移动式细水雾灭火系统的雾化特性研究

移动式细水雾灭火系统的雾化特性研究

1高压细水雾灭火系统消防消防消防在确保现代社会的安全运行，减少财产损失方面发挥着越来越重要的作用。传统的卤代烷灭火系统(哈龙系统)对大气臭氧层有严重破坏作用,且损害人员身心健康,因此联合国在1987年签署“蒙特利尔公约”明确要求各签约国在21世纪初叶予以取代。国际上推崇的替代系统有细水雾系统、快速喷水灭火系统、低压CO2系统和混合气系统。其中,气体灭火系统对消防人员有一定的危害;CO2的大量排放可使地球表面的温度升高;水喷淋系统的最大缺点是用水量高、水渍损失大、误动作后果严重;而细水雾灭火系统在灭火效能、工程造价、释放后二次灾害等方面均优于水喷淋系统,并且细水雾灭火系统的适用范围非常广泛,包括:A类火灾中一般固体物质表面的火灾;B类火灾;C类火灾。此外,ABBStrombergResearchCenter的带电喷放细水雾试验表明,细水雾具有良好的电绝缘性能。可见用细水雾灭油火和电器火灾很有效。因此它已成为发达国家应用最为广泛的哈龙替代系统之一。高压细水雾灭火技术也已经成为国际消防界的研究热点。“细水雾”(Watermist)是相对于“水喷雾”(Waterspray)而言的,指使用特殊喷嘴产生的最大粒径小于1mm、平均粒径小于400μm的水粒。细水雾灭火具有以下优点:无环境污染(不破坏大气臭氧层);能迅速抑制和去除火场中的空气;能非常有效地降低热辐射引起的危害;能方便地到达火场隐蔽的角落,减小重新起火的危险;完全雾化的高速喷射可彻底渗透到深层的余烬中,也可起清洁作用;水的消耗少,水渍损失极小,危害低;生产设备能在短期内迅速恢复使用;环境友好、价格低廉。所以在一些严格要求重量限制的特殊场合,如计算机房、航空器火灾等,细水雾灭火系统具有很大的应用优势。目前消防用细水雾来源以气动辅助雾化方式最为常见,但其体积过大,且需另附高压气瓶,机动性差。直接雾化需要很高的压力,普通消防器材很难达到这一压力水平,而采用纯水液压技术的细水雾灭火系统正好解决了产生高压水流的难题。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制的移动式高压直接雾化细水雾灭火系统如图1所示。系统由高压水泵、高压水阀、水箱、喷嘴和不锈钢管道等组成,自备水箱可实现6min或稍长时间的短时间灭火;系统自带消防接口,可与消防栓直接对接以实现持续灭火。系统无需辅助设备,体积小、机动性强、通用性好。细水雾通过高压雾化喷嘴对水液压泵输出的高压水进行直接雾化产生,雾滴直径小于100μm。初步查表明:国内尚无同类型产品面世,国内仅在气液两相式细水雾灭火系统的研究方面有样机出现,但样机需要另附高压气瓶,管路布置复杂,无机动性可言。本移动式系统则完全避免了气液两相式雾化细水雾灭火系统管路布置复杂、不便操作的缺点。2影响细水雾灭火性能的因素本系统中设计的高压直接雾化喷嘴类型为易加工的直线收敛型喷嘴,喷嘴出口直径为1.2mm,喷嘴内收敛角为60°,出口圆柱段整流长度为2.4mm。图2为雾化射流外部结构示意图。未受到外界空气卷吸影响而保持原来出口流速的中心部分称为核心区,之后的部分称为发展区。从出口至核心区末端的部分为起始段;紊动充分发展以后的部分为主体段;主体段与起始段之间为过渡段。喷雾灭火系统的工作段在主体段。影响细水雾灭火性能的主要参数有:喷雾锥角、喷雾射程、雾滴动量、雾化颗粒细度(SMD)、雾化液滴尺寸均匀度、雾通量。其中,喷雾锥角、喷雾射程可直接测量;雾化均匀度可认为是正态分布而不失普遍性;雾通量、雾滴动量是雾滴尺寸和速度的相关参数,由这两者决定。此处对雾滴速度和滴径SMD进行分析,并对雾化射程和充分雾化距离进行测量。2.1流速和沿速度ux的变化断面轴向速度和径向速度仿真图如图3所示。在不同出口断面处,随着喷射距离的增大,轴向速度ux与径向速度uy均减小。其中,轴向速度ux的减小明显,当射程达到3m时,轴心上的流速从出口处的大于100m/s锐减到15m/s,且其周向分布的流速衰减更大,在边缘1.5m处,流速已接近于0。径向速度uy从绝对值来看变化不是很大。这说明射流喷出后与空气大量发生卷吸,造成流速迅速减小,损失的射流动能转化为摩擦能,使雾滴进一步破碎分裂。也说明卷吸现象主要发生在轴向,空气卷吸后,径向的边缘扩散不大。2.2压力对smd的影响直射式不加旋芯喷嘴喷雾的雾滴索特尔平均液滴直径(SMD)计算见式(1)SMD=0.643064ρ0.9(p)-0.9(1)SMD仿真图如图4所示,系统压力对SMD的影响极大,SMD随着系统压力的升高而呈接近倒数关系降低。当系统压力小于3MPa时,喷射形成的是水珠,其SMD大于1500μm,这也正是传统水喷淋系统水滴SMD大的最根本原因。当系统压力升高到约6MPa时,SMD已小于400μm;在8MPa～9MPa之后,SMD的减小幅度已较小,其值为230μm～120μm;在14MPa之后,SMD基本稳定在120μm左右,已经达到超细水雾的要求。所以,根据实际要求不必盲目追求更高压力。2.3雾化系统优化对直射式不加旋芯喷嘴的测量结果表明:随着压力升高,射程逐渐变远。在系统压力为8MPa～9MPa时,射程一般稳定在6m左右,此时充分雾化距离稳定在3.5m左右。当压力大于9MPa后,喷雾射程和充分雾化距离的变化幅度不大。在相同出口直径下,直观可看出系统压力越大,SMD越小。当系统压力高于6MPa～7MPa后,SMD变化不明显,因此以6MPa～7MPa为本型喷嘴的稳定雾化压力。通过不加旋芯的雾化喷嘴喷雾滴径分析及初步试验,发现雾化效果并不理想,所以决定在喷嘴内加旋芯,以改进雾化效果,改进后的加旋芯喷嘴雾化效果改善明显,在很低压力情况下即有很好的雾化效果。随着压力的升高,加旋芯喷嘴的充分雾化距离(即充分雾化点与喷嘴出口之间的距离)变短,甚至出口即被雾化。同时随着压力的升高,雾滴速度变大,雾滴动量相应增大,对火焰的穿透力也大大增强。3地面喷枪灭火经与直射式不加旋芯喷嘴的实际喷雾比较后,决定采用加旋芯的直射式雾化喷嘴进行喷雾灭火试验。在直径500mm,高度为30mm的油盘中,下面先垫入清水2L,再放入3L煤油,预燃60s后,火焰燃烧猛烈,此时开启喷枪进行灭火操作,喷嘴工作压力8MPa。实际灭火情况如图5所示。喷雾灭火动作后,由高压喷嘴直接喷出的细水雾只需20s左右即彻底熄灭油盘内的火,整个灭火过程用水量不到6L。可知移动式细水雾灭火系统灭火效果良好,且极为节水。为进一步研究本移动式细水雾灭火系统的灭火效果及节水效果,下一步工作对移动式细水雾灭火系统的灭A类火和B类火的标准实验室模型试验即将展开。4加旋芯雾化效果移动式细水雾灭火系统中,喷射压力的高低是影响到喷雾能否进行和外部雾化特性参数的最关键因素。在直射式不加喷嘴情况下