新型负压集尘器降尘效果研究

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改进方案及其参数确定
综上分析， 针对现有负压集尘器存在的问题， 笔
者提出了一种四角旋流布置喷嘴的负压集尘器新型 B 剖面图分别如图 3 、 结构， 其结构简图及喷嘴处 B图 4 所示。
图3 图1 集尘器结构图
1． 集尘罩 2． 雾化喷嘴 3． 风筒 4． 引射流喷嘴 5． 钢丝网栅 6源自文库 脱水装置 7． 排气罩 8． 储浆筒 9． 排浆阀
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原有结构与改进的目标
现有的矿用负压集尘器由集尘罩 1 、 雾化喷嘴 2 、 风筒 3 、 引射流喷嘴 4 、 钢丝网栅 5 、 脱水装置 6 、 排气罩 7、 储浆筒 8 和排浆阀 9 组成， 其结构图如图 1 所示， 喷
* 国家自然科学基金资助项目 （ 59774033 ） ； 辽宁省第二批科学技术计划项目 （ 2008403010 ） ； 辽宁省安全生产监督管理局安全生产科技发展计 2009］ 88 号文） 划项目（ 辽安监规划［
Ｒesult research of dust fall under four corners of negative pressure dust collector
Li Xiaohuo， Dong Weisong， Yang Jie， Wang Jinxing， Zhou Yang （ College of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000 ， Liaoning， China）
设风筒直径为 D， 喷嘴伸入风筒长度为 l， 喷嘴 Z Y 向偏转角为 β， 向偏转角为 γ、 喷嘴扩散角为 α。 为 使雾滴充满风筒截面， 由图 4 并根据上述参数建立以 下几何关系：
分析式（ 3 ） 可知， 在粉尘浓度、 空间体积含水量等 因素确定的前提下， 雾滴与粉尘的相对速度及雾滴在 集尘空间的合 理 分 布 是 影 响 降 尘 效 果 的 重 要 因 素 。 因此， 改进型结构应以增加雾滴空间充满度及雾滴与 粉尘相对速度为目标。
D 2 ［4 ］
q0 =
kD0 2 槡 P × 10 － 3 60
（ 13 ）
：
3 2 πρD v d sin（ 2 γ） 24
M = 2 π r 2 ρ v2 d sin γ cos γ d r =
0 D 2
∫
（ 5）
将式（ 12 ） 代入式（ 13 ） ， 得到： 2 vd = k 槡 P × 10 2 （ 14 ） 3π 根据式（ 11 ） 可比较原结构布置方式与新型结构 布置方式集尘器的降尘效率。 当仅考虑惯性碰撞捕 B0 = 1 、 B = 1； 取 无 烟 煤 粉 尘 的 尘 粒 密 度 尘机理时，
试验研究
现代制造工程 （ Modern Manufacturing Engineering）
2014 年第 5 期
四角旋流布置的负压集尘器降尘效果研究
李晓豁， 董伟松， 杨杰， 王金兴， 周洋 （ 辽宁工程技术大学机械工程学院 ， 阜新 123000 ）
*
摘要： 为提高现有矿用负压集尘器的降尘效率 、 改善采掘工作面环境和安全状况 ， 针对该集尘器存在的问题 ， 提出一种 四角旋流布置喷嘴的负压集尘器 ， 分析确定了其喷嘴的布置参数 ， 对反映降尘效果的降尘效率 、 耗水量进行了计算分 析， 通过建立气液固三相湍流流动的 E / E / L 模型， 运用 CFD 软件对原结构及新型结构集尘器进行了模拟和比较分析 。 1 μm 以下粉尘的降尘效率 研究表明： 新型结构布置的集尘器对 2 μm 以上的粉尘降尘效率达 90% ， 比原集尘器提高 5% ， 为原结构的 1． 2 倍； 在降尘效率达 90% 时， 耗水量仍满足要求； 该集尘器雾滴与粉尘相对速度为原结构的1． 29 倍， 雾滴 空间充满度高、 射程大。 关键词： 集尘器； 四角旋流； 喷嘴； 降尘效果 中图分类号： TD402 文献标志码： A 文章编号： 1671 —3133 （ 2014 ） 05 —0010 —06
P × 102 /3πm / s， 运动速度 vd = 2k 槡 雾滴体积流量 Q = －3 3 2． 99 × 10 Pm / s。 采用原结构布置方式时， 雾滴与粉尘做水平并流 ［10 ］ 流动， 雾滴与粉尘相对速度 v 为 ： v = vd － vp = v px ， v dy 、 v py ， v dz 、 v pz 分别为雾滴、 Y、 Z 式中： v dx 、 粉尘在 X 、 向的运动速度。 代入数据， 得到原结构布置的降尘效率 η 为： η = 1 － exp （ vdx － vpx ） 槡
3 －5 ρ p = 600kg / m ， 气体动力黏度 μ g = 1． 79 × 10 Pa · s，
2 2 2 πρD v d cos γ K = 2 πrρv cos γdr = 4 0
∫
2 d
2
（ 6） （ 7）
4M Ω= DK 将式（ 5 ） 、 式（ 6 ） 代入式（ 7 ） ， 有： 4 Ω = tanγ 3
0
引言
工作面粉尘浓度 ， 改善工作面环境 ， 保障工作人员身 体健康与作业安全 ， 本文对负 压 集 尘 器 喷 嘴 的 布 置 方案进行改进 ， 提出了一种四 角 旋 流 布 置 喷 嘴 的 负 压集尘 器 的 新 型 结 构 ， 并对其降尘效果进行分析 研究 。
目前， 采掘工作面采用的负压集尘器具有结构简 单、 机械磨损小及能耗低等优点， 但由于该集尘器的 喷嘴布置与进风口同向， 存在降尘效率低、 耗水量大 ［12 ］ 等问题。国内外 普遍采用旋流喷嘴增加雾滴粉尘 间相对速度来提高降尘效率， 但由于受喷嘴雾化角度 限制， 雾滴不能覆盖集尘全空间， 因此需增加喷嘴个 数， 而喷嘴过多会造成耗水量增大， 增加过滤器负荷。 为进一步提高负压集尘器的降尘效率， 有效降低采掘
Abstract ： In order to raise the efficiency of mining negative pressure dust collector， improve the environment and safety of the exa four cornerssetting of nozzle for the dust collector was put forward， the parameters of nozzle arrangement was anatraction face， lysed， the efficiency of dust fall and consumption of water which reflect the effect of dust fall was calculated， the E / E / L model of turbulent flow for gasliquidsolid of the original and new structure was established and simulated by means of CFD software． The results show that the dust fall efficiency was up to 90% when dust particle size more than 2 μm for the new structure and 5% higher than that of the original dust collector， and which was 1． 2 times of the original structure when the dust particle size below new structure was also meet the requirement of water consumption when the dust fall efficiency up to 90% ； the 1 μm； meanwhile， droplets full of space， large range and which relative speed with dust was 1． 29 times of the original structure． Key words： dust collector； four corners cyclone； nozzle； dust fall result
图4 B 剖面图 集尘器喷嘴处 B-
（ 2） δ p = vη d cAqS / V 式中： δp 为原始粉尘量， 由雾滴与粉尘的相对速度 v、 孤立 、 c 、 A 、 雾滴的捕尘效率 ηd 粉尘浓度 风筒截面面积 空间体 积含水量 q、 雾滴截面积 S 和雾滴体积 V 等因素决定。 将式（ 2 ） 带入式（ 1 ） ， 得到： cv p A = v p A（ c － Δ c ） + vη d cAq S l V z （ 3）
［34 ］
图2
风筒截面微元体
， BB 剖面内喷嘴均匀切向布 当 Ω ＞ 0． 6 时， 11
2014 年第 5 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
vd 置， 设 r 为风筒内各层圆环半径， 取 ρ 为水的密度， 为雾滴运动速度， 则切向动量矩 M、 轴向动量 K 和旋 转强度 Ω 分别为
集尘器新型结构简图
1． 集尘罩 2． 雾化喷嘴 3． 风筒 4． 引射流喷嘴 5． 钢丝网栅 6． 脱水装置 7． 排气罩 8． 储浆筒 9． 排浆阀
为确定影响降尘效果因素， 取风筒截面微元体如图 2 所示， c 和 Δ c 分别为 设风筒截面面积为 A， 长度为 l z ， vp 为粉尘随空气的流动速度， 粉尘浓度及浓度降低量， δ p 为单位长度范围内单位时间的粉尘沉降量， 则在微元 体 Al z 内粉尘单位时间的质量平衡关系为： 原始粉尘 量 = 沉降后粉尘量 + 被沉降粉尘量， 其表达式为： cv p A = v p A（ c － Δ c ） + δ p l z （ 1）
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李晓豁， 等： 四角旋流布置的负压集尘器降尘效果研究
2014 年第 5 期
嘴射流方向与进风口同向布置， 压力水经喷嘴射流后 形成后腔负压， 将周围煤尘吸入与雾化水混合， 雾滴 与粉尘通过惯性碰撞及拦截作用完成降尘。 本文以 KCS250 型湿式负压集尘器为研究对象， 其雾化喷嘴为 PSA /1． 2 /45 型， 直径为 1． 2mm、 扩散角 α = 45° ± 8°； 供水压力为 1 ～ 10MPa （ 喷嘴有效射程 z ≥2m ） ； 平均降 尘效率 η≥89% 。
实验系数 k = 1． 4 （ 喷嘴直径为 1． 2mm ） ， 喷嘴有效 － 3． 606 － 0． 35lgP ［9 ］ m ， 射程 z = 2m， 雾滴粒径 D d = 10 风筒截
2 面积 A = 0． 75m ， 粉尘随空气流动速度 v p = 9m / s， 雾滴
［8 ］
（ 8）
由式（ 8） 可知， 当喷嘴 Z 向偏转角 γ ＞ 24° 时， Ω＞ 0． 6。考虑降尘效率， 喷嘴供水压力应大于 1MPa （ 否则 水雾颗粒较大， 颗粒间空隙大， 降尘效率低） ， 此时有效 ［ 5 ］ z 2m 。 射程 为 为保证雾滴均匀扩散及合理利用， 有 效射程应小于实际射程， 为此满足以下几何关系： z≤
(
D －l 2cosβ 2
D D －l l + ( 2cos β )槡 ( 2 )
2
)
2
+ l2 +
( )
D 2
2
－ lcosβ －
2
(
Dtanβ 2
) ≤cos α
2
2
－ lDcosβ （ 4）
以 PSA /1． 2 /45 型喷嘴为例， 其扩散角 α 为 45° ± 8° 。取风筒直径 D 为 1m， 喷嘴伸入风筒长度 l 为0． 1 m， 代入式（ 4 ） 得 β≤21． 4° 。 而随 β 值减小， 两对称布 置喷嘴射流重叠区域面积增大， 雾滴能量损失增大。 因此， 取 β = 21． 4° 。 采用新结构布置后， 雾滴将做旋转射流流动。 已 知旋转强度 Ω 是影响旋转射流流动结构的决定性因 素， 大小由切向动量矩和轴向动量的比值决定， 研究 表明