噴頭旋芯結(jié)構(gòu)對細(xì)水霧滅火影響研究

李小松 陳健 王鈺

摘要：細(xì)水霧噴頭旋芯對噴頭霧化效果有重要影響，研究細(xì)水霧噴頭在不同旋流通道、通道角度、通道尺寸等條件下，細(xì)水霧的霧化效果。測試不同細(xì)水霧噴頭滅火效果，分析霧化參數(shù)對滅火效果影響，總結(jié)歸納數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出適合我國國情的、能夠在消防工程中推廣應(yīng)用的細(xì)水霧噴嘴。

關(guān)鍵詞：細(xì)水霧;新型噴嘴;霧化效果;滅火效果

火災(zāi)是嚴(yán)重危害人類生命財(cái)產(chǎn)安全、阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展、影響社會穩(wěn)定的常見災(zāi)害之一，具有破壞性強(qiáng)、施救困難、影響惡劣等特點(diǎn).細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于對于環(huán)境無污染、滅火快速、用水少、水漬損失小，可以用來撲滅A、B、E類火災(zāi)，因此細(xì)水霧滅火系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)在越來越被消防領(lǐng)域的人們所關(guān)注。細(xì)水霧良好的霧化特性既能保證用最少的水快速有效地?fù)錅缁馂?zāi)，同時(shí)對保護(hù)對象不產(chǎn)生任何水漬影響。細(xì)水霧滅火噴嘴的設(shè)計(jì)與選擇需要綜合考慮滅火有效性及經(jīng)濟(jì)性，因此有必要對噴嘴的霧化機(jī)理以及影響霧化效果的各種因素進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，從而積累相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為噴嘴的研制提供幫助。細(xì)水霧噴嘴霧化性能的好壞對其滅火效果和對保護(hù)對象的影響起著決定性的作用。良好的霧化特性既能保證用最少的水快速有效地?fù)錅缁馂?zāi)，同時(shí)對保護(hù)對象不產(chǎn)生任何水漬影響。因此研制新型細(xì)水霧噴嘴，強(qiáng)化霧化效果、提高水霧的霧動量，對提高細(xì)水霧系統(tǒng)滅火具有重要意義。本文圍繞著提高優(yōu)化細(xì)水霧滅火效果及應(yīng)用開展研究，結(jié)構(gòu)上，通過優(yōu)化細(xì)水霧關(guān)鍵部件噴頭的霧化器提高霧化效果來提高滅火效果。

一、實(shí)驗(yàn)裝置

細(xì)水霧滅火試驗(yàn)在遼寧省飛機(jī)火爆防控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，水泵設(shè)計(jì)壓力0-20MPa，在火源上方布置7個(gè)熱電偶，布置間距100mm，編號為1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號用于測量火源區(qū)溫度并通過溫度采集儀記錄。霧滴粒徑采用激光粒徑儀測量，火源采用0號柴油作為火源。細(xì)水霧噴頭為7孔的噴頭，側(cè)面等分分布有6個(gè)與底面成45度的噴嘴，底面中心軸向有一個(gè)噴嘴。

二、結(jié)果分析與討論

（一）細(xì)水霧霧化實(shí)驗(yàn)

細(xì)水霧工作壓力采用8MPa，啟動水泵施加細(xì)水霧，采用激光粒徑儀測量細(xì)水霧霧滴粒徑，霧滴粒徑用Dv0.9表示，初步篩選出10種粒徑數(shù)據(jù)較為理想的噴嘴，如表1.1所示

1.1 ?細(xì)水霧噴頭霧化效果

從表1.1可知，隨著噴嘴旋芯角度增加霧滴粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，噴嘴口徑為0.8mm時(shí)霧化效果較差。4槽噴頭的霧化效果明顯好于2槽噴頭。因?yàn)樵趪婎^其他設(shè)計(jì)參數(shù)相同情況下，增加噴頭導(dǎo)流槽數(shù)量可以增加細(xì)水霧噴頭內(nèi)部水流的的相互撞擊的概率，提高了霧化效果。導(dǎo)流槽為60°的噴頭霧化性能相對于45°、30°噴頭而言霧化效果較差。60°導(dǎo)流槽主要強(qiáng)化了切向霧化效果會造成噴嘴內(nèi)部水霧動能的損耗加劇，導(dǎo)致水霧軸向速度降低，根據(jù)韋伯霧化理論，旋流速度小，不利于霧化，所以60°噴嘴霧化效果不理想。而0°旋芯由于缺少離心霧化作用所以水基本呈現(xiàn)直流噴水狀態(tài)，沒有霧化作用。

（二）細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)

細(xì)水霧噴頭采用30°、45°和60三種旋芯角度，旋芯為4條導(dǎo)流槽，組成7噴嘴噴頭，中心小噴頭與周向六個(gè)小噴頭采用的旋芯結(jié)構(gòu)及噴孔直徑的參數(shù)一致。噴頭距地面2.7m在油盤內(nèi)，倒入400ml柴油作為燃燒物，20ml汽油作為引燃物，點(diǎn)燃一分鐘使其充分燃燒后，打開水泵開啟噴頭;采用熱成像儀及其系統(tǒng)記錄火焰燃燒及撲滅過程，并記錄滅火時(shí)間，如下圖1.2和表1.3所示。

由上圖可知，在施加細(xì)水霧瞬間主要通過火焰拉伸作用壓制火焰，使火焰燃燒形態(tài)由垂直燃燒狀態(tài)變?yōu)樗饺紵隣顟B(tài)，但是由于火焰的主體仍然在油盤表面，所以不能瞬間熄滅火焰。隨著細(xì)水霧的連續(xù)施加，在細(xì)水霧的擾動下，火焰在水平方向紊流程度進(jìn)一步增強(qiáng)，不連續(xù)區(qū)域逐漸減小，火焰形態(tài)越來越小，同時(shí)，細(xì)水霧不斷吸熱汽化冷卻燃油表面溫度，降低可燃油氣的汽化量，逐步切斷向燃燒區(qū)燃料的供給，當(dāng)油盤表面區(qū)域溫度降到65℃時(shí)，燃燒放熱量不足以支持細(xì)水霧吸熱和液體燃料繼續(xù)汽化燃燒時(shí)，火焰完全熄滅。

1.3 ?細(xì)水霧噴頭滅火效果

從表1.3可知，噴頭保護(hù)面積大小與導(dǎo)流槽角度有關(guān)，60°導(dǎo)流槽噴頭霧化角普遍大于45°導(dǎo)流槽噴頭霧化角。因?yàn)?0°導(dǎo)流槽切向速度大，而軸向霧滴速度小，所以增加了噴頭的保護(hù)范圍。同時(shí)，60°導(dǎo)流槽噴頭的霧滴粒徑比45°導(dǎo)流槽噴頭的霧滴粒徑小，這說明速度小不利于霧化。噴頭流量與噴嘴口徑有直接關(guān)系，噴嘴口徑越大流量越大，所以在選擇噴頭時(shí)也要考慮到節(jié)能經(jīng)濟(jì)因素。當(dāng)火源位于噴頭正下方中心位置時(shí)，1-5號噴頭均能有效滅火，最短時(shí)間2s，最長39.7s就可滅火;說明旋芯為45°噴頭即保證了徑向噴水距離又強(qiáng)化了軸向速度，增加了霧滴霧動量，所以滅火效果較好。

圖1.2是紅外攝像機(jī)拍攝的細(xì)水霧瞬間熄滅火焰的火場紅外熱像圖，滅火時(shí)間為2s。照片形象地展示了細(xì)水霧對火焰拉伸作用過程中火焰內(nèi)部各區(qū)域的溫度和火焰結(jié)構(gòu)的變化情況。有圖可知，當(dāng)施加細(xì)水霧時(shí)，細(xì)水霧從噴頭高速噴出，并形成一水霧錐噴向燃油表面，細(xì)水霧直接沖擊火焰，在細(xì)水霧拉伸的作用下，火焰被細(xì)水霧壓制并被強(qiáng)制改變?nèi)紵螒B(tài)，由垂直燃燒變?yōu)樗饺紵?dāng)火焰被壓制并沿水平方向被推離燃油表面時(shí)，火焰被瞬間熄滅。如果火焰不能被細(xì)水霧幾秒鐘熄滅，這時(shí)細(xì)水霧拉伸作用主要是壓制火焰。

三、結(jié)語

1.導(dǎo)流槽為45°的噴頭，4槽霧化效果最好;噴嘴口徑為0.8mm時(shí)霧滴粒徑較大。

2.細(xì)水霧噴頭導(dǎo)流槽為45°，噴嘴口徑為1.0mm時(shí)，滅火效果良好，滅火時(shí)間為2s。

3.細(xì)水霧噴嘴口徑對滅火效果影響顯著，當(dāng)噴嘴口徑為1.0mm時(shí)，滅火機(jī)理主要以火焰拉伸為主導(dǎo)，可以達(dá)到瞬間滅火的效果。

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