細水霧滅火系統實驗裝置研制與教學實踐

梁 強,徐 暉,孫楠楠

(中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系,河北 廊坊 065000)

細水霧滅火技術是一種以水為介質的新型滅火技術。該技術最早應用于輪船上,國際海事組織要求使用輕型、高效的細水霧滅火系統取代船上的水噴淋系統[1]。上世紀末,隨著哈龍滅火劑的淘汰,細水霧由于無環境污染(不會損耗臭氧層或產生溫室效應)、滅火迅速、耗水量低、對防護對象破壞性小等特點,受到消防領域的廣泛研究和應用[2-4]。該系統適用于撲救A類、B類、C類和電氣類火災,對于撲滅常見室內火災、圖書館、古建筑、變壓器、交換機火災,以及高技術領域和重大工業危險源的特殊火災,諸如計算機房火災、現代企業的電器火災、艦船動力機艙火災以及航空與航天飛行器艙內火災等都有良好的應用效果[5-9]。

細水霧滅火系統是消防專業課程的重要內容,開展相關實驗是加強學生對系統組成、滅火機理和滅火效果認知的必要手段,是訓練學生熟練應用細水霧系統滅火的重要方法,實現學生專業知識、實踐能力和綜合素質的培養要求[10-11]。目前,消防部隊應用的細水霧系統體積大、工作壓力單一、投資高、維護費用高,不適合教學使用。在總結多年細水霧科研和教學工作的基礎上,本文設計開發了一套“多功能高壓單流體細水霧滅火實驗裝置”。 裝置集教學實驗和科學研究應用于一體,霧化效果好,性能穩定,易于操作,滅火效率高,安全可靠,移動方便、可實現固定噴射和移動噴射。

1 細水霧滅火系統實驗裝置研制

1.1設計原理

實驗裝置采用泵組式單流體旋流霧化方式,依靠高壓柱塞泵提高水壓,使水以較高的速度從細水霧噴頭噴射到大氣當中,液流由于受到空氣阻力而破碎成液滴。液體的破碎主要是液體表面張力、黏性與空氣阻力之間的相互作用,當液體壓力升高時,噴射速度增大,液體有滴落、平滑流、波狀流向噴霧流過渡,形成細水霧液滴[12]。

1.2 裝置組成

細水霧滅火實驗裝置主要包括噴射系統、動力系統、給水系統、電氣控制系統4部分。除噴射系統外,該實驗裝置把動力系統、給水系統和電氣控制系統3部分集成在一個控制箱內。實驗裝置見圖1。

圖1 細水霧滅火系統實驗裝置

噴射系統主要實現細水霧在保護區的噴射,決定細水霧的霧特性及應用場所。噴嘴是噴射系統的關鍵部件,為保證霧特性的穩定性,選用機械旋流噴嘴,噴嘴出口孔徑為0.7 mm,流量系數為0.92,不同壓力下的流量特性參數見表1。

表1 不同壓力下噴嘴流量特性參數

動力系統主要包括柱塞式高壓水泵、壓力表和壓力調節閥。柱塞式高壓水泵可實現水的單流體壓力霧化,其壓力范圍為0～12 MPa,流量為21 L/min,水泵動力系統電機功率為4 kW,功率50 Hz。壓力表及壓力調節閥與高壓水泵相連,實現對水泵壓力的調節。

給水系統包括水箱、過濾器和高壓軟管,水箱為核心部件。水箱容積40 L,設有4個出水口,水箱補水系統由浮子開關控制,當水位不足時可以自動補水。水箱內設有電子水位監控器,當水箱內水位過低時系統報警并自動停泵,以防止水泵空轉。過濾器為外接的一套凈化水體部件,作用是防止水中雜質堵塞細水霧噴頭。給水系統和噴射系統由高壓軟管連接。

電氣控制系統包括電氣控制面板和電氣線路兩部分。電氣控制面板主要顯示工作狀態,包括顯示盤,電源指示燈、工作指示燈、斷水指示燈，以及手動/自動切換旋鈕、急停按鈕和總開關按鈕。

2 裝置性能測試

細水霧的霧特性參數直接決定了細水霧系統的滅火、阻煙隔熱的有效性。霧特性參數包括液霧尺寸(霧滴粒徑)及其分布(霧化均勻度)、霧化錐角霧滴速度、霧滴數密度、霧通量等[13]。本文利用激光多普勒測粒儀(PDA)、高速攝影等進行霧特性參數測定。

2.1 細水霧霧場

該實驗裝置的細水霧噴頭由7個噴嘴組成,實物如圖2(a)所示,該噴頭形成的霧場呈圓錐狀分布,水霧集中,如圖2(b)所示。該實驗裝置的阻煙隔熱用細水霧噴桿,由8個細水霧噴嘴和噴桿組成,其細水霧霧場型為具有一定厚度的水幕簾狀,如圖3所示。

圖2 滅火用細水霧噴頭及其噴霧圖

圖3 細水霧型水幕噴桿及噴霧圖

2.2 單個噴嘴霧特性

噴嘴的結構與布置決定了細水霧霧場分布情況。通過對單個噴嘴的測定可獲得細水霧的霧特性。

2.2.1 霧化錐角

霧化錐角決定細水霧液滴的空間分布。霧化錐角越大,橫向覆蓋面積越大。霧化錐角的測量是通過對霧場照片的測量得到的。在實驗工況所需的壓力下開啟細水霧系統,待噴霧場穩定后拍攝霧場照片,然后將照片導入到AutoCAD中,對霧化錐角進行測量。該實驗裝置在不同噴射壓力下的霧化錐角見圖4。

圖4 不同噴射壓力下的霧化錐角圖

2.2.2 霧滴粒徑分布和速度測量

細水霧的粒徑分布和霧滴速度是影響滅火效率的關鍵因素。水霧粒徑越小其比表面積越大,越利于水霧的蒸發吸熱。然而,小尺寸的霧滴其速度衰減更快,極易被外界氣流卷走,很難到達燃料表面。當將細水霧應用于阻煙隔熱時,除了液滴的蒸發,液滴粒徑越小對于微米級的煙塵粒子捕集效率越高,速度越大阻煙效果越好。圖5為測試工作壓力下噴頭下游水霧粒徑分布及速度v分布直方圖(v1、v2、v3為不同位置測出，D為直徑)。從圖5中可以看出,在6 MPa工作壓力下,隨著距離噴嘴的距離增大,大顆粒液滴逐漸增多,但霧滴粒徑主要分布在100 μm以下,且分布均勻。隨著距離噴嘴的距離增大,液滴豎向速度逐漸減小。

圖5 霧滴粒徑和速度分布直方圖

2.3 細水霧型水幕霧通量測定

霧通量是細水霧滅火和阻煙性能的關鍵參數之一。它是指一定時間內通過一定面積的水霧滴質量或體積,將其除以面積和時間就得到細水霧的霧流密度,即單位時間內通過單位面積的霧通量。我國自動噴水滅火系統和水噴霧滅火系統的噴頭保護面積和噴灑強度[14],以及美國防火協會的細水霧防火系統標準NFPA750[15]都是利用量杯收集法開展細水霧霧通量的測定。本文利用收集法測定了單排和雙排細水霧型水幕的霧通量,如圖6所示。測量結果表明,對于單排噴桿水霧主要分布在0.4 m×1.2 m的范圍內,核心霧場的霧通量在0.04～0.08 kg/(m2·s)；雙排噴桿水霧主要分布在0.9 m×1.2 m的范圍內,水幕霧通量范圍為0.04～0.22 kg/(m2·s)。

圖6 細水霧型水幕霧通量測定平臺

3 實驗教學實踐

該實驗裝置可滿足消防工程、消防指揮、搶險救援，以及安全工程與技術等相關本科專業的實驗教學需求,為專業課程實驗教學提供設備支持。目前,針對上述專業學生的培養目標,為建筑滅火設施、滅火技術學等課程可開設5項實驗科目,見表2。

表2 開發的細水霧實驗科目

3.1 霧場特性測量實驗

通過設置相配套的數碼相機、量角器、激光測粒儀等測定儀器,可對細水霧的霧場形態進行直觀觀察,并測定霧化錐角、粒徑分布和霧滴密度分布等特性參數,獲得不同壓力工況對霧場特性參數的影響規律。

3.2 細水霧滅火性能實驗

細水霧滅火系統實驗裝置可開展A類(木垛火)、B類(油盤火)、E類(電氣設備火)等多類型火災的滅火性能實驗,通過配套設置熱電偶、熱輻射計、數據采集儀等測量儀器可測定滅火時間、火場溫度以及熱輻射通量等參數。通過實驗操作過程,學生能夠理解細水霧撲救各類火災的滅火機理,熟悉細水霧撲救A、B、E類火災的特點,掌握滅火要領。另外,該裝置還能實現固定噴射和移動噴射的相互轉換,對于學生熟悉細水霧裝置的多種應用操作方法,明確使用中的注意事項,具有重要作用。滅火效果如圖7所示。

圖7 滅火效果展示

3.3 細水霧型水幕阻煙隔熱性能實驗

圖8為該實驗裝置的細水霧型水幕噴桿配合狹長通道實驗臺開展的阻煙隔熱性能實驗。通過實驗可測定火場溫度變化、能見度變化及水幕下游O2、CO、CO2濃度變化,檢驗水幕系統的阻煙隔熱效果。該實驗可以明確細水霧型水幕系統的阻煙隔熱性能,熟悉操作流程,強化該系統形式的應用效果。

4 結語

高壓單流體細水霧滅火實驗系統為消防專業及安全相關專業的實驗教學提供了設備支持。本研發組設

圖8 細水霧型水幕阻煙隔熱性能實驗

計的實驗裝置適用性強,可通過改變壓力條件控制系統流量、液滴粒徑分布、噴霧速度以及霧通量等參數從而實現多工況實驗。實驗項目的設定實現了由課堂教學向實驗實訓模式的轉變,對增強教學效果、豐富教學內容發揮了重要作用。今后還可以通過改變組件、增加添加劑等方法繼續拓展實驗項目,為本科生的科技創新研究及開放性實驗提供條件,培養學員不斷樹立科學意識,提高學員的科研能力和實操技能,同時也可為高校教師和研究生的科研課題提供實驗基礎。

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