煤（méi）礦掘進工作麵過熱蒸汽渦街流量計的優化與實現

掘進機運行時會產生大量的粉塵，對煤礦環境造成很大影響。為了有效地控製粉塵，必須在粉塵擴散到整個道路空（kōng）間（jiān）之前，找（zhǎo）到一種能夠抑製靠近源頭的粉塵的介質。過熱蒸汽渦街流量計作為氣液介質（zhì），具有表麵麵（miàn）積大、潤濕性和附著力強的獨特優（yōu）點。壓縮空氣、水和表麵活性劑混合並通（tōng）過金屬網強製（zhì）形成過熱蒸汽渦街流量計。過熱蒸汽（qì）渦街流量計除塵效率大於 50%，噴水裝置的耗水量僅為噴水裝置的 1/5 ～ 1/10。
1 傳統過熱蒸汽渦（wō）街流量計抑塵（chén）技術的缺（quē）點
傳統（tǒng）的過熱蒸汽渦街（jiē）流量計抑塵技術在過（guò）熱蒸汽渦街（jiē）流量計生產和噴塗方麵（miàn）仍（réng）存在一定的缺陷。在過熱蒸汽渦街流量計生產（chǎn）方麵，許多過熱（rè）蒸（zhēng）汽渦街流量計發生器通常使用壓縮空氣來生產過熱蒸汽渦街流量計，並且在開挖麵上使用過熱蒸汽渦（wō）街流量計產生了限製 ：
（1）地下礦山壓縮空氣供應的壓力常常是不穩定的，難以調整（zhěng），通常導致影響設備使用的高壓水回流 ；
（2）通向發電（diàn）機（jī）的壓縮空氣管道占用了掘進機（jī）上的一些空間，增加了係統的複雜性，使其（qí）難以用於狹窄（zhǎi）的開挖麵。此外，傳（chuán）統的過熱（rè）蒸汽渦街流量計（jì）發生器通常采用定量添（tiān）加劑泵來添加發泡劑，使係統更複雜，更容易燃燒。為了（le）充（chōng）分利用過（guò）熱蒸汽渦街流量計，過熱蒸汽渦街流量計流的形狀必須與粉塵源的形狀相似。在目前的噴塗結構中，通常使用固體錐（zhuī）形噴嘴和扁平噴嘴來（lái）噴塗過熱蒸汽（qì）渦街流量計。由於縱向掘進機的截割頭大致為錐形（xíng），噴（pēn）嘴的噴霧範圍應理想為圓形，接近切割頭的*大圓周，因此，通過固體圓錐噴嘴和扁平噴（pēn）嘴的過熱蒸汽渦街流量計流不能有（yǒu）效地覆蓋粉塵源，導致過熱蒸汽渦街流（liú）量計利用率低。
2 新型過熱蒸汽渦街流量計
為了克服這（zhè）些缺點，設計了優化（huà）的（de）過（guò）熱蒸（zhēng）汽渦街流量計發生器、分配支座和噴嘴，並進行了實驗室和現場試驗（yàn），取得了良好（hǎo）的效果。優化後的過熱蒸汽渦（wō）街流量（liàng）計發生器由一個自吸部分和一個過熱蒸汽渦街流量計產生（shēng）部分組成，其電力隻需要高壓水供應，通常在地下（xià）礦山可用。*先，高壓水（shuǐ）流通過（guò）噴嘴將其轉化為高速湍流，自動將環（huán）境（jìng）空（kōng）氣和（hé）發泡劑吸入混合室。然後，旋流器加速（sù）空氣和液體的混合以產生高質（zhì）量的過熱（rè）蒸汽渦街流量計（jì）。新版本的優點是 ：壓縮空氣管道和添加發泡劑的外來設備全部（bù）拆除，使整個係（xì）統更加簡單（dān）方便 ；自動（dòng）將空氣和發泡劑（jì）吸入混合裝置，消除了水回流 ；旋流器降低了混合裝置的阻力。
根據射流理論，水射流形成的真空度隨著水流速度的（de）增加而（ér）增大。真空度（dù）的增加會增加夾帶的空氣量，也會增（zēng）加（jiā）進入混合室的發泡劑量。為了獲得過熱蒸汽渦（wō）街流量計發生器的工作參數，設計了相應（yīng）的（de）實驗（yàn）係統，測試了自吸能力和（hé）發泡能力（lì）。用空氣（qì）流量 qg 與水流（liú）量（liàng） qw 的（de）比值來評價相對吸風功能。過熱蒸汽渦街流量計流量（liàng） qr 與水流 qw 的比（bǐ）值用（yòng）於評價過熱蒸汽渦街流量計（jì）函數。采用添加發泡劑流量 qa 與水流量 qw 的比值來評價添加發泡劑的（de）性能。分析水流與空氣流動、過熱（rè）蒸汽渦街流量計流動和發泡（pào）劑流動的關係可知，隨著（zhe）水流量的增加，空氣自（zì）吸量、過熱蒸汽渦街流量計產生（shēng）量和（hé）發泡劑吸力總量呈線性增加。這一現象證（zhèng）實（shí）了噴射理論（lùn）。過熱蒸汽渦街流（liú）量計主要由氣體組成，過熱蒸汽渦（wō）街流量計的產生量與（yǔ）引氣量基本相同。通過實驗分析，傳統發泡器發泡劑的（de）添加比例通常超過 2%，新發電機的添加比例在 0.8% 到（dào）0.9% 之（zhī）間。所提出的過熱蒸汽（qì）渦街流量計發（fā）生器有效地降低了（le）發泡劑（jì）的消耗。
圖 1 為電弧風（fēng）扇噴嘴的（de）結構和噴霧，一種新型的噴嘴主要由一個過熱蒸汽渦（wō）街流量計入口、出口和（hé）導流葉片組成。出流口的圓柱形設計降低了湍流強（qiáng）度。導流葉片類似於流線型尾部，產生類似於弧形風扇形狀的過熱（rè）蒸汽渦街流量計噴霧，其形狀類（lèi）似（sì）於掘進機的粉塵源。

為（wéi）了描述過熱蒸汽渦街（jiē）流量計的覆蓋性能，定義了兩個幾何參數 ：cov 年齡（líng）和弦長（zhǎng）度 Lch 和覆蓋直徑（jìng）長度 Hch 。 Lch 代表（biǎo）了單（dān）弧風機噴（pēn）嘴（zuǐ）所能覆蓋的粉塵源的*大弦長， Hch 代表（biǎo）覆蓋塵源與覆（fù）蓋（gài）弦（xián）長之間的（de）*大垂直（zhí）距離（lí），覆蓋弦長和覆蓋直徑長度可（kě）確定過熱蒸汽渦街流量計流的*終覆蓋麵積。
電弧（hú）風機噴嘴 l ， d 、 h 的導（dǎo）葉長度（dù）、長（zhǎng）徑和短（duǎn）徑是影響過熱蒸汽渦街流（liú）量計（jì）覆蓋性能的關鍵因（yīn）素。根（gēn）據（jù）空間幾何結（jié）構，計算噴嘴（zuǐ）結構（gòu）參數與過（guò）熱蒸（zhēng）汽渦街流量（liàng）計覆蓋性能之間的關係。為了得到覆蓋弦長的修正係數 k 和覆蓋直徑長度的修正係數 ε，對導葉長度、長徑和短徑不同的（de）噴（pēn）嘴進行了研究。為了適應地下環境，將（jiāng）過熱（rè）蒸汽渦街（jiē）流量計出口直徑和導葉長度分（fèn）別設置為（wéi） 10 mm 和 30 mm。
Hch 和（hé） Lch 由高速攝像機測量（liàng），該攝像機（jī）能夠（gòu）捕捉和分析照片的具體尺寸。實驗中使用的高速相機有 1280×800 像素，拍（pāi）攝速度為每秒 200 幀。為了提高對比度，在（zài）實驗過程中使用黑色（sè）窗簾模擬巷道，以（yǐ）便（biàn）攝像機能夠清晰地捕捉（zhuō）過熱蒸汽渦（wō）街流量計流。
通（tōng）過理論（lùn）計（jì）算和實驗測試，得到了相關參數，並可知實際覆蓋（gài）弦長或覆蓋直（zhí）徑（jìng）長度與導流葉片（piàn）長徑或短徑的變化（huà）趨勢相同，修正（zhèng）係數 k 在 0.68~0.85 之間，修正係數 ε在 0.60~0.72 之間，平均值分別為 0.75 和 0.68。

選擇某煤礦正在進行岩石開挖的 810 巷道作為現場試驗場地。巷道支（zhī）護斷麵麵積 13.87 m 2 （寬 4.6 × 高（gāo） 3.5m）。岩石岩性主要為砂質泥岩和（hé）中砂岩，可產（chǎn）生大量粉塵。為了解決大功（gōng）率電（diàn）機的粉塵問題，采用了兩個過熱蒸汽渦街流量（liàng）計發生器和四（sì）個電（diàn）弧風扇噴嘴。由於切（qiē）割頭的*大外（wài）徑為 1 212 mm，因此計算出 Lch =856.9 mm 和 Hch =177 mm。噴嘴與目標點 Ltd 之間的距離為 1 000 mm。根據計算得出導葉 d 、 h的（de）長徑和短徑分別為 34.3 mm 和 7.8 mm。為了驗證噴嘴的（de）實際覆蓋性能，在（zài）實驗室中測量了覆蓋弦長和覆蓋直徑長度，結果為 Lch =859 mm 和Hch =156 mm。覆蓋弦長 Lch 滿足條件，但（dàn）覆蓋直徑Hch 小於要（yào）求。為了解決這一問題，測（cè）試了不同結構參數的噴嘴，*終選擇（zé） d =34.3 mm， h =9 mm 的噴嘴。圖 2 示出了所提出的過熱蒸汽渦街流量計產生設備（bèi）的實施方案。這主要包括發泡劑單元（560 mm×460 mm×220 mm 高，重達（dá） 40 kg）和兩個集成過熱蒸汽渦街流量計發（fā）生器，一（yī）個在該單元的任何一側。單元（yuán）和過熱蒸（zhēng）汽渦街（jiē）流量計（jì）發（fā）生器通過流入軟管和針閥連接。在 318 kW 縱向掘進機上安裝的防塵係統（tǒng），四（sì）個磁鐵（tiě）將過熱（rè）蒸汽渦街流量計生產設備安裝在駕駛員旁（páng）邊的掘進機上，以便及時和方便地控製。50 mm 直徑的地下高壓水管被 T 型閥門分（fèn）成兩（liǎng）個直徑為 19 mm 的管道。過熱蒸汽渦街（jiē）流量（liàng）計發生器 ：兩個直徑為 25 mm 的管子將過（guò）熱蒸汽渦街流量計噴到支撐件和噴嘴上，兩個過熱蒸汽渦街流量計發生器（qì）的工作水流為 1 m 3 /h，過（guò）熱蒸汽渦街流量計產生率（lǜ）為 60 m 3 /h。經過現場試驗表明（míng），優化後的係統比傳統係統（tǒng）更加穩（wěn）定可靠。獲得了三組不同條件下總粉塵（ td ）和呼吸性粉塵（ rd ）的粉塵濃度測量數據，試驗結果表明，新的過熱蒸（zhēng）汽渦街流量計技術對 td 的抑製效果為 87.3%，rd 為 85.9%，均高於傳統方法的等效（xiào）值。
4 結語
設計了一種用於煤礦掘進工作麵的優（yōu）化過熱蒸汽渦街流量計。通過礦井（jǐng）輸送的高（gāo）壓水為擬議的過熱蒸汽渦街流量計生產（chǎn）設備提供動（dòng）力，自吸（xī）單元自動（dòng）地吸引環境空氣和發泡劑以產生過熱蒸（zhēng）汽渦街流量計，然後將電弧噴塗到過熱蒸汽渦街流（liú）量計噴嘴上。壓（yā）縮空（kōng）氣塞和添加（jiā）發泡劑的附加設備（bèi）被（bèi）完全（quán）去除（chú），使得整個係統更簡單，所提出的過熱蒸汽渦街流量計發生器需要更少的水和（hé）起泡劑，電弧風扇噴（pēn）嘴提高了過熱（rè）蒸汽渦街流量（liàng）計利用（yòng）效（xiào）率。
現場實施（shī）表明（míng），優化後的係統（tǒng）比（bǐ）傳統係統具有更高的抑塵效率和穩定性。為煤礦采掘工作麵提供了較好的防塵要（yào）求，具有廣闊的（de）應用前景（jǐng）。

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