移動(dòng)式細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的霧化特性研究

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?，F(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)合國在1987年簽署“蒙特利爾公約”明確要求各簽約國在21世紀(jì)初葉予以取代。國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?？梢娪眉?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:國內(nèi)尚無同類型產(chǎn)品面世,國內(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),軸心上的流速從出口處的大于100m/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)值來看變化不是很大。這說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