移動式細水霧滅火系統的霧化特性研究

1高壓細水霧滅火系統消防消防消防在確保現代社會的安全運行，減少財產損失方面發揮著越來越重要的作用。傳統的鹵代烷滅火系統(哈龍系統)對大氣臭氧層有嚴重破壞作用,且損害人員身心健康,因此聯合國在1987年簽署“蒙特利爾公約”明確要求各簽約國在21世紀初葉予以取代。國際上推崇的替代系統有細水霧系統、快速噴水滅火系統、低壓CO2系統和混合氣系統。其中,氣體滅火系統對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;水噴淋系統的最大缺點是用水量高、水漬損失大、誤動作后果嚴重;而細水霧滅火系統在滅火效能、工程造價、釋放后二次災害等方面均優于水噴淋系統,并且細水霧滅火系統的適用范圍非常廣泛,包括:A類火災中一般固體物質表面的火災;B類火災;C類火災。此外,ABBStrombergResearchCenter的帶電噴放細水霧試驗表明,細水霧具有良好的電絕緣性能。可見用細水霧滅油火和電器火災很有效。因此它已成為發達國家應用最為廣泛的哈龍替代系統之一。高壓細水霧滅火技術也已經成為國際消防界的研究熱點。“細水霧”(Watermist)是相對于“水噴霧”(Waterspray)而言的,指使用特殊噴嘴產生的最大粒徑小于1mm、平均粒徑小于400μm的水粒。細水霧滅火具有以下優點:無環境污染(不破壞大氣臭氧層);能迅速抑制和去除火場中的空氣;能非常有效地降低熱輻射引起的危害;能方便地到達火場隱蔽的角落,減小重新起火的危險;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;生產設備能在短期內迅速恢復使用;環境友好、價格低廉。所以在一些嚴格要求重量限制的特殊場合,如計算機房、航空器火災等,細水霧滅火系統具有很大的應用優勢。目前消防用細水霧來源以氣動輔助霧化方式最為常見,但其體積過大,且需另附高壓氣瓶,機動性差。直接霧化需要很高的壓力,普通消防器材很難達到這一壓力水平,而采用純水液壓技術的細水霧滅火系統正好解決了產生高壓水流的難題。浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室研制的移動式高壓直接霧化細水霧滅火系統如圖1所示。系統由高壓水泵、高壓水閥、水箱、噴嘴和不銹鋼管道等組成,自備水箱可實現6min或稍長時間的短時間滅火;系統自帶消防接口,可與消防栓直接對接以實現持續滅火。系統無需輔助設備,體積小、機動性強、通用性好。細水霧通過高壓霧化噴嘴對水液壓泵輸出的高壓水進行直接霧化產生,霧滴直徑小于100μm。初步查表明:國內尚無同類型產品面世,國內僅在氣液兩相式細水霧滅火系統的研究方面有樣機出現,但樣機需要另附高壓氣瓶,管路布置復雜,無機動性可言。本移動式系統則完全避免了氣液兩相式霧化細水霧滅火系統管路布置復雜、不便操作的缺點。2影響細水霧滅火性能的因素本系統中設計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為霧化射流外部結構示意圖。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,之后的部分稱為發展區。從出口至核心區末端的部分為起始段;紊動充分發展以后的部分為主體段;主體段與起始段之間為過渡段。噴霧滅火系統的工作段在主體段。影響細水霧滅火性能的主要參數有:噴霧錐角、噴霧射程、霧滴動量、霧化顆粒細度(SMD)、霧化液滴尺寸均勻度、霧通量。其中,噴霧錐角、噴霧射程可直接測量;霧化均勻度可認為是正態分布而不失普遍性;霧通量、霧滴動量是霧滴尺寸和速度的相關參數,由這兩者決定。此處對霧滴速度和滴徑SMD進行分析,并對霧化射程和充分霧化距離進行測量。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,當射程達到3m時,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從絕對值來看變化不是很大。這說明射流噴出后與空氣大量發生卷吸,造成流速迅速減小,損失的射流動能轉化為摩擦能,使霧滴進一步破碎分裂。也說明卷吸現象主要發生在軸向,空氣卷吸后,徑向的邊緣擴散不大。2.2壓力對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)計算見式(1)SMD=0.643064ρ0.9(p)-0.9(1)SMD仿真圖如圖4所示,系統壓力對SMD的影響極大,SMD隨著系統壓力的升高而呈接近倒數關系降低。當系統壓力小于3MPa時,噴射形成的是水珠,其SMD大于1500μm,這也正是傳統水噴淋系統水滴SMD大的最根本原因。當系統壓力升高到約6MPa時,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基本穩定在120μm左右,已經達到超細水霧的要求。所以,根據實際要求不必盲目追求更高壓力。2.3霧化系統優化對直射式不加旋芯噴嘴的測量結果表明:隨著壓力升高,射程逐漸變遠。在系統壓力為8MPa～9MPa時,射程一般穩定在6m左右,此時充分霧化距離穩定在3.5m左右。當壓力大于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,直觀可看出系統壓力越大,SMD越小。當系統壓力高于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,發現霧化效果并不理想,所以決定在噴嘴內加旋芯,以改進霧化效果,改進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(即充分霧化點與噴嘴出口之間的距離)變短,甚至出口即被霧化。同時隨著壓力的升高,霧滴速度變大,霧滴動量相應增大,對火焰的穿透力也大大增強。3地面噴槍滅火經與直射式不加旋芯噴嘴的實際噴霧比較后,決定采用加旋芯的直射式霧化噴嘴進行噴霧滅火試驗。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,預燃60s后,火焰燃燒猛烈,此時開啟噴槍進行滅火操作,噴嘴工作壓力8MPa。實際滅火情況如圖5所示。噴霧滅火動作后,由高壓噴嘴直接噴出的細水霧只需20s左右即徹底熄滅油盤內的火,整個滅火過程用水量不到6L。可知移動式細水霧滅火系統滅火效果良好,且極為節水。為進一步研究本移動式細水霧滅火系統的滅火效果及節水效果,下一步工作對移動式細水霧滅火系統的滅A類火和B類火的標準實驗室模型試驗即將展開。4加旋芯霧化效果移動式細水霧滅火系統中,噴射壓力的高低是影響到噴霧能否進行和外部霧化特性參數的最關鍵因素。在直射式不加噴嘴情況下