感器的智能控制方式。目前市场销售的自动喷雾装置均具有触发喷雾、定时喷雾及红外闭锁等功能, 可以满足大多数的一般应用, 通过编写程序或换用不同的传感器可满足各种需求。
1 系统构成
自动喷装置是一个开环控制系统, 由传感器、控制器和执行机构组成。传感器用于获取控制所需的信息, 经由控制器进行逻辑运算, 在条件满足时, 由控制器启动执行机构执行喷雾。
1.1 控制器
虽然使用较为简单的模拟电路或数字逻辑电路也可以实现自动喷雾装置的控制, 但采用PLC作为控制器具有很高的可靠性和很好的灵活性, 通过修改程序可以实现不同的控制目的, 电路设计和参数修改都十分方便。自动喷雾装置一般选用小型PLC, 在煤矿井下使用的PLC, 应选用输入、输出端有光电隔离或继电器隔离电路的PLC, 有利于在井下恶劣环境稳定运行。多数PLC具有RS-232或RS-422/485通讯接口, 更有提供CAN接口的PLC, 为系统的网络控制提供了条件。
1.2 传感器
传感器的种类很多, 有机械式和电子式、接触式和非接触式多种。接触式传感器一般有微动开关、压力、振动传感器等, 非接触式传感器有光电开关、红外传感器、超声波运动传感器、霍尔、电容或电感式接近开关、雷达、麦克等。可以根据需要灵活选用。接近开关的检测距离一般为5~15mm, 属于非接触位置检测, 电感式接近开关使用较多, 霍尔开关为磁性接近开关, 必须在被检测物上安放磁铁。运动检测一般使用超声波运动传感器或微波传感器, 微波传感器检测距离5~7米, 实际应用中将灵敏度调至3米左右即可, 环形天线轴线对着被测物, 且避免紧靠大型金属构件;超声波传感器要避免正对风流方向使用。红外传感器可检测检测运动人体, 用于行人闭锁, 灵敏度调节到行人2米距离慢速行走出发即可, 如果灵敏度太高容易发生误判。此外, 振动传感器和压力传感器一般埋设在轨道下, 用于检测车辆。
1.3 执行机构
喷雾系统的执行原件一般为电动阀门。常用电动球阀和电磁阀。电动球阀使用低压直流电机经减速器驱动球阀开闭。优点是工作电压低, 易实现本安设计, 流量大。缺点是结构复杂, 动作速度慢, 控制复杂。电磁阀是由电磁铁直接驱动阀芯动作实现阀门开闭。优点是结构简单, 动作迅速可靠, 控制简单。缺点是电磁铁动作功率大, 不易实现本安设计, 流量较小。
1.4 电源
煤矿井下的低压电源一般为交流660伏或交流127伏, 而PLC一般使用交流220伏或直流24伏电源。使用交流电源的PLC内部的电源模块大多是开关电源, 可适用较宽的输入电压, 因此可以直接使用127伏交流电源;使用直流24伏电源的PLC就必须配备一块宽电源输入的AC/DC开关电源了。PLC的输入点一般使用直流24伏电源, 大多是传感器都需要低压直流电源, 因此系统必须有一个直流电源。由于煤矿井下电气设备要求防爆, 因此直流电源必须是本安 (本质安全型) 电源。本安电源的能量密度小于甲烷-空气混合气体的最小爆炸能量, 可以不使用防爆外壳, 因此使用本安电源和本安电路可以简化设计。
2 一种喷雾装置的电路设计
煤矿井下经常使用矿车运输原煤, 大多数煤矿使用抽出式通风。由于运煤列车迎风行使, 较大的相对风速吹起煤尘污染风流, 使运输沿线严重积尘, 对煤车洒水喷雾可有效抑制煤尘。
为了有效解决上述问题, 我们需要这样一台自动喷雾装置:1) 能检测车辆并对车辆实施喷雾, 车过即停。2) 能区分行人和车辆, 避免误喷行人。3) 正确判断车辆运行方向, 仅向重车喷雾, 空车不喷雾。4) 简单稳定可靠。
系统采用一款国产PLC为控制器, 该PLC输入电压AC85V~254V, 可以直接使用井下127V交流电源, 并自带5W/24V直流电源输出端口, 用于自身输入电路。所有I/O口内部均有光电隔离电路。
使用一只宽输入电源的开关电源为传感器提供12伏直流, 其输入端直接接入交流127伏。检测行人使用红外人体传感器, 此传感器通过检测人体体温下的20~30纳米红外线判断是否有行人通过;检测车辆使用雷达模块, 利用多普勒效应检测警戒区内的运动物体, 配合红外人体传感器即可区分车辆和人体。执行元件则使用电磁阀, 以提高响应速度。防爆电磁阀的电路元件用环氧树脂封固, 使用交流127伏电源, 结构简单, 动作灵敏可靠。
系统具有两种运行方式:重车 (方向) 触发喷雾和定时间歇喷雾。
重车喷雾方式仅对煤车喷雾。通过内部算法准确判车辆运行方向, 驶出采区石门的车辆判定为重车, 进行喷雾;驶入的车辆判定为空车, 不喷雾。采用连续运动检测, 从车头驶入喷雾区开始喷雾直到车尾驶出喷雾区停止喷雾。车辆静止停留在喷雾区不喷雾, 避免巷道积水。当行人接近喷雾区时, 红外传感器闭锁喷雾, 直到行人离开喷雾区, 避免淋湿行人。间歇喷雾方式为巷道捕尘用。通过拨码开关可以方便地设定间隔时间。 (程序略)
3 调试和使用
设备安装时, 在喷头下放置一辆矿车, 调节喷头喷雾扇面角度, 使喷雾范围恰好覆盖车辆。在喷雾点的前后各3米处设置两个雷达探头, 使天线轴线正对车辆运行方向。调节探头灵敏度, 使车辆以0.5米/秒的速度接近探头至1米处时, 探头可靠动作, 灵敏度太高时容易误动作。在喷雾点的前后各4米处设置两个人体红外探头, 使透镜轴线指向喷雾点外并与轨道平行, 红外探头检测到人员后, 闭锁喷雾10秒钟, 以便行人从容通过。此喷雾装置经使用判断车辆准确, 喷雾正确可靠, 在运输线布置3~5套后, 彻底解决了运输线积尘问题, 而其成本仅两千多元, 远低于市场同类产品价格, 而功能却更好。
自动喷雾系统可以安置在矿井的不同地方, 通过修改程序可以方便地实现各种功能, 如果选用具有通信功能的PLC, 还可以将井下多台装置组成网络, 由主控机集中控制。CAN总线已经被广泛应用于煤矿控制检测系统, 未来采用多种传感器和执行元件的自动喷雾系统, 将自动检测煤尘、湿度、风速、流量等各种参数并传送到调度室, 成为现代化矿井集散控制系统的一部分。
摘要：煤尘防治是煤矿“一通三防”的重要内容。喷雾洒水降尘广泛应用于煤矿开采的各个环节。随着自动控制技术的发展, 一种使用PLC的自动喷雾装置逐渐应用到各煤矿。本文先阐述了自动喷雾装置的各种设计要素及传感器的选用原则, 又介绍了一种自动喷雾装置在特定环境下的应用, 对自动喷雾系统的构建提出了一些看法。
关键词：煤矿防尘,自动喷雾
煤矿井下喷雾降尘机理的研究 篇2
工作面的粉尘, 是严重影响采煤工作开展的主要因素之一, 不仅会给采煤工作的安全生产带来极大的隐患, 也会使得相关工作人员在进行采煤作业时, 由于粉尘浓度较高而影响身心健康。
为了供应足够的能源维持社会的发展, 为了保证采煤工作的顺利开展, 也为采煤工作人员的身心健康, 如何减低煤矿井下的粉尘浓度, 成为一个迫切需要解决的重要问题, 而加深对于喷雾降尘机理的研究工作, 无疑是最好的解决方式之一。
本文将从分析煤矿井下粉尘产生的机理入手, 先研究常规喷雾降尘的机理和影响喷雾降尘效果的因素, 简述喷雾降尘系统的主要设施设备和参数, 并对提升喷雾降尘效果提出建议。
1 煤矿井下粉尘产生的机理分析
由于煤表面比较干燥, 细颗粒的煤炭之间的粘结力比较小, 在风吹等外力的作用下, 容易漂浮在空中, 从而形成粉尘。煤炭粉尘的影响因素较多, 煤炭的种类、含水量、颗粒大小及跌落的高度, 都会有比较大的影响, 一般情况下, 我们把煤炭粉尘产生分为两个大致的阶段:
1.1 煤炭粉尘的冲击阶段
当煤炭从高处跌落, 煤炭之间相互碰撞, 就会击碎一部分的煤炭, 成为细颗粒, 这些颗粒在煤矿井下的气流和自身湍流的作用之下, 就会慢慢漂浮在空中, 形成粉尘。
1.2 煤炭粉尘的扩散阶段
煤炭粉尘在形成之后就会开始扩散开来, 由于卷吸走了大量的空气, 导致煤炭粉尘在漂浮一段时间之后就会开始下降, 根据空气的浮力与阻力以及煤炭颗粒自身的重力大小不同, 沉降的速度也相应改变。
2 常规喷雾降尘机理研究和影响喷雾降尘效果的因素分析
2.1 常规喷雾降尘机理的研究
喷雾降尘的机理在一般情况下, 可以视为高压喷嘴喷出的液态雾粒与煤炭粉尘的固态颗粒相碰撞、结合、凝聚而发生沉降的现象, 主要可以分为三个方面:
2.1.1 凝聚作用, 即由喷嘴喷出的液压雾粒, 会与漂浮在空中的固态煤炭粉尘出现惰性凝结的现象, 从而形成湿润的尘粒, 使得自身的重力增加而沉降。
2.1.2 拦截捕尘的作用, 指的是煤炭颗粒在风等外力的作用下向水雾颗粒方向运动, 但煤炭颗粒到达水雾颗粒的时候, 就会环绕水雾颗粒运动, 而一些质量比较大的煤炭颗粒, 就会由于惯性而先行向水雾靠拢, 而其他的煤炭粉尘当于水雾颗粒的距离缩小到尘粒半径以内时, 也会使得煤炭粉尘附着在水雾颗粒上。
2.1.3 扩散捕集, 指的是一些细微煤炭粉尘, 一般是指粉尘颗粒直径小于0.5um的煤炭粉尘, 在布朗扩散作用下, 被水雾颗粒捕集而沉降。
2.2 影响喷雾降尘效果的因素分析
喷雾降尘的雾化喷嘴口径一般情况下, 是固定的, 而供水压力与喷雾降尘的喷水量有直接的关系, 从而对于水雾力度也有重要的影响作用, 根据相关的研究表明, 对于一般的喷嘴来说, 供水压力必须达到8MPa, 才能形成100um粒径的水雾, 这时, 粒径大于3um的粉尘的沉降效率高达百分之九十, 详见图1;而如果供水压力只有5MPa的话, 获得的水雾粒径为200um, 这时就算是粒径在5um以上的粉尘, 降尘率也只有百分之六十, 详见图2。
3 喷雾降尘系统的主要设施设备和参数
3.1 喷雾器
3.1.1 常用喷雾器, 包括水喷雾器和风水喷雾器两种:
(1) 水喷雾器是通过喷雾器旋流结构中高速旋转所产生的离心力, 将压力水在喷雾器的出口处碎裂开来分散成为水雾颗粒。 (2) 而风水喷雾器则是在喷雾器的出口处高速的喷射出压缩后的空气, 把压力水击碎成水雾颗粒, 一般射程能够达到十二米左右, 角度大致为十五度到二十度之间。
3.1.2 喷雾器的主要参数, 主要包含三个方面:
(1) 喷雾器的射程, 即水从喷雾器的喷口处碎裂为水雾颗粒之后直线运动的最远水平距离。 (2) 作用长度。由于水雾颗粒在喷射过程中受到重力的作用而呈现出抛物线的运动轨迹, 水雾颗粒的动能会逐渐减弱, 捕尘效果也会逐渐减弱。我们把水雾颗粒在喷雾器喷口出算起, 到水雾颗粒完成抛物线运动轨迹的最大水平距离称之为作用长度。 (3) 喷雾器的扩张角, 指的是喷雾器喷出的水雾颗粒向不同方向喷洒所形成的最大角度, 一般喷雾器的扩张角越大, 喷雾器喷洒水雾颗粒的范围也越大, 从而捕尘能力也越强。
3.2 喷嘴间距
喷嘴间距, 指的是两个喷嘴之间的距离, 一般而言, 喷嘴的间距越小, 同样水平的单位长度或单位面积所需要的喷嘴也越多从而水雾颗粒的捕尘能力也越强, 但是相应的, 工程投资也会比较大。就一般而言, 如果是实心锥形的喷雾喷嘴, 由于喷雾器的作用长度越远, 捕尘能力越低, 所以喷嘴的喷雾覆盖范围最好能够重叠三分之一到二分之一, 是一个比较合理的分布方法。
3.3 电磁阀
电磁阀, 指的是为了能够提高对于喷雾降尘系统的管理, 在喷雾系统的各主干管道安装的能够人工控制启停的装置。通过电磁阀的开关, 可以更方便的操作喷雾系统。
4 提升喷雾降尘效果的建议
随着煤矿的开采量越来越多, 煤炭粉尘也越来越多, 对于生产安全和煤炭开采工作的相关人员的身心健康的影响也越来越大, 为了降低煤矿井下的粉尘浓度, 必须提升喷雾降尘的效果, 笔者建议可以通过添加合适的湿润剂以提高喷雾降尘的效果。
根据研究表明, 在喷雾降尘系统中, 煤炭粉尘颗粒与煤炭粉尘颗粒之间、水雾颗粒与水雾颗粒之间以及煤炭粉尘颗粒与水雾颗粒之间都会在各种不同的作用力之下发生碰撞, 但是, 只有煤炭粉尘颗粒与水雾颗粒发生碰撞, 才会有明显的抑尘效果。而当煤炭粉尘颗粒与水雾颗粒发生碰撞时, 也会出现两种情况, 一种是水雾颗粒的表面张力很小, 那么碰撞之后的吸引力就会大于排斥力, 那么固态的煤炭粉尘颗粒就会被水雾颗粒所吞没, 这时, 如果水雾颗粒足够大, 那么煤炭粉尘颗粒就能够脱离空气而慢慢沉降;如果水雾颗粒小于煤炭粉尘颗粒, 那么包含该煤炭粉尘颗粒的水雾颗粒必须与其他的含尘颗粒或水雾颗粒相融合凝聚直到大于煤炭粉尘颗粒, 才能使得煤炭粉尘颗粒脱离空气而下降。而湿润剂, 又称湿展剂, 是一种能够让不溶于水或者不容易为水湿润的固体物品被水浸湿的化学药品, 它的主要作用是可以降低水的表面张力, 使得一些固体物质能够被水浸湿, 比较常用的湿润剂, 包括有洗衣粉、拉开粉、茶枯等。按照不同的离子类型, 又能够分为阳离子、阴离子、两性离子和非离子等。所以, 在煤矿井下的防尘用水中添加合适的湿润剂, 能够有效的降低水雾颗粒的表面张力, 从而大幅度提高水雾颗粒的捕尘能力, 减少防尘用水量, 也增加了附着在水雾颗粒的煤炭粉尘颗粒与喷雾嘴喷出的水雾颗粒的比表面积, 另一方面也会使得煤炭粉尘颗粒与水雾颗粒的凝聚能力大大提升, 从而使得喷雾降尘的效率大大提升。
摘要：随着我国社会主义经济的快速发展, 对于能源的需要也越来越大, 而煤矿能源目前还是我国社会使用的最主要能源之一, 所以, 这些年来, 煤矿的开采量也越来越多, 各种大功率的机械设备纷纷投入使用, 导致煤矿井下工作面的粉尘浓度也越来越高。而研究喷雾降尘机理, 是有效减少煤矿井下粉尘的重要手段, 必须引起高度重视。
关键词：煤矿,粉尘,喷雾降尘机理
参考文献
[1]黄俊.水射流除尘技术[M].西安:西安交通大学出版社, 1993.114~131.
[2]杨静, 谭允祯, 王振华等.煤尘表面特性及润湿机理的研究[J].煤炭学报, 2007, 32 (7) :737-740.
自动喷雾降尘 篇3
冀中能源邯矿集团郭二庄矿制修厂对井下运行的皮带机头“自动喷雾降尘装置”进行了改造,使该装置达到了喷雾均匀、自动关停、延长寿命的预期效果。该矿井下运行40多部不同型号的皮带输送机,喷雾装置被广泛应用。但由于种种原因,喷雾装置使用周期短,极易损坏,喷雾除尘效果不佳。该矿制修厂技术攻关小组利用旧支架上报废的单片控制阀控制水路,在皮带机减速箱的输出轴端安装了一个直径40mm的偏心轮,直接按压控制阀改造后的手柄,控制阀的阀芯在回程弹簧的作用下便可复位关闭。工作时,把一块长方形钢板焊接于卸载滚筒前方轴上,利用皮带上运载的煤炭卸载时,冲击长方形钢板带动轴和偏心轮,按压控制阀控制水路通断,实现了喷雾自动关停。
自动喷雾降尘 篇4
煤矿生产过程中会不可避免地产生大量的粉尘,煤尘威胁着矿井的安全生产,危害着煤矿工人的身体健康[1]。煤尘浓度高,易引发火灾和爆炸,严重的还可能摧毁设备,造成很大的经济损失。另外,小粒径颗粒煤尘长时间飘浮于巷道中,难以沉降下来,容易被呼吸进入体内;粒径越小的煤尘在人体呼吸道中的沉降部位越深,也意味着危害就越大,7μm以下的微细煤尘最容易进入身体的肺部[1]。
生产机械化程度的提高,使煤矿产量和生产效率都有很大提高,产尘量也有了明显增加。近年来,煤矿防尘技术也有了长足发展,新的技术主要有泡沫除尘[2]、声波雾化降尘[3]、磁化水降尘[4]、喷雾降尘[5]、煤层注水[6]、高压风屏蔽和个体防护[7]。其中喷雾降尘是简单、安全的降尘方法之一。
目前掘进机组上的内外喷雾系统仍不能使工作面的粉尘浓度达到国家标准的要求,尤其是高突矿井,问题更加严重。经过大量的走访和调查发现,现有掘进机组的内喷雾系统存在一些不可靠的因素,导致其不能正常使用。单一的外喷雾雾化效果不能满足降尘的需要,而外喷雾的流量过大,可能导致巷道严重积水,人员无法正常工作,机组停运,外喷雾的效果得不到正常发挥。外喷雾使用大量的喷嘴串联使得每个喷雾的压力下降,导致雾化效果变得很差。因此,需要研制一套新型可靠的喷雾降尘系统,增强喷雾的雾化效果,使工作面空气中的粉尘被充分的捕捉,提高生产效率。
本文设计了有2个喷嘴和1个旋转接头组成的自旋转喷雾系统。该系统由于喷嘴数目少、旋转扰动大、雾化范围广,相对于传统直排喷嘴要更加节约水资源。
1 自旋转喷雾降尘实验装置
为了测量自旋转喷雾降尘的性能参数,设计如下实验。测量不同压力下3种不同直径的喷嘴各自的喷雾情况,同时测量不同压力下自旋转系统的旋转转速。受实验器材的制约不直接测量雾滴直径,通过数值模拟给出。
实验室实验时,采用没有杂质的自来水,水量好控制,所以没有使用截止阀和过滤器。将水桶注满水,打开泵的电源,自旋转喷雾装置会由于反作用力的作用进行旋转。实验需要测定压力和转速之间的关系。
自旋转喷雾系统连接示意图如图1所示。实物图如图2所示。
2 系统的组成部分
2.1 自旋转喷雾主体(见图3)
本文设计了有2个喷嘴和1个旋转接头组成的自旋转喷雾系统。旋转接头的承压超过30MPa,实验需求不超过5MPa,完全可以适合本次实验。
自旋转系统的喷嘴在沿着喷雾方向的布置为:一个与喷雾方向成+θ交角,另一个为喷雾方向成-θ交角。当接上压力时,压力能的分量一部分提供旋转所需的动能,另一部分进行喷雾。由于旋转会产生离心力,喷雾的范围会得到增加。旋转接头到喷嘴弯头的连接管路有3种不同长度供实验研究。
2.2 喷嘴
本实验主要采用3种不同喷口直径的喷嘴,分别是0.79mm、1.2mm和2.38mm。压力喷嘴的几何参数主要有喷嘴的出口直径d,喷嘴的长度l,喷嘴长度和直径的比值l/d,喷头内部倒角半径r1和r2,喷嘴的收缩角α以及喷嘴的总长度L,内部导水旋芯的初始角为30°。喷嘴的几何参数和系统中的喷嘴如图4所示。实验测得结果如表1所示。
2.3 激光测速仪(见图5)
采用微型计算机技术、光电技术、抗干扰技术,实现非接触测量转速。该转速仪的测量范围在2.5～9999r/min,分辨率为0.1r/min,采样时间在0.8s以上,有效测量距离在50～200mm。
3 实验结果
取喷嘴直径为1.2mm的喷嘴,分别测得在喷嘴不同对称角度下(取3组分别为30°、45°、60°)随压力变化(取1.5MPa、3 MPa、4.5 MPa、5.5 MPa)的转速。转速如表2所示。
从表2分析得:转速随着压力的增加而增加,随着角度的增加而增加。当角度为30°的时候,主要还是喷雾方向为主;当角度为60°的时候,大部分能量用来提供旋转动能,喷雾不能汇聚呈发散状。所以选择对称中心角度为45°比较合适。转速越高,由于离心力的作用雾滴在空气中更加容易被撕扯破裂,雾滴直径会更小。
4 模拟分析
采用FLUENT 3D网格,k-ε湍流,非定常状态进行模拟。使用FLUENT中离散相模型(DPM)遵循欧拉-拉格朗日法。雾滴区域模拟煤矿巷道的尺寸,宽4m、高4.5m、弧顶半径为2.5m、长5m的网格。网格划分后总数为71118。虽然采用三维网格计算比较慢,但是三维计算出来的结果一目了然,可以清晰地反映出雾场的分布。网格划分如图6所示。喷雾的效果图如图7所示。
实验选用喷嘴直径为1.2mm的喷嘴,通过改变喷嘴前压力进行模拟分析,取1.5MPa、2.5MPa、4MPa 共3组压力进行模拟。喷雾的模拟需要设置自旋转喷雾喷嘴旋转时所经过的位置,同时设置好所在位置与喷雾方向的角度。
从模拟的结果来看,压力越大,雾化效果越明显,颗粒的分布更加扩散。
雾滴的SMD平均直径分布如图8所示。
雾滴SMD直径随着压力的增加逐渐减小,同时SMD直径随着的计算时间的增加而减小。压力增大雾化效果更好;计算时间越长,雾滴在空间和空气的两相作用就越激烈,雾滴不断的被空气撕裂和合并,最终雾滴逐渐减小。喷雾降尘的效率与雾滴直径并非为简单的线线关系,因雾滴在空气中会蒸发(据资料表明,10μm的水滴蒸发时间为4s左右,50μm的水滴蒸发时间为20s左右[8]),液滴越小,蒸发时间越短,相反,雾滴太大的话沉降就很快,射程比较短也不能很好地捕捉粉尘。一般认为雾滴直径在50～100μm降尘效果比较显著。
5 结论
本文给出了自旋转喷雾系统的实验分析和数值模拟,得出压力和转速之间的关系、雾滴SMD平均直径和雾场的分布图。在高压喷雾降尘过程中,雾滴是通过惯性碰撞、凝集、拦截捕尘、布朗扩散的综合作用来降尘的;自旋转喷雾系统由于旋转导致雾场范围扩大显著提高了雾滴对微细粉尘的捕集效率,因此显著提高对呼吸尘和全尘的沉降率。自旋转喷雾降尘系统结构简单,能够节约水资源,不需要额外的驱动,通过快速接头和井下供水管连接就可以旋转喷雾降尘,是喷雾降尘技术的一种新的尝试。
参考文献
[1]刘辉辉,邹伟,徐超.煤矿综采面喷雾降尘机理[J].山东煤炭科技,2010,(2):212-213.
[2]黄本斌,王德明,时国庆,等.泡沫除尘机理的理论研究[J].工业安全与环保,2008,34(5):13-15.
[3]李冠文,陈凡植,王军,等.超声波雾化除尘的可行性分析[J].工业安全与环保,2008,34(5):20-22.
[4]张大明,马云东.矿井粉尘污染防治新技术浅析[J].辽宁工程技术大学学报,2009,28(21):22-24.
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[7]郑祖根.综掘除尘装置的应用研究[J].中国新技术新产品,2010,(19):148-149.
自动喷雾降尘 篇5
随着煤矿开采强度和机械化水平的提高, 矿井作业场所的粉尘浓度也明显提高, 影响井下安全生产、危及煤矿工人的身体健康。兖州煤业股份有限公司东滩煤矿结合煤矿生产实际, 在煤矿综合防尘方面主要采取了架间自动喷雾、放煤自动喷雾、防尘净化水幕、采煤机内外喷雾等降尘措施, 在一定程度上有效降低了粉尘浓度。但在防尘设施使用过程中, 一般都是在粉尘浓度未实时检测的情况下操作使用, 带有很大的随机性。为了有效降低粉尘浓度, 更好地降低粉尘危害, 笔者结合现场实际, 开发了煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统, 取得了较好的降尘效果。
1 系统组成及功能
1.1 系统组成
煤矿粉尘在线监测及联动喷雾降尘系统的目的是实现粉尘浓度的实时监测, 并且与自动喷雾控制联动, 做到有效喷雾降尘。该系统由感测子系统、智能控制子系统、喷雾子系统、数据传输子系统、数据处理子系统组成。如图1所示, 由井下喷雾探头感应井下监测区域粉尘浓度, 在粉尘浓度超过预设的浓度值时, 自动开启喷雾装置进行喷雾降尘, 并由地面中心站显示结果且形成报表。
1.2 系统功能
(1) 井下粉尘浓度的自动监测与监控功能:
在产生粉尘的场所安装粉尘实时监测监控子系统, 能够自动监测粉尘浓度, 具备粉尘浓度超限报警功能。
(2) 喷雾装置自动控制功能:
设置粉尘监测浓度区间为0~200 mg/m3、传感器的测量误差≤±12%、粉尘报警浓度为10 mg/m3, 当粉尘浓度>10 mg/m3时自动喷雾, 直至降到报警浓度以下, 喷雾自动停止, 报警解除;报警浓度参数可根据实际情况进行修改。
(3) 地面监测及信息处理功能:
与KJ31N型安全监控系统联网, 在KJ31N型安全监控系统地面显示子系统中显示井下粉尘浓度的实时变化状况, 可进行历史数据存储查询、按要求生成报表和按阶段绘制曲线, 并能实现数据存储、打印功能。
(4) 故障自动提示报警功能:
如果粉尘浓度超限报警但自动喷雾阀门被关闭而没有实现喷雾时, 可向现场发出打开喷雾水阀的语音报警信号;系统出现故障时能够实现地面报警。
2 系统硬件设计
2.1 感测子系统
感测子系统采用的ZLCCD1000-FB本质安全型防爆粉尘传感器在井下应用中取得了良好的效果, 其安装如图2所示。
该传感器特点:
(1) 采样周期:保持1 min采样, 采用逐点推移加权平均显示的方法, 每间隔6 s采集1个粉尘浓度数据并连续输出。
(2) 传感器自校正:以标准采样器测定的现场浓度为标准参考值, 然后将传感器输出的数据与标准参考值进行对比和统计分析, 找出其基准偏差, 通过上位机处理数值后, 获得在采样周期内的校正值, 然后再通过上位机写入传感器, 从而减小了传感器采集的粉尘浓度与实际粉尘浓度的误差, 消除了环境变化对传感器的影响。
(3) 传感器数据输出:按数据读取要求发送数据, 每间隔6 s输出数据, 保证了粉尘传感器采集数据的及时准确。
(4) 采用防水、防潮的不锈钢制作, 便于安装;采用DC 12 V供电。
2.2 智能控制子系统
智能控制子系统采用先进的微控器技术, 将粉尘检测、红外探测、喷雾控制、灯光语音提示、数据传输、数据显示功能集于一体, 其结构如图1中虚线框所示。
2.2.1 系统功能
(1) 检测并显示1路粉尘信号;
(2) 可接2路红外探测器;
(3) 可控制2路电磁阀;
(4) 可接2路水流开关输入信号;
(5) 可输出1路200~1 000 Hz的粉尘浓度信号;
(6) 可输出6路开关量信号;
(7) 具有RS232、RS485、CAN总线接口, 可实现数据远传功能;
(8) 可作为煤矿安全监控系统的子系统运行, 将各种参数通过数据传输子系统传输到井上的监控主机, 也可脱离煤矿安全监控系统作为独立系统运行。
2.2.2 控制主板
控制主板主要由CPU、隔离器件、电源稳压电路、485/232电路、开关量输出电路等组成。
(1) CPU采用STC89C54RD+单片机模式, 超强的抗干扰和工业级设计完全适合在矿井环境下运行。
(2) 隔离器件:主要隔离器件为快速光电耦合器。电源隔离:电源直流到直流隔离 (DC-DC将CPU端电源与通信端、控制端电源隔离) ;信号隔离:将CPU端开关量信号、通信信号与控制端信号相隔离。
2.2.3 控制器
(1) 为使系统可在多种环境下应用, 控制器增加了232/485转换模块, 可实现1 200 m以内的较近距离的数据传输。
(2) 远距离数据传输采用CAN总线传输方式, 可实现10 km以内的数据传输。
(3) 为防止数据丢失, 单片机采集到的数据采用巡检/应答方式发送, 即只有上位机巡检到该控制器时, 控制器才将数据上传;
(4) 由于在试验过程中, 粉尘传感器的K值和b值要不断修改, 因此, 串口写入采用分时复用方式。
(5) 消除数据传输冗余的措施:传感器每6 s采集1个粉尘浓度数据, 但在实际环境变化不大的情况下, 经常出现前后数据一致的情况, 为减轻数据传输的负担, 当前后数据一致时, 数据不上传, 上位机仍显示上次数据;
(6) 控制器采用DC 12 V供电, 属本质安全型应用。2.2.4 灯光语音报警箱
灯光语音报警箱主要由语音控制主板、扩音喇叭、红绿LED点阵、外壳组成, 其外观如图3所示。
2.3 喷雾子系统
2.3.1 工作原理
当粉尘浓度超过预先设定的报警浓度值时, 控制器发出打开信号, 控制电源箱内的固态继电器打开, 从而控制喷雾电磁阀打开, 开始喷雾除尘;当粉尘浓度低于预先设定的报警浓度值时, 控制器发出关闭信号, 使电源箱内的固态继电器关闭, 停止喷雾除尘;当粉尘浓度超过预先设定的报警浓度值, 正在喷雾除尘时, 红外探测器探测到有人经过, 则控制器发出暂停信号, 使喷雾暂停20 s, 等过人信号停止后粉尘浓度仍然超过预先设定的报警浓度值时则继续喷雾。
2.3.2 系统组成
喷雾子系统主要由红外探测器、电磁阀、电源控制箱组成, 它不能独立工作, 必须与控制器、粉尘传感器配合使用。
(1) 红外探测器
红外探测器采用的是ZPC-G型喷雾降尘专用红外光控传感器。
红外探测器参数:工作电压为DC 8.5~9.5 V (本安) ;防爆标志为ExibI;工作电流<60 mA;最高输入电压Ui=9.5 V;最大输入电流Ii=550 mA;最大内部电感Li=0;最大内部电容Ci=52.7 μF;防爆合格证号为32007362;安全标志号为MFB070175。
红外探测器与控制器的接线如图4所示。
(2) 防爆电磁阀
防爆电磁阀选择的是通州市海阳煤矿安全设备厂生产的DFB8/4型矿用隔爆电磁阀, 用于打开和关闭煤矿井下防尘降尘的供水管路。
防爆电磁阀参数:工作电压为AC 127 V;功率消耗为30 W;水压范围为0.2~8.0 MPa;防爆合格证号为32007364;防爆标志为ExdI;安全标志号为MAJ070107。
(3) 电源控制箱
考虑到井下电网电压波动较大, 采用宽电压范围 (输入范围为AC 85~264 V, 输出为DC 12 V) 的开关电源, 其强劲的供电能力完全可以满足整个系统的用电需要, 又可以极大提高系统的性能稳定性, 并且开关电源发热极小, 有利于电源散热。
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路, 其原理框图如图5所示。
电源控制箱内安装有断路器、保险及用于控制电磁阀开关的固态继电器。当出现短路故障时, 断路器立即断开电路, 保护负载的安全, 它与保险构成整个系统的双层保护。
3 结语
煤矿粉尘在线监测及联动自动喷雾降尘控制系统在东滩煤矿已运行1年, 结果表明:
(1) ZLCCD1000-FB本质安全型防爆粉尘传感器能够实现井下连续实时粉尘浓度检测, 测量数据准确, 满足系统要求。
(2) 该系统能够准确可靠地获取传感器数据, 并能将上位机的控制指令发送到井下设备, 实现远程控制和智能化控制功能。
(3) 该系统可实时连续监测煤矿各尘源点的粉尘浓度。工作人员可实时掌握井下粉尘情况和喷雾情况, 随时查询粉尘浓度历史记录, 方便设置超限报警值和粉尘传感器的K值。
(4) 通过设置粉尘浓度报警值和上限喷雾值, 在降低粉尘浓度的同时, 可实现防尘设施的经济运行;在喷雾时可进行声光报警, 并且在人员通过时能暂停喷雾。
(5) 该系统在改善井下作业环境、降低巷道沉积煤尘的清扫强度等方面起到重要作用。
参考文献
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[3]王自亮.粉尘浓度传感器的研制和应用[J].工业安全与环保, 2006, 32 (4) :24-27.
[4]田国政.浅谈煤矿测尘技术[J].煤炭工程师, 1990 (2) :39-44.
自动喷雾降尘 篇6
1 尘雾耦合实验
1.1 实验用喷嘴的确定
选6种不同型号的喷嘴作为尘雾耦合实验所用喷嘴, 具体分类如表1所示:
1.2 实验装置的设计
实验装置主要由高压喷雾泵、封闭式试验箱、风机以及Winner312喷雾激光粒度仪四大部分构成。喷雾降尘实验模型示意图如图1所示。其中, 封闭式实验箱包括外形为四棱台的入风渐扩段和长、宽、高分别为3.0m、3.0m、2.5m的长方体实验段;风机选择了FZ4035-11/12 (s) 型轴流通风机。该实验模型的调风通过无极变频器来实现。
1.3 实验方案的确定
调整风机的转速, 保证封闭试验箱内风速与综掘工作面内风速接近并将高压喷雾泵的压力设置为煤矿井下综掘工作面的喷雾压力;首先, 只将喷雾打开且不起动发尘器通过Winner312喷雾激光粒度仪测定各个喷嘴的雾滴粒径并做记录, 进而启动发尘器并将粉尘量控制在250g/min左右, 通过Winner312喷雾激光粒度仪测定各个喷嘴在与粉尘耦合以后的尘雾粒径并做记录。
1.4 实验结果分析
(1) 与释放尘源前相比, 雾滴粒径的D10、D50、D90都出现了不同程度的增大, 增大率在7.4%~14.2%之间变化, 表明释放尘源后雾滴与尘粒碰撞、结合, 使雾滴出现不同程度增大。
(2) 可以近似认为释放尘源后, 雾滴与尘粒耦合后, 雾滴粒径的增加值约等于雾滴所捕获尘粒的粒径大小, 且随着雾滴粒径的增加, 其对应的捕获煤尘的粒径基本上呈现线性增加的趋势, 雾滴捕获的尘粒粒径主要分布在2.223μm~7.117μm之间, 与之对应的雾滴粒径在26.515μm~67.433μm之间, 且雾滴的平均增大率在9.0%~10.5%之间变化, 由此, 可以近似得出△D≈0.1·D无尘液滴, 即D尘≈0.1D雾。
2 3904综掘工作面粉尘微观性质测定
为了掌握白庄煤矿综掘工作面各生产工序粉尘粒度分布规律, 对白庄煤矿3904综掘工作面不同工序处设置采样点并对各生产工序产生粉尘的粒度进行测定分析。
2.1 粉尘采样点布置
3904综掘工作面现场的粉尘采样点的选定应以能代表工作面现场粉尘对人体健康的危害为原则。基于此, 结合国家标准, 确定390综掘工作面粉尘采样点的布置方法为:1#点在掘进头处, 2#点在司机处, 3#点在转载机下风侧, 4#点在伸缩皮带机下风侧处, 5#点在距掘进头100m处, 6#点在距掘进头200m处。
2.2 测试结果分析
利用Winner3001干粉粒度测试仪对现场采集的粉尘样品进行测试, 得到粉尘粒度分析报告:
2#地点 (司机处) 产生煤尘8μm频率分布为28.3%, 粒径≤8μm累计分布达到了54.6%。1#地点 (掘进面迎头) 与6#地点 (离掘进迎头200m左右) , 其颗粒粒径≤8μm累计分布虽然达到47.5%、40.8%, 但是其D50却为8.83μm和10.85μm, 也就是说这两个工序产生的颗粒粒径较大, 其颗粒粒径明显要大于其他生产工序。其余各生产工序产生的呼吸性粉尘比例也都在50%左右。可以说明回风巷中呼吸性粉尘所占的比例也是比较大。
3 喷雾降尘系统优化及现场应用
根据尘雾场耦合实验得知井下不同生产工序粉尘与其最佳捕尘雾滴粒径之间的定量数学关系为D雾滴=10D粉尘, 因此, 根据尘雾耦合实验的实验结果得知该掘进工作面掘进头处喷雾降尘应使用4#喷嘴进行喷雾, 转载机下风侧应使用6#喷嘴, 伸缩皮带机下风侧处应使用1#喷嘴进行喷雾。优化后的喷雾降尘系统在白庄煤矿3904综掘工作面进行现场应用, 现场应用前后各生产工序粉尘浓度测定结果如下:
掘进面迎头粉尘浓度由1077mg/m3下降到126.1mg/m3, 降尘率为88.3%;司机作业点粉尘浓度由323.3mg/m3下降到17.5mg/m3, 降尘率为94.6%;转载机尾处粉尘浓度由200.6mg/m3下降到12.6mg/m3, 降尘率为93.7%;除尘风机后粉尘浓度由275.4mg/m3下降到17.6mg/m3, 降尘率为93.6%。
综掘工作面各工序的平均粉尘降尘率为92.6%, 较使用现有降尘措施提高38.2%, 工作面的环境和劳动卫生条件得到了较大的改善。
摘要：针对综掘工作面喷雾降尘效果不佳的问题, 通过尘雾耦合实验得出了粉尘与其最佳捕尘雾滴粒径之间的定量数学关系为D雾滴=10D粉尘, 经现场应用, 降尘效果大大提高。
关键词：粉尘粒径,尘雾耦合,喷嘴优选,喷雾降尘优化
参考文献
自动喷雾降尘 篇7
掘进机喷雾系统是针对掘进工作面粉尘而设计的,这些粉尘分布在整个掘进工作面,加重机器损耗,模糊驾驶人员的视线,增加了井下作业的危险性[1]。当粉尘浓度超标时,还会发生爆炸事故,严重威胁着掘进工作的安全进行[2],因此研究掘进机喷雾系统对解决掘进工作面的粉尘问题,实现安全生产,保护人员健康、提高经济效益至关重要[3]。
喷雾系统采用内外喷雾联合使用的方式[4]。内喷雾系统是由截割头中的喷嘴对截齿进行近距离喷雾,主要用于降尘、冷却和消除摩擦而来的火花,虽能起到主要的降尘作用,但使用寿命短,喷嘴易堵塞,实际应用效果较差。外喷雾系统则利用在喷雾架中的喷嘴进行辅助降尘,降尘效果较差。故喷雾系统整体降尘效果并不理想,使掘进机整机效率、机器效能的发挥都受到了一定的影响。
相似理论研究的日趋成熟,在力学、化工学、空气动力学、采矿学等领域已被广泛使用。Zhang M,Vardcharragosad P,L.F A H.[5]应用相似理论分析早期瞬变气流;Holtslag M C等[6]用相似理论描述近海大气条件;Vlasov M N等[7]基于相似理论确定涡流扩散系数及其上限;张驰等[8]介绍相似理论中在时间上的意义,为相似理论在流体学和运动相似学中的应用打下良好基础;黄宸武[9]基于相似理论对风力机气动性能预测表达了观点,釆用相似理论的量纲和方程分析法推导出了风力机气动相似准则;杨瑞刚等[10]基于相似理论对大型桥式起重机结构安全评价进行了试验,得到了新的验证方法;韩彤[11]对输电塔结构进行实验推导出其相似准则与模型参数计算方法。
本文从喷雾系统参数对喷雾降尘效率影响方面入手,采用相似理论的新方法对纵轴式掘进机喷雾降尘系统参数的研究,以达到优化喷雾降尘系统的目的。
1 相似理论
相似理论是一种将某种现象的规律应用到与之相似现象上的学说,贝特朗、费捷尔曼、基尔皮契夫等人根据被研究对象与模型之间有物理相似的特点,先后推导出相似第一、第二、第三定理,发现并完善了相似理论,被广泛应用于建立模型试验、反映和研究真实物理样机的特性、建立功能样机等方面[12]。
相似准则是相似理论的核心内容,准确推导出相似准则是完成相似理论模型设计的前提,对其导出有相似转换法、因次分析法、矩阵法等方法。相似转换法需要所研究的问题能建立出完善的数学方程和给出具体的单值条件,而现实工作情况复杂多变,外界因素干扰众多使其有一定的局限性;因次分析法对需要赋值的未知数给出以不同的值就有不同的解,导致在令值时会有很大的盲目性,给问题的解决带来困难。矩阵法是在因次分析法的基础上利用矩阵式来求准则的方法,克服了前两种方法的弊端。故采用了矩阵法对喷雾降尘系统相似准则进行了导出,具体步骤如下:
1)列出影响系统的主要参数函数式。
2)写出π项式。
3)列因次量表。
4)列出各个参数所对应指数间的代数方程式。
5)列矩阵,按各参数指数间的代数方程式来求矩阵中各参数值,并填入矩阵表中。
6)按矩阵表写出准则。
量纲分析法建立在量纲齐次方程的基础上,对所研究对象进行分析,得出已知的物理量,并对相关物理量纲进行考察,可明确各参数之间的内在关系,掌握所研究对象的规律,用于解决相似准则求解问题。
2 喷雾系统参数相似优化设计
2.1 确定设计变量和性能参数
相似准则是相似模型设计的基本准则,运用量纲分析法求相似准则着重研究喷嘴的布置方式、数量、出口直径、雾化角度、喷雾作用区长度、压力、雾粒直径、速度以及浓度对降尘效率的影响[13],喷雾降尘系统参数优化设计所需的设计变量及掘进性能评价参数如表1所示。
2.2 相似准则的导出
喷雾降尘系统由影响其降尘效率的主要参数之间的关系式表示,其参数准则方程为:
从而可得π项式:
通过对参数变量和性能变量的量纲分析,确定质量(M)、时间(T)和长度(L)为3个基本量纲[14],即各主要参数可表示为MaLbTc,幂指数a、b、c称为量纲指数。为方便量纲和物理量的分析,相似模型采用质量纲系[MLT]来计算,由式(3)、(4)可列出喷雾降尘系统各物理量的质量纲系统矩阵,如表2所示。
由质量纲系统矩阵的量纲关系得出各参数间的指数方程式:
对质量纲系统矩阵进行分析,共有9个有关的物理参量,基本量有[M]、[L]和[T]3个,据π定理可知相似准则数为π=n-k=9-3=6个,其中喷嘴数量N、喷嘴布置方式P和喷嘴雾化角度与质量纲系无关,故可计算出3个相似准则,6个独立项式。
根据力量纲分析理论,列出π矩阵,如表3所示。由矩阵表3可以得出6个相似准则:
相似准则方程可以写成:
2.3 相似比的确定
通过相似准则得出相似判断条件,令P为原型,m为模型,根据式(6)得:
利用相似判定条件对各物理参量的相似比进行定义:
在喷雾降尘系统中,计算式都是在以D、F、v为基本参数的条件下进行的,所以利用D、F、v3个参数的相似比来表达其他设计变量的相似比[15],如λD=λF等,通过相似条件和式(6)~(9)可求得模型各相似比,如表4所示,此将用于参数相似优化设计中新模型变量值的确定。
2.4 相似模型参数建立
选用某型纵轴式掘进机喷雾降尘系统为研究对象,参照影响因素的分析,以相似模型具有实用性为原则,选取合理喷雾压力相似比为λF=1.333,喷嘴出口直径相似比为λD=0.751。在喷嘴雾化角度不变、数量固定、布置方式不变的情况下,利用仿真得到原系统与相似系统的平均雾粒速度,进而求得雾粒速度的相似比。同理可得雾粒直径、雾粒浓度、喷雾作用区长度的相似比,对表2中的相似比关系进行验证,即对相似理论参数优化设计方法进行验证。原系统与相似系统仿真参数设定如表5所示。
3 相似优化模型的仿真验证
3.1 模型建立与网格划分
喷嘴模型用pro/e建立后导入GAMBIT中进行网格划分[16]。用GAMBIT建立掘进巷道模型,对喷嘴模型在巷道中的位置进行确定后将两者导到一起。如图1所示,划分四面体网格,断面为梯形。
3.2 仿真应用数学模型及耦合求解过程
喷雾降尘是尘粒与液滴相撞得到的结果,当巷道通风后,就是流动的空气与液滴相撞形成了喷雾流场[17],假设将巷道里的气体视为连续相,液滴视为离散相,其耦合过程利用欧拉-拉格朗日模型中的离散相模型对连续和离散相相耦合模型进行计算,实现对喷雾系统的仿真。利用目前最为通用的欧拉-拉格朗日耦合算法,在欧拉坐标系下采用N-S方程描述气体介质的运动,采用拉格朗日离散液滴模型的方法描述喷雾液滴的运动[18]。
掘进机巷道的空气流动采用湍流流动数学模型进行计算仿真,其属于受限贴附射流,由射流区与回流区组成,RNGk-ε双方程模型计算仿真要比标准方程效果好[19],其所用控制方程计算公式如下:
1)连续性方程
式中:ρ为流体的密度,取空气密度为1.29;u1v1w为是微元体在坐标轴上的速度分量,设定入口速度为0.1;Sm为质量守恒的广义源项,对于连续性方程取为0。
2)N-S方程
式中:p为微元体所受压力,设定为标准大气压,101 325;μeff粘度系数,空气粘度系数为6.2;Su,Sv,Sw为动能守恒的广义源项,取为压力值在3个坐标轴上的分量。
3)RNGk-ε湍流模型双方程
式中:C1ε、C2ε为经验常数,取1.44和1.92;αk、αε分别为湍动能和耗散率对应的Prandtl数,取1.0和1.3。
离散相模型的运动轨迹是由拉格朗日参考坐标系下的离散相颗粒的运动方程积分得到的,由颗粒的自身惯性和其所受力的平衡得出颗粒在笛卡尔坐标系下x方向的运动方程为:
式中:vp为颗粒的速度,1.5;v为空气流的速度,0.1;gx为重力加速度在x轴上的分量,10;ρp为颗粒的密度,即为水的密度取1;ρ为空气流的密度,1.29;fx为其他作用力,取为自身重力;fD(v-vp)为单位颗粒质量受到的阻力。
式中:μ为连续相粘性系数,6.2;dP为颗粒的直径,100;Rep为相对颗粒雷诺数;CD为阻力系数,取为0.05。
颗粒主要受力就是连续相流体的阻力还有其自身的重力,其余作用在颗粒上的力一般可以忽略不计。
对于耦合求解过程,在连续相仿真计算迭代收敛后进行离散相的仿真计算,将耦合模型设定为相间耦合。对于连续相要使用稳定计算,离散相则采用非稳定计算。在FLUENT中利用DPM模型对两相相耦合的情况进行求解。
3.3 边界条件设定及初始条件选取
在FLUENT里对系统进行仿真计算,以巷道坐标系为基准,设定喷嘴位置,做相应的初始条件选取以及边界条件设置[20]。
1)连续相边界条件
进口边界条件设置为速度入口0.1 m/s,使其与巷道空气速度相差不大;出口边界条件设置为标准大气压;壁面边界条件设置为无滑移固体,而后以标准壁面函数法设定近壁面边界条件。
2)离散相边界条件
设定边界条件为“escape”;壁面设为“trap”,地面设为“reflect”。
3)雾化模型
雾化喷射模型采用压力旋流,介质为纯净水,设置射流正方向为z轴正向,单个喷嘴粒子数为15,喷嘴口径为1.5 mm,入口压力为3 MPa,流量为0.3 kg/s。
3.4 仿真结果分析与相似比关系验证
将设定好边界条件的模型进行迭代仿真直至收敛,得到喷雾降尘雾粒轨迹图以及雾粒直径、浓度和速度等,而后将数据导入Tecplot中,进行数据分析及后处理。以到喷嘴外界面1 m距离的截面上的雾粒为研究对象,对在原系统喷雾压力3 MPa,喷嘴出口直径1.5mm和相似系统喷雾压力为4 MPa,喷嘴出口直径1.125mm下该截面中的雾粒速度进行统计,得原系统与相似系统的速度相似比,整体雾粒的平均速度。统计对比如图2所示。
由图2(a)、(b)求得原系统与相似系统的速度平均值分别为1.41、1.854,得λv=1.315。可知在增大喷雾压力,减小喷嘴口径时,雾粒速度增加,随着喷雾压力的增加,粉尘微粒与雾粒的碰撞次数增加,使喷雾效率得以增加。
巷道的湿度直接由雾粒的浓度来反映,直接影响着喷雾降尘效率,针对雾粒的浓度分布情况,在仿真过程中获得了比较直观的浓度分布图,原喷雾系统与相似系统的浓度对比图如图3(a)、(b)所示。
图3(a)、(b)雾粒浓度的分布状况显示了粒子的运动轨迹,原系统与相似系统雾粒的平均浓度分别为4.87×10-2、6.65×10-2kg/m3,得浓度相似比为λp=1.366,而利用图3中相似比关系求得浓度相似比是λp=1.367,很好地验证了相似比关系的正确性,也说明了相似系统比之原系统喷雾粒子的浓度有明显的增大,喷雾效率有了明显的提高。
直径与作用区长度相似比的验证具有一定的相关性,利用距离喷嘴外边界一定距离某处截面的雾粒直径来分析,针对雾粒直径,以距离为1 m的截面的雾粒直径进行统计说明,统计结果对比图如图4。
由对比分析可求得原系统与相似系统1 m截面处的粒子平均直径分别为121.525、91.285μm,得直径相似比为λd=0.751 2,与λD几乎相等,进一步证明了相似比关系。由于雾粒直径是随着喷雾压力的增加而减小、喷嘴出口直径的减小而减小,最终结果粒子直径的减小说明喷雾效率的提升,体现了参数的优化效果。
作用区长度相似比的验证是一个双向的验证,由于作用区长度与出口直径的相似比相等,取原系统1 m与相似系统0.75 m处截面粒子直径大小进行统计,统计折线对比图如图5所示。
由图5可看出,两系统粒子直径几近相同,说明其起作用程度大体相同,此相似比关系正确。
4 结论
1)运用相似理论进行喷雾系统的设计提高了掘进机的喷雾效果,为掘进及其他设备喷雾系统的优化提供了全新的方法。
2)运用FLUENT仿真验证相似理论参数优化所得相似比关系,克服了传统方法计算难度、计算量大的缺点,并且从多因素入手,比传统的单因素仿真研究更全面。
摘要：以某型纵轴式掘进机的喷雾系统为工程对象,研究系统的关键技术参数,运用量纲分析法推导出系统的相似准则得到相似比关系构建相似优化数学模型,利用Pro/E、GAMBIT工具箱、FLUENT进行建模、系统网格划分及仿真至迭代收敛,得到相似优化设计前后喷雾系统的相关实验数据与图形,最后在Tecplot中实现数据的后处理。通过仿真分析,验证了基于相似参数优化设计的喷雾系统模型的可行性,为掘进机喷雾系统的参数优化提供了一个新的思路和方法。