基于乳化液泵浓度传感器清洗系统的方案优化及仿真试验

屈小兵

(潞安集团 东盛煤业有限公司，山西 沁源 046500)

乳化液在矿井综采电气设备中始终担当高压液动系统血液的角色，其浓度的精准直接决定了乳化液泵的使用寿命，并且直接影响了其他供液设备的工作状态[1]。然而在井下环境中，常常伴随着煤尘、碎渣、箱体残留焊接物、胶管脱落物以及铁屑等各种管路杂质混杂在回路中，长时间进行高压供液难免会使得部分杂质附着在蓝宝石感光元件表面。因此，只有确保浓度传感器长时间保持洁净，避免杂质长时间或永久性的损伤感光元件，才能够提高设备的使用寿命，降低配件更换的频率，高效推进矿井生产[2]。

1 浓度传感器作用原理

浓度传感器是乳化液泵回路中的一个组成部分，安装于箱体内壁一侧。基本原理为采用光学发射与折射的方式，使传感器内的感光元件与液体直接接触，从而实现对乳化液浓度的监测。然而乳化液中常含有杂质，会对感光元件造成划割，并附着在其表面，大大降低了其灵敏度与准确性。因此，应当对感光元件设置防护罩，对回液中的杂质进行过滤，起到保护作用[3-5]。

如图1所示，传感器通过管夹固定在安装座上，并且在回路进液侧设置了保护罩。保护罩与传感器安装座无缝焊死，乳化液通过侧面的圆孔与感光元件进行接触。此外，在保护罩内装备了回复弹簧以及箱壁堵件，其作用是当更换或检修传感器时，弹簧力减小开孔面积，隔档回液。

图1 浓度传感器的各组成部件

感光元件是传感器浓度测量中的主要元件，乳化液由保护罩开孔与感光元件进行接触。而开孔的形状与大小直接决定了乳化液特性，开孔过大，则通过的杂质过多，对感光元件损坏较大；开孔过小，则无法满足适应溶液高压、高速的特性[6]。此外，乳化液在搅拌过程中，箱体内各处湍流速度不同，并且通过感光元件乳化液的冲刷效果也不同；改变浓度传感器的安装位置，也会直接决定改变感光元件的冲刷效果[7]。为了确定最佳的传感器安装位置以及保护张开口形式，分析感光元件的清洗效果，采用FLUENT仿真对搅拌器模拟流场。

2 浓度传感器位置的FLUENT仿真过程

2.1 模型建立

本次仿真采用Solidworks建立三维立体模型，并采用Gambit对模型进行网格划分。模型尺寸为长×宽×高=3 400 mm×1 400 mm×1 300 mm，模型中采用开式45°涡轮搅拌器，安装在距离底座250 mm的位置， 模型与实际安装位置与长度按照1∶1布置。网格划分时对于螺旋桨与浓度传感器等复杂的部件进行非结构网格划分，剩余整体区域采用结构网格划分，如图2所示。

图2 FLUENT三维立体仿真模型

将三维立体仿真模型倒入FLUENT模块进行模拟计算，采用原理为压力分离式原理求解，计算模型以k-ε为准[8]。初始条件为：ME25-5乳化油与水的混合物，浓度为3%；动区域边界条件为120 rpm逆时针旋转流动的乳化液，静区域边界条件为0 rpm；箱壁边界为固定边界，即为Wall边界。

2.2 模型计算与分析

通过改变浓度传感器的安装位置，三种安装位置如图3所示。利用Tecplot求解各项参数满足收敛条件下的动压云图与速度云图，如图4所示。

图3 传感器的三种安装位置(mm)

图4 三种不同安装位置下的动压与速度云图

由图4可知：位置1时，保护罩内的乳化液按照从上至下的流动形式循环流动，此时感光元件的流速约为0.3 m/s，动压30 Pa，浆叶带动液体进行轴向和切向流动，其中切向流体直接流经传感器进行清洗，而中心浆也会带动液体由中心射出一部分流体冲洗传感器，循环系统较好。位置2与位置3时，传感器所处位置的流体流动性较差，动压与流速几乎为零，其原因是：处于位置2时流体在碰壁之后，轴向与切向流都产生了绕保护罩的循环流动，罩内未形成内循环，位置3时，搅拌器旋转使流体由右向左流经保护罩，罩内只有一小部分液体流经感光元件，循环性较差。由此可见当传感器安装在位置1时，感光元件的清洗效果较强。

3 堵件开孔的FLUENT仿真过程

堵件的开孔形式与大小直接影响了蓝宝石感光元件处乳化液的流动状况，设计图5所示的三种开孔形式，并对其进行仿真计算。

图5 小孔、长孔与大孔三种不同开孔形式

将收敛结构导入FLUNET计算求解，得到三种开孔形式下的动压与速度云图，如图6所示。

图6 三种开孔方式下流体的压力与速度云图

由图6可知：三种开孔形式下的流体运动形式近似相同，都属于自上而下的循环式流动。相比较而言，小孔处流体流动效果最弱，仅在罩内下侧存在较小的流速；当堵件以大孔布置时，流速为三者中最大，且能够形成上下贯通的循环流动；长开孔布置时，流速与动压大小都介于前两者之间。但是在分析开孔方式时，应当考虑乳化液中存在杂质的可能，开孔过大，动压与流速较大，会使得煤粒与铁屑等杂质划伤感光元件，并降低杂质的沉降效果。因此，选取长开孔形式设计堵件能够充分发挥保护罩的作用，起到阻挡杂质冲击感光元件的作用，并且确保保护罩内存在足够的流速与动压，实现对保护罩的清洗。

4 结 语

1) 通过对传感器不同安装位置进行FLUENT仿真，得到了三组速度云图与动压云图。对比三组云图可以得出，当浓度传感器安装在搅拌器偏左的位置时，可以实现乳化液的循环流动，更好地实现对感光元件的清洗。

2) 通过对不同开孔形式进行FLUENT仿真，得到了三种云图与动压云图。对比三组图可以得出，小孔布置时，乳化液流速与动压最低，清洗效果最差；大孔布置时，虽然动压与 速度最大，但通过大孔的杂质在较大的动压作用下会加大对感光元件的磨损。因此选取长开孔布置，既满足乳化液流动时的速度与动压等条件，又能减小未过滤杂质对感光元件部位的磨损，冲洗效果最好。