CN106111362A - 一种超音速气雾化喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超音速气雾化喷头，包括外壳和装配于其中的内喷管，所述外壳设置有喷雾出口密封阶梯圆柱孔、进气孔压紧阶梯圆柱孔以及进水口，所述内喷管外壁面与外壳内壁面形成一个侧面开孔的内腔，进水口与所述内腔相通，所述内喷管设置有进气孔和喷雾出口，喷雾出口与拉瓦尔缩放管喉颈间的区域构成混合室，所述混合室侧壁开有液膜环缝，内腔与混合室通过液膜环缝连通。本发明超音速气雾化喷头利用高速气流以及激波雾化，提供一种节能节水，对水压要求一般，对管路要求一般，更容易形成细小水雾，弥漫效果良好，雾化效果和除尘效果好的喷头，且改善了湿法除尘造成的井下环境泥泞状况。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下沉降呼吸性粉尘颗粒的喷雾降尘领域，特别是涉及一种超音速气雾化喷头。
背景技术
粉尘是煤矿五大自然灾害之一。随着煤矿机械化自动化水平的不断提高，为煤矿带来巨大经济效益的同时，也带来了严重危害。粉尘浓度达到一定程度，极易产生粉尘爆炸，造成巨大的生命财产损失。另外，粉尘对人体健康危害极大，尤其是小粒径颗粒物。煤矿工人长期处于高浓度粉尘作业场所极易患上职业尘肺病。因此，研究并进一步解决长期存在的矿井粉尘污染问题，采取有效的防治粉尘措施，是煤矿安全生产的一项重要工作。
目前已知的除尘技术有文丘里除尘器、袋式除尘器、自激式湿式除尘器、静电除尘器和除尘风机式除尘器。这些设备体积大造价高，且都需有动力装置提供动力。由于煤矿井下空气中混合着大量易燃的煤粉颗粒和易燃易爆的瓦斯气体，这些动力装置不太适宜钻机孔口除尘。
当前煤矿井下除尘应用最多的，技术最成熟的是湿式除尘技术，湿式除尘的关键技术是喷头。经过多年现场使用经验，总结出一些煤矿井下除尘喷头的主要问题，如：煤矿井下多采用高压水雾化形成喷雾，消耗大量的能源，对供水管道的要求也较高；另外，对除尘用水的水质要求高，要进行严格过滤，否则喷孔容易堵死，影响喷雾效果，甚至不能工作；除尘的水雾不够细，雾滴直径大，雾化效果差，弥漫效果差；导致除尘过程中消耗大量的水，造成水资源浪费，还会造成巷道泥泞以及影响煤质。专利21310567927.9提出的也是一种气雾化喷雾喷头，首先透气小孔(234)过小且为普通圆柱孔，其雾化的气流速度不会很大，还会引起内部回流，而气液流量比以及气液相对速度差是影响气雾化效果的关键因素，直接决定着雾粒直径的大小；其次内芯侧壁的进水小孔(250)为圆孔，不利于液膜的展开；第三，喷孔盖体(30)阻碍了气雾的扩散，使得高速气雾很快衰减，降低了除尘距离和除尘过程中的雾滴、粉尘相对速度，使得雾滴的捕尘机率下降，最后，低速的气雾对喷头外围的含尘气流卷吸作用小，不利于连续高效的降尘过程。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种节能节水，对水压要求一般，对管路要求一般，更容易形成细小水雾，弥漫效果良好，雾化效果和除尘效果好，且改善了湿法除尘造成的井下环境泥泞状况的超音速气雾化喷头。
其技术方案如下。
一种超音速气雾化喷头，其特征在于：由外壳和装配于其中的内喷管组成，所述外壳设置有喷雾出口密封阶梯圆柱孔、进气孔压紧阶梯圆柱孔以及进水口，所述内喷管外壁面与外壳内壁面形成一个侧面开孔的内腔，进水口与所述内腔相通，所述内喷管设置有进气孔和喷雾出口，喷雾出口与拉瓦尔缩放管喉颈间的区域构成混合室，所述混合室侧壁开有液膜环缝，内腔与混合室通过液膜环缝连通。
所述的外壳由大圆柱筒、小圆柱筒、大孔径的阶梯圆环和小孔径的阶梯圆环组合而成；其中大圆柱筒与小圆柱筒组成一个直角三通，且小圆柱筒连接位置在大圆柱筒轴线1/4处，为进水管，进水管末端为进水口，通过进水孔安装内螺纹与井下除尘水管连接；大孔径阶梯圆环在远离小圆柱筒的一端与大圆柱筒连接，形成喷雾出口密封阶梯圆柱孔，它与内喷管的喷雾出口相配合，保证内腔的密封效果；小孔径的阶梯圆环在靠近小圆柱筒的一端与大圆柱筒连接，为进气孔压紧阶梯圆柱孔，内喷管进气端的小径圆管穿过该进气孔压紧阶梯圆柱孔，完成外壳与内喷管的装配。
所述的内喷管的内壁流道具有流线型，由拉瓦尔缩放管、大径圆管、凸台圆环和小径圆管组成；小圆管一端与拉瓦尔缩放管的收缩端连接，另一端与井下风压系统连接，为进气孔，其末端有一段进气端安装外螺纹；大径圆管与拉瓦尔缩放管的扩张端连接，为喷雾出口；拉瓦尔缩放管喉颈到喷雾出口间的腔体为混合室，混合室侧壁开有均匀分布、不连续的液膜环缝；大径圆管的末端与凸台圆环连接，组成一个凸缘；内喷管装配在外壳内部，由直径较小的小径圆管进气端穿过外壳，凸缘与喷雾出口密封阶梯圆柱孔的阶梯平台相配合，小径圆管穿过进气孔压紧阶梯圆柱孔；通过外进气端安装外螺纹与压紧螺母的配合达到喷头的外壳与内喷管的连接。压紧螺母与外壳产生挤压的预紧力，使得大密封圈、小密封圈正常工作，完成密封功能；压紧螺母与密封圈之间不是直接接触作用，而是通过2个滑动垫片作为中间防护垫片，保护密封圈不被压紧螺母磨损。
本技术方案是根据喷射器和喷雾形成机理，当喷头内腔的除尘水流在自身压力以及内喷管的负压抽吸下，挤压穿过液膜环缝，在内喷管的混合室内形成速度较低的液膜，而高压气流经过拉瓦尔缩放管喉颈加速到亚音速，然后在混合腔扩张段膨胀继续加速，形成超音速气流和负压，超音速气流冲击破碎低速液膜，液膜先被扯成索带状，然后断裂成无数小液滴分布在气流中。随着气流的继续膨胀和加速，喷管混合腔产生激波。液滴经过激波区域压力反复脉动，在高压区液滴被挤压，在低压区压力瞬间释放，使得液滴在内应力与表面张力的不平衡作用下“爆炸”，并且急剧变化的速度加剧了液滴形状的不稳定性，然后在气-液间悬殊的相对速度差下剪切破碎，完成二次雾化。在喷雾出口气流扰动作用下混合成均匀气雾，以高速喷射出来，在喷嘴出口会形成一个很强的卷吸区。并且，理论上雾滴速度越高，与尘粒的碰撞结合率越高，且工作距离越长，沉降效果越明显。高速气流有利于喷雾液滴的扩散，同时在喷嘴外部区域形成一个很大范围的负压区，使得粉尘颗粒持续被吸入喷雾区。
本发明的有益效果是，与现有技术相比，高速气流大大提高了气雾化原理喷头的雾化效率，额外产生的激波又增强了水雾的二次雾化，同时高出口流速有利于喷雾液滴的扩散，在喷嘴外部区域形成一个大范围的负压区，使得粉尘颗粒持续被吸入喷雾区。本发明超音速气雾化喷头，提供一种工作水压力小，对管路要求一般，降低能耗，对水质要求一般，更容易形成细小水雾，弥漫效果良好，雾化效果好和除尘效更果好。
附图说明
图1为本发明的结构剖视示意图；
图2为本发明的喷雾外壳结构剖面示意图；
图3为本发明实例1内喷管液膜环缝的位置分布和形状示意图——均匀分布；
图4为本发明实例1内喷管液膜环缝的位置分布和形状剖视示意图——均匀分布；
图5为本发明实例2内喷管液膜环缝的位置分布和形状示意图——螺旋顺次分布；
图6为本发明实例2内喷管液膜环缝的位置分布和形状剖视示意图——螺旋顺次分布；
图7为本发明实例3内喷管液膜环缝的位置分布和形状示意图——螺旋“八”字型分布；
图8为本发明实例3内喷管液膜环缝的位置分布和形状剖视示意图——螺旋“八”字型分布；
图中：1.外壳；2.内喷管；3.大密封圈；4.小密封圈；5.压紧螺母；6.滑动垫片；11.大圆柱筒；111.外壳内壁面；112.内腔；12.小圆柱筒；121.进水口；122.进水孔安装内螺纹；13.大孔径阶梯圆环；131.喷雾出口密封阶梯圆柱孔；14.小孔径阶梯圆环；141.进气孔压紧阶梯圆柱孔；21.拉瓦尔缩放管；211.内喷管外壁面；212.拉瓦尔缩放管喉颈；22.大径圆管；221.喷雾出口；222.液膜环缝；223.混合室；23.凸台圆环；24.小径圆管；241.进气孔；242.进气端安装外螺纹；
具体实施方式
为了使本发明所实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和图示，进一步阐述本发明。
如图1、图2所示，一种超音速气雾化喷头，其特征在于：由外壳(1)和装配于其中的内喷管(2)组成，所述外壳设置有喷雾出口密封阶梯圆柱孔(131)、进气孔压紧阶梯圆柱孔(141)以及进水口(121)，所述内喷管外壁面(211)与外壳内壁面(111)形成一个侧面开孔的内腔(112)，进水口(121)与所述内腔(112)相通，所述内喷管(2)设置有进气孔(241)和喷雾出口(221)，喷雾出口(221)与拉瓦尔缩放管喉颈(212)间的区域构成混合腔(223)，所述混合室(223)侧壁开有液膜环缝(222)，内室(112)与混合室(223)通过液膜环缝(222)连通。
如图1、图2所示，所述的外壳(1)由大圆柱筒(11)、小圆柱筒(12)、大孔径的阶梯圆环(13)和小孔径的阶梯圆环(14)组合而成；其中大圆柱筒(11)与小圆柱筒(12)组成一个直角三通，且小圆柱筒连接位置在大圆柱筒轴线1/4处，为进水管，进水管末端为进水口(121)，通过进水孔安装内螺纹(122)与井下除尘水管连接；大孔径阶梯圆环(13)在远离小圆柱筒(12)的一端与大圆柱筒(11)连接，形成喷雾出口密封阶梯圆柱孔(131)，它与内喷管(2)的喷雾出口(221)相配合，保证内腔(112)的密封效果；小孔径的阶梯圆环(14)在靠近小圆柱筒(12)的一端与大圆柱筒(11)连接，为进气孔压紧阶梯圆柱孔(141)，内喷管(2)进气端的小径圆管(24)穿过该进气孔压紧阶梯圆柱孔(141)，完成外壳(1)与内喷管(2)的装配。
如图1、图3、图4所示，所述的内喷管(2)的内壁流道具有流线型，由拉瓦尔缩放管(21)、大径圆管(22)、凸台圆环(23)和小径圆管(24)组成；小圆管(24)一端与拉瓦尔缩放管(21)的收缩端连接，另一端与井下风压系统连接，为进气孔(241)，其末端有一段进气端安装外螺纹(242)；大径圆管(22)与拉瓦尔缩放管(21)的扩张端连接，为喷雾出口(221)；拉瓦尔缩放管喉颈(212)到喷雾出口(221)间的腔体为混合室(223)，混合室(223)侧壁开有均匀分布、不连续的液膜环缝(222)；大径圆管(22)的末端与凸台圆环(23)连接，组成一个凸缘；内喷管(2)装配在外壳(1)内部，由直径较小的小径圆管(24)进气端穿过外壳(1)，凸缘与喷雾出口密封阶梯圆柱孔(131)的阶梯平台相配合，小径圆管(24)穿过进气孔压紧阶梯圆柱孔(141)；通过外进气端安装外螺纹(242)与压紧螺母(5)的配合达到喷头的外壳与内喷管的连接。压紧螺母(5)与外壳(1)产生挤压的预紧力，使得大密封圈(3)、小密封圈(4)正常工作，完成密封功能；压紧螺母(5)与密封圈(4)之间不是直接接触作用，而是通过2个滑动垫片(6)作为中间防护垫片，保护密封圈(4)不被压紧螺母(5)磨损。
内喷管针对不同的供气压力分为以下三种实例：
实例1：如图3、图4所示，当供气压力不高时，气流流速不足以达到超音速，或高亚音速时，适合采用采用第一种液膜环缝(222)均匀分布内喷管(2)，拉瓦尔缩放管喉颈(212)到喷雾出口(221)之间，开有密集液膜环缝(222)，液膜环缝(222)朝喷雾出口(221)方向开口，其中液膜环缝从拉瓦尔缩放管喉颈(212)到喷雾出口(221)分布有3层；第一层在拉瓦尔缩放管(21)缩放段均匀分布6个扁平小环缝，环缝与内喷管(2)的轴线夹角为45°；第二层同样在拉瓦尔缩放管(21)缩放段均匀分布6个扁平小孔，夹角为45°，但与第一层相比在周向上错开了60°；第三层在内喷管(2)的大径圆管(22)上均匀分布6个扁平小孔，夹角为45°，与第二层在周向错开60°。这样在工作时会形成3层水膜，其中45°角是为了增加水膜与高速气流的接触面积，增强剪切雾化效率；其中60°角是为了错开水膜，使水膜之间不会相互干扰，同时提高高速风流的利用率。
实例2：如图5、图6所示，当供给压力较高，气流流速能达到超音速，为第二种液膜环缝螺旋顺次分布内喷管(2)，在拉瓦尔缩放管喉颈(212)到喷雾出口(221)之间，开有液膜环缝(222)，其中液膜环缝(222)分布有2层；第一层在拉瓦尔缩放管(21)的扩张段均匀分布6条扁平环缝，呈螺旋线状分布，环缝与轴线夹角为90°；第二层在喷管出口圆柱段均匀分布6条扁平环缝，呈螺旋线状分布，螺旋线旋向相同，螺旋角根据工作风压确定，环缝与内喷管(2)的轴线夹角为90°，与第二层液膜环缝在周向错开60°；这样在工作时会形成2层水膜，其中90°角是为了增加液膜在超音速气流中的穿透深度；60°角是为了错开第一层、第二层水膜，使水膜之间不会相互干扰，同时提高对高速风流的利用率；螺旋线旋向相同，可以引导风流旋转喷出，旋转离心力增强剪切雾化效果，离心力也有利于提高雾滴的扩散角，使得喷雾面更广。
实例3：如图7、图8所示，当供气压力很高，气流流速能够达到高超音速，为第三种液膜环缝螺旋“八”字型分布，在拉瓦尔缩放管喉颈(212)到喷雾出口(221)之间，开有液膜环缝(222)，其中液膜环缝(222)分布有2层；第一层在拉瓦尔缩放管(21)的扩张段均匀分布6条扁平环缝，呈螺旋线状分布，环缝与轴线夹角为90°；第二层在喷管出口圆柱段均匀分布6条扁平环缝，呈相反方向螺旋线状分布，螺旋线旋向相反，环缝与轴线夹角为90°，与第二层液膜环缝在周向错开30°；这样在工作时会形成2层水膜，其中其中90°角是为了增加液膜在超音速气流中的穿透深度；30°角是为了错开第一层与第二层水膜，减小水膜之间的相互干扰，同时提高对高速风流的利用率；螺旋线旋向相反，可以增加风流的紊乱，使得液膜更加不稳定而破碎，同时提高了风流与第二层水膜的正面冲击角，增强雾化率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种超音速气雾化喷头，其特征在于：由外壳和装配于其中的内喷管组成，所述外壳设置有喷雾出口密封阶梯圆柱孔、进气孔压紧阶梯圆柱孔以及进水口，所述内喷管外壁面与外壳内壁面形成一个侧面开孔的内腔，进水口与所述内腔相通，所述内喷管设置有进气孔和喷雾出口，喷雾出口与拉瓦尔缩放管喉颈间的区域构成混合室，所述混合室侧壁开有液膜环缝，内腔与混合室通过液膜环缝连通。
2.根据权利要求1所述的一种超音速气雾化喷头，其特征在于：所述的外壳由大圆柱筒、小圆柱筒、大孔径的阶梯圆环和小孔径的阶梯圆环组合而成；其中大圆柱筒与小圆柱筒组成一个直角三通，且小圆柱筒连接位置在大圆柱筒轴线1/4处，为进水管，进水管末端为进水口，通过进水孔安装内螺纹与井下除尘水管连接；大孔径阶梯圆环在远离小圆柱筒的一端与大圆柱筒连接，形成喷雾出口密封阶梯圆柱孔，它与内喷管的喷雾出口相配合，保证内腔的密封效果；小孔径的阶梯圆环在靠近小圆柱筒的一端与大圆柱筒连接，为进气孔压紧阶梯圆柱孔，内喷管进气端的小径圆管穿过该进气孔压紧阶梯圆柱孔，完成外壳与内喷管的装配。
3.根据权利要求1所述的一种超音速气雾化喷头，其特征在于：所述的内喷管的内壁流道具有流线型，由拉瓦尔缩放管、大径圆管、凸台圆环和小径圆管组成；小圆管一端与拉瓦尔缩放管的收缩端连接，另一端与井下风压系统连接，为进气孔，其末端有一段进气端安装外螺纹；大径圆管与拉瓦尔缩放管的扩张端连接，为喷雾出口；拉瓦尔缩放管喉颈到喷雾出口间的腔体为混合室，混合室侧壁开有均匀分布、不连续的液膜环缝；大径圆管的末端与凸台圆环连接，组成一个凸缘；内喷管装配在外壳内部，由直径较小的小径圆管进气端穿过外壳，凸缘与喷雾出口密封阶梯圆柱孔的阶梯平台相配合，小径圆管穿过进气孔压紧阶梯圆柱孔；通过外进气端安装外螺纹与压紧螺母的配合达到喷头的外壳与内喷管的连接；压紧螺母与外壳产生挤压的预紧力，使得密大封圈、小密封圈正常工作，完成密封功能；压紧螺母与密封圈之间不是直接接触作用，而是通过2个滑动垫片作为中间防护垫片，保护密封圈不被压紧螺母磨损。
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