三相泡沫发泡器发泡机理及设计原理.pdf

第3 7 卷第4 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 7N o ．4 2 0 0 8 年7 月J o u m a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yJ u l ．2 0 0 8 三相泡沫发泡器发泡机理及设计原理 秦波涛，王德明，张仁贵 中国矿业大学安全工程学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要为了使粉煤灰或黄泥浆液形成高质量的三相泡沫，研制了专门用于不均质固体颗粒发泡 的三相泡沫发泡器．介绍了发泡器的发泡机理，模拟了发泡器内不同扩散角度下泥浆流速和管内 静压的分布，建立了发泡器发泡的流体动力学方程．结果表明扩散角为6 0 。时压力分布和流速 最满足形成三相泡沫的条件，三相泡沫发泡器结构简单，本身不需要接入外界任何动力装置，且 发泡效率高、产生泡沫均匀细腻、能适应不同固体颗粒粒径的浆液材料． 关键词三相泡沫发泡器；设计原理；发泡机理 中图分类号T D7 5 3 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 一0 4 3 9 一0 4 F o a m i n gM e c h a n i s ma n dD e s i g nP r i n c i p l e s o faT h r e e P h a s e F o a mG e n e r a t o r Q I NB o t a o ，W A N GD e m i n g jZ H A N GR e n g u i S c h o o lo fS a f e t ye n g i n e e “n g ，S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e sa n dM i n eS a f e t y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t At h r e e - p h a s ef o a mg e n e r a t o rw a sd e v e l o p e df o rm a k i n gf l ya s ho rs l u r r yi n t oh i g h p e r f o r m a n c et h r e e ．p h a s e _ f o a m ． T h ef o a m i n gm e c h a n i s mo ft h ef o a mg e n e r a t o rw a sd i s c u s s e d ． T h ed i s t r i b u t i o no ff l o wr a t e sa n dp r e s s u r e so ft h es l u r r yw i t hd i f f e r e n td i f f u s i o na n g l e sw a s s i m u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wr a t ea n dp r e s s u r ew i t ha6 0 。d i f f u s i o na n g l em e e tt h e c o n d i t i o n sf o rf o r m i n gt h r e e p h a s e _ f o a m ．T h es t r u c t u r eo ft h ef o a m i n gg e n e r a t o ri ss i m p l ea n d n oa d d i t i o n a lp o w e r e dd e v i c ei sn e e d e d ．T h ef o a mg e n e r a t o rh a sh i g he f f i c i e n c ya n di ss u i t a b l e f o rs l u r r yw i t hd i f f e r e n ts i z ep a r t i c l e s ． K e yw o r d s t h r e e - p h a s e _ f o a mg e n e r a t o r ；d e s i g n e dp r i n c i p l e ；f o a m i n gm e c h a n i s m 采空区自燃火灾是我国煤矿安全生产的重大 灾害之一，往往造成上千万的综采设备被封在火区 或被烧毁，带来巨大的经济损失；也很可能引发重、 特大瓦斯煤尘爆炸事故，造成严重的人员伤亡．为 了有效防治矿井煤炭自燃，中国矿业大学通风防灭 火课题组开发了粉煤灰 黄泥 、氮气和水组成的防 治煤炭自燃的三相泡沫新技术n ] ．三相泡沫有发泡 倍数较高 ≥3 0 倍 、产生量大 6 0 0 ～10 0 0m 3 ／h 、 扩散性好、能将浆液分散均匀充填采空区空间等特 点．目前，三相泡沫技术已在全国6 0 多个矿井得到 应用推广，在矿井火灾特别是采空区隐蔽火源的治 理中发挥越来越重要的作用．要产生较高倍数的三 相泡沫，三相泡沫发泡器是关键，其结构设计直接 关系到三相泡沫的生成质量和矿井防灭火的效果． 国内外两相泡沫发泡器种类很多，迄今所知的 泡沫发生器，有涡轮式、螺旋式、孔隙式、网式、同心 管式等[ 2 ] ．有用于回采工作面冒落空洞处理用的 矿用泡沫水泥充填机及建筑行业的泡沫混凝土泡 沫发生器的相关研究[ 3 q ] ．三相泡沫发生器与国内 外现有的各类发泡器引入的气源和用途不同，因此 收稿日期z 0 0 7 1 1 0 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 6 7 4 0 8 8 作者简介秦波涛 1 9 7 7 一 ，男，重庆市忠县人，副教授。工学博士，从事通风防灭火方面的研究． E 一啪i l q b t 2 0 0 3 1 6 3 ．c o m T e l 1 3 8 1 5 3 1 9 2 7 3 万方数据 中国矿业大学学报第3 7 卷 需要对三相泡沫物理发泡的动力学特性进行分析 与研究，并据此设计新的三相泡沫发生器[ 5 ] ． 1 三相泡沫发泡器发泡机理 1 ．1 三相泡沫形成途径 含固体颗粒浆液经过三相泡沫发泡器后，固体 颗粒和气泡进行多次碰撞而实现黏附．颗粒和气泡 之间被液隔离，即使当二者非常接近，各自所具有 的水化层也不易被冲破而黏附，只有在外力作用 下，比如机械搅拌、射流冲击等，使彼此碰撞，破坏 其间的液化层才能实现黏附．实验发现在添加有发 泡剂的粉煤灰浆液中，如果只是轻微的搅拌，则浆 液上面出现大量白色的两相泡沫，而粉煤灰颗粒并 不黏附在气泡上；当经过激烈的搅拌和混合时，颗 粒才会黏附在气泡上形成三相泡沫． 由于气泡具有弹性，且固体颗粒又是多种形状 的．假设固体颗粒是球形，气泡体积比固体颗粒大 的多，我们以颗粒与气泡碰撞前后动量的变化来衡 量碰撞时的冲量[ 6 ] ，如图1 所示．当颗粒以速度y 。 向气泡发生碰撞时，其动量S ，为 S 1 m V lc o s 口， 1 式中仇为固体颗粒的质量；a 为碰撞时V 。与法线 夹角． 固体颗粒 图1固体颗粒与气泡碰撞分析 F i g ．1A n a l y s i so fi m p a c tb e t w e e nb u b b l ea n ds o l i dg r a n u l e 当颗粒与气泡碰撞后以V 。的速度弹回到浆液 中，则动量S 为 S 2 m V 2 c o sp ， 2 式中 卢为碰撞后颗粒以K 速度离开气泡时与法 线的夹角． 在这里引入一个恢复系数E 来表示颗粒与气 泡碰撞前后动量的变化E 的物理意义是颗粒与气 泡碰撞时破坏水化层的牢固度，E 值越小，说明对 水化层牢固度破坏就越大． E 詈娶业． 3 0 1 y lC O S 口 当E 一1 时，说明发生了完全的弹性碰撞，颗 粒与气泡之间没有黏附；如果E 一0 ，则碰撞是非 弹性的，气泡和颗粒实现了黏附． 因此，从式 3 可以得出1 颗粒碰撞在气泡 上主要决定于它的碰撞角度和动量；2 颗粒碰撞 气泡时，颗粒与气泡之间的水化层就逐渐变薄，且 颗粒冲击力越大，对气泡造成的凹缺口越大；3 颗 粒与气泡碰撞的越强烈，气泡与颗粒黏附就越好； 颗粒与气泡碰撞时越靠近垂直轴，则两者之间黏附 的越好． 1 ．2 三相泡沫发泡器发泡机理 因此发泡器的设计必须保证促进颗粒与气泡 之间的完全碰撞，满足以上3 个条件才能形成效果 好的三相泡沫．据此设计的三相泡沫发泡器，采用 文丘里管和集流器原理，结构简单，操作方便，能适 应不同固体颗粒粒径的浆液材料，发泡器本身不需 要任何动力装置，仅依靠流入发泡器浆体本身的能 量，通过其流动截面的改变，速压增加，静压降低， 而将氮气吸入；利用浆体的能量使叶片转动，产生 二次发泡，使发泡率高，泡沫细腻致密．采用该三相 泡沫发生器可产生发泡倍数为3 0 ～5 0 的三相泡 沫．其原理构造如图2 所示． 集流器叶轮调节杆三相泡沫 氦气入口 图2 三相泡沫发泡器构造 F i g ．2 S t r u c t u r eo ff o a m i n gg e n e r a t o ro ft h r e e - p h a s ef o a m 发泡原理是浆液靠自然压差或借助泥浆泵产 生动力，同时外界气体也有相当大的动能，浆液通 过发泡器时，气体经过引射孔进入发泡器内，泥浆 和气体都成为射流状态，在发泡器与集流器之间的 旋转斜面上，已成为湍流涡流，泥浆和气体在此处 充分搅拌混合，使气一液一固充分混合．由于粉煤灰 浆和气体具有较高的动能，混合后在低压区造成了 能量过剩，根据热力学原理，过剩的能量就对三相 混合液做功，同时由于表面活性剂的存在，形成了 大量的具有三相介质的泡沫群体．高速泡沫泥浆冲 击的旋转叶轮即在封闭系统内对泡沫泥浆进行高 速搅拌而使泡沫机械切割、挤压分散而均匀细化； 同时也使固体颗粒进一步分散，增强了泡沫泥浆的 稳定性，从而形成了均匀致密细腻的三相泡沫． 2发泡器设计的流体动力学依据 2 ．1发泡器内负压产生原理 三相泡沫发泡器主要就是采用射流喷射的原 万方数据 第4 期秦波涛等三相泡沫发泡器发泡机理及设计原理4 4 1 理[ 7 ] ，主要部件之一是内置的文丘里管，文丘里管 的流道截面形状是一个先收缩后扩张的圆形管子 图3 ．安装在液体管路中的文丘里管，在收缩段， 随着截面积的变小，浆液的流速逐步增大，压力却 逐步下降．在文丘里管的截面积达到最小 喉部 时，流体速度达到最大，静压力则达到最小．由于高 速泥浆射流表面的黏滞及卷吸作用，如果在扩散管 上设置多个孔洞，文丘里管外的氮气通过扩散管上 的孔洞被引射吸至管路内，从而与泥浆充分混合． 图3文丘里管示意 F i g ．3 S k e t c hm a po fv e n t r u it u b e 由于是水平安装，且管路较短，所以忽略水头 损失，在文丘里管的轴心处，2 。一z ，文丘里管入 口、喉部截面的伯努里方程为 2 。 △ 等堕z 。 丝 冬堕 ，一， 4 r 厶g ， 厶g 式中2 为标高，m ；夕为截面压强，P a ；y 为灰浆比 重；g 为重力加速度，m ／s 2 ；u 为灰浆流速，m ／s ；口为 动能修正系数； 为水头损失，m ． 取口。一口一口，据流体的连续性方程式，则有 f 判一 △户8 埘专茜F ， 5 式中△p 为管内负压，P a ；D 为发泡器筒体直径， m ；d 为喉部直径，m ． 三相泡沫发生器就是利用文丘里管内动压与 静压之间的相互转换，在喉部处形成一定的相对负 压，把氮气吸入． 2 ．2模拟结果与分析 采用C F D 模拟方法，直观地展现三相泡沫发 泡器内射流流线分布及压力和流速的分布规律．基 本模型如图4 ，人口直径为1 0 0m m ，喉部直径为2 0 m m ，出口直径为1 0 0m m 选择在实际应用中的一 个流速，流量有2 0m 3 ／h ，人口速度为O ．7 1m ／s 的 发泡器中，即设人口速度班 0 ．7 1m ／s ，口， 0 m ／s ，％ om ／s ．不同扩散角的速度和压力分布 C F D 模拟见表1 ．从表1 中可以看出最大压力值随 扩散角的增大成增大趋势．最小压力却不够稳定， 这是与产生旋涡的条件有关．但负压区都在喉部附 近，当扩散角在5 5 。时，最小压力值在对称轴的中 心；在6 0 。角时，负压区却分布在对称轴的两侧；速 度是随扩散角的增加而增加的． 表1不同角度下的压力与速度 T a b I e1 F l o w i n gs p e e d s 锄dp 啷s u 峭 u n d e rd i f f 电r e n td i f f l I s e da n g J e s 从上述结果知，压力和速度的最大值都大致随 扩散角的增加而变大，从表1 中可得到扩散角为 4 5 。和5 5 。时最好．模拟结果4 5 。和5 5 。最大负压点 在轴附近，而6 0 。时，负压区是随轴对称的，最大负 压点也离边界较近，因此扩散角为6 0 。是最佳设计 角度．图4 是扩散角为6 0 。时发泡器内压力和速度 分布模拟图． a 压力分布b 速度分布 图4 扩散角为6 0 。压力和速度模拟分布 F i g ．4D i s t r i b u t i n gs t a t eo ff l o w i n gs p e e da n d p r e s s u r ew h e nt h et h ed i f f u s e da n g l ei s6 0 。 3 发泡器产生三相泡沫的流体动力学 不同相之间的混合方法对泡沫的均匀性和分 散度有重要影响．混合的质量取决于三相泡沫发泡 器的构造和形成的泡沫流体的流动模式口] ．气体与 液相接触表面的面积对发泡过程非常重要．在受限 空间内，结合图2 ，根据雷诺式和边界层的理论，应 用守恒方程[ 9 1 推导如下 运动守恒射r 记 詈 d ，一] 一一r w ， 6 动量守恒兰[ I p 可，r 2 “] 一o ， 7 d ZJo 。 质量守恒 兰[ 1 p 口。r d r ] 一o ． 8 当沿着混合区域断面积分时，可得到发泡器中 主要的混合喷射的积分公式 f 记 詈 d r I 。一r w z ， 9 I D u 。口y r 2 d r M o ， 1 0 lp 可，r d r Q o ， 1 1 式中J 。，M 。，Q 0 分别为在断面z O 处的流量、运 动的动量和混合物浓度的初始值；玑，％分别为轴 向和切向的速度分量；P ，r ，p ，c 分别为混合物的压 力、半径、密度和浓度；r 。为切向应力． 式 9 中沿着长度X 减少的 ～r o z 切向应力 万方数据 4 4 2 中国矿业大学学报 第3 7 卷 r 。可表示为 r w c f I D 等， 1 2 厶 式中c f 为摩擦系数，C f 厂 R 。。 ，R 。。一生． U 当边界层是气态时，边界层具有较小的摩擦阻 力，且当混合流体在扩散管内呈现强烈的紊动涡流 流态时，表明了结构设计成功．在这种强烈的质量 与能量的交换过程中，气体喷射与泥浆喷射相互融 合，这就是均质三相体系形成的主要原因． 由于集流器的存在，流体自身的旋转发生在发 泡器内部的切向通道上，全角度的旋转可用下式进 行计算 s 而再岽高， 1 3 式中J 一冈，7 r r 2 ；J 。。为在发泡器断面开始处轴向 泥浆喷射的流量；J 。一冈，7 【心，J 。。和M 2 。分别为 在发泡器断面开始处边界气体喷射的流量和动量； ‰和r 2 0 分别为它们的离轴心的半径． 式 1 0 中的切向分量u ，与旋转度S 随着M 2 。 的增加而增加．由于在混合带横断面速度分布的不 规则性，主要取决于初始参数S 。．对与在z 轴向的 附近滞后运动大的S 。值产生了轴向循环带．初始 旋转度S 。影响了沿着喷射的初始和过渡部分长度 的喷射边界层的厚度，产生大量三相泡沫． 同时，在扩散段尾部还装有2 个旋转叶轮，其 主要作用是泡沫泥浆流经叶轮时，叶片高速旋转， 流体问、流体与叶轮间强烈撞击，使泡沫分散、细 化．即在封闭系统内对泡沫泥浆进行高速搅拌而使 泡沫分散均匀细化；同时也使起稳定作用的黏土颗 粒进一步分散，增强了泡沫泥浆的稳定性． 4 结论 1 发泡器不需要任何外界动力，在喉部通过 其流动截面的改变，速压增加，静压降低，形成了负 压区，建立了负压大小和浆液流量的方程．通过高 速泥浆射流表面的黏滞及卷吸作用，在文丘里管扩 散管四周上设置多个孑L 洞，氮气机提供的氮气通过 这些孔洞被引射吸至管路内，从而与泥浆充分混 合． 2 通过C F D 流体力学软件模拟三相泡沫发 泡器内不同扩散角度下泥浆的流速和管内静压的 分布状况，得出最佳扩散角为6 0 。，在此角度下压 力分布和流速最满足形成三相泡沫的条件． 3 建立了泥浆和氮气混合后的运动守恒、动 量守恒、质量守恒方程．当边界层是气态时，边界层 具有较小的摩擦阻力，且当混合流体在扩散管内呈 现强烈的紊动涡流流态时，表示结构设计的成功． 4 在发泡器后端还设计了双重叶轮，高速的 初始三相泡沫冲击着叶轮，使叶轮旋转，产生二次 发泡，使发泡率高，泡沫细腻致密；同时也能使粉煤 灰颗粒进一步分散，增强了三相泡沫的稳定性，从 而形成了均匀致密细腻的三相泡沫． 致谢本文得到了中国矿业大学青年科研基金 2 0 0 5 A 0 0 3 资助，特此感谢． 参考文献 [ 1 ] 秦波涛．防治煤炭自燃的三相泡沫理论与技术研究 [ D ] ．徐州中国矿业大学能源与安全工程学院， 2 0 0 5 ． [ 2 ]申瑞臣．泡沫发生器结构设计综述[ J ] ．石油机械， 1 9 9 3 ，2 1 5 5 2 5 5 ． S HE NR u i c h e n ．S t r u c t u r ed e s i g ns u m m a r i z a t i o no f f o a m i n gg e n e r a t o r [ J ] ．M a c h i n ei nP e t r o l e u m ，1 9 9 3 ， 2 1 5 5 2 5 5 ． [ 3 ] 杜乐清．矿用泡沫充填机[ J ] ．煤矿机械，1 9 9 8 ，1 9 2 4 2 4 4 ． D UI 。e - 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