周红伟 张鹏 李斌 赵资源

河南森源重工有限公司 河南许昌 461500

1 前言

随着我国经济快速发展和城市化进程的加快，环境污染的范围和程度也在逐渐扩大。雾霾天气也日益严重，人民群众对蓝天碧水的渴望也更加迫切，目前国家在环保上面的财政支出也是每年递增。为应对城市拆迁及采矿区引起的粉尘，近些年出现了大量的多功能抑尘车。其主要是利用车辆自带的高压水泵将常态的水，通过喷雾喷嘴，雾化成50～150 μm的水雾颗粒[1]，再利用大功率轴流风机将水雾颗粒喷洒至粉尘表层或空中，利用水雾对扬尘进行扑捉、聚合、粘结、然后迅速沉降，最后起到降尘、抑尘的目的。该车大量用于城市街道、广场、建筑工地、堆煤场等各种污染地和扬尘场所。

本文主要分析介绍喷雾管路系统，通过理论分析及试验对比，从水泵选型、管路设计、喷环设计、喷嘴参数确定及喷雾流量控制等方面进行分析计算，优化喷雾系统管路及连接方式，从而减少压力损失，提高雾炮喷雾抑尘效果。

2 喷雾管路系统原理

抑尘车的喷雾管路系统一般由水泵、喷环、喷嘴等组成，原理如图1所示。罐体内的水流经过滤器后进入水泵，通过水泵产生高压水流，高压水流通过胶管与喷环连接，喷环上安装有数十个喷雾喷嘴，高压水流经过喷嘴雾化后形成极其细小的液滴，液滴与由轴流风机形成的高压气流场混合，形成高速的水雾气流，水雾颗粒大小为微米级别，可以有效地吸附空气中的粉尘颗粒，最终在自身重力作用下下沉，能够快速有效地降低大气中的粉尘污染。根据风机功率和水泵压力的大小，其最大有效射程可达120 m，有效覆盖范围达4万m2以上[2]。

图1 喷雾管路系统原理图

3 喷雾管路设计

根据喷雾管路系统原理，喷雾管路的设计可以划分为水泵选型、管路设计、喷环设计及喷嘴参数确定3个步骤。

3.1 水泵选型

高压水泵是实现喷雾抑尘的关键核心设备，其对抑尘效果起决定性作用，因此水泵的选型至关重要。抑尘车喷嘴雾化的原理是利用喷环安装离心式喷嘴，在高压水流的驱动下，高压水射流在喷嘴的旋流室内将液体转化为旋流，再经细小的喷嘴口射出，使液体在出口处获得一个相对于空气的较大速度，并扩散雾化，借助雾炮内置的风机形成的高速气流，将雾化水风送至空中。根据离心式喷嘴的特性，即随着进口压力增大，雾化颗粒粒径会逐渐减小[3]。

目前市场上抑尘车雾炮管路用水泵比较繁杂，有低压离心泵、单级旋涡泵、高压柱塞泵等，工作流量范围为200～400 L/min，工作压力范围为1～6 MPa，水泵的流量由喷环安装的喷嘴型号及数量决定，一般来讲，可利用以下公式对水泵选型进行计算：

a.水泵额定流量q的确定

式中，q为雾化喷嘴实际流量，L/min；n为雾化喷嘴数量；k为雾化喷嘴流量特性系数；p为喷嘴工作压力，MPa，在1.0～8 MPa内选取。

b.为满足喷雾使用要求，所选水泵的额定流量Q的确定

式中，k为修正系数，取1.1。

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c.水泵额定压力的确定

式中，h为管段的水头损失，m；d为管径，m；q为管段中水的流量，m³/s；l为管段的长度，m。

d.总水头损失为各管段水头损失之和∑h，水泵的额定压力p的确定

式中，k2为系数，取1.1～1.2；ρ为水的密度，kg/m³。

经过计算，本喷雾系统选取某进口高压柱塞水泵，工作压力为6 MPa，流量为240 L/min。

多功能抑尘车刚推出时，厂家多采用电机驱动旋涡泵配置，在后来的使用过程中，由于旋涡泵出水压力小，旋涡泵制约雾炮射程，经过试验及理论计算，目前高射程的雾炮均采用柱塞泵作为水泵配置。

3.2 管路设计

从高压水泵输出的高压水流必须通过一定长度的管路才能达到喷环，输送管路中存在压力损失，所以在管路设计初期，应当重点考虑管路长度、变径、弯头数量等。管路的长度越长，弯头数量越多、以及管径由大到小的变化，均是引起出水口的压力损失的因素。高压水在管路中的压力损失△P可按以下公式计算：

式中，△ P为压力损失，N/㎡；λ为管路内壁摩擦系数；L为管路长度，m；d为管路内径，m；ρ为水的密度，kg/m³；vm为管路内水流平均速度，m/s。

由上式可知，压力损失与胶管内径成反比，与长度、水流速度的平方成正比，因此，在喷雾管路的设计中，尽量增加连接管内径，优化管路走向，减小管路长度，目前抑尘车管路受结构制约，长度已固定，根据实车情况，采用内径38 mm连接管，影响影响压力损失最大的因素则是水流速度，采用柱塞泵能够从根本上增加水流速度的问题。

3.3 喷环设计

通过研究抑尘车作业方式，得出抑尘车主要通过风筒出口的喷环上安装的数个喷嘴为载体，通过喷嘴雾化的水雾进行抑尘作业，作业过程中消耗流量基本恒定。由图2所示，喷环上安装的喷嘴总量为100个，每个喷嘴与风筒端面成一定的夹角，根据理论分析及实际试验，夹角45°～55°时效果最优。

4 试验分析

衡量抑尘车雾炮管路设计效果如何，需要通过试验来验证，某抑尘车雾炮管路优化前后状态如图3、4所示。雾炮喷环及喷环连接管路通径增加，避免内径突然变化，同时更换为高压柱塞水泵。抑尘车工作状态下，通过控制喷环的开关，可以实现单喷环喷雾作业和双喷环作业两种模式，当单喷环作业模式下，喷嘴消耗流量减少，此时水泵压力为5.4 MPa，水滴雾化颗粒达到微米级，喷雾距离最远，可以节约用水，单开适合空气质量稍差的天气使用；当双喷环都开启的情况下，可以调整水泵出水口的调压卸荷阀，水泵压力为3.5 MPa，此时喷嘴雾化颗粒比较大，风送距离稍微减小，仍然能够满足前期设计的120 m要求，双开适合空气质量污

图2 喷环示意图

图3 优化前雾炮管路

图4 优化后雾炮管路

5 结语

本文通过抑尘车雾炮管路系统的设计分析，以及试验结果可以得出以下结论：

a.雾炮管路设计中，水泵选型、管路设计、喷环设计这三大部分是关键，对抑尘效果起决定作用。

b.流量恒定情况下，在1～6 MPa内，喷嘴雾化效果和压力成正比，喷嘴在高压下会生成更细的喷雾颗粒度。

c.可以根据空气污染程度，选择采用双开喷环或单开喷环进行作业，可以有效节约用水。该方案操作方便，经济实用，效果良好，具有较高的推广价值。