CN103861511B - 一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，包括压风接头（1）、喷嘴体（2）、气液混合室（5）、多孔螺旋式起泡器（6）、发泡筒体（7）和泡沫出口接头（10）；喷嘴体的后端设有至少一个出口喷嘴；喷嘴体内的喷嘴腔呈圆台收缩状；压风接头与喷嘴体相连；喷嘴体安装在气液混合室前端内侧；多孔螺旋式起泡器安装在发泡筒体内。本发明多喷嘴射流结构可实现气液两相的低阻高效混合，采用网面高倍数发泡及螺旋低阻高效传热传质耦合机制进行发泡，大幅提高了装置的发泡性能，产生泡沫的风泡比低、发泡量大、成泡率高；降低了混合发泡过程的阻力损失，提高了装置的驱动压力，摒除了扰流发泡装置中的易损运动部件，提高了装置发泡的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫发生装置，具体是一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，属于泡沫发生装置领域。
背景技术
泡沫降尘是煤矿高浓度产尘区重要的降尘技术手段，国内外研究表明，泡沫在对粉尘的处理过程中，具有水雾所不可比拟的黏附性好、覆盖面积大、润湿速度快的优点，该项技术已在美国、英国、前苏联、中国等矿区得到应用，但在泡沫降尘过程中，由于泡沫发生器结构设计不合理，存在发泡过程阻力大，发泡效率低，产泡能力弱等缺陷，使得其成本急剧上升，严重制约了该项技术的大规模推广应用。
目前，煤矿井下泡沫降尘所用的发泡装置主要有网式和扰流式两种结构。其中，网式发泡是指将发泡液喷洒至网面，形成液膜，借助鼓风机（风扇）使网面上的泡沫液起泡，若发泡液在网面分散均匀，泡沫转化率可达95%，发泡倍数可达100倍以上，但在具体实施时，很难确保发泡液在网面上均匀分散；同时，由于生成的泡沫含气量过高，泡沫受风流影响易变形，泡沫稳定性非常差；而且网式发泡泡沫出口压力非常低，泡沫输送能力有限，尤其在进行泡沫的高阻传输过程中，易出现动力不足的问题。
扰流式发泡是指借助扰流部件，改变气液流动路径，延长气液的接触时间，扩大气液接触面积，增大气液混合、碰撞、挤压的机会，提高气体溶解率，使其生成的泡沫更微细、致密均匀，扰流部件主要有螺旋式和充填介质式两种结构。如：1996年2月20日公开的美国专利“Air/liquidstaticfoamgenerator”（申请号：US8/2509814，公开号：US054926556），其采用设置在圆筒内交替的左、右螺旋器进行导流，较大程度地减少了发泡环节的涡流损失，提升了发泡效果，但其螺旋结构为孤立体，而非连续部件，泡沫在左右螺旋过渡过程中很可能出现新的涡流团，能量损失难以确定；2011年11月23日公开的中国专利“压缩气体泡沫灭火***气液比例混合发泡器”（申请号：201110186008.8，公开号：102247673A），其通过增设混合发泡室，并在混合发泡室内充填球形颗粒，使气液流经每个颗粒后，借助“卡门涡街”效应产生漩涡，将动能转换为泡沫内能，增加了发泡倍数，但该发泡方式对球形颗粒要求严格，流道狭小，整体结构可靠性较差，需要进行定期更换，拆装、维修也比较困难，不适用于井下水质差等恶劣环境。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置,不仅可以进行高倍数、高成泡率的发泡；而且发泡过程阻力损失小，泡沫喷射力度大，产生的泡沫更稳定。
为了实现上述目的，本矿用多孔螺旋式泡沫发生装置包括压风接头、喷嘴体、气液混合室、多孔螺旋式起泡器、发泡筒体和泡沫出口接头；所述喷嘴体的前端外沿设有卡座，后端设有至少一个出口喷嘴；喷嘴体内的喷嘴腔呈圆台收缩状；所述压风接头与喷嘴体的前端相连；所述喷嘴体安装在气液混合室前端内侧；所述气液混合室的前部侧壁上开有吸液腔；所述吸液腔处安装有进液接头；气液混合室的后端与发泡筒体的前端连接，发泡筒体的后端与泡沫出口接头连接；所述多孔螺旋式起泡器安装在发泡筒体内。
优选地，所述螺旋起泡器包括中心轴杆和设置在中心轴杆上的螺旋叶片，所述螺旋叶片上开有多个圆孔。
优选地，所述中心轴杆的直径不超过螺旋叶片外圆直径的1/10，或者中心轴杆为空心结构。当螺旋叶片上圆孔的孔径为3～5mm，螺旋叶片螺距10mm～15mm。
优选地，所述气液混合室内腔的前部和喉管均为圆柱形通腔，后部为扩散型通腔。
优选地，所述喷嘴体后端设有多个呈收缩状的出口喷嘴，多个出口喷嘴在喷嘴体的喷嘴出口断面上呈中心对称。其中，当出口喷嘴的数量为5～7个时最好。通过将射流喷嘴设为多喷嘴状，可明显降低喷射过程阻力损失，强化喷嘴射流之间的相互作用，提高装置的抗扰动性，使混合更为稳定，也改变了常规单喷嘴射流流速高，两相混合强度低的问题。
优选地，所述多孔螺旋起泡器的末端设有外螺纹；所述泡沫出口接头的内壁上设有L型固定基座，基座上套有固定杆，固定杆的中心处开设有内螺纹圆孔；多孔螺旋起泡器与固定杆螺纹连接。
优选地，所述气液混合室的前端设有内螺纹，喷嘴体外侧设有外螺纹，气液混合室与喷嘴体螺纹连接；气液混合室的后端设有外螺纹，发泡筒体前端设有内螺纹，气液混合室与发泡筒体螺纹连接；所述气液混合室与喷嘴体和发泡筒体之间分别设有密封垫圈。
与现有技术相比，本发明中的多孔螺旋式泡沫发生装置，采用多孔高倍数发泡与螺旋低阻高效传热传质耦合机理进行发泡，首先通过螺旋结构，将一维泡沫流动转换为三维流动，弱化了泡沫的轴向切应力，强化了径向和周向切应力，增大了气液混合、碰撞、挤压的机会，扩大了泡沫相间传热传质作用，气液两相的质能转换可在极短时间内完成，提高了气液混合强度；同时，借助螺旋叶片上的密集网孔可使发泡液在高压、高速气流的作用下充分发泡，通过多道螺旋结构的低阻扰流，网孔液膜厚度增加，气泡的形成顺利，气泡间的聚并减弱，经多道网层的叠加发泡，发泡过程更为充分，另外螺旋扰流的扭转机制，可使泡沫的韧度及弹性明显增强，泡沫半衰期可提高数倍，成泡率及发泡倍数显著提升；螺旋结构的低阻性也大幅提高了装置的出口压力，使得装置的驱动能力显著增强，经本发明装置产生的泡沫喷射力度大，泡沫细腻均匀，可满足泡沫工程对高压、高阻配送的要求，优质的泡沫显著地改善了该技术的使用效果；此外装置还摒除了扰流式发泡装置中的易损运动部件，结构简单，拆装、维修方便，提高了设备的可靠性，突破了泡沫发生装置在应对井下恶劣作业环境时，发泡效果差、可靠性不足的瓶颈。
该发明装置不仅适用于井下泡沫工程技术领域，在需要进行高效发泡的消防灭火等工程技术领域同样具有极其重要的使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中喷嘴体的结构示意图；
图3为图2的右视图；
图4为本发明中多孔螺旋起泡器的结构示意图；
图5为图4的右视图；
图6为本发明中固定杆的结构示意图；
图7为图6的右视图。
图中：1、进风接头，2、喷嘴体，2-1、喷嘴出口断面，2-2、出口喷嘴，2-3、卡座，3、密封垫圈，4、进液接头，5、气液混合室，6、多孔螺旋起泡器，6-1、螺旋叶片，6-2、中心轴杆，6-3、圆孔，7、发泡筒体，8、基座，9、固定杆，9-1、固定圆孔，9-2、内螺纹圆孔，10、泡沫出口接头，A、喷嘴腔，B、低压腔，C、喉管腔，D、扩散腔，E、吸液腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，包括压风接头1、喷嘴体2、气液混合室5、多孔螺旋式起泡器6、发泡筒体7和泡沫出口接头10；所述喷嘴体2的前端外沿设有卡座2-3，后端设有至少一个出口喷嘴2-2；喷嘴体2内的喷嘴腔A呈圆台收缩状；所述压风接头1与喷嘴体2的前端相连；所述喷嘴体2安装在气液混合室5前端内侧；所述气液混合室5的前部侧壁上开有吸液腔E；所述吸液腔E处安装有进液接头4；气液混合室5的后端与发泡筒体7的前端连接，发泡筒体7的后端与泡沫出口接头10连接；所述多孔螺旋式起泡器6安装在发泡筒体7内。
使用时，可将压风管路与压风接头1连接，发泡液管路与进液接头4连接，由于喷嘴体2内为圆台收缩状，风速将逐渐增大，最后经喷嘴体2高速喷出，形成紊动射流，在紊动射流边界效应作用下，周围空气被大量卷吸，在喷嘴体2附近形成低压腔B，使得发泡液能够顺畅地由吸液腔E进入低压腔B，压风与发泡液在喉管腔C内完成初次混合，进行快速的传热、传质，由于气体速度较高，在气液混合室5内，初次形成的泡沫含气率相对较高，多呈环状，在扩散腔D内，流体速度逐渐降低，压力逐渐恢复，并在出口处达到最大静压。其中，当气液混合室内腔的前部和喉管均设为圆柱形通腔，后部设为为扩散型通腔，即前部圆柱形通腔与喷嘴体2之间形成低压腔B，喉管圆柱形通腔为喉管腔C，扩散型通腔为扩散腔D，此种结构更适合气液的初次混合。
初次混合产生的环状泡沫流，之后进入发泡筒体7内，在多孔螺旋起泡器6作用下进行高强度的二次混合发泡，一方面环状流在螺旋叶片6-1作用下，发生多向拉伸、剪切、搅拌作用，大幅提高了气液接触面积，延长了气液接触时间，提升了发泡效果；另一方面，由螺旋叶片6-1上的圆孔6-3形成的密集网孔可使发泡液在气流的作用下充分发泡，具有网面发泡产泡量大、发泡倍数高、成泡率高的特点，产生的泡沫微细、致密均匀。该发泡过程阻力损失小，泡沫喷射力度大，产生的泡沫更稳定，优质的泡沫显著改善了该技术的使用效果。其中，当吸液腔E为倾斜的圆柱形通腔，即进液接头4沿倾斜方向进入气液混合室5时，能够进一步减少气液混合过程中，由正碰造成的伴随射流损失，气液之间更易进行质能转换，相互混合也更易进行。
如图4和图5所示，所述螺旋起泡器6包括中心轴杆6-2和设置在中心轴杆6-2上的螺旋叶片6-1，螺旋叶片6-1上开有多个圆孔6-3。其中，螺旋叶片6-1上圆孔6-3的孔径为3～5mm，圆孔数以截面面积上能布置最多为宜，螺旋叶片6-1螺距为10mm～15mm。为避免中心轴杆6-2过粗影响泡沫发生器内部流场，可使中心轴杆6-2的直径不超过螺旋叶片6-1外圆直径的1/10，或者采用空心结构的中心轴杆6-2。
如图2和图3所示，所述喷嘴体2的后端设有多个呈收缩状的出口喷嘴2-2，多个出口喷嘴2-2在喷嘴体2的喷嘴出口断面2-1上呈中心对称，即将喷嘴体2设置为多喷嘴结构；多喷嘴结构能够克服单喷嘴射流存在的中心速度高、边界速度低的缺点，强化了射流内部混合力度，使得射流流速及压力波动幅度更小，射流喷射更稳定，动力更强。出口喷嘴2-2的数量过多或过少都对射流有影响，数量为5～7个时效果最好。
如图1、图6和图7所示，可在多孔螺旋起泡器6的末端出设置外螺纹；泡沫出口接头10的内壁上设有L型固定基座8，基座8上套有固定杆9，固定杆9的中心处开设有内螺纹圆孔9-2，固定杆9上下边界附近设有对称的圆孔9-1；固定时，首先将多孔螺旋起泡器6末端外螺纹连接到内螺纹圆孔9-2上，可通过调节螺纹长度改变多孔螺旋起泡器6在发泡筒体7内的位置，再通过两个对称的圆孔9-1将固定杆9套设在L型固定基座8上，这样不仅能将多孔螺旋起泡器6安装在发泡筒体7内，还能防止多孔螺旋起泡器6发生不定向移动，装置拆装、维护更方便。
优选地，所述气液混合室5的前端设有内螺纹，喷嘴体2外侧设有外螺纹，气液混合室5与喷嘴体2螺纹连接；气液混合室5的后端设有外螺纹，发泡筒体7前端设有内螺纹，气液混合室5与发泡筒体7螺纹连接；所述气液混合室5与喷嘴体2和发泡筒体7之间分别设有密封垫圈3。采用螺纹连接的方式进行连接，易安装拆卸，而密封垫圈3则使连接更紧密，避免出现因缝隙漏气或有碍气液混合的情况发生。
此外，本发明多孔螺旋式泡沫发生装置的使用不仅局限于煤矿井下，在需要进行高效发泡的消防灭火等工程技术领域同样具有极其重要的使用。
Claims (10)
1.一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，包括压风接头（1）、喷嘴体（2）、气液混合室（5）、多孔螺旋式起泡器（6）、发泡筒体（7）和泡沫出口接头（10）；其特征在于，所述喷嘴体（2）的前端外沿设有卡座（2-3），后端设有至少一个出口喷嘴（2-2）；喷嘴体（2）内的喷嘴腔（A）呈圆台收缩状；所述压风接头（1）与喷嘴体（2）的前端相连；所述喷嘴体（2）安装在气液混合室（5）前端内侧；所述气液混合室（5）的前部侧壁上开有吸液腔（E）；所述吸液腔（E）处安装有进液接头（4）；气液混合室（5）的后端与发泡筒体（7）的前端连接，发泡筒体（7）的后端与泡沫出口接头（10）连接；所述多孔螺旋式起泡器（6）安装在发泡筒体（7）内。
2.根据权利要求1所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述螺旋起泡器（6）包括中心轴杆（6-2）和设置在中心轴杆（6-2）上的螺旋叶片（6-1），所述螺旋叶片（6-1）上开有多个圆孔（6-3）。
3.根据权利要求2所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述中心轴杆（6-2）的直径不超过螺旋叶片（6-1）外圆直径的1/10，或者中心轴杆（6-2）为空心结构。
4.根据权利要求2或3所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述螺旋叶片（6-1）上圆孔（6-3）的孔径为3～5mm，螺旋叶片（6-1）螺距10mm～15mm。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述气液混合室（5）内腔的前部和喉管均为圆柱形通腔，后部为扩散型通腔。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述喷嘴体（2）后端设有多个呈收缩状的出口喷嘴（2-2），多个出口喷嘴（2-2）在喷嘴体（2）的喷嘴出口断面（2-1）上呈中心对称。
7.根据权利要求6所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述出口喷嘴（2-2）的数量为5～7个。
8.根据权利要求5所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述喷嘴体（2）后端设有多个呈收缩状的出口喷嘴（2-2），多个出口喷嘴（2-2）在喷嘴体（2）的喷嘴出口断面（2-1）上呈中心对称。
9.根据权利要求8所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述多孔螺旋起泡器（6）的末端设有外螺纹；所述泡沫出口接头（10）的内壁上设有L型固定基座（8），基座（8）上套有固定杆（9），固定杆（9）的中心处开设有内螺纹圆孔（9-2）；多孔螺旋起泡器（6）与固定杆（9）螺纹连接。
10.根据权利要求9所述的一种矿用多孔螺旋式泡沫发生装置，其特征在于，所述气液混合室（5）的前端设有内螺纹，喷嘴体（2）外侧设有外螺纹，气液混合室（5）与喷嘴体（2）螺纹连接；气液混合室（5）的后端设有外螺纹，发泡筒体（7）前端设有内螺纹，气液混合室（5）与发泡筒体（7）螺纹连接；所述气液混合室（5）与喷嘴体（2）和发泡筒体（7）之间分别设有密封垫圈（3）。
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