大喷嘴充气器工作参数对充气性能影响的试验研究.pdf

1 5 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年增刊 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s I L1 6 7 1 ．9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 3 4 大喷嘴充气器工作参数对充气性能影响的试验研究 吴峰，史帅星，董干国 北京市高效节能矿冶装备工程技术研究中心，矿物加工科学与技术国家重点实验室， 北矿机电科技有限责任公司，北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要简要介绍了充气器结构组成及工作原理，重点研究了充气器用大喷嘴在不同工作参数即充气压力和浸没深度条 件下的气流喷射长度、末端扩散宽度、气泡大小与喷气流量的变化规律。结果表明，在同一浸没深度条件下，随着充气压力的 增大，除气泡直径外。其它三个性能参数都相应增大；在同一压力条件下，随着喷嘴浸没深度的增加，喷气流量基本没有变化， 气流喷射长度、气流末端扩散宽度和形成的气泡却逐渐减小。本文的研究对大喷嘴充气器在实际应用中工作参数的选取具 有重要的意义和应用价值。 关键词大喷嘴充气器；工作参数；充气性能 中图分类号文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S 0 - 0 1 5 6 - 0 4 E x p e r i m e n t a lR e s e a r c ho nt h eE f f e c to fD i f f e r e n tO p e r a t i n gP a r a m e t e r s o nB i gN o z z l eS p a r g e rA e r a t i n gP e r f o r m a n c e W UF e n g 。S i l lS h u a i x i n g ，D O N CC a n g u o B e i j i n gE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro nE f f i c i e n ta n dE n e r g yC o n s e r v a t i o nE q u i p m e n to fM i n e r a lP r o c e s s i n g ， S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fM i n e r a lP r o c e s s i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ．B G R I M MM a c h i n e r y A u t o m a t i o n T e c h n o l o g yC o ．L t d ．，B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es p a r g e ra r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h e v a r i a t i o nr u l e so ft h ea i ri n j e c t i o nl e n g t h ，a i r f l o wt i pd i f f u s i o nw i d t h ，t h es i z eo ft h eb u b b l ea n dt h ej e t t i n go u t f l o wo f t h eb i gn o z z l eo fs p a r g e ra r es t u d i e de m p h a t i c a l l yu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r sw h i c ha r et h ea e r a t i o np r e s s u r e a n di m m e r s i o nd e p t h ．I ti ss h o w nt h a tt h eo t h e rt h r e ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e a e r a t i o np r e s s u r eu n d e rt h es a m ei m m e r s i o nd e p t h ．U n d e rt h es a m ep r e s s u r ec o n d i t i o n ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e i m m e r s i o nd e p t ho fn o z z l e ，t h ej e t t i n go u t f l o wb a s i c a l l yu n c h a n g e s ，b u tt h ea i ri n j e c t i o nl e n g t h ，a i r f l o wt i pd i f f u s i o n a n ds i z eo ft h eb u b b l eg r a d u a l l yd e c r e a s e ．T h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u ef o r t h es e l e c t i o no fw o r k i n gp a r a m e t e r so fb i gn o z z l es p a r g e ri np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ． K e yw o r d s b i gn o z z l es p a r g e r ；w o r k i n gp a r a m e t e r s ；a e r a t i o np e r f o r m a n c e 目前，各种冶金化工等行业的生产都需要空气 的参与，空气利用率及充气能耗是评价这些反应设 备的重要指标，充气系统的整体效率更是影响设备 性能的主要因素，因此高效的充气系统一直是相关 设备的研究重点。2 。近年来，北京矿冶研究总院在 国家项目的支持下，成功开发出充气器这种高效的 充气系统并应用到冶金耗氧反应设备氰化槽和氧化 槽中，经过现场的工业试验和实际应用取得了较好 的指标，受到了业内的关注，应用领域在进一步扩 展∞引。但是随着应用范围的扩大、应用环境的多样 话及应用设备的大型化，原有充气器喷嘴的种类逐 渐不能满足现有设备的需要，主要体现在以下几方 面1 在现有充气器喷嘴直径上，大型或者大耗气设 备需要通过增加充气器的数量，来满足气量的需求， 由于充气器本身价格昂贵，会使整个充气系统所占 设备的总体费用增多，设备失去市场竞争力；2 充气 器个数的增多，导致故障点多，维护保养检修量巨 大；3 充气器数量的增多也会给设备空间布置方面 带来挑战，设备不容易形成标准化和系列化。有效 解决这些问题的方法就是通过增大充气器喷嘴的直 径，满足设备需求，但是充气性能又不能受影响。一 般设备应用中对充气器充气性能影响最主要的工作 参数为充气器充气压力及充气器喷嘴在浆液中的浸 没深度。本文即对充气器用大喷嘴 出气口径≥1 0 m m 进行清水试验，研究大喷嘴不同充气压力和浸 没深度与充气器充气性能之间的关系，为大喷嘴充 气器前期研究提供理论支持，进一步为大喷嘴实际 应用工作参数的选取提供数据支撑。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 4 7 4 0 3 2 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 - 2 5 作者简介吴峰 1 9 8 6 一 ，男，山西大同人，硕士，工程师，主要从事浮选机械及湿法冶金机械的设计及研究工作。 万方数据 2 0 1 7 年增刊吴峰等大喷嘴充气器工作参数对充气性能影响的试验研究 1 5 7 1充气器的结构组成及工作原理 充气器的结构示意图如图1 所示。充气器的工 作原理是空压机送来的高压气体通过进气口进入到 充气器的水平管道，到达前方的喷嘴，因为气体压力 的作用压缩后面的弹簧，弹簧带动运动阀杆向后运 动，前端喷嘴打开，高压气体通过喷嘴喷出进入到浆 液中，通过浆液的剪切，生产大量的小气泡。表征充 气器喷嘴性能的参数主要有喷射气体流量、气流喷 射长度、气流末端扩散宽度和喷射气泡直径等“ 1 。 图1充气器结构示意图 F i g ．1S p a r g e rs t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a m 2 大喷嘴充气器的试验研究 2 ．1 试验系统 本试验系统主要由有机玻璃槽、充气器、管路、 压力表、流量计、储气罐和空压机七部分组成，其结 构简图如图2 所示。有机玻璃槽的侧壁不同高度处 固定有三根试验用充气器，每根充气器前面安装结 构相同的空1 0m m 喷嘴，其中两根在同一浸没深度 皿，另外一根在另一浸没深度q ，槽中注入特定高 度的清水，用来观察和测量充气器喷射出空气时的 各种数据；充气管路用来连接各种设备；空压机主要 是为充气器提供高压气源；储气罐的作用是稳定从 空压机出来的空气压力及流量，保证充气器的供气 均匀性；压力表主要是检测充气器的实际供气压力； 流量计是检测充气器在一定工作条件下喷射出的空 气流量‘7 。。 2 ．2 试验方法 本试验主要测试大喷嘴在不同供气压力、不同 浸没深度条件下单位时间内喷射出的空气体积流量 y 、气流喷射长度￡、气流末端扩散宽度日、喷射气泡 直径D 。空气体积流量通过数显流量计直接读取数 值，气流喷射长度、末端扩散宽度和喷射气泡直径通 过在有机玻璃槽子的外表面粘贴多组刻度标尺直接 读出。 图2 大喷嘴充气器试验系统示意图 F i g ．2B i gn o z z l es p a r g e re x p e r i m e n ts y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 喷嘴 l ￡≤； 乒2 ≮ J 上一一’k0f ．『一八 f封 基弋 多冬吨一．r1 ] 1 ] 扩 图3充气器大喷嘴充气性能表示示意图 F i g ．3 T h ea e r a t i n gp e r f o r m a n c ee x p r e s s i o no fs p a r g e rn o z z l es c h e m a t i cd i a g r a m 万方数据 1 5 8 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 首先往槽中灌人一定的水量，给定一个喷嘴浸 没深度，变化充气压力，测量大喷嘴的充气性能，然 后逐渐往有机玻璃槽中加水，使得喷嘴的浸没深度 增加，变化充气压力进行第二组试验，这样共进行四 个浸没深度四个充气压力条件下的试验。 3 试验结果及分析 3 ．1 试验结果 依据上面的试验方法，对充气器大喷嘴进行不 同浸没深度和充气压力条件下的清水试验，得到的 试验数据见表1 。 3 ．2 试验结果分析 利用上面的试验数据通过作图可以更好的分析 实验数据。 表1 不同充气压力和浸没深度下喷嘴充气性能数据 T a b l e1N o z z l ea e r a t i o np e r f o r m a n c ed a t au n d e rt h ed i f f e r e n ta e r a t i o np r e s s u r ea n di m m e r s i o nd e p t h 从图4 可以看出在同一浸没深度条件下，随着 充气压力的增大，喷嘴喷气流量也随之增大，这主要 由于随着充气压力的增大，喷嘴出气前的气压相应 增大较明显，喷嘴气流进入处的水压却没有发生改 变，使得喷嘴喷气流速加大而导致的结果；在同一压 力条件下，随着喷嘴浸没深度的增加，喷嘴喷气流量 却基本没有变化，这主要是因为实验槽中喷嘴浸没 深度加大增加的水压力仅仅相对于喷嘴进气气体的 ’c 。量 ● 置 Z 一 龌】 斌 媛 习 没深度3 2 0m m 没深度5 2 0a m 没深度7 2 0m m 没深度9 2 0m m 图4喷嘴工作参数与喷气流量关系图 F i g ．4 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nj e t t i n g o u t f l o wa n dn o z z l ew o r k i n gp a r a m e t e r s 压力的5 ％，对气体流速的影响微乎其微，所以喷嘴 喷气流量基本不随浸没深度而变化。 从图5 可以看出在同一浸没深度条件下，随着 充气压力的增大，喷嘴在槽中气流喷射长度也随之 增大，这主要由于随着充气压力的增大，气体的压力 能逐渐增大，这样就会有更多的压力能转化为动能， 即喷嘴气体出口速度增大，而液体的阻力恒定，导致 一气体喷射长度加大；在同一压力条件下，随着喷嘴浸 4 5 0 4 0 0 t - , 寇3 5 0 业 接3 0 0 螫 2 5 0 没深度3 2 0m i l l 没深度5 2 0m m 没深度7 2 0 m m 二浸没深度9 2 0 I l l l n 0 ．5 5 图5喷嘴工作参数与气流喷射长度关系图 F i g ．5 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na i ri n j e c t i o nl e n g t h a n dn o z z l ew o r k i n gp a r a m e t e r s 1 吾帆 一 力 一 压嗝 l 一加抛。 万方数据 2 0 1 7 年增刊吴峰等大喷嘴充气器工作参数对充气性能影响的试验研究 1 5 9 没深度的增加，喷嘴气流喷射长度却逐渐减小，因为 随着喷嘴浸没深度的加大，液体的阻力增大，相同水 平出口流速的气体阻力越大向前喷射的距离就 越近。 从图6 可以看出喷嘴在槽中气流末端扩散宽度 随喷嘴工作参数的变化规律与气流喷射长度有相同 的变化规律，其原因也基本相同，但是气流末端扩散 宽度受工作参数影响的幅度较气流喷射长度的小， 这是因为喷射出的气流柱周边气体速度值相对较 小，气流在水中受到浮力作用反而相对较大，使得气 体都来不及扩散即向上运动，导致相对影响幅度 较小。 ，1 n 昌 吕 魁 拭 拯 b 释 怅 深度3 2 0 m m 深度5 2 0m i T t 深度7 2 0 m m 深度9 2 0 m m 图6喷嘴工作参数与气流末端扩散宽度关系图 F i g ．6 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i r f l o wt i p d i f f u s i o nw i d t ha n dn o z z l ew o r k i n gp a r a m e t e r s 从图7 可以看出在同一浸没深度条件下，随着 充气压力的增大，喷嘴在槽中喷射出的气泡逐步变 小，这主要由于空气射流一离开喷嘴就会与槽中水 进行能量转换而发生剧烈的紊动和扩散，随着充气 压力的增大，气体积聚的能量增加，这种紊动和扩散 加剧，气体需要形成更大的气水界面即更多的小气 泡来进行能量交换；在同一压力条件下，随着喷嘴浸 没深度的增加，喷射形成的气泡也是逐渐减小，因为 随着喷嘴浸没深度的加大，水的压力增大，水压对喷 射出气流的截割作用增大所以气泡会变小，但是总 体来说由于浸没深度产生的静水压力较小，截割作 用对形成气泡大小的影响不显著。 6 5 6 O l 5 5 ；5 ．0 薹4 ．5 扩4 0 3 ．5 3 ．OL o ．4 0 没深度3 2 0m m 没深度5 2 01 1 1 1 3 2 没深度7 2 0m i l l 没深度9 2 0m m ．．-．-l-．．-．．．．．．．．．．．-．．．．．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-．．．．．．J--．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 0 ．4 50 ．5 00 ．5 5 充气压力／M P a 图7喷嘴工作参数与喷射气泡大小关系图 F i g ．7 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n j e c t i o nb u b b l e s i z ea n dn o z z l ew o r k i n gp a r a m e t e r s 4 结论 在同一浸没深度条件下，随着充气压力的增大， 喷嘴喷气流量、气流喷射长度、气流末端扩散宽度都 随之增大，但是喷射形成的气泡直径却逐步变小；在 同一压力条件下，随着喷嘴浸没深度的增加，喷嘴喷 气流量却基本没有变化，但是气流喷射长度、气流末 端扩散宽度和形成的气泡直径却逐渐减小；总体来 讲，浸没深度这一工作参数对大喷嘴充气性能影响 的显著程度要低于充气压力。 参考文献 [ 1 ] 杨显万，邱定番．湿法冶金[ M ] ．2 版．北京冶金工业出 版社，2 0 11 ． [ 2 ] 钟秦，王娟，陈乔迁，等．化工原理[ M ] ．北京国防 工业出版社，2 0 0 1 ． [ 3 ] 董干国，李晔，杨丽君，等．一种新型生物氧化反应器 的研制[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 9 5 2 - 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