不同的喷嘴结构其雾化性能可能有很大差别有些型式的喷嘴无论如何调整参数都无法达到要求的雾化性能。选择一种型式的喷嘴不仅仅要考虑其可能达到的雾化性能还要考察其结构、加工难度和适用范围等。广泛应用于生产和生活中的液体雾化方法中具有代表性的有以下几类。

将压力转化为流体动能以形成高速运动的液柱射流或液膜射流与周围低速的气体介质相遇液柱或液膜在破碎力与反破碎力的作用下破碎最后完成雾化。主要包括直流喷头、单式离心喷头等。

直流喷头

直流喷头在压差作用下喷淋液经喷嘴喷出在流体动力和表面张力的作用下雾化。直流喷头的喷嘴口径一般为2~4mm直径过小易堵塞过大雾化效果太差。其喷射锥角一般在5°~15°之间。液滴主要分布在喷嘴轴线附近很窄的范围内。

单式离心喷头

离心式喷头典型的有两种。一种是具有切向进口的离心式喷头液体经过喷头壳体上的切向孔进入离心室然后由孔口喷出。一种是具有涡旋器的离心喷头液体进入螺旋槽一边旋转一边向下作螺旋线运动离开喷嘴后液体微团不再受到内壁的约束因而沿着轴线和切向运动形成一个锥形薄膜即所谓喷射锥。喷射锥角一般为60°~120°。

气动式又称介质式利用空气或蒸汽作雾化介质将喷出的液体雾化。一般是双流体喷雾型有高压和低压两种类型。工作原理是借助于流动气体的动能将液柱或液膜吹散破碎成液滴。

旋转式又称转杯式将液体注入一个高速旋转的杯或圆板表面上借助于转杯高速旋转产生的离心力作用将液体均匀地甩出去液膜破碎完成雾化过程。它最主要的优点就是价格低廉而且结构简单。

利用两股高速液体射流互相冲击或一股高速射流与金属板冲击进行雾化。

借助于声波、超声波等作用使液体振动而失稳进行分裂雾化、破碎成小液滴的喷嘴型式统称为振动雾化喷嘴。有低频机械振动雾化喷嘴、超声振动雾化喷嘴等。由于装置比较复杂所以一般只在实验室和地面工业中使用。

气泡雾化喷头采用的方法是在喷头的出口前设置一气流管道管的头部有一定数量的小孔。气体在很低的压力下以很低的速度进入液体场气液压差仅使液体不回流入气管液体流经喷口时被气泡挤压成薄膜或小碎片小气泡从喷口出来后爆裂这种爆裂相当于给液膜增加了扰动促使液膜破碎成更小的液滴。

将液体加以高压静电使液滴处于电场中带有电荷电荷之间的斥力使得液膜表面积扩大而液体的表面张力又趋于使表面积缩小当电荷间斥力大于表面张力时液膜破碎成小液滴。静电雾化喷头雾化效果非常好但是流量特别小只适合于喷涂、印刷。

一个是其产生足够小的水滴的能力一个是将足够数量的水分布到整个空间的能力。这两种能力又受液滴大小、速度分布、冲量以及喷头几何特性等因素的影响同时也受保护对象的几何形状和被保护空间大小等其它客观因素的影响。

细水雾不适合于用水不能扑救的物质如过氧化钾、过氧化钠、过氧化钡、过氧化镁等过氧化物因为这些物质遇水将发生剧烈分解反应放出反应热并生成氧气这容易与某些有机物、易燃物、轻金属等因为反应速度过快而发生爆炸;细水雾也不适合于扑救遇水燃烧物质如金属钾、钠碳化钙、碳化铝、碳化钠、碳化钾。

(1)用水量大大降低。通常而言常规水喷雾用水量是水喷淋的70%-90%而细水雾灭火系统的用水量通常为常规水喷雾的20%以下;

(2)降低了火灾损失和水渍损失。对于水喷淋系统很多情况下由于使用大量水进行火灾扑救造成的水渍损失还要高于火灾损失;

(3)减少了火灾区域热量的传播。由于细水雾的阻隔热辐射作用有效控制火灾蔓延;

(4)电气绝缘性能更好可以有效扑救带电设备火灾;

(5)能够有效扑救低闪点的液体火灾

相对于气体灭火系统

(1)细水雾对人体无害对环境无影响适用于有人的场所;

(2)细水雾具有很好的冷却作用可以有效避免高温造成的结构变形且灭火后不会复燃;

(3 )细水雾系统的水源更容易获取灭火的可持续能力强;

(4)可以有效降低火灾中的烟气含量及毒性。

(5)管道管径较小、节省管材。相对于传统的自动喷水灭火系统而言其重量轻可减少90%。同时安装费用也相应降低[17]。

单相流系统:是指采用单管供水至每个喷头的细水雾灭火系统。

双相流系统:是指水和雾化介质分开来供给并在细水雾喷头上混合的细水雾灭火系统。

低压系统:系统管网工作压力小于或等于1.21MPa的细水雾灭火系统。

中压系统:系统管网工作压力大于1.21MPa小于或等于3.45MPa的细水雾灭火系统。

高压系统:系统管网工作压力大于3.45MPa的细水雾灭火系统。

局部应用系统:系统被设计和安装成向保护对象直接喷射细水雾的应用方式。

全空间应用系统:是指设计和安装成用来保护整个封闭空间里的所有危险的应用方式。

分区应用系统:系统被设计和安装成用于保护在一个封闭空间的某个预定部分的危险的应用方式。

开式系统(雨淋系统)和闭式系统(即湿式系统、干式系统和预作用系统)。

泵组式系统:采用泵组进行供水的细水雾灭火系统。

容器式系统:采用储水容器、储气容器进行加压供水的细水雾灭火系统。

组合分配系统:用一套灭火系统保护两个或两个以上保护区或保护对象的细水雾灭火系统。

单元独立系统:用一套灭火系统保护一个保护区或保护对象的细水雾灭火系统。

按照喷射水雾中水微粒的大小分布细水雾可分为3类I类细水雾:累积百分体积分布曲线全部位于连接Dv0.1=100μm和Dv0.9=200μm连线的左边代表了最精细的水雾。Ⅱ类细水雾:是累积百分容积分布曲线的一部分位于I类喷雾界限以外但全部在连接Dv0.1= 200μm和Dv0.9= 400μm连线的左边。这类细水雾可以通过压力喷射喷头双相流喷头及许多冲击式喷头产生由于有较大水滴出现Ⅱ类细水雾更容易产生较大的流量。Ⅲ类细水雾:Dv0.9大于400μm或者曲线任何部分超过Ⅱ类分界线的右边(但Dv0.9<1000μm)这种细水雾主要由中压、小孔口喷头、各种冲击式喷头产生的并且它们可以得到较大流量。

喷头按照雾化方式又可以分为撞击式水雾喷头和离心式水雾喷头。撞击式水雾喷头是通过喷嘴的直流水柱喷射到溅水盘上靠机械力分解成很小的水珠而形成水雾。离心式水雾喷头以多股高速旋转的水流和直射水流在通过小口径喷射时相互撞击、打碎。这些极不稳定的细水流不用溅水盘也能分解成小水珠再从喷嘴喷射而出形成喷雾。离心式水雾喷头还可以分为单级离心式和双级离心式。

与普通观念不同不是所有的水雾喷头都靠高压成雾一般的水雾喷头通常在0.35MPa的工作压力下就能得到满意的雾化效果。

在实际应用中水雾喷头处于室外其工作压力的确定与喷头的防风性有关。防风性差时可适当提高起动工作压力。由于水雾喷头型号规格的不同其防风性能也有差异。一般来说离心式好于撞击式;双级离心式好于单级离心式;流量大的好于流量小的;喷雾角小的好于喷雾角大的。

水雾喷头的有效射程一般取决于两个方面:

(1) 雾滴的初速度。初速度越大有效射程就大。

(2) 水雾雾滴直径的大小。雾滴直径的大小直接关系到雾滴的穿透能力的大小。雾滴直径大穿透能力强相对有效射程也就大些。

从这两个决定因素看离心式水雾喷头的有效射程大于撞击式水雾喷头。在实际应用中水雾喷头保护距离的确定不单看有效射程与其喷雾角也有一定的联系。考虑到灭火效果和经济性喷雾角小的保护距离可取大一些;反之取小一些。

相对而言离心式水雾喷头的安装形式比较灵活。喷头安装形式可根据灭火要求任意布置。原则是针对保护对象能有效覆盖被保护面。普通撞击式水雾喷头都是按下垂方式安装的其布置原则与标准型喷头差不多。

由于两种形式的水雾喷头在成雾原理上的不同也势必造成在灭火功能方面的差异。

撞击式水雾喷头雾滴较细雾滴直径一般在0.2~0.4mm。由于雾滴经溅水盘布水后洒落其大部分水雾的喷射初速度不快在空气中有明显的漂移冷却作用较为显著。撞击式水雾喷头大都用来保护闪点66℃以下的易燃液体、气体和固体危险区。

离心式水雾喷头喷射的雾滴较大一般在0.2-0.3mm左右雾滴的初速度也更快水雾对火焰的穿透能力较撞击式水雾喷头强。离心式水雾喷头喷射的雾状水滴是不连续的、间断水滴因而具有良好的高压绝缘性能。

离心式水雾喷头的特点是:对油类火灾效果良好对电气火灾能带电灭火。火灾扑灭后复燃的可能性极小。离心式水雾喷头通常用来保护闪点66℃以上易燃液体和电气设备。被广泛用于变压器、发电机组、感应器、油浸开关、油槽等的保护[21]。

离心式喷头对工作压力要求比较低抗干扰能力优于撞击式喷头有效射程大于撞击式喷头采用下垂式安装安装方便更适用于灭油池火且离心式喷头结构简单、体积小、生产成本低故本选用离心式喷头作为实验喷头考虑到增加雾化效果故在喷头中加入旋芯来增加涡流使雾场更均匀。

(1) 配水管安装喷头的管道称配水管管道。

(2) 干管干管配水管可采用环状管道或树状。

(3) 供水管供应干管用水的管道称供水管管道应采用防腐蚀的管材例如采用不锈钢管等。

(4) 控制阀控制阀应设在与供水管连接处的干管上并且便于人员接近、平常易于检查、不冻结的地方。在水灭火系统中能起控制供水、启动报警器的专用阀门装置习惯上称作报警控制阀。每一喷水灭火系统至少应配备一套报警控制阀一般由标准闸阀和专用报警阀并联而成。

为防止喷雾头被杂质堵塞在水源进入水泵之前或水泵的出水口应设过滤应根据水源的水质情况选用过滤网合适的目数。在过滤器处应设有检查、更换、排除杂质的设施。

报警控制装置在灭火系统中起着监测、控制、报警的作用并能以光、电等信号显示主要由监测器、报警器等组成。

(1) 监测器

包括水流指示器、阀门限位器、压力监测器和水位监视器等能分别对管网内的水流、阀门的开启状态和消防水池、水箱的水位等进行监测并能以电信号方式向报警控制器传送状态信息。

(2) 报警器

一种靠压力水驱动的撞击式警铃当报警控制阀开启时压力水就进入水力警铃的涡轮腔推动涡轮锤打响警铃实现在报警控制阀开启时的报警指示。每个喷水灭火系统必须安装一套水力警铃。

为了确保细水雾灭火系统的完整性及施工安装、使用维修的需要必须配置一些部件和专用工具它们包括电磁阀、手动启动器、管件、快开装置等。

(1) 电磁阀一般用作为系统自动控制的执行元件。

(2) 手动启动器凡采用自动开启的报警阀装置必须加设手动启动器以防自动控制失灵。手动启动器的安装处应有醒目的标记和操作指示。

细水雾灭火系统的设计参数目前为止还是以经验值居多现阶段还不能有全理论的设计参数其原因是多方面的。一是实际工程中还没有很确切的火灾载荷计算方法二是喷头喷水的冷却效果和测定方法难以确定三是实际工程中可燃物的燃烧速度较难确定四是喷嘴在实际火灾现场的吸热时间计算有难度等等。细水雾灭火系统的设计主要是保证足够多的水及时到达着火部位并均匀布水使水起到冷却降温达到灭火的目的。

通过对细水雾、细水雾喷嘴、细水雾发生系统的组成的分析研究可以得出以下结论:

(1)通过对细水雾灭火系统和灭火环境的分析针对熄灭油池火的需要确定了选用中低压细水雾发生系统以降低对设备的要求节约成本。

(2)根据喷头的选择原则选用离心式加旋芯喷嘴作为细水雾发生器以满足在较低的灭火压力下产生较好的雾场。

(3)细水雾灭火技术越来越多地被运用和开发细水雾灭火技术的研究包括细水雾的系统组成、系统设计优化、系统内各部件的优化、喷嘴的优化这些对提高细水雾灭火效果都将有很大的意义。

(4)细水雾喷嘴是细水雾灭火系统的关键部件对细水雾喷嘴的研究及优化是细水雾灭火系统研究的重要组成部分对细水雾系统的优化有重要的意义对细水雾喷嘴的优化研究需要研究水雾的生成机理。

本实验是在2.5m×2.5m×3m的受限空间内进行。实验装置如图3-1所示。受限空间的框架属于钢结构为了便于观察受限空间的四个面装上玻璃为了减少实验对受限空间的损害玻璃采用钢化玻璃。烟道全部是由钢制成直接与受限空间相连。它由集烟罩和烟囱两个部分组成。集烟罩是锥形的它用来收集在实验过程中生成的所有燃烧产物。在它的侧面打一个孔可以放置烟气传感器探头用来采集烟气成分顶部安装抽出式风机。

数据采集系统 数据采集系统由烟气成分采集系统和温度变化采集系统组成。烟气成分采集系统包括M-9000型燃烧分析仪、计算机和数据接收软件;温度变化采集系统包括USB温度采集仪和热电偶。

火焰温度分布情况采用热电偶来测定。将5根热电偶固定到热电偶树上在距离油盘的上表面中心0.05m处布置一个热电偶并沿着表面中心线向上每隔0.10m布置一个热电偶各个热电偶依次编为1、2、3、4、5号。这些热电偶主要是用来观察细水雾施加前后火焰温度分布及其变化情况对不同实验条件下细水雾的灭火效果进行比较。热电偶接在USB温度采集仪上温度采集仪每隔1秒采集一次数据通过数据线连接到计算机自动记录温度。

气体成分及浓度测定采用M-9000型燃烧分析仪它是一种小型便携、快速分析、测量烟气成份的新型分析仪器可同时测量排烟温度、烟气中的氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、微压(⊿P)等参数计算二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、空气过剩系数(α)、α=1时的一氧化碳值(CO′)、燃烧效率(η)并具有计算机通讯口(RS232),可实现与计算机的通讯联网。

LS-2000系列分体式激光雾化液滴粒度分析仪是在颗粒测量技术研究及激光颗粒仪研制的基础上研制的一种新型激光雾化液滴粒度分析仪。它是基于激光颗粒前向散射原理。当一束激光束照射到被测液滴时受液滴的散射作用激光会向四面八方散射其中大部分散射光能量处于前向方向。根据光散射理论及反演算法对测得的散射光能分布数据进行处理就可以得到被测液滴的粒度分布。

燃料试样选用煤油。燃料用直径为0.30m、深度为0.025m的油盘盛装每次所用的燃料试样均为750ml油盘位于喷头正下方。细水雾喷头距液体面高2.8m垂直向下。铠装热电偶沿试样中心线布置间距均为10cm用收集法测量了细水雾的耗水量2.894L/min(在压力为1.8MPa时)实验时环境温度10 ℃。

在做实验之前首先依次检查电路、管路的连接状况和实验设备的工况以确保仪器正常运转;向油池倒入少量酒精然后点燃油池火经过大约50s的预燃时间油池火达到稳定燃烧阶段后热电偶温度达到700 ℃开始释放细水雾。火焰熄灭后关闭阀门打开排烟通道。等待25min左右即受限空间内空气恢复原始工况后再开始第二次实验这期间整理相关实验记录做好存储以便分析。在实验后重新点燃了燃烧池中的剩余燃料以便确认池火确实是被细水雾抑制熄灭的而不是燃料烧完而致使火熄灭的。实验时通过改变产生细水雾的压力和喷头型号研究细水雾抑制熄灭煤油池火的结果。重复上述实验步骤最后对采集的实验数据进行处理做出曲线图对实验结果进行分析。

灭火时间是实验中十分关键的一个参数。因为灭火时间的长短直接反映了细水雾灭火效率以及其有效性同时间接地反映着细水雾与火焰相互作用的机理。在本实验中是通过秒表纪录不同工况下细水雾的灭火时间也可用序列摄像照片来进行验证以得到不同工况条件对灭火效率的影响。同时分析热电偶的温度变化曲线根据细水雾施加的位置、火焰熄灭瞬间的位置即由其横坐标值即可确定火焰熄灭时间。

(1)在房顶中心所处的垂线位置固定细水雾喷头并确保喷头与油盆之间的距离Lp可调(由于实验室喷头位置固定可以用垫高油盆的方法来解决)。油盆放在房间的地面上以喷头位置为基点油盆相对喷头的坐标可用喷头高度Lp和径向距离R表示。

(2)实验采用煤油作为燃烧物质。燃烧模型由圆形油盆内放入煤油构成。油盆材料为钢板直径为300 mm壁厚为2.0~3.0 mm深度不小于200 mm油层厚度约为30 mm。

(3)在油盆正上方距离地面150 mm高度处布置了1号热电偶然后沿竖直方向以150 mm为间隔连续布置了3个热电偶(从下到上分别是热电偶2至热电偶4)。这些热电偶间距可调(可根据需要增加或减少热电偶的数量)固定在一个可移动的支架上。当改变油盆位置时该支架随之移动以确保这4个热电偶始终处于油盆正上方。

(4)在每次实验中首先启动温度采集系统接着将油盆点燃当距离油盆150 mm的1号热电偶温度读数到500 ℃时释放细水雾进行灭火。实验在扑灭火焰后继续喷雾10 s来降温、降尘然后停止喷雾并排烟、通风。如果细水雾喷雾时间超过60 s仍然无法扑灭火焰结束喷雾打开门窗和排烟风机通风人工扑灭残余火焰。

细水雾的释放能明显改变火羽流的流动同时影响火焰结构。在大量的灭火实验后通过观察和实验数据可以将细水雾的灭火过程分为3个阶段:初始不稳定阶段突然的冷却阶段逐渐冷却阶段。如图3-2所示

在初始不稳定阶段细水雾刚刚喷出进入火羽流的上部冷却羽流所以高处的热电偶测得的温度有明显的下降其他热电偶温度没有太大影响此时火焰蒸发掉大多数的水雾少量的粒径大的水雾可以穿过进入火羽流中心。火羽流在细水雾的作用下剧烈晃动甚至会拉伸火焰这个阶段一般维持在3-6秒细水雾流量或雾通量越大压力越大一般这个阶段就比较短。之后细水雾的持续喷射将火焰高度压低。若细水雾压力低流量小而灭火失败这个时期就比较长。

在突然冷却阶段火焰高度温度大幅度降低。这是由于细水雾大量进入火焰中心甚至能落入油面降低油温使油的热解速度降低燃料不足火焰难以维持同时蒸发细水雾变成水蒸气稀释了火焰周围的空气可燃气体与氧气浓度降低细水雾覆盖了整个火焰火焰周围的温度也大幅度降低这些都有利于灭火。火焰通常在7~20秒内熄灭。

在逐渐冷却阶段受限空间内的温度逐渐回落恢复到初始温度。