喷雾参数

喷雾参数（精选三篇）

喷雾参数 篇1

迄今为止,磷酸铵盐干粉灭火剂主要是通过粉碎的方法制得的。国外,Mitsui Toatsu Chemicals[2]用锤式粉碎机制备了粒径小于177μm的磷铵灭火粉,Chemguard Inc[3]用粉磨机制备了粒径不超过212μm的磷铵灭火粉,这两种灭火粉由于粒径较大,粉体的飘浮时间短,因而灭火性能差。国内,唐聪明等[4]使用超音速气流粉碎机制得平均粒径为7.28μm、比表面积为1.80m2/cm3超细磷酸铵盐灭火粉。张巍等[5]用粉碎的方法制得粒径分布为100～500nm的超微磷酸铵盐灭火粉。尽管上述灭火粉漂浮性好,但由于所制得的灭火粉粒径较小,加之形状为非球形,故流动性差,因而难于喷射,必须添加较多的惰性填料来提高其流动性。干粉灭火剂的生产通常是在粉碎后再添加硅油进行改性[6],粉碎和改性分两步进行,工艺复杂,生产时间较长。此外,在改性过程中由于粉体摩擦,包覆在粉体表面的硅油易于被剥落,导致改性包覆不完全。

喷雾干燥是19世纪后期获得工业化成功的干燥方法,在食品、化学药品、医药品、洗涤剂、化肥、合成树脂、陶瓷、染料、农药等方面得到广泛的应用。根据实验条件的不同,喷雾干燥所制得的粉体形貌分别为球形、实心、空心和多孔等。目前有关喷雾干燥法制备得到磷酸铵盐干粉灭火剂的报道较少。

本工作针对目前磷酸铵盐干粉灭火剂存在的问题,采用喷雾干燥法制备超细球形空心NH4H2PO4灭火粉,并在前驱体溶液中添加硅油乳液来进行原位改性。就制备参数对所制备的粉体的物相、形貌、堆积密度、接触角和活化指数等性能的影响进行了研究。

1 实验

1.1 实验装置

图1所示是喷雾干燥法制备超细球形空心NH4H2PO4灭火粉实验装置的示意图。实验装置主要由空压机、压力容器、雾化器、加热器、干燥塔、旋风分离器和引风机组成,其中干燥塔长2.3m,内径为0.6m。

1.2 前驱体溶液的配制及实验过程

将化学计量的NH4H2PO4 (分析纯,北京益利精细化学品有限公司)、FK-510拒水拒油剂(北京中纺化工有限公司)、CMC(化学纯,国药集团化学试剂有限公司)、含氢硅油乳液(北京石景山航苹有机硅厂)添加到一定量的去离子水中,加热、搅拌,制得前驱体溶液。然后将前驱体溶液经过雾化器雾化,雾滴进入干燥塔后,在热风中并流蒸发干燥制得粉体,由旋风分离器收集,尾气经引风机排出。

为了研究制备参数对颗粒性能的影响,将所要研究的参数进行变化,其他参数保持不变。在本工作所进行的实验中,FK-510拒水拒油剂浓度为5%(质量分数),雾化压力为0.5MPa,热风流量为70m3/h,进料量为3L/h,初始溶液温度为40℃。CMC的浓度和FK-510拒水拒油剂浓度是以实验中所用的去离子水的量为基准,而含氢硅油乳液的量以实验中所用NH4H2PO4的量为基准。

1.3 粉体的表征

采用扫描电镜(S-450)观测粉体的形貌;粉体的平均粒径和比表面积是通过激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)来分析;粉体的物相是通过X射线衍射分析仪(Rigaku Co. Model D/max-2200PC)来鉴定。粉体活化指数的测定方法:取一个200mL的烧杯,倒入150mL的蒸馏水,称取10g待测样品置于烧杯中,搅拌1min后静置5min,将水面漂浮的粉料烘干并称量。样品的活化指数H为:

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粉体水接触角采用压片法来测定,首先用SSP-10A液压式压片机(SHMADZU) 将样品压制成直径为10mm、表面光滑的圆形薄片,然后在JY-82接触角测定仪(河北承德实验机总厂)上测量水在压片上的接触角;堆积密度测试方法如下:①称取灭火粉试样35g,置于250mL具塞量筒中;②以2s一个周期的速度,上下颠倒量筒10个周期; ③将具塞量筒静置3min后,记录试样的体积V; ④重复测量3次,计算平均值。松装密度dsz按式(2)计算:

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2 结果与讨论

2.1 喷雾干燥法制备的粉体物相分析

因为NH4H2PO4是热敏性材料,在高温下易发生分解,生成氨气和磷酸。由于磷酸不能捕捉并终止燃烧反应产生的自由基,所以NH4H2PO4分解后制得的粉体不能用来灭火。故本工作研究干燥气体进口温度对喷雾干燥制得的粉体成分的影响。图2显示的是干燥气体进口温度分别为180,200℃和220℃的情况下制备的粉体的X射线衍射(XRD)图,其中CMC的浓度为0.5%(质量分数),含氢硅油乳液为9%(质量分数)。从图2可以看出,在三种干燥气体进口温度的情况下,X射线衍射图中18个特征峰的位置和相对强度次序与粉末衍射数据标准卡片中纯的NH4H2PO4特征峰的位置和相对强度次序相同,且没有其他杂质峰的出现,可以推定制得粉体的成分仍为NH4H2PO4,没有发生热分解。

2.2 CMC对喷雾干燥制备的粉体性能的影响

图3所示为不同CMC添加量的前躯体溶液制得的粉体的电镜照片,其中进口气体温度为220℃,含氢硅油乳液为9%。从图3a可以看出,在没有添加CMC的情况下,所制得的粉体为球形颗粒和非球形颗粒的混合体,球形颗粒的球形度稍差,空心颗粒较少。当CMC的添加量为0.5%和1.0%时,较之没有添加CMC的情况,颗粒的球形度较好,颗粒表面较光滑,空心颗粒明显增多。当CMC的添加量从0.0%增加到0.5%时,粉体的堆积密度从0.50g/mL下降到0.43g/mL。当CMC的添加量从0.5%增加到1.0%时,粉体的堆积密度从0.43g/mL下降到0.40g/mL。这说明随着CMC添加量的增加,所制得的粉体中空心颗粒增多。由于球形颗粒的接触是单点的,因而不易团聚。此外,球形颗粒流动性好,有利于灭火粉的喷射。由于在低雷诺数的情况下球形颗粒比非球形颗粒沉降速度小[7],空心颗粒比实心颗粒沉降速度小,从而使得球形空心的灭火粉能够飘浮较长的时间,所以在火焰熄灭之后,能够提供一个防止火焰复燃的环境。从以上分析中可以发现,CMC的添加量为0.5%和1.0%时制得的灭火粉有利于提高灭火粉的灭火性能。图3中破损的球形空心颗粒形成的机理可能是,在液滴进入干燥的热空气中后,颗粒表面的溶质随着水分的蒸发,结晶析出,在液滴的表面形成一层外壳。外壳的存在阻止水分的蒸发,而液滴表面的传热速率变化很小,结果使液滴温度迅速升高达到沸点,壳内水份快速汽化。由于外壳的孔隙率较低,水汽较难溢出,导致壳内内压增大,外壳开始膨胀变大。当外壳的局部部位不能承受内压时,外壳将破裂成多孔结构。

2.3 原位改性

由于磷酸铵盐灭火粉易于吸湿团聚,导致灭火粉灭火效能降低,故需进行疏水化处理。在干燥气体进口温度为220℃,CMC为0.5 %的情况下,通过在前躯体溶液中添加硅油乳液来进行原位改性以达到改变粉体润湿性的目的,其结果如表1所示。纯的NH4H2PO4粉与水的接触角为7°,活化指数为0 %。当硅油乳液的添加量为3%和9%时,粉体与水的接触角分别增加到 60°和67°,活化指数也增加为90%和93%,可以推断此时在颗粒的表面形成一层疏水层。当硅油乳液的添加量从9%增加到15%,粉体的接触角从67°降低到44°,与之对应的是,活化指数从93%减少到49%,疏水性能明显降低。通过以上分析,硅油乳液添加量为9%时制得颗粒不易吸水团聚,有利于提高灭火粉的灭火性能。

2.4 XPS分析

对不同硅油乳液添加量制得的NH4H2PO4粉进行XPS测试,结果如图4所示。从图4可以看出,在粉体的表面探测到C,F,O,P,Si,N等元素。根据XPS谱图中各元素峰的高度以及各元素的灵敏度因子,计算出不同硅油乳液添加量制得的颗粒表面元素的组成,结果如表2所示。因为实验的原料被均匀地混合在前躯体溶液中,因此可以认为初始时刻液滴中各溶质的浓度是均匀的[8]。通过化学计量,得出液滴表面各元素的含量,如表3所示。对比表2和表3,喷雾干燥制得颗粒的表面的Si元素的百分含量远高于液滴表面Si元素的百分含量,这表明在喷雾干燥过程中,硅油倾向于迁移到颗粒的表面,以降低颗粒的表面能。另外,还发现颗粒表面Si元素的百分含量越高,其疏水性越强,这已经被粉体的接触角和活化指数所证实。如果硅油混杂在所制备的颗粒中,则需要更多的硅油才能达到和传统表面改性相同的效果,这样导致一些硅油被浪费和制备成本的上升。硅油迁移到颗粒的表面则避免上述缺点的发生。

2.5 灭火性能比较

干粉灭火剂灭B类火性能的测试是在一个长、宽、高各为2m的封闭的灭火室里进行,灭火装置的喷射口安装在灭火室的侧壁上,距离地面1.5m。边长为120mm的燃料盘放在灭火室地面的正中,另两个直径为20mm的燃料筒放在灭火室的角落处,距壁面100mm。 汽油预燃30s后,用压力为0.6MPa氮气流将干粉灭火剂喷射到灭火室中。火焰熄灭的时间通过玻璃观察窗观测得到。首先选用一定量的灭火粉进行第一次灭火实验。此后,根据前一次灭火的情况增减灭火粉进行下一次灭火实验。如果前一次火焰熄灭,则减少灭火粉的量进行下一次实验。如果前一次火焰没有熄灭,则增加灭火粉的量进行下一次实验。当火焰的熄灭情况在某两临近的灭火剂量处发生改变时,以火焰熄灭的灭火剂量重复做三次实验,以三次灭火两次熄灭为标准确定该灭火剂量为灭火剂的临界灭火用量。

本工作选用了喷雾干燥制得的超细球形空心NH4H2PO4灭火粉(A)、上海埃波托斯消防装备有限公司生产的干粉灭火剂(B)和武汉绿色消防器材有限公司生产的超细干粉灭火剂(C)进行灭火性能比较。这三种灭火剂的性质列于表4中。在上述相同的灭火条件下进行灭火性能测试,其结果如表4所示。从表4中可以看出,喷雾干燥制得的干粉灭火剂的临界灭火用量为300g,且在10s内将火焰熄灭。其灭火效能为上海埃波托斯消防装备有限公司生产的干粉灭火剂的2.5倍,为武汉绿色消防器材有限公司生产的超细干粉灭火剂的3倍。这是由于在低雷诺数的情况下球形颗粒比非球形颗粒沉降速度小,空心颗粒比实心颗粒沉降速度小以及小颗粒沉降速度小等原因,使得喷雾干燥的超细球形空心的NH4H2PO4灭火粉喷射后能够飘浮较长的时间,提高其与火焰接触的机会和时间,这样较多的灭火粉被熔化、汽化和分解[9],从而充分发挥灭火粉吸热冷却和捕捉并终止更多燃烧反应产生自由基的作用,所以喷雾干燥制得的球形空心超细干粉灭火剂具有较高的灭火性能。

3 结论

(1)在干燥气体进口温度分别为180,200℃和220℃的情况下所制得的粉体主要成分为NH4H2PO4,没有发生热分解。

(2)在没有添加CMC的情况下,所制得的粉体中非球形颗粒较多。但当CMC的添加量分别为0.5%和1.0%时,所制得粉体的球形度好,颗粒表面较光滑,空心颗粒增多。

(3)原位改性的结果表明,硅油乳液添加量为3%和9%时,所制得的粉体的疏水性较好。XPS分析结果表明,颗粒的疏水性增加是干燥过程中硅油乳液迁移到颗粒的表面所致。

(4)灭火实验结果表明, 喷雾干燥制得的超细干粉灭火剂灭火时间仅为10s,临界灭火用量为300g,灭火效能是上海埃波托斯消防装备有限公司生产的干粉灭火剂的2.5倍,是武汉绿色消防器材有限公司生产的超细干粉灭火剂的3倍。

参考文献

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喷雾风扇选购技巧 喷雾风扇的原理 篇2

离心式喷雾降温风扇

离心式喷雾降温风扇是通过离心雾化盘的作用将水高速旋转，在离心力的作用下，水被雾化盘中的齿轮打散形成超细颗粒的水雾，在风机的作用下，水雾扩散到周围环境中，降低温度，减少粉尘，提高空气洁净度。由于这种喷雾降温风扇的水雾产生原理是利用离心力的方式，因此被称为离心式喷雾降温风扇。

喷雾降温风扇的作用

喷雾降温风扇在国外十分流行，广泛适用在室外各种场所和环境中，作为降温、降尘设备进行使用，例如户外的咖啡馆、餐厅，体育比赛场所、聚会、养殖场所等，由于室外开放式的环境无法使用空调设备降温，因此喷雾降温风扇被作为理想的替代产品，用来使用。

喷雾风扇的原理

目前市场上面的喷雾风扇，有：雾化风扇，水冷风扇，降温风扇，雾化冷却风扇，冷却风扇等多个不同的称呼;其喷雾风扇的造雾或者说是产生雾的方式主流有两种：一种是高压喷嘴式喷雾风扇，一种是离心式喷雾风扇。

A：高压喷嘴式喷雾风扇水在高压水泵的作用下，拥有几十公斤的压力，通过高压喷嘴产生微雾，雾滴直径小于10微米，因此蒸发表面积大大提高，微雾通过强力风扇吹出的气流，极大的提高了液体表面风速，加快了气体分子的扩散，因此水的蒸发量大大提高，水在蒸发过程中吸收热量，降低温度，同时可以提高空气相对湿度，减少粉尘，净化空气;这种风扇是通过高压利用喷嘴产生微雾，故称做高压喷嘴式喷雾风扇。

喷雾参数 篇3

关键词：液压支架,降尘效率,优化,多目标,量子遗传算法

0 引言

在综采工作面, 生产作业中会产生大量粉尘, 粉尘不断向四周扩散, 严重影响综采工作面的清晰度, 能够对机械设备造成腐蚀, 对人的身体健康造成伤害, 影响综采工作面的工作效率, 粉尘达到一定浓度甚至会引起爆炸造成人员的伤亡[1,2]。随着我国综采工作面设备制造能力的不断增强, 产尘量也将不断地增加, 因此研究进行高效率的喷雾降尘具有重要的意义。

目前综采工作面采用的喷雾降尘方式主要有采煤机内外喷雾降尘和液压支架喷雾降尘。采煤机喷雾降尘中, 粉尘浓度过大容易造成喷嘴堵塞, 大量粉尘溢出。而液压支架喷雾主要是采用高压喷雾的降尘方式, 分别在采煤机采煤过程中产尘的下风向和移架/放煤过程中产尘的下风向布置喷嘴进行喷雾降尘[3]。但液压支架高压喷雾的实际喷雾效果并不理想, 由于缺乏相关的理论依据, 喷嘴的布置, 选型等都没有相关的依据, 造成降尘效率低, 浪费水资源, 使综采面工作环境更加恶劣, 没有达到较好的降尘效果。所以, 本文将对液压支架喷雾降尘效率进行研究并进行参数的优化, 旨在提高喷雾的降尘效率, 为液压支架上喷嘴的布置, 选型和提高喷雾的降尘效率提供一定的理论依据。

1 数学模型的建立

综采工作面的液压支架降尘喷雾多采用高压喷雾, 喷雾降尘效率的数学公式[4,5,6]为:

式中, Ud为雾滴的运动速度, m/s;Ug为粉尘随空气的流动速度, m/s;n为喷嘴的个数;Q为单个喷嘴的耗水量, m3/s;x为喷嘴有效作用区的长度, m;Dc为雾滴粒径, m;A为捕集区雾流的截面积, m2;B0为截留和扩散作用的实验常数, 由实验确定;B为坎宁汉滑动修正系数;dp为粉尘粒径, m;ρp为尘粒的密度, kg/m3;ug为气体的动力粘度, Pa·s, 通常取1.8×10-5Pa·s。

液压支架的喷雾降尘系统是用来捕集采煤机喷雾降尘中飘逸出来的粉尘以及移架/放煤过程中产生的粉尘, 在喷雾过程中, 需要将采煤机割煤和移架/放煤的下风向粉尘飘逸的范围全部覆盖, 以免留有死角, 造成降尘效率降低。

现设定喷嘴的喷雾角度 (假定喷雾角度不变) 为α, 喷雾的距离为x, 喷嘴的雾化角度和覆盖面积如图1所示。喷嘴的个数为n, 喷雾范围达到的有效半径为r, 喷雾的面积为A, 喷嘴的分布情况影响着降尘的效率和耗水量, 经过大量的经验与实验得出, 喷雾的覆盖区域重叠在1/4左右效果最好, 所以本文取覆盖区域重叠为1/4, 喷雾设定面积如图2所示。关系式如下所示:

当恒压供水时, 喷雾的雾滴直径由公式[7]可得:

式中, Dc为雾滴的直径, um;K为比例系数, 取34530;d为喷嘴出口直径, mm;P为喷嘴的供水压力, kgf/cm2。

喷嘴直径一定时, 耗水量和供水压力的关系为[8]:

式中:k为流量系数, 对具体的喷嘴由实验确定, 一般取0.68~1.4;d为喷嘴出口直径, mm;P为供水压力, MPa。

雾流在有效作用区内雾粒速度可近似为雾粒在喷嘴出口时速度的一半, 即:

高压喷雾捕尘依据高速碰撞机理, 现取B0=1, B1=1, 经风速仪测量某矿的综采工作面的风速为0.78m/s, 所以粉尘随综采面空气的流动速度取Ug=0.8m/s。取粉尘的密度ρp=600kg/m3。经单位统一化简得出:

2 优化的数学模型

液压支架的喷雾降尘系统包括采煤机喷雾降尘, 移架/放煤喷雾降尘。喷雾降尘以达到最大降尘效率为目标, 所以把降尘效率作为目标函数。由公式 (7) 可知, 影响降尘效率的参数很多, 在采煤机喷雾降尘中, 取喷嘴到产尘点的距离, 喷嘴雾化角度, 喷雾的压力, 喷嘴个数, 喷嘴的直径作为设计变量, 所以设计变量X可表示为:

1) 喷嘴到产尘点距离约束:喷嘴与产尘点之间的距离有相关的要求, 如果喷嘴与产尘点之间的距离太近, 喷雾作用范围小, 降尘的距离短, 降尘不充分, 如果距离太远, 雾滴的范围就会比较稀疏, 雾滴的速度也会很低, 也达不到好的降尘效果。通常支架上喷嘴到产尘点的距离为2~3m, 即有

2) 喷嘴雾化角度约束:支架喷雾是对扩散到空间中的粉尘进行治理, 有较大的雾化角度, 雾滴的捕尘范围才能够更加的充分, 设定雾化角度为60~130°, 即

3) 压力约束:供水压力低, 喷雾范围, 雾化程度都会比较小, 供水压力太大, 喷雾相关零部件容易损坏, 设定高压喷雾的压力为8~13MPa, 即

4) 喷嘴个数的约束:喷嘴的个数少, 喷雾的范围小, 降尘不充分, 喷嘴的个数多, 耗水量比较大, 多余的水对于煤质还有一定的损害。对于采煤机运行时, 支架喷雾降尘的喷嘴一般设定在3~6个, 即有

5) 喷嘴的直径约束:综采工作面环境恶劣, 粉尘浓度比较高, 喷嘴直径太小容易造成喷嘴堵塞, 而喷嘴直径太大雾化效果不明显, 耗水量比较大, 通常喷嘴直径选择在0.8~1.25mm, 即

6) 喷嘴流量的约束:喷嘴流量的大小直接影响着喷雾的降尘效率, 通常高压喷雾降尘的流量为20~30L/min, 即

7) 喷雾颗粒的存活时间约束:雾粒的存活时间直接影响着降尘的效率, 存活时间为

式中:D为雾粒直径, um;K0为比例系数, 通常取0.15~0.2;P0为雾粒的蒸汽压力, mm Hg, 20°C时取20.18;P1为湿空气压力, mm Hg, 20°C时取17.54, 通常存活时间要大于7s才能保证雾粒有足够的时间与尘粒接触, 所以有

支架移架/放煤过程中进行喷雾降尘, 处于经济角度考虑, 不另外安装喷嘴进行降尘, 利用支架原有对采煤机移动过程中降尘的喷嘴进行喷雾降尘。喷嘴的直径, 取采煤机喷雾降尘中优化的结果, 所以支架移架/放煤过程中进行喷雾降尘的数学模型为:

支架移架/放煤过程中进行喷雾降尘的约束条件分别为: (1) 喷嘴雾化角度约束; (2) 压力约束; (3) 喷嘴个数的约束; (4) 喷嘴流量的约束; (5) 喷雾颗粒的存活时间约束, 相对应的约束范围都与上面的所设定的相同。

3 优化方法的确定

量子遗传算法是量子计算与遗传算法相结合而产生的, 其基本思想是模拟生物进化的优胜劣汰规则与染色体的交换机制, 通过选择、交叉、变异三种基本操作寻找最优个体。由于GA不受问题性质、优化准则等因素的限制, 具有很高的鲁棒性和广泛的适应性[9,10,11]。量子遗传算法的算法流程如下:

(1) 初始化种群Q (t0) , 随机生成n个以量子比特为编码的染色体;

(2) 对初始化种群Q (t0) 中的每个个体进行一次测量, 得到对应的确定解P (t0) ;

(3) 对各确定解做适应度评估;

(4) 记录最优个体和对应的适应度;

(5) 判断计算过程是否可以结束, 若满足结束条件则退出, 否则继续计算;

(6) 对初始化种群Q (t) 中的每个个体进行一次测量, 得到对应的确定解;

(7) 对各确定解进行适应度评估;

(8) 利用量子旋转门U (t) 对个体实施调整, 得到新的种群Q (t+1) ;

(9) 记录最优个体和对应的适应度;

(10) 将迭代次数t加1, 返回步骤 (5) 。

4 优化实例分析

1) 以某液压支架上的采煤机移动喷雾降尘系统作为优化对象, 其具体参数为:x=2.1m, α=60°, p=10MPa, n=3, d=1.2mm, dp=3um。利用MATLAB软件编写算法程序, 根据量子遗传算法对多目标函数进行优化求解。

2) 以某液压支架上的移架/放煤降尘喷雾系统作为优化对象, 其具体优化前参数与采煤机移动喷雾降尘相同为:x=2.1m, α=60°, p=10MPa, n=3, d=1.2mm, dp=5μm。其中, 喷嘴的直径按照采煤机移动喷雾降尘优化的结果。

由表1, 2可知, 参数优化后, 液压支架的采煤机移动喷雾降尘效率由原来的86.05%提高到97.29%, 液压支架上的移架/放煤喷雾降尘效率由原来的86.05%提高到97.52%。由于喷嘴到产尘点的距离减少, 喷嘴直径减小, 喷雾压力增加, 进而喷雾的雾化粒径减小, 雾滴粒数增加, 雾滴与粉尘碰撞的机率增加。雾化角度减小, 喷嘴个数增加, 使喷雾的覆盖范围更加充分, 防止留有死角和部分粉尘逸出, 提高了降尘效率。

5 结论

以液压支架喷雾降尘的降尘效率最高为优化设计目标, 利用量子遗传算法对喷嘴到产尘点距离, 雾化角度, 喷雾压力, 喷嘴个数, 喷嘴直径进行参数优化。优化结果表明:经过参数优化后, 液压支架的采煤机移动喷雾降尘效率增加了13.06%, 液压支架上的移架/放煤喷雾降尘效率增加了13.33%。

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