【《洒水车喷洒系统总体方案设计案例》6900字】

洒水车喷洒系统总体方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19509洒水车喷洒系统总体方案设计案例 1156261.1洒水车变量喷洒系统方案 1315981.1.1洒水车变量喷洒系统工作原理 155741.1.2泵的改进 3280701.1.3过滤器的改进 5151041.2喷雾降尘机理 6140631.2.1喷雾降尘机理 6118711.2.2露天矿道路降尘机理 92021.3喷雾降尘建模以及相关参数取值 12洒水车变量喷洒系统方案洒水车变量喷洒系统工作原理洒水车采用电控蝶阀配合手动球阀控制液压管路方式，建立了一种水流随两阀开关进行控制的系统，该系统组成主要包括三大部分：提供整个系统机械运转所需的能量的发动机、油箱、齿轮泵等供能装置；使水管路产生压力并将存储水进行输出的水箱、离心泵等水运输装置；对液压管路压力进行控制的溢流阀等反馈控制装置以及对喷洒水进行滤清的过滤系统。目前洒水车存在问题如下：1.洒水车在行进上坡路段时，驱动车辆行驶所需的扭矩大，变速箱需要切换到1挡状态，会造成发动机转速高、车辆行驶速度低的现象。因洒水车使用发动机直连齿轮泵作为喷洒系统动力源的方法，则会导致洒水车喷洒量增加，使洒水车在上坡路段产生超洒现象，上坡路面积水过多，不能及时挥发，道路泥泞，影响运输车辆的运行，在天气条件寒冷时，道路结冰，摩擦系数降低，增加运输车辆事故的发生的可能性。2.洒水车在行进上坡路段时，洒水车受重力势能的加持，洒水车行进速度快，且洒水车所需扭矩降低，一般变速箱切换到2挡状态，会造成发动机转速低、车辆行驶速度快的现象。因洒水车使用发动机直连齿轮泵作为喷洒系统动力源的方法，则会导致洒水车喷洒量降低，使洒水车在下坡路段产生欠洒现象，下坡路面洒水量不均，路面未得到充分湿润，未达到喷洒效果，路面扬尘没有得到有效地控制。3.原洒水车喷洒所用水为深井泵加水，介质中泥沙较大，存在粒状固体颗粒等杂质，水质浑浊程度大且原过滤系统的过滤效率低，无法将带有小于过滤网孔径的杂质进行有效地滤清，使之随入水管进入喷洒系统，离心泵为水系统的重要核心，其重要部件为叶轮，小沙石通过管路进入叶轮，随叶轮转动，固体颗粒且一般颗粒的硬度都比较高，离心泵长时间受到颗粒冲击，造成振动和噪声，这会加剧叶轮及其他部件的磨损，极大降低离心泵的正常使用寿命，同时，固体颗粒流经水系统，会聚集在喷洒输出口，造成堵塞，影响洒水效果。本文提出一种洒水车变量喷洒系统，其工作原理如图2.1所示，该系统由油箱、反冲洗过滤器、柱塞变量泵、溢流阀、重力自流喷头、电动蝶阀、低洒喷头、高洒喷头、高压水炮、手动球阀、水箱、发动机、离心泵、液压马达等组成，通过改原系统的定量齿轮泵为变量柱塞泵，改变柱塞泵的斜盘倾角来对柱塞泵的输出流量大小进行变化，以解决针对与上下坡不同工况情况下路面洒水量不均的问题；变原过滤网为反冲洗过滤器，针对于水介质中泥沙杂质无法滤清现象，对其进行有效清除，以提高离心泵的使用寿命，减少喷洒喷头发生堵塞现象的频率。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11液压系统原理图Figure2.1schematicdiagramofhydraulicsystem液压系统的工作原理：发动机14启动运转，通过联轴器将转矩传给柱塞泵3，油箱中液压介质由于柱塞泵3所产生的压力经过反冲洗过滤器进入系统，溢流阀4保证液压管路压力达到10时管路导通，液体介质流经液压马达16并在油箱1进行回油，马达将扭矩传递给事先注满水的离心泵15，离心泵工作，产生离心力，水管路压力将水箱13内的喷洒水通过管路传输至箱外：高压水炮11、高洒喷头9、低洒喷头7、重力自流喷头5，输出端输出大小由手动球阀12，电动蝶阀6、8、10进行控制，输出喷头将水雾化，雾化后水雾和空气中的粉尘颗粒相互吸附，融合，粉尘颗粒会随水雾的下沉而下沉以达到降尘的目的。泵的改进洒水车系统一般由柴油机，液压泵，液压马达，离心泵，蝶阀，喷嘴等组成。引擎直接连接到液压泵，形成喷水灭火系统和动力系统。井下坡道较多，喷速对其影响很大。由于加速度大，喷洒范围不可控，在减速过程中喷洒量小，造成了水资源的浪费，影响了喷洒效果。25吨矿用洒水车原采用齿轮泵，先要换用柱塞泵。柱塞泵：柱塞泵是依靠柱塞在缸体内的反复运动来实现吸油和排油。因其结构紧凑、变量易于调整、效率高等特点，因此广泛应用于各种场合。但是任何元件都有不足之处，柱塞泵结构复杂、价格较高、维修也比较困难[13]。根据柱塞的排列方式，可以将柱塞泵分为轴向和径向两类。轴向柱塞泵中柱塞轴与传动轴平行或有略微的倾角；径向柱塞泵柱塞轴与传动轴垂直。①轴向柱塞泵对于轴向柱塞泵，其中的传动轴有直轴和斜轴。对于直轴柱塞泵，主要特征为在该轴上直接安装缸体，使缸体的轴线与所连接的元件轴线重合，与此同时柱塞泵依靠自身具备的斜盘和弹簧的作用，与缸体之间进行相对运动，所以直轴式轴向柱塞泵又称斜盘式轴向柱塞泵；斜轴柱塞泵与直轴相反，使缸体的轴线与所连接的元件传动轴交叉形成一定角度，又名斜轴泵。二者之间的区别：前者变量调节范围有限、强度不高、不耐污染，但结构简单，尺寸较小，维修成本低；后者变量调节范围广、耐受性强、强度十分可靠，但因此结构也复杂，体积也大。②径向柱塞泵在径向柱塞泵中，柱塞轴线与所连的元件轴线互相垂直。径向柱塞泵可以自定义柱塞数目，根据数量可分为单柱塞泵、三柱塞泵和多柱塞泵三种。除此之外，径向柱塞泵的安装也有很大特点，若按柱塞安装位置不同，径向柱塞泵可分为两种结构:一种是柱塞装在固定的缸孔内，柱塞只作往复运动，采用配油阀配油，如单柱塞泵和卧式柱塞泵;另一种是柱塞沿转子径向装在转子缸孔中，柱塞一方面随转子作圆周运动，另一方面还要作往复运动，通常采用配油轴配油。与露天矿的恶劣环境相比，要实现洒水量的控制，即实现不同条件下的流量自由调节。将原系统的齿轮泵改为变量泵。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s110柱塞泵Figure2.10plungerpump过滤器的改进由于矿用洒水车注水一般采用地下水，地下水中含有泥沙，浑浊度差异较大，很容易降低水系统离心泵的使用寿命，电控蝶阀可能存在被石头卡住而无法关紧和被冻坏的情况；水系统离心泵因长时间被泥沙冲击，导致泵送能力不足。由此采用反冲洗过滤器是个不错的选择。反冲洗过滤器是通过过滤网直接过滤水中杂质，过滤水中漂浮物、大颗粒以及降低浊度，提升水质，降低系统污垢所占比、细菌藻类、铁锈，以保护机器系统中其他设备高效率运行的精密设备仪器。因采用了智能化设计，其可以自动辨别水中杂质的沉降程度，并自动向排污阀发送排污信号。它克服了传统过滤器吸收污染容量小、容易被污垢堵塞的缺点，需要拆开过滤器部件进行清洗，不能监控过滤器的运行情况。具有过滤和自动监控功能，滤芯自动清洗和污水排放。在清洗和排料过程中，系统可连续供水，可监控过滤器的运行，自动化运行程度很强。涵盖从1到300的多种精度的要求，给与客户多种水过滤器的选择。反冲洗过滤器，运行和控制无需要任何外部能源即可自动净化和过滤，自动排污。反冲洗过滤时流量连续，清洗过滤的周期可以调整。一般来说，该过滤器的工作时间通常默认为10-60s，工作过程中失水量仅为普通过滤器的0.08~0.6%;并且工作压力可以达到1.0~1.6。过滤器可以安装在任何位置的任何方向垂直,水平和倒置,并且可以用于水过滤等行业的工业、农业等多种行业。在我国，自动反冲洗过滤器多见于企业的进口连铸水系统、水循环系统、热电水系统、作为介质的液体过滤系统、乳化系统等。进水先通过粗滤网进行粗过滤，再进入细滤网。在过滤过程中，水中的杂质经过过滤网后在水中积聚形成污垢，成为过滤杂质层，杂质层积聚在细部中，从而形成细部内外的压差。当过滤网的压差达到安装的压力传感器所设的数值时，控制系统便启动自动清洗程序。该过程清洁供水连续，清洗阀打开，此时过滤系统的水压降低。在过滤系统中利用过滤筒与吸污管之间的压力差，使吸嘴产生吸力，完成吸污过程。与此同时，发动机的旋转使吸管作轴向螺旋运动。吸污器的轴向运动和旋转运动相结合，便可以彻底清洁滤网的内表面。整个清洗过程迅速，只需要几十秒。清洗后，排水阀关闭。过滤器已准备好进行下一次刷新。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s111反冲洗过滤器Figure2.11backwashfilter喷雾降尘机理喷雾降尘机理对弥漫于空气中的粉尘而言，喷雾降尘的机理是多方面的，颗粒尺寸大小不同，在空气中的运动特性也不同，因而颗粒具有惯性、静电、扩散降尘、重力等特性。基于这些特征机制，粒子捕获过程如下图2.10所示：图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s110除尘机理示意图Figure2.10Adiagramofthedustremovalmechanism1-惯性碰撞捕捉；2-截留捕集；3-布朗扩散捕集；4-重力捕集；5-静电捕集（1）惯性碰撞捕集当粒子直径比较大的粉尘颗粒在空气中运动与液滴碰撞时，在惯性的作用下只能按照原来的方向继续前进，故而被液滴捕集。粉尘的捕集效率受到粉尘的运动轨迹、液滴对粉尘的附着能力以及气体的速度的影响。对于普及效率有表征的斯托克斯数和雷诺数，二者共同构成了孤立液滴的捕集效率函数，同时也可以通过理论计算得出，学者和推算出势流和流动时的捕集效率如下： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s11）式中 ——孤立液滴发生碰撞时的惯性捕集效率；——斯托克斯数；——坎宁汉滑动修正系数；——粉尘颗粒粒径，；——粉尘颗粒密度，——粉尘颗粒与液滴之间的相对速度，——液滴的定性尺寸，，对于球状的液滴为其直径；——气体的动力粘度，，在标准状态下的空气动力粘度为1.8×10-5Pa。（2）重力捕集空气中的粉尘颗粒受重力的作用，在移动的过程中会发生沉降，然后被液滴捕获。颗粒所受的重力大小与颗粒的大小、密度以及气体的流速有关。一般而言，颗粒越大，密度越大，气体流速越小，受到的重力也就越大。重力的捕集效率一般用无因次沉降参数来表示，即： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s12）（3）截留捕集粉尘颗粒随气体移动时，如果与液滴之间的距离在范围内，则粉尘颗粒就会被吸引而捕集。假设粉尘颗粒具有一定尺寸且没有质量要求，则截留作用可用截留常数表示： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s13）由上式可知，粉尘颗粒越小，截留捕集效率越高，在势流中球形的捕集效率可以用下式计算： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s14）对于具有粘度较高的流体有： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s15）（4）布朗扩散捕集由于布郎扩散效应，当粉尘颗粒随气体运动时会沉积在液滴上。沉积效果会随着流速的降低、粉尘颗粒直径的减小而增强。当粉尘颗粒直径小于时，扩散作用便不能忽略。布朗的沉积效率由皮克莱数和雷诺数决定。扩散沉降的量度皮克莱数定义为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s16）式中：——粉尘颗粒的扩散系数，，可以使用爱因斯坦公式计算。与之相关的无因次数——密斯特数如下： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s17）学者导出的布郎扩散捕集效率计算公式为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s18）（5）静电捕集当气体中的大量液滴和粉尘颗粒携带有电荷时，二者之间便具有静电作用，因而细小的粉尘颗粒便可以被电荷之间的库仑力捕捉。静电作用的强弱与粉尘的介电常数、液滴和粉尘上的电荷量有关。相关的科学研究表明，液滴在受到高压作用时形成的喷雾会产生电荷，从而增强捕集粉尘的能力，捕集效率也随之大大增加。（6）涡流凝结高压喷雾形成的涡旋气流会使得粉尘运动的波动速度和幅度以及与液滴的碰撞次数增加，进而形成涡流凝结，捕集效率也会随着这种现象的产生而增加。露天矿道路降尘机理对露天矿洒水车雾化喷嘴喷雾降尘进行模型分析，要简便实际的降尘喷雾工况过程，利于对降尘喷雾的数字模型建立，设雾滴模型直径大小相等，均匀分布在雾流喷射区；粉尘颗粒全部依据风流在露天矿运输区域进行均匀运动。数学模型建立：假设露天矿模型建立区域断面积为A，对此面积A进行微分操作，则在微元体中粉尘颗粒瞬时时间中满足如下式子关系：原始粉尘量-道路运输造成粉尘脱离洒水降尘区域的粉尘量=沉降后风流粉尘量+被雾滴捕捉的粉尘颗粒量，式子表达为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s19）式中，c为区域粉尘颗粒浓度，；为风流场速度，；λ为气流粒子逃逸系数；表示粉尘浓度变化量，；为单位范围中单位时间颗粒的捕捉量，。查询相关文献得： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s110）式中，为除尘雾滴与风场风流的相对速度，即为；为除尘雾滴速度，；为水雾的体积百分比，即为；为除尘雾滴测定区域的总体积百分比，;为单位除尘液滴的抓捕效率；为水滴的平均尺寸，假设雾滴为球形，表示为其通径，。将式（2.10）代入式（2.9）得： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s111）将相关参数代入式（2.3）中，整理得出： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s112）两边同时进行积分： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s113）假设最初粉尘颗粒浓度为c0，所以当x=0时，c=c0，a=lnc0，即得出： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s114）得出除尘效率： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s115）应用惯性碰撞原理进行除尘中，可为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s116）式中，为气流扩散作用常数，通过经验公式决定；为单位水滴惯性碰触捕捉效率，可为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s117）式中，表示粉尘漂浮的惯性系数，也为Stokesnumber，可写成： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s118）式中，是滑动改正系数；为雾尘颗粒的通径，；表示雾尘颗粒密度，;为没有被扰动的上部气体颗粒中，尘颗粒和雾滴相对速度，（二者数量级相同依据风速进行飘动，即同速）；表示为粘性常数，。在除尘雾流的可作用区域内，露天矿环境风速和粉尘的移动速度远小于除尘雾滴速度，所以可将环境风速和粉尘的移动速度和除尘雾滴之间相对速度看作除尘雾滴的移动速度，得出： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s119）整理（2.15）（2.16）（2.17）（2.18）（2.19）得： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s120）除尘雾滴捕尘的机理主要包含惯性碰触、扩散等，惯性碰撞主要应用于通径＞1的粒尘；在不考虑雾滴扩散和拦截等效应情况下，只针对与惯性碰撞进行分析，则式2.12中，。查文献得粉尘颗粒密度为，确定此值为露天矿粉尘颗粒的密度。雾尘区域断面积A为21，平均风流速度，空气动力粘性常数,代入式2.20，可得 （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s121）式2.21中，雾滴总体积流量，喷雾速度值，雾滴通径，为尘颗粒通径。综上所述，可得如下结论：影响雾滴除尘效率的主要因素包括要捕捉的粉尘颗粒通径、除尘雾滴的通径、移动速度及粒子浓度等相关因素。同样水量输出的情形下，雾滴通径越细微，其数目就越多，与粉尘颗粒的碰触几率就越大，以此提高除尘效率。但是，假设除尘雾滴太过细微对降尘效率有影响，通径太小的水滴在包裹尘颗粒之后仍然会继续随风流飘动；其次，这还可能会产生已包裹了灰尘的小液滴受到蒸发现象，尘粒“脱离捕捉”的情形，仅为直接减少了雾滴除尘效率。雾滴和灰尘颗粒之间相对速度影响着雾滴除尘效率。其中，雾滴速度越快，即可越有能力抵抗在和灰尘颗粒接触时雾滴表面张力，混合尘粒捕捉。基于国内外学者的多次试验与研究分析证明，在雾滴动速在5~15m/s时，雾滴除尘作业效率最高。但当除尘雾滴速度过快时，会产生水雾流场附近风流吸卷问题，造成喷雾除尘作业区域二次扬尘现象；然而雾滴速度过快，雾滴的动能会增高，能量过盈，会使通径不大的雾滴轻易进行蒸发，从而降低除尘效率。通常来说，在部分区域内除尘雾滴的浓度越高，从而会升高雾滴与粉尘颗粒（尤其为呼吸性尘）的碰触概率，降尘效率也会因此提高。在上述降尘讨论基础上，针对于目前露天矿来说，道路运输灰尘产生的呼吸性粉尘颗粒会超过35%，灰尘通径相对不大，范围在1.5—11.5微米之间，所以依据灰尘通径和雾滴通径、雾滴移速的之间关系，确定相对应除尘雾滴通径在30—120微米范围内，雾滴速度在5m/s—15m/s之中最适合，让喷头喷嘴单位体积中形成较多的小通径雾滴，以提高效率。喷雾降尘建模以及相关参数取值（1）为了建立简单的数学模型方便计算模拟，本文仅考虑惯性碰撞捕集。此时假设工作场地的空气流动速度为，粉尘面积取，气体动力粘度取标准值，场地的粉尘密度取。参考式（2.1）中关于的表达式，取面积的长度为，取为粉尘浓度降低量，则在微元体内的粉尘质量平衡方程为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s122）式中：——粉尘单位时间内的浓度；，；——液滴的运动速度，；——粉尘随空气的流动速度，；空间体积的含水雾量：，其中——液滴的体积流量，m3/s；液滴的截面积：，其中——液滴的粒径；液滴的体积：孤立液滴的捕集效率为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s123）式中：——包括截留和扩散作用的实验常数，由实验测定；——孤立液滴碰撞时的捕集效率，参考式（2.17）将式（2.22）化简并积分有： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s124）设原始奋粉尘浓度为，当时，得，于是： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s125）则除尘率： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s126）联立（2.9）、（2.10）、（2.19）、（2.20）得： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s127）代入开头相关数据有： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s128）（2）本论文中洒水车使用两个喷嘴，因此耗水量为： （STYLEREF1\s2.SEQ公式\*ARABIC\s129）式中：Q——流量，；——流量系数，取；——喷嘴孔径，。（3）在洒水车喷洒情况下，液滴的实际粒径时各不相同的，对于惯性碰撞捕集的液滴尺寸，目前普遍采用来代表，即液滴粒径小于液滴质量占液滴总质量的时的粒径值。经过实验检测，当水的密度，温度为时，水的表面张力，动力粘度为。液滴的粒径、值以及喷雾的有效长度在不同压力下的计算值如表2.1所示：表STYLEREF1\s2.SEQ表\*ARABIC\s11不同压力下水雾的粒径（单位：）Table2.1Particlesizeofwatermistunderdifferentpressures水压力1.5234喷嘴口径1.015012098781.2187153121981.52301961681312.0285245208179表STYLEREF1\s2.SEQ表\*A