移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的霧化特性研究

1高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)消防消防消防在確保現(xiàn)代社會(huì)的安全運(yùn)行，減少財(cái)產(chǎn)損失方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。傳統(tǒng)的鹵代烷滅火系統(tǒng)(哈龍系統(tǒng))對(duì)大氣臭氧層有嚴(yán)重破壞作用,且損害人員身心健康,因此聯(lián)合國(guó)在1987年簽署“蒙特利爾公約”明確要求各簽約國(guó)在21世紀(jì)初葉予以取代。國(guó)際上推崇的替代系統(tǒng)有細(xì)水霧系統(tǒng)、快速噴水滅火系統(tǒng)、低壓CO2系統(tǒng)和混合氣系統(tǒng)。其中,氣體滅火系統(tǒng)對(duì)消防人員有一定的危害;CO2的大量排放可使地球表面的溫度升高;水噴淋系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是用水量高、水漬損失大、誤動(dòng)作后果嚴(yán)重;而細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在滅火效能、工程造價(jià)、釋放后二次災(zāi)害等方面均優(yōu)于水噴淋系統(tǒng),并且細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的適用范圍非常廣泛,包括:A類火災(zāi)中一般固體物質(zhì)表面的火災(zāi);B類火災(zāi);C類火災(zāi)。此外,ABBStrombergResearchCenter的帶電噴放細(xì)水霧試驗(yàn)表明,細(xì)水霧具有良好的電絕緣性能。可見用細(xì)水霧滅油火和電器火災(zāi)很有效。因此它已成為發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用最為廣泛的哈龍?zhí)娲到y(tǒng)之一。高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)也已經(jīng)成為國(guó)際消防界的研究熱點(diǎn)。“細(xì)水霧”(Watermist)是相對(duì)于“水噴霧”(Waterspray)而言的,指使用特殊噴嘴產(chǎn)生的最大粒徑小于1mm、平均粒徑小于400μm的水粒。細(xì)水霧滅火具有以下優(yōu)點(diǎn):無(wú)環(huán)境污染(不破壞大氣臭氧層);能迅速抑制和去除火場(chǎng)中的空氣;能非常有效地降低熱輻射引起的危害;能方便地到達(dá)火場(chǎng)隱蔽的角落,減小重新起火的危險(xiǎn);完全霧化的高速噴射可徹底滲透到深層的余燼中,也可起清潔作用;水的消耗少,水漬損失極小,危害低;生產(chǎn)設(shè)備能在短期內(nèi)迅速恢復(fù)使用;環(huán)境友好、價(jià)格低廉。所以在一些嚴(yán)格要求重量限制的特殊場(chǎng)合,如計(jì)算機(jī)房、航空器火災(zāi)等,細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。目前消防用細(xì)水霧來(lái)源以氣動(dòng)輔助霧化方式最為常見,但其體積過大,且需另附高壓氣瓶,機(jī)動(dòng)性差。直接霧化需要很高的壓力,普通消防器材很難達(dá)到這一壓力水平,而采用純水液壓技術(shù)的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)正好解決了產(chǎn)生高壓水流的難題。浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的移動(dòng)式高壓直接霧化細(xì)水霧滅火系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由高壓水泵、高壓水閥、水箱、噴嘴和不銹鋼管道等組成,自備水箱可實(shí)現(xiàn)6min或稍長(zhǎng)時(shí)間的短時(shí)間滅火;系統(tǒng)自帶消防接口,可與消防栓直接對(duì)接以實(shí)現(xiàn)持續(xù)滅火。系統(tǒng)無(wú)需輔助設(shè)備,體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、通用性好。細(xì)水霧通過高壓霧化噴嘴對(duì)水液壓泵輸出的高壓水進(jìn)行直接霧化產(chǎn)生,霧滴直徑小于100μm。初步查表明:國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類型產(chǎn)品面世,國(guó)內(nèi)僅在氣液兩相式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的研究方面有樣機(jī)出現(xiàn),但樣機(jī)需要另附高壓氣瓶,管路布置復(fù)雜,無(wú)機(jī)動(dòng)性可言。本移動(dòng)式系統(tǒng)則完全避免了氣液兩相式霧化細(xì)水霧滅火系統(tǒng)管路布置復(fù)雜、不便操作的缺點(diǎn)。2影響細(xì)水霧滅火性能的因素本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的高壓直接霧化噴嘴類型為易加工的直線收斂型噴嘴,噴嘴出口直徑為1.2mm,噴嘴內(nèi)收斂角為60°,出口圓柱段整流長(zhǎng)度為2.4mm。圖2為霧化射流外部結(jié)構(gòu)示意圖。未受到外界空氣卷吸影響而保持原來(lái)出口流速的中心部分稱為核心區(qū),之后的部分稱為發(fā)展區(qū)。從出口至核心區(qū)末端的部分為起始段;紊動(dòng)充分發(fā)展以后的部分為主體段;主體段與起始段之間為過渡段。噴霧滅火系統(tǒng)的工作段在主體段。影響細(xì)水霧滅火性能的主要參數(shù)有:噴霧錐角、噴霧射程、霧滴動(dòng)量、霧化顆粒細(xì)度(SMD)、霧化液滴尺寸均勻度、霧通量。其中,噴霧錐角、噴霧射程可直接測(cè)量;霧化均勻度可認(rèn)為是正態(tài)分布而不失普遍性;霧通量、霧滴動(dòng)量是霧滴尺寸和速度的相關(guān)參數(shù),由這兩者決定。此處對(duì)霧滴速度和滴徑SMD進(jìn)行分析,并對(duì)霧化射程和充分霧化距離進(jìn)行測(cè)量。2.1流速和沿速度ux的變化斷面軸向速度和徑向速度仿真圖如圖3所示。在不同出口斷面處,隨著噴射距離的增大,軸向速度ux與徑向速度uy均減小。其中,軸向速度ux的減小明顯,當(dāng)射程達(dá)到3m時(shí),軸心上的流速?gòu)某隹谔幍拇笥?00m/s銳減到15m/s,且其周向分布的流速衰減更大,在邊緣1.5m處,流速已接近于0。徑向速度uy從絕對(duì)值來(lái)看變化不是很大。這說(shuō)明射流噴出后與空氣大量發(fā)生卷吸,造成流速迅速減小,損失的射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為摩擦能,使霧滴進(jìn)一步破碎分裂。也說(shuō)明卷吸現(xiàn)象主要發(fā)生在軸向,空氣卷吸后,徑向的邊緣擴(kuò)散不大。2.2壓力對(duì)smd的影響直射式不加旋芯噴嘴噴霧的霧滴索特爾平均液滴直徑(SMD)計(jì)算見式(1)SMD=0.643064ρ0.9(p)-0.9(1)SMD仿真圖如圖4所示,系統(tǒng)壓力對(duì)SMD的影響極大,SMD隨著系統(tǒng)壓力的升高而呈接近倒數(shù)關(guān)系降低。當(dāng)系統(tǒng)壓力小于3MPa時(shí),噴射形成的是水珠,其SMD大于1500μm,這也正是傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)水滴SMD大的最根本原因。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到約6MPa時(shí),SMD已小于400μm;在8MPa～9MPa之后,SMD的減小幅度已較小,其值為230μm～120μm;在14MPa之后,SMD基本穩(wěn)定在120μm左右,已經(jīng)達(dá)到超細(xì)水霧的要求。所以,根據(jù)實(shí)際要求不必盲目追求更高壓力。2.3霧化系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)直射式不加旋芯噴嘴的測(cè)量結(jié)果表明:隨著壓力升高,射程逐漸變遠(yuǎn)。在系統(tǒng)壓力為8MPa～9MPa時(shí),射程一般穩(wěn)定在6m左右,此時(shí)充分霧化距離穩(wěn)定在3.5m左右。當(dāng)壓力大于9MPa后,噴霧射程和充分霧化距離的變化幅度不大。在相同出口直徑下,直觀可看出系統(tǒng)壓力越大,SMD越小。當(dāng)系統(tǒng)壓力高于6MPa～7MPa后,SMD變化不明顯,因此以6MPa～7MPa為本型噴嘴的穩(wěn)定霧化壓力。通過不加旋芯的霧化噴嘴噴霧滴徑分析及初步試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)霧化效果并不理想,所以決定在噴嘴內(nèi)加旋芯,以改進(jìn)霧化效果,改進(jìn)后的加旋芯噴嘴霧化效果改善明顯,在很低壓力情況下即有很好的霧化效果。隨著壓力的升高,加旋芯噴嘴的充分霧化距離(即充分霧化點(diǎn)與噴嘴出口之間的距離)變短,甚至出口即被霧化。同時(shí)隨著壓力的升高,霧滴速度變大,霧滴動(dòng)量相應(yīng)增大,對(duì)火焰的穿透力也大大增強(qiáng)。3地面噴槍滅火經(jīng)與直射式不加旋芯噴嘴的實(shí)際噴霧比較后,決定采用加旋芯的直射式霧化噴嘴進(jìn)行噴霧滅火試驗(yàn)。在直徑500mm,高度為30mm的油盤中,下面先墊入清水2L,再放入3L煤油,預(yù)燃60s后,火焰燃燒猛烈,此時(shí)開啟噴槍進(jìn)行滅火操作,噴嘴工作壓力8MPa。實(shí)際滅火情況如圖5所示。噴霧滅火動(dòng)作后,由高壓噴嘴直接噴出的細(xì)水霧只需20s左右即徹底熄滅油盤內(nèi)的火,整個(gè)滅火過程用水量不到6L。可知移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)滅火效果良好,且極為節(jié)水。為進(jìn)一步研究本移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火效果及節(jié)水效果,下一步工作對(duì)移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅A類火和B類火的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)即將展開。4加旋芯霧化效果移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)中,噴射壓力的高低是影響到噴霧能否進(jìn)行和外部霧化特性參數(shù)的最關(guān)鍵因素。在直射式不加噴嘴情況下