不同壓力狀態下細水霧粒徑探究

解麗娜，曹雪曼，趙心怡，王立陽

（1.沈陽工學院，遼寧 撫順 113122；2.北京華煤安信科技有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著城市化發展，對火災滅火技術、滅火速度、滅火后處理的要求越來越高［1-2］，因此為了達到“十四五”規劃綱領要求，充分重視高層等復雜建筑的消防問題，眾多滅火技術中細水霧基于其高效、清潔等特點，被廣泛研究與應用。為更好地處理復雜建筑的消防問題，探析滅火效果最佳的滅火劑粒徑的最優值，為滅火事業和應急救援提供一定的理論基礎。

滅火器劑種類繁多，隨著國內外學者的不斷研究，目前滅火器種類分為泡沫、干粉、氣體、水系等不同類型［3］，但是大量實驗研究表明滅火劑粒徑在滅火過程中起到決定性作用，水霧或干粉粒徑的大小在嚴重和一般火災中的滅火效果也不同［4-5］。日常生活中對滅火劑粒徑的研究是極其重要的，因此從實驗原理和數據方面對滅火劑粒徑進行研究，分析現有滅火器的最佳粒徑。

國際上關于滅火劑的研究相對較早，早在10世紀30年代，美國ANSUAL 公司首次研發以碳酸氫鈉做為基料的干粉滅火劑，自美國首次研發出使用至今，該研究成果仍有里程碑意義，隨著各國滅火事業的不斷發展，目前已形成多種產品［6］。英國在此基礎上，KIDD公司也投身于粒徑較小的超細干粉滅火劑中，最終研制出了粒徑小于5 μm的超細干粉滅火劑，其主要是以碳酸氫鉀為基料，經全淹沒式滅火實驗表明：顯著提升了滅火效能，其滅火效果遠超其他類型或者品種的滅火劑，達到了一般滅火劑的10 倍左右［7］。雖然國內外學者進行了大量研究，已大量應用于實踐的滅火劑的滅火效果雖好，但是均存在污染、污漬或者高昂的費用等問題，本實驗將在前人研究的基礎上，探析最佳細水霧粒徑范圍，在保證滅火效果的基礎上，力求最大限度減少現場難清理的污漬，形成高效、清潔的滅火效果，進而推動早期應急救援與滅火事業的發展。

1 激光粒度分析儀工作原理

激光粒度分析儀在各行各業都有應用，利用該設備獲得了較多的試驗成果［8-11］。為了探析最佳滅火水霧粒徑，將利用沈陽工學院安全實驗室實驗設備Bettersize 2 000 S（噴霧）激光粒度分析儀進行實驗探究，其基本工作原理是利用激光衍射來測量粒子。為了獲得各種粒子的粒徑大小，測量時利用激光束直接照射，激光的部分偏轉導致了一個特征，通過一個特殊形狀的探測器，在測量樣品的背后形成了環形的亮度分布，粒子大小是基于這些環形間距計算出來的：大粒子產生緊密的環形，小粒子產生寬松的環形［12-14］。

在雙相流系統中，采用輸送管網將水和一定量氣體通過混流器進行混合，送至噴頭，在噴頭處通過一定壓力使氣液混合體通過噴射孔向外噴出，其中水會因為氣體的剪切作用破碎成水霧，形成直徑很小的霧滴，當水霧通過噴頭噴出后，會迅速吸熱汽化而使其體積迅速膨脹，然后通過稀釋氧氣濃度來減弱燃燒中的氧氣供應。該激光粒度儀運用雙鏡頭的專利技術［15］，該技術的應用避免了更換鏡頭的麻煩，因為更換鏡頭后需要進行多次調焦、測試等，這可能會導致實驗結果不穩定。同時其測量寬分布顆粒時，從大到小的所有信息均能在一次分析中獲得，使分析精度大大提高。偏光強度差專利技術［16］利用多波長（450 nm、600 nm、900 nm）測量、大角測量（150°）以及偏振效應三種方法改進了對細小顆粒的測定，保證了0.04 μm ～0.4 μm細小顆粒的準確性。該分析儀輸出的數據豐富直觀，本儀器的軟件可以在各種計算機視窗平臺上運行，具有操作簡單直觀的特點，不僅對樣品進行動態檢測，而且具有強大的數據捕集、處理與輸出功能，同時可以選擇和設計最理想的表格和圖形輸出。

2 實驗原理

各種測量得到的顆粒物的大小稱之為粒度，科學研究以及時間應用過程中，粒度是物料的重要特征之一。在粒度研究中，常常用到顆粒物的平均粒度、粒度組成和粒度分布等數據。常用的檢測方法主要有篩分法、沉降法（包括重力沉降和離心沉降）、激光粒度分析儀、顯微鏡、電鏡法、庫爾特（電阻）法、透氣法、低溫氮吸附的比表面積法及X 射線小角散射法［17-18］。方法種類雖然繁多，但在水霧粒度研究過程中，基于激光粒度分析儀的特點，本實驗將利用該分析儀的激光散射測得粒徑分布，分析不同結果。

實驗平臺的搭建（自行描述實驗過程）。通過空氣壓縮機提供氣源，日常的水做為實驗樣品，通過水泵抽取提供液源來搭建雙相流細水霧的實驗平臺。

實驗在外噴嘴的孔徑為1.5 mm 和注氣管孔徑為0.7 mm的基礎上調節氣體與液體壓力，通過改變氣壓、液壓的壓力實現細水霧粒徑的不同，改變4組氣、液壓力，每組壓力進行3次，從而保證實驗的科學性。計算四組的氣液比，通過調節細微的壓力的差值變化，從而得到霧滴粒徑不同的細水霧。當細水霧從距激光粒徑分布儀正上方1 m 處落下，通過激光分布儀器的測量，通過光信號轉換成電信號，并傳輸到計算機上，從而得到雙相流細水霧的霧滴顆粒分布，從而研究細水霧的分布情況。民用建筑和工業廠房的濕式系統設計參數見表1所列。

表1 民用建筑和工業廠房的濕式系統設計參數

實驗過程中要注意在測量補償、光路的矯正以及測量空白的工作后，應注意觀察電腦端顯示的軟件提示，加入樣品后控制好量，根據選擇的模式不同，如PIDS或Obscuration均應穩定在各自的設計和要求范圍內，待電腦端顯示OK提示后，再點擊DONE完成，否則會影響測試結果的穩定性或偏差。激光粒度儀是利用激光散射法，是目前用途最廣泛的一種儀器。該方法操作簡單、測量范圍寬、粒度分析快、再現性較好、可實現在線測量和干法測量等特點，對于科學研究和生產過程中的粒度控制起著直觀重要的作用。此外，激光粒度儀可以得出多種粒度數據，如體積平均粒徑、比表面積、區間粒度分布和累計粒度分布等，可根據所需測量、調取不同數據。

3 實驗數據分析

利用Bettersize 2000S（噴霧）激光粒度分布儀，設置不同的三組液壓和氣壓對所噴射的細水霧粒徑分布情況進行對比分析。粒度分析儀能夠測試的范圍為1.00～2 000 μm，相對測得的粒徑范圍較廣，能夠較好的檢測該范圍內不同細水霧噴射的粒徑分布情況。分析報告中，紅色曲線代表粒徑點，藍色曲線代表該粒徑的含量百分比。分析三種不同壓力狀態下細水霧噴射情況，各組實驗數據如下。

（1）液壓0.3 Mpa、氣壓0.3 Mpa 的粒度分析報告如圖1所示。

圖1 液壓0.3 Mpa-氣壓0.3 Mpa粒徑分析報告

當液壓為0.3 Mpa、氣壓為0.3 Mpa 時，Dv0.5 ≥99.77 μm，Dv0.97 ≥210.5 μm。

（2）液壓0.4 Mpa、氣壓0.35 Mpa 的粒度分析報告如圖2所示。

當液壓0.4 Mpa、氣壓0.35 Mpa時，Dv0.5 ≥74.49 μm，Dv0.97 ≥228.1 μm。由圖2可知，隨著壓力的升高，水霧粒徑在150 μm以上出現了波動，說明隨著壓力的不斷升高，出現紊亂或不穩定情況，但總體符合預期。

圖2 液壓0.4 Mpa-氣壓0.35 Mpa粒徑分析報告

（3）液壓0.5 Mpa、氣壓0.6 Mpa 的粒度分析報告如圖3所示。

圖3 液壓0.5 Mpa-氣壓0.6 Mpa粒徑分析報告

當液壓0.5 Mpa、氣壓0.6 Mpa時，Dv0.5 ≥103.5 μm，Dv0.97 ≥1252 μm。由圖3可知，隨著壓力的不斷升高，波動情況明顯，但是總體趨勢符合預期。

對比分析各組實驗結果可知，不同的液壓和氣壓對水霧形成及其粒徑分布有較大影響。通過對比中位徑及其他數值的大小，得出當氣壓0.4 MPa、液壓為0.35 MPa 時的低壓狀態下雙相流細水霧的DV0.5 ≥74.49 μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合預期。

4 結論

基于“十四五”規劃和現代應急救援及滅火要求，高效、清潔、價廉的滅火劑仍需不斷探究，研究結果發現滅火劑粒徑對滅火效果有著至關重要的作用，因此通過水霧滅火機理，又因其廉價且容易獲得的有利條件，利用粒度分析儀測量不同壓力狀態下水霧噴射粒徑分布情況，探得壓力與水霧粒徑分布的關系。由于粒度的不規則、變化各異，其大小本身就是一個難以明確或表達的概念，因此面對一個相對復雜粒度分布測量問題，利用激光粒度儀，分別設置三種不同壓力狀態下所噴射的水霧粒徑作為研究對象，對比分析，指導后續實驗。通過總結大量相關資料了解到細水霧的霧滴直徑達到DV0.5 ≥65 μm、DV0.97 ≥100 μm 的霧滴需要在高壓狀態下，10 MPa 下得到該結果。伴隨著液壓和氣壓的升高，噴霧滴液中，Dv0.5和Dv0.97的直徑升高。通過對比中位徑及其他數值的大小，得出當氣壓0.4 MPa、液壓為0.35 MPa 時的低壓狀態下雙相流細水霧的DV0.5 ≥74.49μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合預期。為了確定最佳滅火粒徑，仍需后續實驗跟進，對比分析不同粒徑的滅火效果，為滅火事業、應急救援提供一定的理論基礎，同時希望能夠促進通風除塵、職業衛生防護等與粉塵粒徑相關行業領域的研究與發展。