全尺寸灭火实验系统设计与实验方法

前人在敞开空间内进行的细水雾灭火实验研究结果表明：外界条件（尤其是风）对实验结果有很大的影响。敞开环境中有无风及风的大小都无法保证实验结果的一致性与有效性，且在风的作用下，细水雾会发生偏离，甚至有根本无法到达火焰的情况。因此，本章的全尺寸实验在3 m×2.1 m×2.8 m的受限空间内进行，防火门尺寸为1.9 m×0.7 m，实验进行过程中始终保持关闭状态。为方便观察，在防火门上装有一个1.0 m × 0.6 m 的观察窗。受限空间顶部装有一台风量为10 m3 · min-1的离心式抽风机，在实验结束后，可及时更新空间内的空气，使空气中的氧浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度及固体可悬浮颗粒物浓度达到正常范围，确保实验数据的可靠性与一致性。

细水雾灭火系统由储水罐、压力表、氮气瓶、减压阀、细水雾喷头和连接管路组成，如图6.2所示。

图6.2　细水雾灭火系统

本装置的供水方式为瓶组式，供水形式为湿式的单相LA 细水雾灭火实验系统，采用压强为15 MPa 的氮气瓶作为驱动气源来提供压力，氮气通过减压阀调整压强进入储水罐。

进行不同钾盐溶液细水雾灭火实验过程中，由于钾盐溶液具有一定的腐蚀作用，因此储水罐、管路及接头均由不锈钢制成，储水罐最高承压为10 MPa，储水罐顶端有4 个接口，分别为进气口、进水口、出气口及安全阀。储水罐内压强高于8 MPa 时，安全阀会自动打开，放气泄压，确保实验的安全性。

为方便实验中更换溶液，储水罐底部接有一个三通，一个管路通向排水口，另一个管路是通向细水雾喷头的实验管路。管路固定在2 m 高的支架上，可配合实验台高度调节喷头到油池燃料表面的距离。

前人的研究表明，当实验油盘的直径大于等于20 cm 时，可以不考虑燃烧过程中的热传导和热对流，而只需考虑热辐射作用。因此，实验用油盘选择直径为20 cm。由于细水雾的雾化效果在距喷头1 m 处达到最佳状态，且依据NFPA 规定，细水雾定义中粒径的测量就选定在距喷头1 m 的位置，因此，将实验用油盘放置在距喷头1 m 处的正下方，并使该距离保持不变，改变其他参量进行实验研究。

本书中采用热电偶测温系统对温度数据进行测量与采集，如图6.3所示。

图6.3　温度采集系统实物及布置方法

（a）K型裸头热电偶；（b）无纸记录仪；（c）热电偶布置方法

热电偶测温系统由K 型裸头热电偶（镍铬/镍硅）和日本横河MV1000无纸记录仪共同组成。K 型热电偶作为一种温度传感器，适用于测量0～1 300 ℃范围的液体蒸气和气体介质及固体的表面温度。它具有线性度好、灵敏度高、稳定性好、抗氧化性强、价格低廉等优点。日本横河MV1000 无纸记录仪最多可连接8个温度传感器，每秒钟可采集4个数据。

实验中4 根热电偶依据距离油盘的远近分别命名为1～4 号，其中4 号位于油池液面以下，用于记录实验过程中燃料的温度，1～3 号布置在油面上方，间距6 cm，用于记录不同火焰高度处的温度，热电偶分布如图6.3（c）所示。

细水雾灭火系统按工作压力可分为低压系统：工作压力小于12.1 bar（175 psi）；中压系统：工作压力为12.1 bar（175 psi）～34.5 bar（500 psi）和高压系统：工作压力大于34.5 bar（500 psi）。考虑细水雾灭火系统中的压力成本在总成本中占据极大的比例，因此，为保证实际生产与应用的可行性，本章选用0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa、0.6 MPa 这5 种低压范围内的供水压强进行实验。

实验选用两种标准角实心锥细水雾喷头，型号分别为BB1/8-SS3和BB3/8-SS9.5，其中BB 代表单体式喷嘴型号，1/8和3/8代表入口接头，SS代表不锈钢材质，3 和9.5 代表流量大小，如图6.4（a）所示，分别命名为B3 和B95。该型号喷头的特点是能产生实心锥形喷雾形状且喷射区域为圆形，喷射角为43°～106°，能在大范围流速和压力下产生分布均匀、液滴大小为中等到偏大的喷雾，如图6.4（b）所示。BB 系列喷头具有可拆卸的帽盖和叶片，能与细水雾管路很好地匹配，其设计方法能把工作末端（帽盖和叶片）从喷嘴上拆卸下来进行检修和清洗，而不必把喷头体从管路上卸下。

图6.4　实心锥喷头及喷雾形状

（a）实心锥喷头；（b）喷雾形状

BB系列喷头厂商给出的喷头特性参数见表6.1。

表6.1　实验用喷头特性参数

由之前的分析可知，细水雾的特性参数是影响其与浮力控制扩散火焰相互作用过程的重要因素，主要包括细水雾液滴的粒径、细水雾的流量、动量和液滴通量4 个必要的参数。由表6.1 可知，该厂商并未给出不同压力下的细水雾粒径参数，因此，在细水雾灭火系统中设置Winner318C 型分体式激光粒度仪对粒径进行测试，实验在无火条件下进行并且激光光路设置在喷头正下方1 m处，得到的不同细水雾喷头分别在0.2 MPa、0.4 MPa和0.6 MPa条件下的粒径测试结果见表6.2。

表6.2　不同喷头在不同压力条件下的细水雾粒径测试结果

由表6.2 可知，两种喷头产生的细水雾粒径差别不大，B95 喷头的细水雾D90略小。随着压力的增加，两种喷头产生的细水雾粒径均存在减小的趋势，并且B3 喷头产生的细水雾浓度在各个压力下都优于B95 喷头。从整体来看，依据NFPA750 的定义，实验所选的两种喷头在工作压力大于等于0.4 MPa时所产生的细水雾雾滴粒径均属于Ⅱ级细水雾范畴，雾滴粒径分布对细水雾灭火有效性的影响较小，因此，本实验中的最小工作压力为0.4 MPa。(www.xing528.com)

雾通量采用收集法进行测试，测量平面布置在距离喷头正下方1 m 处，收集细水雾所用烧杯开口直径为4.5 cm，高6 cm，共21 只，分布于整个细水雾场的1/4平面内，如图6.5所示。

图6.5　细水雾通量测量平面及测点布置

（a）测点布置；（b）实际情况

测量过程中，先用挡板挡在喷嘴出口的下方，开启细水雾，待细水雾流场稳定后，移开挡板并用秒表计时，收集2 min 后，先将挡板移回，再关闭细水雾阀门，通过电子天平测量烧杯在收集细水雾前后质量的变化来计算雾通量。

为验证细水雾流场的对称性，使用B3 喷头在0.4 MPa 条件下对区域A 和B进行雾通量测试，结果见表6.3。

表6.3　测试区域A和B的细水雾通量　g·m-2·s-1

由表6.3 可以看出，实验中细水雾流场具有较好的对称性，并且在测试平面内，细水雾通量随离开喷嘴中心线距离的增加而减小。在接下来的雾通量实验中，重点考察1/4的A区域即可。

B3喷头在压力分别为0.2 MPa（1.9 L·min-1）、0.4 MPa（2.5 L·min-1）和0.6 MPa（3.1 L·min-1）条件下对区域A进行雾通量测试，结果列于表6.4。

表6.4　B3喷头细水雾通量测试结果　g·m-2·s-1

续表

B95 喷头在压力分别为0.2 MPa（5.9 L·min-1）、0.4 MPa（8.1 L·min-1）和0.6 MPa（9.7 L·min-1）条件下对区域A进行雾通量测试，结果列于表6.5。

表6.5　B95喷头细水雾通量测试结果　g·m-2·s-1

续表

由雾通量测试结果可以看出，B95 喷头的雾通量为B3 喷头的2～3 倍，并且细水雾的雾通量随工作压力（流量）的增大而增加。无论哪种喷头，中心点处的雾通量都为最大，在测试平面内，距离中心线最远处（25 cm）的雾通量数值并不为零，说明此处并不是细水雾场的边缘。另外，增大压力后，各个测点处的雾通量都同时增大，也说明测试范围内的所有点都在细水雾保护范围之内。因此，在本实验中，保持喷头距油盘的高度及油盘直径不变，则雾通量对细水雾灭火有效性的影响可忽略不计。

杨冬雷的研究中提到细水雾的雾动量可由方程（6.25）进行近似计算：

式中，I 为细水雾的雾动量；D 为细水雾粒径；U、V 和W 分别为代表细水雾竖直向下速度分量、径向及轴向速度分量。

由方程（6.25）可知，确定细水雾灭火系统的雾动量需已知细水雾施加过程中在3个方向上的速度值，但由于实验室没有测试细水雾速率的仪器，无法通过实验的方法定量给出雾动量的数值。本书应用方程（6.20）～方程（6.24）对细水雾液滴动量进行分析，将动量与液滴速度的关系转化为细水雾工作压力与液滴速度的关系。

实验开始时，先在油盘中加入100 mL 液体燃料，调节减压阀至所需工作压力后点燃液体燃料，待稳定燃烧一段时间后开始施加细水雾，观察细水雾与火焰相互作用情况，火焰熄灭即关闭细水雾。规定细水雾连续作用超过30 s 火焰还未熄灭为未灭火。用秒表记录灭火时间，热电偶记录燃料和火焰温度，与电脑相连的电子天平记录油盘中物质的质量变化。