含钾盐添加剂细水雾的灭火效果及实例

由之前的分析可知，液体的种类对雾化效果存在一定的影响。对于含钾盐添加剂的溶液来说，每种添加剂的每个质量分数都对应着一种状态的液体，因此，想要研究清楚每种添加剂在每个质量分数下的雾化效果工作量偏大，需要进行变化趋势的研究。图3．1为空气体积流量为40 L·min-1、额定电压为36 V并且6 块雾化模块全部工作的状态下，不同质量分数（≤5%）钾盐添加剂溶液的雾化效果，质量分数为0 表示此时的测试液体为纯水。

图3．1　不同类型和浓度的钾盐溶液雾化效果

由图3．1可知，K2C2O4、CH3COOK、K2CO3 和KH2PO4 可提高纯水的雾化效果，溶液的雾化效果随K2CO3、K2C2O4和CH3COOK 质量分数的增加而增强，并且K2CO3和K2C2O4溶液增加得更为明显；KH2PO4 虽能提高溶液雾化效果，但随着溶质质量分数的增加，雾化效果变差。KCl 和KNO3会降低纯水的雾化效果，并且雾化效果随着溶液中溶质质量分数的增加而变差，KCl 对溶液雾化效果的影响比KNO3的大。阎志英的研究表明，超声雾化模块对液体的雾化效率与液体相对密度及表面张力呈反比。在溶液浓度较低时，加入钾盐添加剂对液体相对密度的改变可忽略不计，因此，造成不同类型及质量分数钾盐添加剂溶液雾化效果差别的原因可认为是添加剂对纯水表面张力的改变。

应用上海方瑞仪器有限公司的QZBY 系列全自动表面张力仪在20 ℃条件下对不同类型及质量分数钾盐添加剂的表面张力进行测试，结果如图3．2 所示。在对每种溶液的表面张力值（σ溶液）进行测试的过程中，由于测试的日期不同及白金板的清洁程度、形变等影响因素的存在，用于标定的纯水的表面张力值（σ水）都不完全相同，为使每种溶液的表面张力值与纯水的比较更为精确，引入量纲为1的σ溶液/σ水来标定测试溶液的表面张力值与纯水表面张力的相对大小。由图可知，加入的钾盐添加剂可以改变纯水的表面张力，并且表面张力与浓度的关系随钾盐添加剂的不同而不同。K2C2O4、CH3COOK、KCl、KNO3、KH2PO4这5 种钾盐添加剂在质量分数小于等于2%时的表面张力值与纯水相差不大，但2% K2CO3溶液的表面张力相比于纯水有明显的降低，并且随着K2CO3溶液质量分数的增加，表面张力值减小的趋势更加明显。K2C2O4和CH3COOK 溶液的表面张力随溶质质量分数的增加略有降低；KCl 和KNO3溶液的表面张力随溶质质量分数的增加而增大；KH2PO4溶液表面张力值随溶质质量分数出现先降低后增加的趋势，当KH2PO4溶质的质量分数为5%时，达到最低点，之后随着质量分数的进一步增加，又逐渐回到与纯水的表面张力值相当的程度。

由图3．1与图3．2可知，不同种类和浓度的钾盐溶液的雾化效果与溶液表面张力值的变化趋势基本一致，对于含添加剂细水雾来说，单从雾化效果来讲，K2CO3、K2C2O4、CH3COOK 和KH2PO4可以降低纯水的表面张力，可认为是较好的细水雾添加剂；对于KCl 和KNO3来说，本身会增加纯水的表面张力，不利于雾化，在选择过程中，需要综合考虑化学灭火效能对纯水灭火效能的提升作用和降低水表面张力之间的竞争关系。

图3．2　不同类型钾盐溶液表面张力随浓度的变化

图3．3　纹影系统结构简图

由气体与细水雾的两相流相互作用过程可知，随着火焰锥周围水雾液滴的不断增多，火焰面会逐渐产生拉伸现象，火焰高度也会随之发生变化，由于细水雾的条件不同，导致火焰高度和拉伸率在同一时刻会有所不同。本节主要是利用CCD （Charge Coupled Device） 相机对CH4扩散火焰发光区及在含添加剂细水雾作用下火焰形态变化过程进行连续观测，并结合纹影系统对火焰周围流场进行研究，根据火焰锥形态的变化判定不同钾盐添加剂的雾化效果。纹影技术可清晰地观察到扩散火焰周围的纹影效应，对火焰浮力羽流区的对流产物，以及持续火焰区和间歇火焰区内温度场和流场的变化都能够清楚地显示出来。

纹影系统结构简图如图3．3所示。

实验过程中，使杯式燃烧器处于纹影系统的光路中，点燃CH4并打开卤素灯，调节CCD 相机的位置，使镜头成像区下边缘对齐燃烧杯口，待CH4稳定燃烧60 s 后，打开细水雾发生系统，在细水雾与火焰接触瞬间用CCD相机进行拍照。根据纹影系统成像原理，圆形石英玻璃外罩需更换成方形，以便于成像。

图3．4为CH4稳定燃烧60 s后的105 fps瞬时高速纹影照片。

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图3．4　CH4正常燃烧过程中的105 fps 高速纹影照片

由图3．4 可以看出，对于具有稳定流量的CH4及空气，不同时刻锥形火焰面的曲率基本不发生变化，没有发生火焰拉伸或是火焰偏离正常燃烧方向的现象，说明此时火焰周围的温度场及流场稳定。

图3．5为在携流空气中加入灭火浓度为5%的纯水细水雾与CH4/空气扩散火焰相互作用过程的105 fps 瞬时高速纹影照片。0 ms 对应着CH4稳定燃烧60 s 后开始施加细水雾的时刻。从施加细水雾开始，扩散火焰的形状就发生变化。随着火焰面上的水雾液滴持续增加，产生了火焰拉伸现象。细水雾与CH4火焰相互作用的第152 ms，锥形火焰前端产生轴向拉伸，火焰高度也逐渐增加。212 ms 时，火焰的边缘逐渐发生褶皱变形，火焰顶端产物流场的湍流度不断增强，导致在火焰的边缘产生不稳定的湍流现象。火焰褶皱面随水雾量的增加而增大。当细水雾的浓度保持稳定时，火焰形状保持不变。

图3．5　质量分数为5%的细水雾与CH4扩散火焰相互作用的105 fps高速纹影照片

从纹影照片也可以看出，在靠近火焰根部的空间区域内，存在一小部分“空白区域”，说明会有部分液滴未能随火焰卷吸进入反应区，而是在火焰面外已经蒸发，这也是Ndubizu 等人在进行理论预测细水雾最小灭火浓度时，预测值过高的原因。理论计算的简化模型认为细水雾液滴在火焰面外没有蒸发，全部进入火焰区汽化，导致预测值过于乐观。

图3．6 为6 种灭火浓度为5%的钾盐添加剂细水雾与CH4/空气扩散火焰在细水雾与火焰接触瞬间（152 ms）的105 fps 高速纹影照片，其中钾盐溶质的质量分数为5%。

图3．6　5%钾盐添加剂细水雾与CH4扩散火焰相互作用的105 fps高速纹影照片

由图3．6 可知，无论哪种类型的钾盐添加剂，在细水雾作用的初期阶段，火焰面出现小幅度轴向拉伸的现象，火焰阵面的发光区厚度变薄，并且锥形火焰面的平滑边缘出现了一定程度的抖动和湍流化现象。由于不同类型的钾盐添加剂溶液的雾化效果不同，根据纹影照片中火焰的褶皱程度，可以看出在相同的工作电压、雾化模块和携流空气流量条件下，质量分数为5%的K2CO3、K2C2O4和CH3COOK溶液到达火焰区的雾滴数量最多，间接说明了这3 种溶液的雾化效果相对较好。

图3．7 为溶质质量分数不同的钾盐添加剂细水雾与CH4/空气扩散火焰在212 ms时刻相互作用过程的105 fps高速纹影照片。

图3．7　不同质量分数的钾盐添加剂细水雾与CH4火焰相互作用的105 fps高速纹影照片

由图3．7可知，在含钾盐添加剂细水雾作用下，锥形火焰面的顶部开始出现了不稳定开口。当溶液的质量分数较低（1%、2%）时，火焰锥边缘的褶皱程度较强并且湍流现象明显，当溶液的质量分数增加至5%时，火焰顶部的开口程度、火焰锥边缘褶皱度及湍流度都逐渐降低，说明质量分数的增加降低了溶液的雾化效果。另外，由不同质量分数钾盐添加剂细水雾的瞬时纹影照片也可以看出，溶液雾化效果排序为K2CO3>K2C2O4、CH3COOK>KH2PO4、KCl、KNO3，与之前分析结果一致。