一种风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种模拟实验装置，尤其涉及一种风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置。
背景技术
[0002] 近年来，随着我国
煤炭行业机械化程度的提高，采掘工作面高浓度粉尘问题越来越严重。据实测，在不采取任何防尘措施的情况下，综掘工作面迎头的粉尘浓度为1200～3 3
1500mg/m，个别高达3000mg/m左右；采煤工作面中，一般综采工作面的粉尘浓度可达
3
2500～3000mg/m，而且呼吸性粉尘在粉尘中的浓度接近40％。高浓度粉尘不仅会引发职业病，还可能导致引起矿井粉尘爆炸事故，严重影响着矿井的安全生产。
[0003] 目前，针对煤矿井下采掘工作面高浓度粉尘，常用的治理措施主要是喷雾除尘，喷雾除尘过程中雾滴颗粒的粒径大小和速度对喷雾除尘的效果影响显著。
[0004] 因此，加强对喷雾除尘过程中雾滴-粉尘颗粒耦合沉降规律研究，对增强喷雾除尘的除尘效率具有十分重要的意义。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是，提供一种风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置，以用于研究喷雾除尘过程中尘-雾颗粒耦合沉降规律，为喷雾除尘技术实施过程中
喷嘴选用、喷嘴排列方式以及喷雾压
力的确定等提供可靠的理论支持。
[0006] 本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是，一种风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置，其特征在于，包括发尘装置、巷道模拟装置、
通风装置、巷道环境测定装置、喷雾装置、激光雾滴粒径测定仪、实验废料处理装置和安装在装置外部的计算机；其中：
[0007] 所述发尘装置位于巷道模拟装置的入风口处，用于向巷道模拟装置中定量产生粉尘，为尘-雾颗粒耦合沉降实验提供粉尘，为该装置的尘源；
[0008] 所述巷道模拟装置为一两端开口的密封腔体，从左至右依次包括进风口、进风段、扩散段、稳定段、收缩段和出风口；
[0009] 所述进风口、进风段、扩散段、稳定段、收缩段和出风口的中心点位于同一
中轴线上；
[0010] 所述进风段的左侧为进风口，所述收缩段的右侧为出风口；
[0011] 所述扩散段呈喇叭形状，从左至右依次由细变粗；
[0012] 所述收缩段呈倒喇叭形状，从左至右依次由粗变细；
[0013] 所述稳定段从左至右粗细一致；
[0014] 所述发尘装置设置在所述巷道模拟装置的进风口外的一侧；
[0015] 所述出风口与抽吸风机连接，所述抽吸风机由一带
变频器的调速
电机驱动；
[0016] 所述稳定段的前后
侧壁上分别开设有第一透光孔和第二透光孔，所述第一透光孔的中心与前侧壁的底沿之间的距离为30cm，所述第二透光孔的中心与后侧壁的顶沿之间的距离为30cm；
[0017] 所述第一透光孔和第二透光孔处均分别安装有镜片，所述镜片与所述侧壁之间的接缝处密封；所述激光雾滴粒径测定仪的发生器和接收器分别设置在所述第一透光孔和第二透光孔外侧；
[0018] 所述激光雾滴粒径测定仪用于测量所述巷道模拟装置内部尘-雾颗粒的速度、粒度和浓度，并将检测到的数据传输至所述计算机，通过所述计算机得出粉尘与雾滴耦合过程中颗粒速度、粒度和浓度之间的关系；
[0019] 所述稳定段的底部安装有用于排除实验污
水的
排水管道；
[0020] 所述稳定段内顶壁沿纵向悬挂有一滑杆，所述滑杆位于所述中轴线的正上方，所述巷道环境测定装置悬挂在所述滑杆上；
[0021] 所述巷道环境测定装置包括风流速度测定仪、气压计和用于测定巷道模拟装置内粉尘浓度的PM 2.5粉尘
采样器；
[0022] 所述风流速度测定仪、气压计和粉尘采样器数量均为若干；
[0023] 所述滑杆上分别悬挂有三个可沿滑杆轴向滑动的网格状金属架，所述风流速度测定仪以均匀布置的方式固定在其中的一个网格状金属架上，所述气压计和PM 2.5粉尘采样器分别以均匀布置的方式固定在另外两个网格状金属架上；
[0024] 所述喷雾装置包括顺次连接的水箱、供水
泵和喷雾杆，所述喷雾杆上安装有若干数量的喷嘴；
[0025] 所述喷雾杆以可上下左右移动的方式安装在巷道模拟装置内部，并通
过喷嘴将供水泵供送的水以雾状形式喷出，在所述巷道模拟装置内部形成雾滴场；
[0026] 所述实验废料处理装置包括水雾处理装置和
废水净化装置；
[0027] 所述水雾处理装置包括一个除雾器，所述除雾器与所述抽吸风机的出风口连接，用于将所述抽吸风机抽出的水汽混合物进行除雾处理，并将除雾后的空气将通过风筒排到实验室外；
[0028] 所述废水净化装置通过排水管道与所述巷道模拟装置底壁处的排水管口连接，用于将所述巷道模拟装置内部的喷雾
凝结水中颗粒粒径大于1um的杂质全部净化处理后，排到实验室外。
[0029] 作为优选，上述巷道模拟装置长度为11m，其中，进风段长度为1m，与所述中轴线垂直 方向上的截面边长为1.5m；扩散段长度为3m，扩散段的扩散
角为14度；稳定段长度为6m，与所述中轴线垂直方向上的截面边长为3m；收缩段长度为1m，收缩角为51度；
[0030] 所述巷道模拟装置为
框架结构，其
支撑骨架材质为
钢，其余部分的材质为有机玻璃，所述有机玻璃的厚度为2～3cm。
[0031] 进一步优选，上述激光雾滴粒径测定仪可测量的最大喷雾场直径为4m，可测量的液滴粒径尺寸为0.5-2000μm，粒径测量准确度为0.5μm，速度测量范围为100-300m/s，准确度为1m/s；
[0032] 所述供水泵的额定工作压力为28Mpa；
[0033] 所述风流速度测定仪为
叶轮风流速度测定仪，其型号为AVM-01，可以测量的风速范围是0～10m/s；
[0034] 所述发尘装置为SAG420
气溶胶发生器，其产生的粉尘颗粒粒径范围为0～3
200μm；按粉尘
密度为1g/cm计，SAG420气溶胶发生器所产生的粉尘流量范围为0～12kg/h；
[0035] 所述抽吸风机为
轴流风机，其额定功率为15kw、额定流量为20m3/s；
[0036] 所述变频器为G/P型高性能通用矢量变频器，其额定
电压为380V，额定功率为75KW。
[0037] 进一步优选，上述进风段、扩散段、稳定段和收缩段在沿与所述中轴线垂直方向上的截面均为正方形；
[0038] 所述进风段的下方设置有进风段
支架，所述稳定段的下方设置有稳定段支架，所述进风段支架和稳定段支架均设置有用于高度调节的调节
螺栓；
[0039] 所述稳定段的前侧壁上还设置有一
人孔。
[0040] 进一步优选，上述风流速度测定仪、气压计和粉尘采样器的数量均为9个。
[0041] 进一步优选，上述风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置，还包括有三
脚架底座，所述发尘装置置于所述三脚架底座上。
[0042] 上述技术方案直接带来的技术效果是，一方面，发尘装置定量产生粉尘，抽吸风机可以保证巷道模拟装置内部具有一定风速，粉尘在风的作用下向巷道模拟装置内部扩散，喷嘴产生的雾滴与粉尘进行结合，由激光雾滴粒径测定仪和PM 2.5粉尘采样器可以测定出尘-雾颗粒粒径和浓度；
[0043] 另一方面，主要检测仪器：风流速度测定仪、气压计和用于测定巷道模拟装置内粉尘浓度的PM 2.5粉尘采样器数量均为若干；安装方式采用在滑杆上分别悬挂有三个可沿滑杆轴向滑动的网格状金属架，其中，风流速度测定仪以均匀布置的方式固定在其中的一个网格状金属架上，气压计和PM 2.5粉尘采样器分别以均匀布置的方式固定在另外两个网格状金属架上。采用这种结构形式，使得模拟实验装置在实验过程中，检测到的
基础数据全面、真实、可靠，确保了模拟实验结果的真实性和准确性。
[0044] 而且，喷雾杆以可上下左右移动的方式安装在巷道模拟装置内部，并通过喷嘴将供水泵供送的水以雾状形式喷出，在巷道模拟装置内部形成雾滴场；抽吸风机由一带变频器的调速电机驱动，通过变频器调节电机转速，进而调节风机输出功率的大小等系列技术手段的采用，使得整个模拟实验装置具有较高的“仿真度”；
[0045] 通过风速风量的灵活调节、喷雾杆
位置的自由移动，结合不同型号规格喷嘴的使用，使得本实用新型的模拟实验装置可以测定在不同风速下尘-雾颗粒耦合沉降规律，为喷雾降尘过程中喷嘴种类的优选、喷雾压力的确定以及研发喷雾设备、检测喷雾设备的降尘效果提供可靠的理论支持；
[0046] 再者，上述模拟实验装置结构紧凑、合理。实验过程中所产生的废水、
雾气等污染物可通过装置自身的净化、处理装置进行无害化处理，从而避免了环境污染。
[0047] 为更好地理解本实用新型，现就本实用新型的风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置的实验方法进行详细说明如下：
[0048] 上述风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0049] 第一步，启动抽吸风机，观测风流速度测定仪和气压计所采集到的数据，通过变频器调节抽吸风机的输出功率，直至在模拟实验装置内形成稳定的风流场；
[0050] 第二步，启动发尘装置，在气流的作用下向模拟实验装置内输送粉尘，并记录PM2.5粉尘采样器采集到粉尘浓度数据；
[0051] 第三步，调节喷雾杆方位，开启供水泵，在模拟实验装置内形成稳定的水雾；
[0052] 第四步，通过激光雾滴粒径测定仪将测量到的巷道模拟装置内部尘-雾颗粒的速度、粒度和浓度，并将数据传输至所述计算机，通过计算机得出粉尘与雾滴耦合过程中颗粒速度、粒度和浓度之间的关系；
[0053] 第五步，根据实验需要，适时调节抽吸风机输出功率、供水泵出口压力和喷雾杆方位，通过激光雾滴粒径测定仪和PM 2.5粉尘采样器分别测定不同情况下、不同测点处的雾滴粒径及雾滴速度以及通过雾滴场前后的粉尘浓度，并将数据传输至所述计算机，通过计算机得出粉尘与雾滴耦合过程中颗粒速度、粒度和浓度之间的关系，直至实验结束。
[0054] 上述风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置的实验方法，其实验操作简便、调节灵活。
[0055] 综上所述，本实用新型相对于
现有技术，具有模拟实验过程中仿真度高、实验结果准确、真实可靠，以及装置结构紧凑、实验操作简便、调节灵活等有益效果。
附图说明
[0056] 图1是本实用新型风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置的结构示意图。
[0057] 附图标记说明：1-发尘装置；2-进风口；3-进风段；4-扩散段；5-气压计；6-风流速度测 定仪；7-稳定段；8-喷雾杆；9-滑杆；10-PM 2.5粉尘采样器；11-收缩段；12-出风口；13-抽吸风机；14-除雾器；15-变频器；16-水质净化处理装置；17-人孔；18-激光雾滴粒径测定仪；19-计算机；20-供水泵；22-水箱；23-稳定段支架；24-进风段支架；25-底座螺栓；26-三脚架底座。
具体实施方式
[0058] 下面结合附图和
实施例，对本实用新型的风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置进行详细说明。
[0059] 如图1所示，本实用新型的风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置，巷道模拟装置主要包括进风段3、扩散段4、稳定段7和收缩段11，进风段3设有入风口2，收缩段7设有出风口12，在出风口12处安装抽吸风机13，保证巷道模拟装置内具有稳定的风流，利用气压计5、风流速度测定仪6、PM 2.5粉尘采样器10、PDI200MD激光雾滴粒径测定仪18对巷道模拟装置内部风流的气压、风速，粉尘及雾滴颗粒的粒径及浓度等参数进行测定。
[0060] 如图1所示，风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置中的巷道模拟装置前部为入风口2，入风口2处设有发尘装置1，后部出风口12处连接有抽吸风机13，中部开有激光通道并设有一道供试验人员出入的人孔17，巷道模拟装置内部设置有用于测定巷道模拟装置内风压、风速及粉尘浓度的气压计5、风流速度测定仪6以及PM 2.5粉尘采样器10以及用于排除巷道模拟装置内污水的排水管道。
[0061] 该模拟实验装置还包括用于保证巷道模拟装置内部风速的抽吸风机13，用于提供喷雾用水的水箱22及加压装置20。气压计5、风流速度测定仪6及PM 2.5粉尘采样器10按照一定断面布置方式及距离布置在巷道模拟装置内部；抽吸风机13安置在巷道模拟装置出风口12处；水箱22与加压装置20位于巷道模拟装置一侧；排水管道位于巷道模拟装置底部。由此可见，抽吸风机13产生的风流由入风口2进入，由出风口12排出，从而使巷道模拟装置内部产生稳定的风流，发尘装置1产生一定浓度的粉尘，粉尘随风流进入巷道模拟装置内部，与此同时，巷道模拟装置内部悬挂的喷雾杆8上的喷嘴向下方喷出水雾，雾滴与粉尘在风流场内耦合沉降，在此过程中气压计5、风流速度测定仪6、PM 2.5粉尘采样器10及激光雾滴粒径测定仪18会对巷道模拟装置内部风压、风速、粉尘浓度、雾滴粒径等参数进行测定，通过对这些参数进行统计分析，得出不同粒径粉尘对应的最佳沉降雾滴粒径，考察不同风速条件下喷嘴喷雾效果的差异性，试验不同类型的喷嘴对降尘效果的影响，为喷雾降尘过程中喷嘴种类的优选、喷雾压力的确定以及研发喷雾设备、检测喷雾设备的降尘效果提供可靠的技术支持。
[0062] 如图1所示，风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置中的巷道模拟装置设有入风口2和 出风口12，其中，入风口2处设置发尘装置1，出风口12连接抽吸风机13。
[0063] 巷道模拟装置的稳定段7内部设置有滑杆9、喷雾杆8、气压计5、风流速度测定仪6、PM 2.5粉尘采样器10，底部设置有可调式支架23。
[0064] 更进一步地，巷道模拟装置由厚度2～3cm的有机玻璃构成，内部用钢骨架做支撑，该装置从入风口2到出风口12依次分为进风段3、扩散段4、稳定段7和收缩段11，截面均为正方形。其中，进风段长为1m，边长为1.5m，扩散段长为3m，扩散角为14°，稳定段长为6m，边长为3m，收缩段长为1m，收缩角为51°。
[0065] 如图1所示，在稳定段7的前后侧壁上分别开设有第一透光孔和第二透光孔，所述第一透光孔的中心与前侧壁的底沿之间的距离为30cm，所述第二透光孔的中心与后侧壁的顶沿之间的距离为30cm；上述第一透光孔和第二透光孔中心点之间的连线即为激光雾滴粒径测定仪18的激光通路，激光雾滴粒径测定仪18的激光发射器和接受器分别对应安装在该激光通路的两端点位置处。
[0066] 更进一步地，在巷道模拟装置稳定段内部，距顶端0.2m延巷道模拟装置走向设置一条4-5m长的滑杆9，用来移动PM 2.5粉尘采样器10，其中，颗粒物采样器共有9个，按照上、下、左、右、中进行排列，周围四条边线上的采样器相互之间距离为0.5m，共8个，另外，在中间位置处再设置一个采样器，将其固定之后悬挂在滑杆9上用于测定巷道模拟装置稳定段内不同断面及同一断面不同位置的粉尘浓度，为尘-雾颗粒耦合沉降规律的确定提供支持。
[0067] 更进一步地，在巷道模拟装置稳定段的滑杆9上，还需安装气压计5和风流速度测定仪6，其中气压计5和风流速度测定仪6的个数及布置方式与PM 2.5粉尘采样器10相同，将其固定好后悬挂在滑杆9上，用于测定巷道模拟装置稳定段不同断面及同一断面不同位置的风压和风速，为不同风速条件下尘-雾颗粒耦合沉降规律的确定提供支持。
[0068] 更进一步地，在巷道模拟装置稳定段7内沿巷道模拟装置纵向距顶端0.2m处还需设置一道喷雾杆8，喷雾杆8的直径为5-10cm，喷雾杆8上安装3-5个喷嘴进行喷雾，喷雾杆能实现前后和上下移动，以便测定喷嘴在不同位置时的喷雾效果。
[0069] 更进一步地，在距离巷道模拟装置2m处设置加压装置即供水泵20，在供水泵20旁边放置一水箱22，供水泵20能提供的压力范围是0～28Mpa，水箱22是一个边长为1m的立方体水箱，用
铁皮制作而成，水箱22内的水被供水泵20加压后通过进水管进入喷雾杆8内，进水管连接流量-压力双用水表，为实现最佳喷雾效果优选不同大小水压做技术支持。
[0070] 更进一步地，在巷道模拟装置稳定段7底部每隔0.3m开一个半径为2cm的圆形圆孔共10个，使用
铆接将3-4m长的U型排水管道设置在巷道模拟装置稳定段底部，实验过程中产生的污水通过圆孔流入排水管道，并在排水管道后端连接废水管，将污水引入水质净化处理 装置16，对污水进行净化处理排放，避免造成环境污染。
[0071] 更进一步地，巷道模拟装置支架分为进风段支架24和稳定段支架23，其中，进风段支架24共1个，稳定段支架23共4个，均用铁板制成，进风段支架托盘为长方形，厚度为5cm，长度1.6m，宽度为0.5m，支架高度为85cm，支架底座安装螺栓25，可通过螺栓调节实验模型的高度，稳定段支架托盘厚度为5cm，长度为3.1m，宽度为0.5m，高度为10cm，安装螺栓，可通过螺栓调节实验模型的高度，通过调节支架底座螺栓，使巷道模拟装置呈3°-5°倾斜，便于巷道模拟装置内的污水流入排水管道。
[0072] 更进一步地，在巷道模拟装置收缩段11出风口12处设置抽吸风机13，并采用
密封胶对连接处进行密封，防止漏风。抽吸风机13连接变频器15，风机的转速可通过变频器3
15进行调节，抽吸风机13的风量范围是0-1200m/min，从而可以确定出不同风速条件下尘-雾颗粒耦合沉降规律。
[0073] 更进一步地，在巷道模拟装置稳定段7一侧开设一道倾斜的激光通路，激光通路两端分别距离巷道模拟装置底部和顶部0.3m，从而可以测定同一雾滴场内不同位置出的雾滴颗粒粒径，在巷道模拟装置稳定段7外侧安装激光雾滴粒径测定仪18用于测定巷道模拟装置内的雾滴粒径，激光雾滴粒径测定仪18用三角架进行支撑，三脚架高度可调节，从而可以测定不同位置处的雾滴粒径，为喷雾降尘规律的确定提供支持。
[0074] 为更好地理解本实用新型，现结合附图，对本实用新型的实验方法进行详细说明。
[0075] 如图1所示，本实用新型的的风流场下喷雾降尘规律的模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0076] 第一步，启动抽吸风机13，观测风流速度测定仪6和气压计5所采集到的数据，通过变频器15调节抽吸风机13的输出功率，直至在模拟实验装置内形成稳定的风流场；
[0077] 第二步，启动发尘装置1，在气流的作用下向模拟实验装置内输送粉尘，并记录PM2.5粉尘采样器10采集到粉尘浓度数据；
[0078] 第三步，调节喷雾杆8方位，开启供水泵20，在模拟实验装置内形成稳定的水雾；
[0079] 第四步，通过激光雾滴粒径测定仪18将测量到的巷道模拟装置内部尘-雾颗粒的速度、粒度和浓度，并将数据传输至所述计算机19，通过计算机19得出粉尘与雾滴耦合过程中颗粒速度、粒度和浓度之间的关系；
[0080] 第五步，根据实验需要，适时调节抽吸风机13输出功率、供水泵20出口压力和喷雾杆8方位，通过激光雾滴粒径测定仪18和PM 2.5粉尘采样器10分别测定不同情况下、不同测点处的雾滴粒径及雾滴速度以及通过雾滴场前后的粉尘浓度，并将数据传输至所述计算机19，通过计算机19得出粉尘与雾滴耦合过程中颗粒速度、粒度和浓度之间的关系，直至实验结束。
