单相高压细水雾喷嘴雾化特性的试验研究

摘 要：雾化喷嘴的雾化特性对单相高压细水雾灭火系统的灭火效果有直接影响。 通过试验研究了供水压力、喷嘴关键结构参数对喷嘴流量、流量特性系数、 粒径分布规律的影响规律。 发现喷嘴的结构参数变化对喷嘴雾化特性有显著影响。

关键词： 单相高压细水雾灭火系统； 喷嘴； 雾化性能

中图分类号： TH137 文献标识码： B 文章编号： 1000-4858 （ 2006 ） 08-0032-03

前言

近年来，国际社会对环境保护、可持续发展问题的关注与日俱增，在消防领域，传统的氯代烷灭火系统因为对大气臭氧层有破坏作用， 将逐渐被世界各国所淘汰，代之以新型的环境友好的灭火系统，高压单相细水雾灭火系统被广泛认为是最佳选择， 目 前已得到越来越多的工程应用［ 1 ， 2 ］ 。高压单相细水雾灭火系统与水喷淋灭火、 泡沫灭火、 CO2气体灭火系统等相比具有非常突出的优越性：

（ 1 ）“绿色” 灭火介质为纯水， 无任何添加剂， 灭火后对环境无任何危害；

（ 2 ） 高效 高压细水雾灭火系统灭火机理先进，综合了气化冷却、绝氧窒息、热辐射隔离等多种灭火机理；

（ 3 ） 节水 在高压下经过喷嘴雾化后的水滴粒径一般小于 200 μ m ， 因此液滴的总表面大， 耗水量仅为水喷淋系统的 1 ／3 ；

（ 4 ） 系统简单 高压单相细水雾灭火系统与气液两相灭火系统都具有输水管径小、易于布置之特点，但组成上更为简单，且持续灭火时间不受限制；

（ 5 ） 安全 灭火过程中细水雾对烟尘有吸附抑制作用，减少了烟气对人员的危害，而灭火后对被防护对象及现场几乎无水渍损害；

（ 6 ） 适用范围广 可用于扑灭 A 、 B 、 C 三类火灾和电气火灾。

高压单相细水雾系统由泵源、控制阀件、报警灭火控制系统、细水雾喷头及管路、 水箱等附件构成， 其中喷头是系统的核心元件之一。 通常为增大有效灭火范围，喷头由几个喷嘴按一定方式组合而成，用于将水通过一定的物理作用击碎为粒径很小的水粒子（即雾化作用），且以一定速度、 角度喷出， 从而完成灭火过程。喷嘴的雾化特性，诸如压力流量特性、粒径概率分布特征，粒径速度、雾化角度等对系统的灭火效率有直接的影响。 本文对基于离心雾化机理的喷头雾化特性进行了试验研究。

1喷嘴的结构原理

目前细水雾灭火系统常用的喷嘴有 2 种结构形式：单相离心式和气液两相式。 前者综合利用了压力能，动能和离心力对过流介质的共同作用，具有雾化特性好，结构简单，易于更换等特点， 且因为系统采用高压水泵驱动，持续灭火时间不受限制。 图 1 是本文所研究的喷嘴及组合喷头的结构示意图。 为了扩大喷头的有效灭火范围，将 5 个喷嘴按照一定形式装配到一喷头座上构成组合喷头。

当具有一定压力的水经喷嘴进水孔流入喷嘴芯底部的切向槽时，水产生离心作用，大部分压力能转化为动能，再经过喷孔以很高的速度喷出，部分压力能克服水内力的束缚将水离散为微粒，雾粒尺寸及其分布、雾锥形状及雾粒射程是描述喷嘴雾化性能的主要参数。根据高压细水雾灭火系统的要求， 雾化粒径一般小于200 μ m 。

由于雾化过程涉及水在紊流状态下复杂的力学过程，已有的雾化理论都是基于流体力学的能量守恒定律、流动连续性定理和动量定理，在一定简化和假设条件下获得的［ 3 ， 4 ］ ， 因此都有其应用上的局限性和近似性。

2测试系统及测试结果分析

雾化细度及尺寸分布、流量特性系数、雾锥角等参数与供水压力之间的关系对于喷嘴的灭火性能有很大影响，本文重点对这些参数进行了试验研究。 其他雾化特性参数如粒子动能、 气化特性等限于条件尚不能测量。 测试系统原理如图 2 所示。

纯水轴向柱塞泵输出具有一定压力的水， 压力大小由溢流阀调节，水通过不锈钢管道进入喷头后雾化喷出。 在管路上安装一数字流量计测量通过喷头的流量，泵出口附近安装精密压力表测量设定的压力。 对雾化特性的测量采用激光粒度仪完成， 该测量仪器基于光的折射原理。 距待测试喷嘴正下方 1 m 之处， 垂直喷头喷射方向，雾场一侧放置一激光发射器，另一侧放置激光接收仪，从激光器发出的激光束经过显微物镜聚焦、针孔滤波和准直镜准直后， 变成约 10 mm 左右的平行光束。 该光束照射到待测的雾粒上， 一部分光被散射。 散射光经过傅立叶透镜后， 照射到光电探测器阵列上。 由于光电探测器处在傅立叶透镜的焦平面上，因此探测器上的任一点都对应于某一确定的散射角。 光电探测器阵列由一系列同心环带组成， 每个环带是一个独立的探测器， 能将投射到上面的散射光能线性地转换成电压， 然后送给数据采集卡， 再进行A ／ D 转换送入计算机， 利用实验数据处理软件给出雾场的雾粒尺寸分布特征参数的统计数据。

试验所用喷嘴的设计雾化锥角为 90≠ 。 通过试验观察和分析实际喷雾角在 80≠~90≠ 之内。 随着压力的增大，锥角略有减小， 但减幅在 10≠ 之内。 这与理论分析结论基本是一致的， 即离心式喷嘴的平均喷雾角对于给定的喷嘴是不变的。

图 3a 给出了压力变化对喷头流量的影响，可以看出随着压力增加喷头（亦即喷嘴） 的流量近似线性增加。

图 3b 给出了压力对喷头雾化粒径概率分布参数的影响规律。 图中参数 D （ v ， 0.1 ）表示所测雾场内粒径小于该尺度的水微粒子重量累计百分比为 10% ； D（ v ， 0.9 ）表示所测雾场内粒径小于该尺度的水微粒子重量累计百分比为 90% ， 表征了雾化细度； SMD 表示索太尔直径，表示当用该假想粒度的液滴群取代实际雾场内的液滴时，液滴的总体表面积和体积保持不变，反映了雾场内粒子的平均粒度。 从图 4 看出， 在试验条件下，喷嘴的雾化粒径基本小于 100μ m ， 随压力升高呈略微降低趋势， 这是因为当压力升高后从喷口射出的水流具有更大的动能， 与周围空气的相互作用加强，液膜被撕裂为更细的粒子。 应该指出，对于细水雾灭火系统，并非雾化越细越好，因为过小的粒子动能也降低，导致射程和在火场内的穿透力降低。

本文还对喷嘴结构的关键参数对喷嘴流量特性系数、雾化特性参数的影响进行了测试， 图 3c 为喷嘴切向槽深度 h 与喷孔 Φ 对喷嘴流量特性系数 k 的影响曲线。可以看出， 对于确定结构的喷嘴其流量特性系数基本不随压力变化而变化， 这与理论是一致的。 但结构参数影响非常明显， 切向槽深度的影响大于喷口直径的影响。 对同批次加工安装的多个组合喷头的雾化特性测试发现，测量结果存在一定程度的离散性，分析认为除去测量误差外， 加工精度对喷嘴的特性影响较大，因此为了保证喷嘴特性的稳定性和喷嘴的互换性，对喷嘴关键尺寸应制定严格的加工工艺以确保加工精度。

3结论

喷嘴的雾化特性对于单相细水雾灭火系统的灭火性能和灭火效率有决定性影响， 由于理论分析过程中精确建模的困难和理论分析的局限性， 对喷嘴的雾化性能研究应结合试验进行。 通过本文的研究可以得到以下结论：

（ 1 ） 供水压力对喷嘴的雾化特性有很大影响，压力增高，雾粒粒度减小， 流量增大， 但雾锥角和流量特性系数对于结构确定的喷嘴来说变化很小；

（ 2 ） 由于雾化喷嘴中对过流有直接影响的结构参数对雾化特性影响很大，只有通过提高加工精度和制定适宜的加工工艺才能保证喷嘴性能的稳定和一致性。

参考文献：

［ 1 ］AJones ， P F Nolan. Discussions onthe use offine waterspraysor mistsforfiresuppression ［ J ］ .Journalof Loss Pre-ventionintheProcessIndustries ， 1995 ， 8 （ 1 ）： 17-22.

［ 2 ］Ruland ， Scott ， Aebersold ， Tyler.Effective water mistsystemdesignlessensfire danger ［ J ］ . Power Engineering Buyers ’Guide ， 1999 （ 12 ）： 200-204.

［ 3 ］ 庄逢辰 . 液体火箭发动机喷雾燃烧的理论、 模型及应用［ M ］ . 长沙：国防科技大学出版社， 1995.

［ 4 ］ 张存镇 . 离心分离理论［ M ］ . 北京：原子能出版社， 1987.