CC BY
207
ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY
®
i
A.A. Трубицын
д-р техн. наук, проф., заместитель директора по научной работе ООО «НИИГП»
А.А. Христофоров
ведущий конструктор ООО «Горный ЦОТ»
УДК 622.807.2
РАСПЫЛИВАНИЕ ЖИДКОСТИ ФОРСУНКАМИ
Рассмотрены принципиальные конструкции опытных образцов оросителей для системы пневмогидроорошения, приведены расчеты, результаты стендовых испытаний по определению основных геометрических параметров и характеристик факела орошения. Установлены зависимости для определения наиболее эффективного режима их работы.
Ключевые слова: РАЗРАБОТКА, АНАЛИЗ, СИСТЕМА АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ОБЕСПЫЛИВАНИЯ, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ПОВЫШЕНИЕ, ФАКЕЛ, ОРОСИТЕЛЬ, ФОРСУНКА, МОДЕЛИРОВАНИЕ, РАСПЫЛЕНИЕ, ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ, ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКОЕ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КОНСТРУКЦИИ, АКТИВНАЯ ЧАСТЬ, УГОЛ РАСПЫЛА, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, СКОРОСТЬ
Большой расход жидкости, требуемой для эффективного пылеподавления на горных машинах привел к созданию и освоению ряда способов интенсификации процесса улавливания и осаждения пыли, а так же мер по совершенствованию существующих способов: применения в качестве добавок к воде поверхностно-активных веществ; высоконапорного орошения; пневмогидроорошения; импульсного орошения; орошения омагниченной водой; орошения с использованием эжекторов, гидрореактивных подавителей, гидроакустических форсунок; пылеподавления пеной, паром.
По всем направлениям в течение длитель-
ного периода времени проводились научные изыскания, подробные исследования, работы по проектированию и изучению основных узлов и конструкций, многие из которых применялись на шахтах. Каждый способ имел свои преимущества и недостатки.
Например, достаточно широко и всесторонне был исследован гидроакустический способ осаждения пыли. Однако ввиду высокой интенсивности звуковых колебаний (до 140 дБ), а так же из-за конструктивных особенностей излучателя гидроакустический способ пылеподавления не может быть использован в оросительных устройствах очистных комбайнов [3].
58
Другим путем совершенствования способа орошения является электризация капель распыляемой жидкости. Капли получают электрический заряд при взаимодействии струи воды с заполяризованным диэлектриком, установленным на выходе из форсунки. Слабым местом этого метода является большая изменчивость эффективности захвата пыли в зависимости от скорости потока. Кроме того, данные, приводимые в литературе, весьма противоречивы, но сходятся в основном в том, что при высокой относительной влажности воздуха (более 85 %) происходит его ионизация, что уменьшает или уничтожает заряд капли. Поэтому в связи с узкой спецификацией своего применения (при малых относительных скоростях аэрозолей и небольшой влажности окружающей атмосферы) этот способ не нашел широкого применения [3].
В течение всего времени применения каждый метод проходил естественный процесс - технический сортинг, а именно отбор по следующим критериям: эффективность, простота конструкции, эксплуатации, легкость применения в условиях ограниченного пространства, минимизация энергозатрат для получения удовлетворительного результата.
Остальные методы по тем или иным причинам так же не нашли широкого распространения.
В результате такого отбора основным способом борьбы с пылью в очистных выработках при работе выемочных комбайнов в шахтах Кузбасса является гидравлическое распыление.
Распыливанием называют широко применяемый в современной промышленности и технике процесс дробления струи или пленки жидкости на большое число капель и распределение их в пространстве. Устройства, обеспечивающие дробление жидкости, называют распылителями, а поток капель - распылом. Сформировавшуюся систему капель жидкости, покинувшей распылитель, принято называть газожидкостным факелом или факелом распыла [1].
В литературных источниках исследователями приводятся различные классификации способов распыления жидкостей. Так, по классификации Л. А. Витмана, Б. Д. Кацнельсона и И. И. Палеева, основанной на принципе распыления жидкости, выделяют две большие группы способов: механические и пневматические.
Авторы настоящей статьи считают наиболее полной и развернутой классификацию Д. Г. Пажи и В. С. Галустова, в основу которой положены 10 способов распыливания жидкостей. Все они разнятся между собой конструкцией, слож-
ностью изготовления и эксплуатации, характером движения агента и распыливающей среды, энергией, которая требуется для получения устойчивого результата. Главным же и основным отличием является способ подвода энергии, расходуемой непосредственно на диспергирование.
Анализ данной классификации позволяет определить причину, по которой гидравлическое распыление стало основным методом пылепо-давления: этот способ является сравнительно простым и самым экономичным по потреблению энергии. Распад на капли происходит под действием силы нагнетания, однако создаваемый при этом распыл имеет довольно грубый и неоднородный состав, затруднены регулирование расхода при заданном качестве дробления [1]. Для достижения требуемых результатов необходимо создавать большее давление, которое влечет за собой увеличение расхода агента [3, 4, 5, 6].
В современных условиях, когда добыча угля доходит до 5 тысяч тонн в смену, при этом производительность комбайнов увеличена до колоссальных пределов, недостатки гидравлического распыления, как способа пылеподав-ления, уже переходят границу, при которой достоинства метода доминируют над негативными сторонами. Появляются проблемы, связанные с подтоплением выработки, нарушением санитарно-гигиенических условий труда работников шахты, повышением влажности готового продукта.
Из вышесказанного следует, что возникает острая необходимость применения нового, более рационального способа обеспыливания шахтной атмосферы, который будет наиболее экономичным для конкретных условий производства и требований к качеству и дисперсности готового продукта.
В литературных источниках приводятся данные, свидетельствующие о наличии наиболее подходящего способа, который можно использовать для замены существующего, -пневматического распыления. К его достоинствам относятся небольшая зависимость качества распыления от расхода жидкости, надежность при эксплуатации и простота изготовления, либо комбинированное распыление (пневмогидрав-лическое), которое позволяет получить распыл с дисперсными характеристиками, не уступающими полученным при пневматическом распы-ливании, но при значительно меньших затратах энергии [3, 4, 5].
Применение такой оросительной системы позволит повысить эффективность, улучшить
атмосферу забоя.
В настоящей статье приведены конкретные примеры конструкций оросителей такой системы и основные параметры их работы. При конструировании опытных образцов учитывались особенности среды и условия эксплуатации.
Конструкция
Распределение жидкости по сечению струи зависит как от условий взаимодействия летящих капель и окружающей газовой среды, так и от начальных условий истечения струи: составляющих скорости, физических свойств жидкости, геометрических размеров распылителя [2].
Изучение влияния давления, а также расхода воды и газа на основные характеристики производились на форсунках разной конструкции и типоразмеров.
В конструкции форсунок с конусным распылом использовалась классическая форма сопла - цилиндрическая.
На рисунке 1 представлены принципиальные конструкции опытных образцов. В общем случае конструктив форсунки состоит из корпуса (1) и сердечника (2). В зависимости от способа распыления по каналам, радиально расположенным в корпусе и по центру сердечника, подаётся сжатый газ или вода.
Блок форсунок для подачи воды и воздуха, состоящий из двух изолированных камер (рис. 2), является упрощенной конструкцией блока, описанного в более ранней публикации, равно как и блок управления [5]
Расчёт параметров
Для того чтобы, иметь наиболее полное представление о рабочих параметрах, на которых работают форсунки, рассчитаем количество сжатого воздуха м3/мин), которое может пройти через отверстие заданного сечения при давлении Р = 0,3 МПа. Общая формула для расчета количества воздуха проходящего через форсунку будет иметь вид:
С=СхАхРх
(к+1)
( кхМг \ х ( 2 Л(к-1) \ZxRxT/
где G - массовый расход газа, кг/с; С - поправочный коэффициент по пропускной способности сопла (если неизвестен, условно принимаем за 1);
А - площадь поперечного сечения сопла,
м2;
Р - абсолютное давление газа перед соплом, Па;
К - показатель адиабаты (для воздуха и
Рисунок 1 - Принципиальная конструкция форсунки: А, Б - пневмоорошение, В, Г, Д - пневмогидроо-рошениеД - корпус; 2 - сердечник
------ / 1 I (КОЮ ) у ПИП
-ф- -ф- -ф-
т-1 -1,4-,
А-А ( 1:2)
е
ши г 4 п
К—)
к 7,
Рисунок 2 - Блок форсунок
всех двухатомных газов к = 1,4);
Ыг - молекулярная масса, г/моль. Для сжатого воздуха = 28,98 г/моль;
2 - коэффициент сжимаемости при определенных давлении и температуре. Для сжатого воздуха принимаем за 1;
R - константа идеального газа, (Н м)/ (кмольК), R = 8314,5 (Н м)/(кмоль К);
Т - температура газа перед соплом, К.
Для форсунки с диаметром отверстия 5 мм и давлением газа Р = 0,3 МПа расход воздуха будет составлять:
С = 1 * (19,63 * 10"6) х (3 * 98066,5) х ( 1Л'28-98 ) х (^-У14"11 = 0,0138 кг/с.
4 ' 4 л| 41*8314.5*288,/ 41.4+1/
Теперь переведем массовый расход воздуха в объемный. Для этого полученное значение разделим на плотность воздуха. При температуре окружающей среды 15 °С она составляет 1,2250 кг/м3.
Q=G/p=0.0138/1.225=0.0113 м3/с.
Получаем Q = 0,68 м3/мин.
Для форсунки с диаметром отверстия 4,5
мм и давлением газа Р = 0,3 МПа расход воздуха будет составлять:
Получаем Q = 0,55 м3/мин. Для форсунки с диаметром отверстия 4 мм и давлением газа Р=0,3 МПа расход воздуха будет составлять:
0 = 1* (12,57 * Ю-6) х (3 * 98066,5) х ( 1'4'2898 ) х (—У14"1' = 0,0088 кг/с.
4 ' 4 ' ^ 41*8314.5*288/ VI.4+1/
00088 00?2 мз/с х 1.225 '
Получаем 0= 0,43 м3/мин. Для форсунки с диаметром отверстия 3,5 мм и давлением газа Р = 0,3 МПа расход воздуха будет составлять:
в = 1 * (9.62 * 10"6) X (3 * 98066,5) X ( м'28'98 ) х Г—V14"1' = 0.00674 кг/с.
4 ^ 4 V 41-8314.5*288/ 41.4+1/
0£0674 = м3
41 1.225 ' '
Получаем О = 0,33 м3/мин.
Стендовые испытания
Для установления фактических значений аэрогидродинамических характеристик экспериментальные исследования факела орошения форсунок пневматического и пневмогидравли-ческого способов обеспыливания проводились в экспериментальной лаборатории. Основной задачей стендовых испытаний являлось определение технических параметров опытных образцов форсунок для системы пневмогидроорошения. С целью определения влияния параметров сред на характеристики факела был собран стенд. Конструктивно стенд для испытаний представляет собой блок форсунок с блоком управления, а так же контрольно-измерительным оборудованием, необходимым для настройки параметров работы форсунок (рис. 3).
Определение основных характеристик факела орошения сводится к первоначальному измерению давления и расхода используемых сред, последующему определению оптимальных геометрических размеров и обработке данных измерений. В результате получают разного рода зависимости, по которым можно провести анализ работы форсунок и определить наиболее эффективные режимы работы.
Измерение скорости воздушного потока производилось прибором «Метеоскоп М».
Испытания по изучению основных параметров оросителей проводились следующим образом. В блок (7) монтируется форсунка конкретного вида и типоразмера. От компрессора (2) под необходимым давлением через блок управления подаётся сжатый воздух. В этот же момент по водяному каналу от насоса (1) подается вода. На блоке управления при помощи редуктора давления устанавливается необходимое для испытания давление сжатого воздуха. Затем с помощью аналогичного редуктора давления устанавливается такое давление воды, при котором форсунка создаёт минимальный, но устойчивый факел орошения. После установки требуемых параметров сред фиксируется расход жидкости и параметры факела орошения. После того, как данные занесены в таблицу, давление воды поднимается до ближайшего четного числа, и снова проводится измерение. Такой алгоритм повторяется до тех пор, пока разница между начальным давлением воды и конечными цифрами не составит одну атмосферу. После этого для воздуха выставляется следующее необходимое число, и измерения повторяются.
Необходимо отметить следующий существенный момент. Ввиду особенностей конструк-
ции форсунки и способа создания факела при повышении давления воды независимо от давления воздуха распыл факела превращается в струю жидкости, которая имеет достаточно большую активную часть. Однако, исходя из требований к степени дисперсии, которая подтверждается многими исследователями [3,6], авторами данной статьи струя воды не принимается за факел орошения и в результатах игнорируется. Замеры производили в соответствии с требованиями к величине капли от 10 до 200 мкм.
Полученные в ходе испытаний данные сведены в таблицы, проведен анализ работы по каждому образцу. Наиболее эффективным оросителем оказался образец В, представленный на рисунке 1.
Характеристики двухфазного газожидкостного потока, сформированного на выходе из распылителя, в значительной мере определяют протекающие в нём процессы.
На рисунках 4-9 показаны зависимости основных параметров образца: расход агента, л/ мин; активная часть факела, м; скорость потока сжатого воздуха, м/с; угол распыла, град.; степень дисперсии; степень распределения агента в факеле.
При работе форсунки в устойчивом режиме с минимальным расходом воды жидкость покидает сопло в виде мелкой фракции. С увеличением расхода жидкости увеличиваются размеры и вес капель, а значит, кинетическая энергия, в результате чего увеличивается длина активной части до максимума. При достижении определенного предела вес капли становится критическим, и сила, которая прикладывается для её истечения, недостаточной, происходит процесс уменьшение длины, сопровождаемый уменьшением угла раскрытия факела и изменением плотности частиц в облаке.
Как отмечалось ранее [3, 4, 5, 6], эффективность пылеподавления зависит от скорости движения капель жидкости в факеле, а механизм дробления жидкости, покинувшей распылитель - главным образом от формы вытекающей струи и соотношения скоростей струи и окружающего газа [1]. Для того чтобы иметь завершенное представление о зоне эффективного пыле-подавления, произведем измерение скорости истечения сжатого воздуха из сопла оросителя.
Затем с целью визуального исследования поведения потока сжатого воздуха в каналах форсунок смоделируем ситуацию в программном обеспечении Autodesk Simulation CFD.
На рисунках 10-12 показана картина течения сжатого воздуха в каналах пневогидравли-
Рисунок 3 - Принципиальная схема стенда для испытаний: расположение и подключение оборудования
5
в 3,8
г
ч
3
§
со
* 1.3
/ / 1
/ / / / 1 1
/ / /
Г 1 / / 1
* Рвозд=1 атм
* Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм
* Рвозд=4 атм Рвозд=5 атм
О 1,5 3 4,5 6
Рводы, атм
Рисунок 4 - Характер изменения расхода воды в зависимости от давления
63
ч \
Рвозд=1 атм Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм Рвозд=4 атм Рвозд=5 атм
1,3
2,5
Оводы, л/мин
3,8
Рисунок 5 - Характер изменения степени дисперсии факела распыла в зависимости от расхода воды
2,4
«
о ■ ■ £ « § 5 £ I
Я .0,
я Я Я
£
1,8
1,2
0,6
0
Рвозд=1 атм
* Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм
* Рвозд=4 атм -•- Рвозд=5 атм
0
1,3 2,5 3,8 5 Оводы, л/мин Рисунок 7 - Характер изменения длины активной части факела распыла в зависимости от расхода воды
18
& 15
к в
н
О. 11 я
У
ч ч
-
Рвозд=1 атм Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм Рвозд—4 атм Рвозд=5 атм
0
8 Н и я т
О Я Й
Н
а
я , я к я
а
1,3 2,5 3,8 5
Оводы, л/мин
Рисунок 6 - Характер изменения угла раскрытия факела форсунки в зависимости от расхода воды
2,4
1,8
1,2
0,6
0
/ У
А Д V
V
\
Рвозд=1 атм Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм Рвозд=4 атм Рвозд=5 атм
0
1,5
4,5
Рводы, атм
Рисунок 8 - Характер изменения длины активной части факела распыла в зависимости от давления воды
Рвозд=1 атм Рвозд=2 атм Рвозд=3 атм Рвозд=4 атм Рвозд=5 атм
0,8 1,5 2,3 3 Длина, м
Рисунок 9 - Характер изменения скорости потока воздуха в зависимости от давления воздуха
ческой форсунки, приведен график изменения скорости в каналах и общий вид факела орошения.
Результаты
На основании теоретических и лабораторных исследований разработаны конструкции форсунок, позволяющие получить требуемые степень дисперсности, активную часть факела и угол распыла. Проведены испытания, определены слабые и сильные стороны моделей, установлены основные характеристики.
Проведенная оценка результатов испытаний форсунок разной конструкции и принципа действия показала, что форсункам пневмоги-дрооршения для получения устойчивого результата с уверенным факелом и хорошей дисперсией требуется давление не менее трех атмосфер, в то время как форсункам пневмоорошения для достижения таких же результатов необходимо не менее пяти атмосфер.
Оптимальная степень дисперсности для форснуок пневмогидроршения в зависимости от размера выходного сопла достигается при следующих параметрах: давление воздуха от 4 до 2 атм, расход воды от 0,7 до 2,5 л/мин.
Полученные результаты позволяют утверждать, что форсунки пневмогидроорошения показывают более эффективный факел по сравнению с пневмоорошением.
64
Рисунок 10 - Скорость потока сжатого воздуха в каналах пневмогидравлической форсунки
Рисунок 11 - График скорости воздуха в каналах пневмогидравлической форсунки
Рисунок 12 - Общий вид факела орошения
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пажи, Д. Г. Основы техники распыливания жидкостей / Д. Г. Пажи, В. С. Галустов. - М. :Химия,
1984.
2. Витман, Л. А. Распыливание жидкости форсунками / Л. А. Витман, Б. Д. Кацнельсон, И. И. Па-леев. - Изд-во «ГЭИ», 1962.
3. Авраменко, С. М. Повышение эффективности пылеподавления при работе очитсных комбайнов на основе аэрогидродинамического обеспыливания : дис. ... канд. техн. наук: 05.26.01 / Авраменко Сергей Михайлович. - Кемерово, 1989. - 165 с.
4. Христофоров, А. А. Повышение эффективности и улучшение характеристик технологии пыле-подавления. Разработка системы пылеподавления с использованием энергии воздуха или газа / А. А. Христофоров, П. Ю. Филатов, С. В. Шатиров // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2013. - № 2-2. - С. 88-94.
5. Христофоров, А. А. Разработка системы пылеподавления на основе аэрогидродинамического сСпособа обеспылевания воздуха / А. А. Христофоров, П. Ю. Филатов, А. А. Малахов // Вестник Научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2014. - № 1. - С. 90-95.
6. Изыскать перспективные направления по созданию способов и средств прогнозирования, повышения эффективности управления газовыделением, борьбы с внезапными выбросами угля и газа и эндогенными пожарами : отчет о НИР / ВостНИИ; исполн. А. А. Мясников, И. Д. Мащенко, С. П. Казаков, В. П. Птицын [и др.]. - Кемерово, 1986. - 78 с.
7. Фукс, Н. А. Механика аэрозолей / Н. А. Фукс. - Москва, 1955.
SPRAYING THE LIQUID BY MEANS OF Трубицын Анатолий Александрович
NOZZLES e-mail: atrubitsyn@rambler.ru
A. A. Trubitsyn, A. A. Khristoforov, A. A.
Malakhov, A. O. Rebiatnikov Христофоров Александр Александрович
Fundamental design prototypes for a e-mail: knaz1984@gmail.com
pneumo-hydro spraying system are considered,
calculation results of bench tests to determine Малахов Андрей Андреевич
the basic geometric parameters and the basic e-mail: uz.malahov@gmail.com
characteristics of the irrigation torch are described.
The dependencies to determine the most efficient Ребятников Андрей Олегович
mode of their operation are found. e-mail: spamer_2005@inbox.ru
Key words: DEVELOPMENT, ANALYSIS,
AEROHYDRODYNAMICAL DEDUSTING
SYSTEM, DIAGRAM, EFFICIENCY, INCREASE,
TORCH SPRINKLER, NOZZLE, MODELING,
SPRAY, PNEUMATIC, HYDROPNEUMATIC,
SPECIFICATIONS, CONSTRUCTIONS, ACTIVE
PART, SPRAY ANGLE, EFFICIENCY, VELOCITY.
66
