一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴

摘要

一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴是将进气通道垂直沿圆柱腔体切线方向设置并通入圆柱腔体，圆柱腔体沿中心轴线与气哨喷嘴联通；所述气哨是由固定于喷嘴本体底部的气哨喷嘴与对应的固定于喷嘴本体顶部的气哨谐振腔构成，气哨外围设置有喷嘴本体形成空间构成声波振荡雾化区；所述喷嘴本体是设置于气哨外围的喷嘴筒体和旋涡气哨的喷嘴基座连接构成，喷嘴筒体下部设置有进水口，顶部轴线设置有调节螺栓孔，顶侧端设置有喷嘴。本发明采用气流发声器，避免了火花的产生，工作性能可靠，清理方便；采用组合超声雾化，对直径较大的液滴进行二次雾化，提高了雾化效率和功率；同时可调节为雾化模式和空气湿化模式。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声雾化喷嘴，尤其是一种用于煤矿井下工作面、掘进工作面、锚喷、转载点以及其它产尘点的超声雾化降尘喷嘴。

背景技术

煤矿是重要的基础工业之一，从事煤矿开采人数较多，在各类矿业中占首位。尘肺病是煤矿的主要职业病，它不仅影响煤炭企业的生产和发展，而且严重危及人的健康和生命。

目前对粉尘颗粒大小及所占比例，划分为四个计测范围：大于10微米；5—10微米；2—5微米；小于2微米。其中，对人体危害最大的是5微米以下的粉尘。在煤矿除了对人体伤害较大的不可见粉尘外，还存在着大量的“浮尘”。

一般的喷雾对去除“呼吸性粉尘”的效果不太理想，主要是因为水雾的粒径太大，粒径在200—600微米间。从空气动力学的原理讲，更细、与粉尘粒径相近的水雾，最佳比例为0.8—1.3，更能有效地从气流中除去粉尘。因此，人们不断改进喷雾器，以使水雾喷得更细，甚至小于“呼吸性粉尘”颗粒的粒径。然而，随着水雾越来越细，担心水雾在捕捉到粉尘之前就会在相对温度不到100%的空间迅速蒸发掉。

现有的雾化喷嘴大多是采用离心式或者是破碎式，也有部分学者对超声雾化进行研究，在工业应用上它们有各自的优点，但是对于有防火、防爆要求的煤矿井下应用时，有其局限性在于离心式和破碎式的雾化喷嘴均是旋转式喷雾，而矿井下粉尘浓度较高、污染大、润滑条件差，粉尘随雾滴落入轴承中，旋转部分极易损坏；其次是工业上应用的超声雾化喷嘴是逆压电效应，由交变电场引起晶体的机械变形，从而产生声振动，即由电能转变为声能，这种超声雾化喷嘴结构可以得到很高的发声频率和声功率，但是，对于防火防爆要求的矿井却难以推广应用；第三是传统的雾化喷嘴水雾粒径大，对呼吸性粉尘的捕捉效果不理想，而且极容易在工作面形成积水，影响正常生产。

已有哈特曼哨在工业上有广泛的应用，如声波清灰，利用声场能量的作用，清除物料表面积灰和悬浮在空气中的灰尘；超声雾化，利用流体哨产生超声波形成水雾等。本发明在哈特曼哨的基础上将气哨喷嘴的渐缩口优化为维多辛斯基渐缩形曲线，以提高气哨的发声效率，再加以旋涡气哨具有结构简单，无机械运动部件，无需电源的优点，提出一种适用于煤矿井下的防火和防爆的超声雾化喷嘴。

发明内容

基于上述现有技术的特点和不足，也结合煤矿井下防火、防爆等特殊要求，本发明提供一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴。

为了实现一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴，本发明所采取的措施包括固定于喷嘴本体中的旋涡气哨联通有气哨三部分，其中：

所述旋涡气哨是将进气通道垂直沿圆柱腔体的切线方向设置并通入圆柱腔体，圆柱腔体沿圆柱腔体轴线与固定于喷嘴本体基座上的气哨喷嘴联通；

所述气哨是由固定于喷嘴本体底部的气哨喷嘴和对应的固定于喷嘴本体顶部的气哨谐振腔构成，并在气哨外围设置有喷嘴本体形成空间构成声波振荡雾化区；

所述喷嘴本体是设置于气哨外围的喷嘴本体筒体和旋涡气哨的喷嘴本体基座连接构成，并在气哨外围的喷嘴本体筒体下部设置有进水口，在顶部轴线上设置有调节螺栓孔，在顶侧端设置有喷嘴。

所述旋涡气哨是“凸”字型结构，其进气道与出气道直径之比为2：1，并在出气道的外周设有一段外螺纹，用于连接气哨喷嘴，进气道连接于喷嘴本体基座上；所述调节螺栓是调节气哨喷嘴与气哨谐振腔的间距L₁，其调节范围是8~12mm；

所述气哨喷嘴是维多辛斯基渐缩形曲线的渐缩口，其尾部设有内螺纹，固定连接于喷嘴本体基座上；

所述气哨谐振腔头部为内凹形，两边倒角，尾部圆角，并在中心轴处开设一螺纹孔用于调节、连接在喷嘴本体筒体的顶端；

所述喷嘴本体筒体在中心轴处开设一孔，两边倒角，在顶侧端开设有锥形喷嘴孔，尾部开设有四个孔，用于连接旋涡气哨。

本发明所提供的一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴，与现有技术相比，其超声雾化喷嘴采用气流发声器，在煤矿井下安装使用过程中不会产生火花，正常工作时性能可靠，清理方便；采用组合式超声雾化，对直径较大的液滴进行二次雾化，提高了雾化效率和功率。同时根据对雾化效果的要求，通过调节气哨喷嘴与气哨谐振腔的间距，可变换为雾化模式和空气湿化模式。

附图说明

图1是本发明超声雾化喷嘴的总体结构示意图；

图2是本发明超声雾化喷嘴中旋涡气哨的主视结构示意图；

图3是本发明超声雾化喷嘴中旋涡气哨的A-A剖视结构示意图；

图4是本发明超声雾化喷嘴中气哨的局部剖视结构示意图；

图5是本发明超声雾化喷嘴筒体的剖视结构示意图。

图中：1：螺栓；2：螺母；3：弹垫；4：进气道；5：旋涡气哨；6：气哨喷嘴；7：气哨谐振腔；8：喷嘴本体；9：进水口；10：喷嘴；11：调节螺栓；12：螺母；13：弹垫；14：O型密封圈。

具体实施方式

对本发明的具体实施方式作出进一步的说明：

实施本发明一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴，是针对现有离心式、破碎式喷雾雾滴直径过大和利用逆压电效应将电能转换为超声能可能会产生火花，给井下安全生产带来隐患。本发明提出一种无摩擦部件，无电或化学品的煤矿井下降尘用超声雾化喷嘴，以满足煤矿井下防火、防爆等特殊的要求。

本发明在煤矿井下采用超声雾化降尘，所述超声波具有良好的方向性、反射性和穿透能力，能在气体、液体及固体媒质中传播，产生各种超声效应，如机械效应、热效应、化学效应、声空化等，超声波还对微细粉尘有捕捉的作用。同时除尘系统占地空间小，可节省有效空间；与一般除尘器相比，超声雾化具有减少能耗、高效率、维修少、费用低等特点。因此，应用超声技术对微细粉尘进行降尘和增加空间湿度具有很强的操作性和经济适用性，特别是煤矿井下。

本发明利用超声雾化理论、哈特曼哨以及旋涡气哨的原理，提出一种煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴用于煤矿井下降尘，其设计原理如下：

基于Lang式d=0.34(8πγ/ρf²)^1/3，其中：d为水的直径，γ为水的表面张力，ρ为水的密度，f为超声频率。说明在温度和压力变化不大的煤矿井下，雾化水滴的直径是反比于超声波的频率，也就是说超声波的频率越高，雾化水滴的直径越小。为了提高超声波的频率和声功率，采用的喷嘴结构是将通过一级低频超声雾化的较大液滴喷射到二级高频气哨的雾化空间，雾化颗粒较大的液滴将被进一步雾化成细微的雾粒，同时根据井下工作面环境，可调整喷嘴为雾化模式和空气湿化模式。其超声雾化喷嘴的设计思想如下：

采用旋涡气哨1，所述旋涡气哨1由进气道、圆柱腔体和出气道构成；其进气道沿腔体的切线方向；出气道则沿腔体的中心轴线方向。高速气体进入腔体后，沿腔壁快速旋转产生旋涡，这些旋转流从出口辐射到介质中，与介质相互作用继而产生连续的压力脉动，于时便产生了声波。其发声频率理论关系式为： f=a(c/πd)(p₁-p₂/ p₂)^1/2式中f为频率，a为小于1的常数，c为声速，d为圆柱腔直径，p₁为进气道压力，p₂为出气道压力。

采用气哨2，所述气哨2是由喷嘴和谐振腔组成，为了提高气哨的发声效率，将气哨的渐缩口设计为维多辛斯基渐缩形曲线。高速气体从喷腔中喷出时，由于喷腔截面的突然收缩，会使得喷腔前的气体压力呈现出周期性的变化。当高速气体进入谐振腔时，腔内便产生充气过程，并导致反馈流压逐渐上升，反冲气体与入射气体相互碰撞，在垂直于对称轴方向上形成声波振荡。其发声频率的理论计算是依据为Brocher等人根据线性声学理论得出气哨频率公式为：f=c/4L，其中，c为声速，L是共振腔的深度。由频率公式可知，气哨的发声频率是反比于共振腔深度的，通过调节调节螺母11即可改变共振腔的深度，发声频率也会变化。

下面对本发明所提供的一种用于煤矿井下的超声雾化降尘喷嘴的具体实施方式作出进一步的详细说明：

一种用于煤矿井下超声雾化降尘喷嘴，包括旋涡气哨、气哨和喷嘴本体三部分构成，其中：

所采用的旋涡气哨由进气道、圆柱形腔体和出气道构成，出气道与进气道直径之比为2：1，进气道中心与出气道上端面间的距离为进气道直径的5~8倍，其进气道沿腔体的切线方向而出气道则沿腔体的轴线方向。当高速气体进入腔体时，沿腔壁快速旋转而产生旋涡，旋转气体从出口辐射至介质中，与介质相互作用而连续产生压力脉动，既而便产生了声波。旋涡气哨结构简单，无运动部件，可靠性强，而且无需电或化学品能源，对防火、防爆要求高的地煤矿井下具有独特的优点。但是从发声效率等方面考虑，声功率输出与入口气流功率的比值不高，因此，在旋涡气哨出气道串接一气哨。

所述气哨由喷嘴和谐振腔构成，其气哨的渐缩口设计为维多辛斯基渐缩形曲线，可有效减少对射流的阻滞效果，提高发声效率。高速气体从旋涡气哨出气道喷出进入哨喷嘴后，由于喷腔截面的突然收缩，会使得喷腔前的气体压力呈现出周期性的变化。当高速气体进入谐振腔时，腔内便产生充气过程，并导致反馈流压逐渐上升，反冲气体与入射气体相互碰撞，在垂直于对称轴方向上形成声波振荡。喷嘴射流在谐腔口产生一压缩波向腔内传播，然后被腔底反射回来至腔口处，再度被反射生成压缩波向腔内传播，形成高频率声波，将直径较大的水滴进一步雾化成水滴。

当需要对周围环境湿化时，可以调节喷嘴本体上的调节螺栓11改变哨喷嘴和谐振腔间的距离，依据哨的特性，发声频率将会改变，由Lang式的超声雾化的理论，雾滴直径将随着超声频率的改变而变化，由此可以达到需要的工作要求。

实施例1

旋涡气哨5的出气道与气哨喷嘴6采用螺纹连接，将旋涡气哨5的出气道螺纹拧到底。气哨的谐振腔7与喷嘴本体8通过调节螺栓11连接，同时在调节螺栓11的螺纹处涂上一层胶料，将调节螺栓11与气哨谐振腔7粘接成一整体，螺纹拧到底即可。然后由螺母12及弹垫13与调节螺栓11连接起来，并将螺母12及弹垫13胶固在喷嘴本体8上。这样做的目的是为了保证气哨喷嘴6的喷嘴收缩口的直径与气哨喷嘴6与气哨谐振腔7间的间距一致，以达到最佳雾化效果；由于螺母12、弹垫13与喷嘴本体8形成一个整体，通过旋转调节螺栓11可以控制气哨喷嘴6、气哨的谐振腔7的间距，根据气哨的特性，可以改变超声频率，由超声雾化的特性，频率的变化可以引起雾滴直径的改变，这样就达到了雾化效果可调之目的。完成上述连接后，将喷嘴本体8与旋涡气哨5用螺栓连接。

在雾化降尘时，先由进气道4连通压缩空气，气体的压力为0.2~0.5MPa间连续可调，对喷嘴本体8和气哨喷嘴6、气哨谐振腔7进行清理。然后由进水口9连接静压水源，微细雾滴由喷嘴10喷出。

当需要对空气湿化时，通过调节螺母11，可调节气哨谐振腔7与气哨喷嘴6之间的距离，根据气哨的特性，其发声频率将会变化，由超声雾化的特性，雾滴的直径亦将发生变化，根据现场环境的要求，适当增大静压水的流量，以达到湿化空气的目的。