CN115581876A - 一种气液同轴射流式泡沫发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于煤矿采空区火灾治理的气液同轴射流式泡沫发生装置，该装置充分利用了气源和水源的驱动压力，摒除了发泡装置中的气液变向构件，大大降低了混合发泡过程的阻力损失，提高了装置的发泡性能，发泡倍数高、发泡量大、泡沫稳定性好。本发明装置包括进气管路、进液管路、气体均压腔室、分气整流孔盘、分散整流孔盘、进液管末端喷嘴、发泡网、发泡室、泡沫出口。气体从进气管路进入气体均压腔室，经过分气整流孔盘均匀供给气体，到达发泡室。泡沫混合液从分气整流孔盘中心内嵌有的进水管路流入，经过分散整流孔盘，从进液管末端喷头喷出，紊动射流运动至发泡网，同时与发泡室的气体充分混合发泡，从泡沫出口输出泡沫。

Description

一种气液同轴射流式泡沫发生装置

技术领域

本申请涉及压缩空气式泡沫制备领域，具体为一种气液同轴射流式泡沫发生装置。

背景技术

采空区煤自燃引起的矿井火灾是制约煤矿安全生产的重大自然灾害之一。采空区属于半开放空间，具有漏风通道多，热量易于积聚的特点，是发生煤炭自燃的主要场所。目前煤矿采用的灌浆灭火方式易向低位流淌，无法治理高位火灾；注惰气灭火方式降温效果差，且惰气易漏风逸散；注胶体灭火方式灌注量小、流动性较差、治理范围有限；上述灭火方式难以有效治理采空区煤自燃。泡沫灭火技术具有良好的高位堆积和渗流扩散特性，可以治理大面积采空区煤自燃及其隐蔽火源和高位煤自燃隐患点，被视为治理采空区有效的技术。泡沫发生器是产生泡沫的专用装置，决定着泡沫的性能与采空区煤自燃的治理效果。目前，国内外泡沫发生器种类繁多，按其发泡方式及原理，可分为网式、涡轮式、螺旋式、挡板式、充填介质式、同心管式和射流泵式几大类，涡轮式、螺旋式、充填介质式的内部结构复杂、阻力损失大；挡板式、同心管式结构相对简单，但产泡能力弱，阻力损失大、只能产生低倍数泡沫；射流泵式气液比低，发泡倍数小。网式发泡产生的泡沫流量大，发泡倍数高，扩散性与堆积性好。但现有网式发泡装置出口动量小，不能满足在长距离运输后仍具有较大出口动能的现场需求。保证良好发泡效果和泡沫发生装置较高的出口动能是开发气液两相发泡装置要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本申请的目的是提供一种气液同轴射流式泡沫发生装置，不仅可以进行倍数高、成泡率高的发泡，而且发泡过程阻力损失小，泡沫喷射动力大，产生的泡沫均匀稳定。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

本申请提供一种气液同轴射流式泡沫发生装置，包括均匀进气结构和射流发泡结构；

所述均匀进气结构，用于将到达发泡室的气体分布均匀，包括进气管路、气体均压腔室、分气整流孔盘三部分，所述进气管路与气体均压腔室直接相连，气体均压腔室与分气整流孔盘直接相连；

所述分气整流孔盘中心存在一个空心圆孔，其内嵌有进液管路，并与之紧密贴合，进液管路末端喷头位于其末端，渐缩扩散段初始位置与分气整流孔盘外端截面齐平，即与分气整流孔盘靠近发泡室的一侧端面齐平。分气整流孔盘在其渐缩结构附近，其孔盘分布具有气量适应性，距离进气管路近的，孔径较小，呈发散状孔径分布。孔径范围为15-18mm，保证通过均匀进气结构后到达发泡室的气体速度气量相一致。

所述分散整流孔盘位于进液管路的内部，厚度为3-5mm、直径为5-7mm，孔与孔圆心之间的距离为7-9mm。

所述发泡网位于发泡室内部，第一层发泡网距离进液管末端喷头为250mm-350mm之间，使从喷嘴出口轴线方向由内向外呈圆锥状扩散的液相射流在腔体内达到最大横截面积时与第一层发泡网位置保持一致；发泡网之间的距离为20-40mm。

发泡网材质可为金属、不锈钢或棉纤网、尼龙网覆盖在其网面。发泡网的形状可为平面与平面、平面与曲面的结合，使用曲面发泡网应置于最外层，根据使用动力的需求，添加或降低发泡网的数量，但最低不应低于2层，保证发泡效果。发泡网的直径宜在0.25mm-0.425mm之间。

进液管末端喷头的渐缩角为30-45°，将压力转化为液体的动能，增大发泡液的出口动能，角度太大提升效果差，太小阻力损失大，并且喷射后射流过于集中，不利于后续发泡。

进气管路与进液管路相邻，进液管路位于气液同轴射流式泡沫发生装置的轴线上。

发泡室为圆柱体，直径为200-250mm，长度在500-600mm之间，采用法兰与进气均匀结构、泡沫出口连接。

泡沫出口，采用法兰与发泡室连接，为渐缩状，渐缩角在40-45°之间。

发泡过程对水压和气源压力的损耗较小，能够以最小的阻力损失完成较好的产泡过程；在泡沫运输的过程气体、泡沫液和泡沫与管路之间会持续不断的发生碰撞、挤压，而泡沫会发生析液、粗化、兼并的变化，这两个过程同时发生，在一定距离上可增强发泡效果，距离过远导致动量不足，泡沫的析液、粗化、兼并占主导，泡沫的质量就会下降，而本发明产生泡沫出口动量大，能够保证长距离输运的泡沫质量不下降，与现有发泡装置长距离输运相比具有较大的优势。

本申请的有益效果在于：本装置解决了传统发泡装置射程低、动量不足，发泡倍数低的难题。大幅提高了装置的发泡性能，产生泡沫的发泡倍数高、发泡量大、稳定性好；大大降低了混合发泡过程的阻力损失，充分利用了气源和水源的驱动压力，摒除了发泡装置中的突然变径、变向构件，提高了装置发泡的可靠性与有效性。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果：

1)本发明创新性的在轴向上利用水源和气源的动力，舍弃传统T型气液管路设计，利用轴向上气液两相的进口动力，使之充分混合发泡，大大降低了阻力损失的同时，提高了发泡效果与泡沫的出口动能；

2)本发明采用气体均匀分配孔盘结构保证了进气的均匀性，避免了因气体速度流量差距过大导致的发泡效果差，泡沫稳定性低，提高了发泡效率；

3)本发明采用网式射流复合发泡结构，基于紊动射流边界层理论，液相射流开始从喷嘴出口轴线方向由内向外呈圆锥状扩散，在腔体内达到最大横截面积时与发泡网位置保持一致，提高了泡沫液的利用率，让泡沫液与空气的混合程度更好，增强了发泡效果。而传统采用螺旋结构喷洒泡沫液，阻力过大且不均匀，导致发泡倍数低、出口动量小，没有射程；

4)本发明输出端使用灵活，可根据实际情况选择不同出口数量的输出端口，可以较好的适应煤矿现场需求，实现多点大范围煤火治理；

5)各部件通过法兰连接，结构简单，操作方便，组装拆卸方便，利于维护保养。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种气液同轴射流式泡沫发生装置沿轴向剖视示意图；

图2 为本申请实施例提供的进气管路、进液管路剖视图；

图3为本申请实施例提供的分气整流孔盘、进气管路、进液管路剖视图；

图4 为本申请实施例提供的分散整流孔盘的俯视图；

图5 为本申请实施例提供的其它出口端类型剖视图。

附图标记说明：

1-进气管路；2-进液管路；3-气体均压腔室；4-分气整流孔盘；5-分散整流孔盘；6-进液管末端喷头；7-发泡网；8-发泡室；9-泡沫出口。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种气液同轴射流式泡沫发生装置，如图1所示，使用时先连接进气管路1、进液管路2。

气体从均匀进气结构进入发泡室8，均匀进气结构包括进气管路1、气体均压腔室3、分气整流孔盘4，所述进气管路1与气体均压腔室3直接相连，气体均压腔室3与分气整流孔盘4直接相连，进气管路1、气体均压腔室3、分气整流孔盘4组成了气体均匀分配结构；这样设计缩短了进气过程，降低了气体动力损失。气体由进气管路进入气体均压腔室3后预先缓冲，再通过分气整流孔盘4上孔径大小不同的孔口进入气液混合腔体8，如图3所示，分气整流孔盘4上离进气管路1近的孔直径较小，随距离的增加孔径逐渐增加，直径范围为15-18mm，保证气体进入气液混合腔体8时在整个面上速度、流量一致，提高气体供应的均匀一致性。

如图2所示，进液管路2与进气管路1相邻，进液管路2位于气液同轴射流式泡沫发生装置的轴线上，内嵌在分气整流孔盘4中心处的空心圆孔内，进液管末端喷嘴6穿出空心圆孔后进入气液混合腔体8。降低由于气液方向的不同造成的局部阻力损失，保证气体动能、水动能的高效充分利用。

如图4所示，分散整流孔盘5位于进液管路2的内部，在其结构渐缩处，分散整流孔盘5的直径为5-7mm，孔与孔之间的距离为7-9mm，可以在压力液体进入发泡室8之前，给于其初始的湍流变化，使其速度具有一定异向性。

进液管末端喷嘴6的渐缩角为30-45°，将液体的压力能转化为动能，提高出口泡沫混合液的速度，为后续发泡提供动力。

气液混合腔体8为圆柱体，直径为200-250mm，长度在500-600mm之间，为泡沫混合器与空气混合发泡提供充足的空间，并保证装置空间利用率，太大利用率低，太小不利于充分发泡。

发泡网7材质可为金属、不锈钢或棉纤网、尼龙网覆盖在其网面。发泡网的距离为20-40mm。发泡网的形状可为平面与平面、平面与曲面的结合，根据使用动力的需求，添加或降低发泡网的数量，但不应低于2层以保证发泡效果。发泡网的直径宜在0.25mm-0.425mm之间。发泡网7位于发泡室8内部，第一层发泡网距离进液管末端喷头6为250mm-350mm之间，发泡网之间的距离为20-40mm。这是由于液体在进液管末端喷嘴6处由于流速较大，流动紊动程度加大，卷吸射流周围的空气，根据紊动射流理论，水射流开始从喷嘴出口轴线方向由内向外扩散成圆锥状，在腔体内达到最大面积的位置与气液混合腔体8内部的发泡网保持一致，提高了泡沫液的利用率，让泡沫液与空气的混合程度更好，增强了发泡效果。

泡沫出口9位于泡沫发生器的末端，用于输送泡沫。采用法兰与气液混合腔体8连接，保证装置整体的密封性，泡沫出口9为渐缩状，渐缩角在40-45°之间，保证泡沫不会被突然变径导致而大量破裂，同时提高输出泡沫的动能。

如图5所示，所述泡沫出口可以根据实际需求更换输出端口，采用单个、多个输出端口，满足现场多点灌注泡沫的需求。

本发明气液同轴射流式泡沫发生装置的运行方法：

气体从进气管路进入气体均压腔室，经过分气整流孔盘均匀供给气体，到达发泡室。泡沫混合液从分气整流孔盘中心内嵌有的进水管路流入，经过分散整流孔盘，从进液管末端喷头喷出，紊动射流运动至发泡网，同时与发泡室的气体充分混合发泡，从泡沫出口输出泡沫。该装置充分利用了气源和水源的驱动压力，摒除了发泡装置中的气液变向构件，大大降低了混合发泡过程的阻力损失，提高了装置的发泡性能，发泡倍数高、发泡量大、泡沫稳定性好。

将本发明气液同轴设计的射流泡沫发生装置与现有技术中常用的T型气液管路设计以及螺旋发泡结构设计的泡沫发生装置进行发泡性能测试，结果如下表所示。

Claims (10)

1.一种气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：包括均匀进气结构和射流发泡结构；

所述均匀进气结构设置于发泡室（8）的端部，由依次连接的进气管路（1）、气体均压腔室（3）、分气整流孔盘（4）组成；

所述射流发泡结构包括进液管路（2）、分散整流孔盘（5）、进液管末端喷头（6）、发泡网（7），所述进液管路（2）内嵌在分气整流孔盘（4）中心，进液管喷头（6）位于其末端，分散整流孔盘（5）位于进液管喷头（6）渐缩起始处，发泡网（7）置于发泡室（8）内部并与喷头（6）间隔一定距离；

所述的分气整流孔盘（4）上的孔洞、进液管路（2）以及发泡室（8）的轴向平行设置；

所述发泡室（8）的末端设置泡沫出口（9）。

2.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的气体均压腔室（3）的直径为200-250mm，长度在50-100mm之间。

3.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的分气整流孔盘（4），轴向长度40-50mm，孔洞的大小分布随与进气管路轴心的距离而变化，孔直径为15-18mm。

4.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的发泡室（8）为圆柱体，直径为200-250mm，长度在500-600mm之间。

5.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的分散整流孔盘（5）上的孔洞均匀分布，沿轴向厚度为3-5mm、孔直径为5-7mm，孔与孔圆心之间的距离为7-9mm。

6.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述发泡网（7）位于发泡室（8）内部，距离进液管喷头（6）距离为250mm-350mm，使从喷嘴出口轴线方向由内向外呈圆锥状扩散的液相射流在腔体内达到最大横截面积时与第一层发泡网位置保持一致。

7.如权利要求1或6所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的发泡网（7）材质为金属、不锈钢或棉纤网、尼龙网覆盖在其网面，发泡网数量为2-3层，发泡网间的距离为20-40mm，发泡网的形状为平面、曲面或其排列组合，发泡网的孔径在0.25mm-0.425mm之间。

8.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的进液管末端喷头（6）的渐缩角为30-45°。

9.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的进气管路（1）与进液管路（2）相邻，两者间距为20-40mm，进液管路（2）位于气液同轴射流式泡沫发生装置的轴线上。

10.如权利要求1所述的气液同轴射流式泡沫发生装置，其特征在于：所述的泡沫出口（9），采用法兰与发泡室（8）连接，为渐缩状，渐缩角在40-45°之间，出口直径为50mm-65mm。

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