一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置及方法

技术领域

本发明涉及安全工程除尘模型试验领域，具体涉及一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置及方法。

背景技术

随着煤矿综合综掘机械化程度和生产强度的提高，粉尘浓度严重超标，煤矿尘害问题日益突出。粉尘颗粒物是气溶胶体系中均匀分散的各种固体微粒。长期工作在具有粉尘的环境下，如果没有使用合适的个体防护产品，会对人体的呼吸系统造成伤害，尤其是对肺部气管及组织的伤害通常是十分严重且无法复原的。因此煤工尘肺病发病率居高不下，严重危害作业人员身体健康，而且尘肺病是不可逆转的，主要靠预防，所以，工作人员的个体防护必须要改进和加强。因此，从个体防护的角度出发，采取有效的措施降低工作人员呼吸空气中的粉尘浓度，也成为了煤炭行业控制尘肺病发生的重要事情。

综合分析国内外主要的粉尘防治措施得出，现有的防尘、除尘技术和管理措施存在着很大的局限性，粉尘防治效果并不理想，其本质问题就在于目前对粉尘分布规律尚不清晰，致使现场很多除尘系统的设计、设备的布置都不能达到最佳效果或者不能使用在关键点上。而且，已有研究对旋风除尘器中的分离过程研究较多，但对除尘器中小型的气旋装置的相关研究较少。因此，研究粉尘在微型气旋结构除尘过程中气旋的形成和粉尘分布特性，分析其主要影响规律，确定合理的微型气旋结构参数，对扩展旋风除尘的应用范围及其工业应用奠定理论基础，对制定有效的除尘措施意义重大，对有效除尘、改善劳动条件、提高生产效率和保证矿井的生产安全生产具有深远意义。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置，包括内部中空的微型气旋结构，所述微型气旋结构包括上下固结的圆筒段和圆锥段，所述圆筒段侧面设有入口段，所述入口段通过供料管连通发尘系统，所述微型气旋结构上端通过管路连通排气过滤装置，所述圆锥段的底部密封有用以收集粉尘的集尘塞。

所述供料管上布置有用于测量送风速度的流速测量仪，所述微型气旋结构旁布置有用于监测、捕捉粉尘运移与分布变化信息的高速摄像机，所述高速摄像机电性连接PC机，所述PC机还电性连接粒径分析仪，粒径分析仪用于对初始粉尘以及实验后集尘塞和排气过滤装置收集到的粉尘进行分析，并对两种粒径分布进行比较，分析微型气旋结构对不同粒径粉尘的除尘效率。

优选地，所述入口段的进气口为方形并且其外部设有圆形转接头，用于连接供料管。

优选地，所述微型气旋结构由透明树脂制作，便于观测其中粉尘运移分布情况。及

优选地，所述发尘系统选用尘量和风量可调的变频发尘器，按要求泵入指定量的粉尘，调节供给量。

优选地，所述微型气旋结构上端设有连通其内腔的排气管，排气管顶端伸出微型气旋结构之外并设有排气口；排气口通过软管连接排气过滤装置，排气管高度和直径可调。

本发明的有益效果在于：

1)采用的发尘系统不但可控，而且粉尘的种类和粒径、风量和供料量可调，可模拟多种产尘量的情况；

2)可更换不同高度和直径的排气管，分析不同排气管尺寸条件下的粉尘分布特征；

3)本装置底部的集尘塞和顶部的排气过滤装置，均可收集粉尘且方便拆卸，粉尘可分别提取出来，并用粒径分析仪测量其粒径分布等，进而分析本装置对不同粒径粉尘的除尘效率以及对不同粒径粉尘的捕集效率；

4)采用非接触PIV测量，并结合TSI-Insight3G后处理分析软件，实现微型气旋结构中粉尘运移过程的全场监控与分析；

5)本装置体积较小，相比普遍存在的大型旋风分离器，其使用更为方便简洁，而且该装置更适用于小空间环境下的气旋实验，弥补了普遍存在的大型旋风分离器的不足，扩展了旋风除尘的应用范围。

6)本装置体积较小，开展实验方便，可开展排气管不同长度、不同直径结构下的实验，以获得相对较优的排气管尺寸，提高除尘效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的微型气旋结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的入口段的示意图；

图4为本发明实施例提供的排气管不同长度对比示意图；

图5为本发明实施例提供的排气管不同直径对比示意图。

其中：1.发尘系统；2.供料管；3.流速测量仪；4.微型气旋结构；5.入口段；6.圆筒段；7.圆锥段；8.排气管；9.排气口；10.软管；11.排气过滤装置；12.集尘塞；13.粒径分析仪；14.高速摄像机；15.PC机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置，

包括内部中空的微型气旋结构4，所述微型气旋结构4包括上下固结的圆筒段6和圆锥段7，所述圆筒段6侧面设有入口段5，所述入口段5通过供料管2连通发尘系统1，所述微型气旋结构4上端通过管路连通排气过滤装置11，所述圆锥段7的底部密封有用以收集粉尘的集尘塞12。

所述供料管2上布置有用于测量送风速度的流速测量仪3，所述微型气旋结构旁布置有用于监测、捕捉粉尘运移与分布变化信息的高速摄像机，所述排气过滤装置11和集尘塞12组成粉尘收集装置，所述高速摄像机电性连接PC机，所述PC机还电性连接粒径分析仪13，粒径分析仪13用于对初始粉尘以及实验后集尘塞12和排气过滤装置11收集到的粉尘进行分析，并对两种粒径分布进行比较，分析微型气旋结构4对不同粒径粉尘的除尘效率。

所述入口段5的进气口为方形并且其外部设有圆形转接头，用于连接供料管2。

所述微型气旋结构4由透明树脂制作，便于观测其中粉尘运移及分布情况。

所述发尘系统1选用尘量和风量可调的变频发尘器，按要求泵入指定量的粉尘，调节供给量。

参见图4-图5，所述微型气旋结构4上端设有连通其内腔的排气管8，排气管8顶端伸出微型气旋结构4之外并设有排气口9；排气口9通过软管10连接排气过滤装置11，排气管8高度和直径可调。

本实施例还提供一种模拟微型气旋结构除尘过程的可视化实验装置的使用方法，具体为：

a.根据模拟微型气旋结构的工况，基于相似理论，确定微型气旋结构4的各项参数，包括入口段5的形状、尺寸，圆筒段6、圆锥段7和排气管8的高度与直径，排气口9的直径，以及供料管2、入口段5、集尘塞12、软管10、排气过滤装置11在内的相互之间连接地方的尺寸，通过画图软件画出3D模型，经3D打印而成，并检查连接处的密封等；

b.安装将带有变频功能的发尘器，通过供料管2与入口段5密封连接；

c.微型气旋结构4底部出口连接集尘塞12，用以收集经过气旋分离后的大颗粒粉尘，集尘塞12的大小可根据产尘量来调节，以保证其可以收集全部经过分离后的大颗粒粉尘，并且不会溢出集尘塞12；微型气旋结构4顶部出口连接软管10和排气过滤装置11，用以过滤空气和收集经过气旋分离后的小颗粒粉尘，软管10和排气过滤装置11的尺寸和相对位置可调；

d.布置粉尘监测系统：在供料管2上布置流速测量仪3，用于测量送风速度；在微型气旋结构4的正前方布置高速摄像机14以及分析用的PC机15，并结合TSI-Insight3G后处理分析软件，用于PIV监测以捕捉粉尘运移与分布变化信息，并可根据需要调节其位置；

e、布置粉尘测试与分析系统：先将初始粉尘经粒径分析仪13进行测量分析；在实验之后，将底部集尘塞12与顶部排气过滤装置11收集到的粉尘提取出来，采用粒径分析仪13分析，并对两种粒径分布进行比较，分析微型气旋结构4对不同粒径粉尘的除尘效率。

本发明可获取微型气旋结构中不同粉尘、不同产尘量、不同风量等工况与不同排气管高度和直径等结构变化条件下粉尘的分布特征。通过粉尘分布的定量信息，结合微型气旋结构内部的粉尘从顶部排出与在底部沉积等定量信息，分析微型气旋结构内部气旋的形成与主要影响规律，分析微型气旋结构的除尘效率，尤其是对不同粒径粉尘的捕集效率，可以发掘气旋与除尘效率的内在联系，揭示微型气旋结构除尘机理，确定合理的微型气旋结构参数以提高其除尘效率，并且为扩展旋风除尘的应用范围及其工业应用奠定理论基础。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的意图和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。