煤矿呼吸性粉尘冲击采样器原理与设计探讨

讨论了煤矿作业环境和大气环境下颗粒物的粒度分布及标准,分析了两种环境的特点,即相对来说煤矿作业环境的粉尘浓度高且其颗粒母质不同,进而根据空气动力学原理研究了在气体-颗粒两相流条件下的煤矿呼吸性粉尘冲击采样器的工作原理及特点,并且讨论了气体-颗粒两相流的特殊条件下,无纲量参数斯托克斯数Stk、雷诺数Re和颗粒物密度等一些参数对冲击采样器设计的影响,研究了这些参数与煤矿作业环境下的特殊条件之间的关系,根据环境特点对冲击采样器结构的改进进行了探讨.

基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘连续分离技术

呼吸性粉尘连续分离技术是实现其在线监测和尘肺病预警的基础及关键。为了解决常见的旋风分离、水平陶析及平板冲击等分离方式易积尘、过载、堵塞等弊端,提出一种基于虚拟冲击原理的呼吸性粉尘连续分离技术。基于虚拟冲击理论,建立呼吸性粉尘虚拟分离三维模型,仿真分析其速度场和压力场的分布,通过分域法阐释虚拟冲击的分离机理,并构建分离效能和分离时效一体化测试系统,对设计的虚拟冲击器进行验证。研究结果表明:分离效能模拟曲线随着喷嘴与收集腔间距和收集腔直径增大而上移,而收集腔直径对分离效能的影响作用强于喷嘴与收集腔间距的影响。当喷嘴与收集腔间距为4.0 mm、收集腔直径为3.0 mm时,各个粒径点的分离效率与BMRC曲线的偏差在±5%以内。在工作点流量为4 L/min、弱流比为0.1条件下,分离器的分离效能曲线与BMRC曲线相比,整体呈负偏差,最大偏差为-4.7%。在质量浓度为35~40 mg/m~3的粉尘浓度环境下,传统旋风分离器容易出现排灰口和排气口堵塞,测试结果偏差较大,连续运行1 d后已不能满足连续分离要求,而虚拟冲击式分离器内部颗粒损失及截留较少,可实现15 d以上的连续运行而无需人工清理,连续分离时效提升了10倍以上,验证了本文方法的可行性及优越性,满足呼吸性粉尘浓度在线测量对粉尘连续分离的分离效能及分离时效要求。

呼吸性粉尘虚拟冲击分离器数值模拟及实验验证

针对呼吸性粉尘连续分离问题,对陶析式、惯性冲击式、旋风式分离方法进行了分析,利用流体力学软件Fluent对虚拟冲击器内部流场进行数值模拟,建立了满足BMRC曲线分离标准的虚拟冲击器模型,并结合数值模拟结果对分离器结构尺寸进行修正优化。按照模型加工了分离器样件并进行了气溶胶实验验证,结果表明样件的分离效能与BMRC曲线标准差均小于5%,满足行业标准要求。

呼吸性粉尘分离效能测试方法误差分析

呼吸性粉尘浓度的准确测量是防治尘肺病的关键。分离效能是呼吸性粉尘采样器的核心指标,但其测试方法复杂,容易产生误差。导致测试误差的因素众多,测试过程中产生的气溶胶粒子的粒径对测试误差的影响最为直接。对此,依据BMRC曲线,采用全微分等数学手段,得出粒子粒径的各影响因素导致的误差与分离效能测试误差的数学关系,通过一定方法实测并修正频率与流量的数值,并将溶液体积浓度提高至0.05%以上,可使由粒子粒径引起的测试误差低于1%。实测了3个采样头的分离效能,测试数据表明该方法可以提高测试结果的可靠性。

个体采样器旋风式粉尘采样头的设计验证

目的通过实验验证使用Barth理论设计的旋风式粉尘采样头能否符合英国医学研究委员会制定的标准曲线(BM-RC曲线)的要求。方法对使用Barth理论设计的旋风式粉尘采样头进行实验室检测以及与进口旋风式粉尘采样头进行比对。结果Barth理论设计的旋风式粉尘采样头与BMRC曲线对应值偏差的实验室检测值为4.9%,进口旋风式粉尘采样头与BMRC曲线对应值偏差2.3%。结论Barth法设计的旋风式粉尘采样头与进口旋风式粉尘采样头采样性能的差别较小,能够满足BMRC曲线的要求。