薛 偉，李 鐸

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

細(xì)水霧噴頭氣-液工作壓力與霧化效果

薛 偉，李 鐸

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，利用單變量控制法研究了細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，取得最優(yōu)滅火效果所對(duì)應(yīng)的噴頭的氣液工作壓力參數(shù)。首先對(duì)氣體壓力和液體壓力及其比值與細(xì)水霧霧化顆粒的平均直徑D［v，0.9］的影響進(jìn)行單變量研究，然后對(duì)氣體壓力和液體壓力配比與細(xì)水霧噴頭噴霧密度關(guān)系進(jìn)行了探索。結(jié)果表明，合理地設(shè)置液體壓力和氣體壓力更能體現(xiàn)細(xì)水霧霧化優(yōu)越性，pg=1.0～3.0 MPa，pg/pl=2時(shí)的D［v，0.9］最小;根據(jù)條件及時(shí)調(diào)整氣液壓力比能增大細(xì)水霧噴頭的噴霧密度，從而提高兩相流細(xì)水霧噴頭的噴霧效果，氣液壓力比為2對(duì)應(yīng)的噴霧效果最佳。

細(xì)水霧;噴頭;噴霧壓力;噴霧密度

0 引言

細(xì)水霧滅火技術(shù)以無環(huán)境污染、滅火迅速、耗水量低、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電廠、輪船、圖書館、通信機(jī)房等場(chǎng)所［1-6］。細(xì)水霧噴頭是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的核心部件之一，其性能的好壞直接制約細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火效果。吳曉偉等分析了高壓細(xì)水霧噴頭的工作壓力、流量、粒徑分布、粒徑特征量D［v，0.9］等的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)細(xì)水霧生成機(jī)理和過程做了理論研究［7］。劉乃玲等考慮到噴霧壓力等影響霧粒分布的顯著系數(shù)，利用因次分析的方法建立了細(xì)水霧噴頭索特爾直徑與噴嘴出口直徑的準(zhǔn)則關(guān)系式［8］。陳斌等實(shí)驗(yàn)研究了氣體壓力(0～0.15 MPa)、液體壓力(0.10～0.25 MPa)對(duì)霧粒直徑和流量的影響，得到最佳兩相壓力配比:pg/pl=2.0［9］。鄧東等選用不同的噴頭測(cè)量了其周向和徑向的噴霧密度分布，并做了滅火時(shí)間和噴霧密度分布的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩級(jí)霧化噴頭噴霧密度分布均勻性［10］。

本文以兩相流霧化細(xì)水霧噴頭為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)探究不同的氣體壓力(0.10～0.30 MPa)、液體壓力(0.05 ～0.49 MPa)及其配比(1.0 ～4.0)對(duì)細(xì)水霧霧化顆粒平均直徑的影響，并對(duì)不同氣液壓力比(0.5～3.5)下細(xì)水霧噴頭徑向噴霧密度進(jìn)行研究，為今后進(jìn)一步推廣細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在消防中的應(yīng)用提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 內(nèi)容和分析

1.1 環(huán) 境

以水為介質(zhì)，選擇噴放的細(xì)水霧處于Ⅰ和Ⅱ型之間的兩相流c型、XWT型兩相流低壓細(xì)水霧噴頭為研究對(duì)象。噴頭流量系數(shù)為3.5，霧通量為50 L/min，噴頭和過濾網(wǎng)采用不銹鋼材料，該噴頭是單噴嘴型噴頭。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)6.5 m ×5.5 m ×5.5 m(長 ×寬 ×高)的封閉空間內(nèi)進(jìn)行，噴頭垂直正下方，噴頭的安裝高度為距離水平地面5 m［11］。實(shí)驗(yàn)過程中保持氣體和液體壓力以外的噴頭的節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔長度、噴霧直徑、溫度等與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)恒定。

1.2 液體壓力對(duì)細(xì)水霧直徑的影響

為了方便觀察細(xì)水霧顆粒平均直徑D［v，0.9］隨液體壓力的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)過程中保持氣體壓力的恒定。分別取氣體壓力pg分別為 0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa，每個(gè)氣體壓力值配比的液體壓力pl有46 個(gè):0.05 ～0.50 MPa，間隔 0.01 MPa。

圖1 一定氣壓下霧粒D［v，0.9］隨液體壓力的變化

當(dāng)pl＜0.15 MPa時(shí)，D［v，0.9］隨液體壓力增大的變化率≤2 μm/0.01 MPa，此時(shí)液體流量相對(duì)于氣體流量較少，細(xì)水霧噴頭噴出的細(xì)水霧雖然霧化顆粒的平均直徑較小，但是流量也小，且極有可能產(chǎn)生斷流;pl＞ 0.15 MPa，0.10 MPa≤pg≤0.20 MPa 時(shí)，10 μm/0.01 MPa≤D［v，0.9］變化率≤28 μm/0.01 MPa;0.20 MPa≤pg≤0.30 MPa 時(shí)，2 μm/0.01 MPa≤D［v，0.9］變化率≤6 μm/0.01 MPa，隨著液體壓力增加，液滴與氣體的摩擦頻率減少，液滴破碎的機(jī)會(huì)減少，霧粒的平均直徑迅速變大，同時(shí)噴嘴霧化噴嘴的霧化錐角也變大，霧化效果慢慢變差;在pl=0.37 MPa(pg=0.10 MPa)，pl=0.39 MPa(pg=0.15 MPa)，pl=0.40 MPa(pg=0.20 MPa)，pl=0.42 MPa(pg=0.25 MPa)，pl=0.42 MPa(pg=0.30 MPa)以后，霧化顆粒的平均直徑變化趨于平緩，接近定值，但是氣體壓力越大該定值越小，而且達(dá)到該定值所對(duì)應(yīng)的液體壓力越大，這是由于液體流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體流量，氣體的沖擊、摩擦作用已經(jīng)不再明顯才會(huì)使細(xì)水霧噴頭產(chǎn)生的霧化顆粒平均直徑趨于定值。

1.3 氣體壓力對(duì)細(xì)水霧直徑的影響

為了方便觀察D［v，0.9］平均直徑隨氣體壓力的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)過程中保持液體壓力的恒定。取pl分別為 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa，每個(gè)pl對(duì)應(yīng)的pg有21 個(gè):0.10 ～0.30 MPa，間隔 0.01 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 一定液壓下霧粒D［v，0.9］隨氣體壓力的變化

在一定的液體壓力下，pg≤0.27 MPa時(shí)，11 μm/0.01 MPa≤D［［v，0.9］平 均 變 化 率≦ 43 μm/0.01 MPa，D［［v，0.9］因液滴不斷破碎呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，而且會(huì)出現(xiàn)液霧抖動(dòng)現(xiàn)象，所以給予兩相流細(xì)水霧噴頭較高的氣壓，這就符合了細(xì)水霧的要求;pg＞0.27 MPa 時(shí)，0≤D［［v，0.9］平均變化率≦ 1 μm/0.01 MPa，D［［v，0.9］幾乎不變。這是由于在液體壓力不變時(shí)，伴隨氣體壓力的變大，細(xì)水霧噴頭內(nèi)水流量降低，最后降低到極少的一部分被氣體霧化，此時(shí)細(xì)水霧顆粒再進(jìn)一步破碎為更小顆粒的液滴十分困難，所以繼續(xù)提升氣體的壓力已經(jīng)沒有多大意義。

為了進(jìn)一步研究氣體壓力和液體壓力對(duì)細(xì)水霧尺寸的影響，本文做了氣體壓力與液體壓力的比pg/pl與細(xì)水霧索特爾平均直徑D［3，2］之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在恒定液壓下，隨著pg/pl的增大，D［3，2］是先變小到達(dá)某一最低臨界點(diǎn)后有小幅度的逐漸變大，而且恒定的氣體壓力越大的曲線所對(duì)應(yīng)的細(xì)水霧索特爾平均直徑越小。該臨界點(diǎn)是pg/pl=2.0。當(dāng)pg/pl＜2.0時(shí)，D［3，2］隨著pg/pl的增大而減小，這是由于在氣體壓力一定范圍內(nèi)的提高促進(jìn)了氣體和水的混合均勻度，在兩者的高速摩擦中快速實(shí)現(xiàn)了更微小的細(xì)水霧;當(dāng)pg/pl＞2.0 時(shí)，D［3，2］隨著pg/pl的增大而增大，這

圖3 霧粒索特爾平均直徑與氣液壓力比的關(guān)系

是由于氣體壓力相對(duì)于液體壓力過高，噴嘴出口處的流量充滿率降低，甚至出現(xiàn)氣體“空噴”現(xiàn)象，此時(shí)氣流和液流摩擦頻率降低，不能進(jìn)行完全充分的混合，表現(xiàn)為細(xì)水霧顆粒的平均直徑反而變大。

整體看來，隨著pg/pl的增大，氣體和液體在噴頭混合室混合更加均勻，霧粒索特爾平均直徑是先變小到達(dá)某一最低臨界點(diǎn)，然后氣體流量和液體流量配比因氣液壓力比進(jìn)一步增大使液滴在混合室的運(yùn)動(dòng)中來不及被氣流完全破碎，便被噴射到空氣中造成細(xì)水霧直徑小幅度變大，但是最終細(xì)水霧的霧粒索特爾平均直徑仍然小于它的初始值;而且為了保證細(xì)水霧的良好霧化效果，pg/pl=2.0是最佳的操作條件。

1.4 氣液壓力配比對(duì)徑向噴霧密度的影響

細(xì)水霧噴霧徑向密度測(cè)量簡圖俯視圖如圖4所示，細(xì)水霧噴頭在水平地面上的投影是O點(diǎn)，以它為圓心，沿直徑CD水平方向布置41個(gè)內(nèi)徑為5 cm的量杯，相鄰2個(gè)量杯的間距12.5 cm，用來測(cè)量徑向方向的細(xì)水霧噴霧密度。圖中∠AOB=∠BOD=∠DOF=∠FOE=∠EOC=∠COA=60°，以O(shè)點(diǎn)為圓心，沿AF、BE方向也布置間距為12.5 cm的內(nèi)徑為5 cm的同樣的41個(gè)量杯(O點(diǎn)只放置一個(gè)量杯)。

圖4 細(xì)水霧噴頭噴霧密度測(cè)點(diǎn)分布圖(cm)

每一次實(shí)驗(yàn)噴霧2 min，實(shí)驗(yàn)控制液體壓力為2.5 MPa，取pg/pl分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5做7次實(shí)驗(yàn)。測(cè)量量杯內(nèi)對(duì)應(yīng)的細(xì)水霧的噴霧密度，然后將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后取平均值。以噴頭在地面上的投影O點(diǎn)為圓心，沿半徑做徑向細(xì)水霧噴霧徑向密度變化圖。

圖5 細(xì)水霧噴霧徑向密度分布曲線

在不同的pg/pl下，以噴頭為圓心的細(xì)水霧噴霧密度與半徑基本成對(duì)稱分布的遞減曲線，該分布基本符合正態(tài)分布曲線。由于細(xì)水霧噴頭噴出的水在垂直方向軸向速度最大，所以細(xì)水霧噴頭正下方的噴霧密度最大;距離細(xì)水霧噴頭越遠(yuǎn)，細(xì)水霧噴霧密度越小，在邊緣地區(qū)，細(xì)水霧的噴霧密度幾乎不變。

pg/pl=0.5 ～2.0 間，隨著pg/pl的增大，水流和氣流在兩相流細(xì)水霧噴頭的混合室里面能夠更快速、更均勻的混合，細(xì)水霧顆粒直徑減小的同時(shí)，噴霧流量［12-13］反而有所提高。

式中:Q為流量;d1為第一級(jí)噴孔的直徑;Cd為第一級(jí)噴孔的流量系數(shù);ρ為水的密度;ΔP為細(xì)水霧噴霧壓力。在其他自變量保持恒定的情況下，流量與噴霧壓力成正相關(guān)。整體上噴霧密度表現(xiàn)為上升的趨勢(shì);pg/pl=2.0和pg/pl=2.5對(duì)細(xì)水霧噴頭兩相流的影響不大，它們所對(duì)應(yīng)的噴霧密度基本上一樣，分別為6.35、6.17 L/(min·m2);pg/pl=2.0 ～3.5 間，pg/pl過大導(dǎo)致氣體在混合室里影響了液滴的流速，而且壓力比越大，這種影響作用越大，雖然細(xì)水霧霧化顆粒的直徑越來越小，但是水流量減少，導(dǎo)致噴頭流量降低，在細(xì)水霧噴頭甚至?xí)l(fā)生斷流現(xiàn)象。

由于實(shí)驗(yàn)過程中管路和氣壓罐、液壓罐氣壓閥、液壓閥等可能存在漏氣現(xiàn)象，使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)于理論數(shù)據(jù)偏低。在pg/pl=0.5，R=±1.625 m 處，測(cè)得噴霧密度為 0.3 L/(min·m2)，相鄰R= ±1.500 m、R= ±1.750 m 處的噴霧密度分別為:0.4、0.75 L/(min·m2)，很顯然不符合以上分析的理論。同樣在pg/pl=2.0，R= ±1.000 m處，測(cè)得噴霧密度為 3.490 L/(min·m2)，相鄰R= ±0.875、±1.125 m 處 的 噴 霧 密 度 分 別 為:3.58、4.55 L/(min·m2);在pg/pl=3.5條件下，也有一點(diǎn)出現(xiàn)了異常。

據(jù)國家細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，規(guī)定噴霧密度大于 1 L/(min·m2)的面積為有效噴霧面積［12，14-16］，那么根據(jù)本實(shí)驗(yàn)，選取pg/pl=2.0和pg/pl=2.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的噴霧有效面積分別為12.606、14.18 m2，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。所以選擇pg/pl∈ [ 2.0，2.5 ] 對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)水霧滅火效果的可行性比較高。

2 結(jié)語

(1)pl≤0.15 MPa 時(shí)，細(xì)水霧的D［v，0.9］變化率≤2 μm/0.01 MPa并不明顯;pl＞0.15 MPa 時(shí)，2 μm/0.01 MPa≤變化率≤28 μm/0.01 MPa。

(2)pg/pl=2.0時(shí)，霧粒的索特爾平均直徑最小而且變化率為零。

(3)以噴頭為圓心的細(xì)水霧噴霧密度呈正態(tài)曲線分布。pg/pl=2.0的細(xì)水霧噴頭的噴霧密度最大(6.35 L/(min·m2))，pg/pl=2.0 是兩相流細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的最佳操作條件。

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The Aresearch Research on Water Mist Nozzle Gas-liquid Pressure and Atomizing Effect

XUE Wei，LI Duo
(Institute of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

By making use of single variable control method in the standard laboratory，the experiment researches the gas and liquid’s pressure parameters of nozzle when water mist fire extinguishing system obtains the optimal fire extinguishing effect.Not only the gas and the liquid’s pressure and their ratio’s influence on average diameter-D［v，0.9］of water mist atomized particles are studied via single variable，but also the relationship between the ratio of the gas pressure and the liquid pressure and the density of water mist sprinkler are studied.The experimental result shows that setting the gas pressure and the liquid pressure reasonably can reflect the superior atomization characteristics of water mist，D［v，0.9］is the lowest whenpg=1.0 －3.0 MPa，pg/pl=2;It can increase the water mist sprinkler spray density and improve the spray effect of two phase flow water mist nozzle if you can adjust the ratio of the gas pressure and the liquid pressure，the spray effect is the best when their ratio is 2.

water mist;nozzle;spray pressure;the spray density

X 93

A

1006－7167(2014)05－0029－04

2013－07－11

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(11553031)

薛 偉(1962－)，男，黑龍江綏化人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向:森工安全。

Tel.:13936991464;E-mail:liduo 0808@126.com