国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

細(xì)水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規(guī)律研究

2014-09-25 03:44:32房玉東
中國工程科學(xué) 2014年2期
關(guān)鍵詞:水霧柴油形貌

房玉東

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心,北京 100013)

細(xì)水霧作用下煙顆粒形貌及尺寸變化規(guī)律研究

房玉東

(國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局通信信息中心,北京 100013)

利用Sirion200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝細(xì)水霧作用前后柴油和聚氯乙烯(PVC)材料煙顆粒的形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像。定義了煙顆粒的采樣平均直徑(dA)和表面密度(ρS),利用統(tǒng)計分析的方法計算了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的dA和ρS,研究了采樣點空間位置、細(xì)水霧工作壓力、霧滴粒徑和霧滴速度等因素對dA和ρS的影響規(guī)律,揭示了細(xì)水霧沖刷火災(zāi)煙顆粒的主導(dǎo)機(jī)理,為細(xì)水霧技術(shù)用于計算機(jī)房等電氣環(huán)境的火災(zāi)煙氣抑制提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

細(xì)水霧;煙顆粒;表面密度;采樣平均直徑

1 前言

通常計算機(jī)房和程控交換機(jī)房等電氣環(huán)境主要采用氣體滅火系統(tǒng)進(jìn)行火災(zāi)防護(hù),如哈龍1301、惰性氣體混合物及二氧化碳等,這些滅火劑或是對人員有傷害作用,或是對環(huán)境有破壞作用[1,2]。研究表明霧滴粒徑較小的細(xì)水霧與火焰相互作用后蒸發(fā)速率更快,滅火后火場殘余水量更小,單位重量吸收熱輻射的能力更高,因此適合用于電氣環(huán)境的火災(zāi)防治[3,4]。在某些精密電氣設(shè)備環(huán)境,一旦發(fā)生火災(zāi),火災(zāi)只會對起火地點的設(shè)備造成局部破壞,而煙氣的四處蔓延擴(kuò)散、滲透將會對整個房間內(nèi)的儀器設(shè)備造成腐蝕、污染等嚴(yán)重破壞。統(tǒng)計結(jié)果表明,火災(zāi)中70%的人員傷亡是煙氣造成的,火災(zāi)熄滅后,火場仍然充滿大量的煙氣,這會對火災(zāi)現(xiàn)場的逃生人員造成傷害。細(xì)水霧對火災(zāi)煙氣具有較好的洗刷作用,目前國際上細(xì)水霧與火災(zāi)煙氣相互作用的研究尚處于起步階段,尚無細(xì)水霧沖刷煙顆粒的研究報道。國際上的火災(zāi)研究機(jī)構(gòu)只開展了為數(shù)不多的細(xì)水霧沖刷煙氣的工程應(yīng)用研究[5,6],尚無細(xì)水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌變化規(guī)律的研究工作。

為了深入研究細(xì)水霧與煙顆粒的相互作用過程,定性描述不同工況細(xì)水霧作用下煙顆粒的尺寸和形貌變化規(guī)律,分析采樣點位置、霧滴粒徑和霧滴速度等參數(shù)對煙顆粒凝聚和沉降作用的影響規(guī)律,本文利用Sirion200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡研究了細(xì)水霧與煙顆粒的相互作用,拍攝了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像,利用統(tǒng)計分析的方法揭示了細(xì)水霧作用前后煙顆粒的采樣平均直徑及表面密度的變化規(guī)律。為細(xì)水霧技術(shù)用于計算機(jī)房等電氣環(huán)境火災(zāi)的煙氣抑制提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

2 實驗描述

煙顆粒采樣實驗在3 m×3 m×3 m的受限空間內(nèi)進(jìn)行。實驗中選取柴油和聚氯乙烯(PVC)塑料作為發(fā)煙材料,油盤尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m,利用酒精引燃柴油和PVC?;鹧嫔戏接幸粔K0.8 m×0.8 m的防火板,是用來阻擋細(xì)水霧直接進(jìn)入火焰將火焰熄滅的,在細(xì)水霧與煙氣相互作用的過程中,火焰沒有熄滅。實驗中利用直徑4 mm、厚度0.1 mm的圓形磷銅網(wǎng)進(jìn)行煙顆粒采樣,該銅網(wǎng)可以有效的吸附煙顆粒。細(xì)水霧噴頭位于受限空間頂棚的中心位置,利用高壓泵式細(xì)水霧發(fā)生裝置產(chǎn)生細(xì)水霧,霧滴粒徑范圍在50~100 μm。油盤緊靠受限空間的墻角。每次實驗中分別在受限空間6個不同位置進(jìn)行取樣。煙顆粒采樣實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 煙顆粒采樣實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The sketch map of sampling experiment system of smoke particles

實驗中首先點燃可燃物,燃燒30 s后施加細(xì)水霧,細(xì)水霧與煙氣作用一段時間后,關(guān)閉細(xì)水霧,進(jìn)行煙顆粒采樣。采樣實驗全部結(jié)束后,對煙顆粒標(biāo)本進(jìn)行蒸晶,然后利用Sirion200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡掃描樣本,統(tǒng)計每個采樣器上的煙顆粒數(shù)目,最后對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。型場發(fā)射掃描電子顯微鏡如圖2所示。表1給出了實驗工況。將火源中心設(shè)為坐標(biāo)原點,實驗中6個采樣點空間位置坐標(biāo)分別為(0.2 m、0.2 m、0.2 m)、(0.7 m、0.7 m、0.7 m)、(1.2 m、1.2 m、1.2 m)、(1.7 m、1.7 m、1.7 m)、(2.2 m、2.2 m、2.2 m)、(2.7 m、2.7 m、2.7 m)。

3 典型實驗結(jié)果及分析

3.1 采樣點位置對dA和 ρS影響分析

為了定量表征細(xì)水霧作用下煙顆粒尺寸和形貌的變化規(guī)律,首先定義兩個變量,即煙顆粒采樣平均直徑dA和煙顆粒表面密度 ρS。

圖2 Sirion200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡Fig.2 Sirion200 field emission scanning electron microscope

表1 實驗工況列表Table 1 The experimental condition list

式(1)中,N為采樣器煙顆粒的總數(shù);di為第i個煙顆粒的直徑,μm。

式(2)中,N為采樣器表面的煙顆粒總數(shù),S=π×(2 mm)2≈12.56 mm2,為采樣器的表面積。

從圖3和圖4可以看出,細(xì)水霧施加時間增加,煙顆粒的采樣平均直徑增大,表面密度增大。在同一細(xì)水霧作用時間下,隨著采樣點空間位置的變化,煙顆粒表面密度和煙顆粒采樣平均直徑?jīng)]有明顯變化。這主要是因為細(xì)水霧施加后擾動煙氣和空氣流場,由于細(xì)水霧具有較強(qiáng)的擴(kuò)散性,整個空間很快就會形成全淹沒狀態(tài),在細(xì)水霧的擾動下,空間充滿了霧滴與煙顆粒的混合物,霧滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合,且處于循環(huán)運(yùn)動的分布狀態(tài)。

圖3 ρS隨采樣位置變化曲線(PVC)Fig.3 Change regulation of ρSwith sampling position(PVC)

3.2 細(xì)水霧對煙顆粒形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響分析

從圖5可看出在初始燃燒階段,柴油煙顆粒尺寸在3μm左右,20 s后煙顆粒尺寸增大至9μm左右,30 s后煙顆粒尺寸增長至15μm左右,40 s后煙顆粒仍維持在15μm左右,通過對多組掃描照片分析發(fā)現(xiàn),隨著燃燒過程的進(jìn)行,柴油煙顆粒尺寸有所增大并最終穩(wěn)定在15μm左右。這是因為在火羽流的作用下,煙氣與空氣流場不斷擾動,煙顆粒之間不斷發(fā)生碰撞凝結(jié)使得煙顆粒尺寸增大。進(jìn)入充分燃燒階段后,煙顆粒尺寸無明顯增大趨勢,基本上趨于穩(wěn)定。

圖4 dA隨采樣位置變化曲線(PVC)Fig.4 Change regulation of dAwith sampling position(PVC)

從圖6可以看出在初始燃燒階段PVC塑料煙顆粒尺寸在10μm左右,隨著燃燒時間的增加,煙顆粒尺寸繼續(xù)增大,通過對多組掃描照片的分析發(fā)現(xiàn),隨著燃燒過程的進(jìn)行,PVC塑料煙顆粒尺寸有所增大并最終穩(wěn)定在25μm左右。

圖5 柴油不同時刻煙顆粒形貌(工況1)Fig.5 Diesel oil smoke particle shape of different time(case1)

圖6 PVC塑料不同時刻煙顆粒形貌(工況6)Fig.6 PVC smoke particle shape of different time(case6)

圖7給出了柴油及PVC塑料煙顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片,從圖7中可以看出,這兩種材料燃燒生成的煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致,煙顆粒都是由直徑在0.05~0.1μm的分散球形基本粒子構(gòu)成。通過對圖5和圖6的比較可以看出,隨著燃燒的進(jìn)行兩種材料的煙顆粒尺寸變化規(guī)律基本相同,在同一時刻,PVC塑料的煙顆粒直徑要大于柴油煙顆粒直徑。這是因為煙顆粒尺寸的大小主要取決于可燃物的物理化學(xué)特性,由于PVC塑料為聚合物,柴油的主要成分為烷烴,通常聚合物燃燒產(chǎn)生的煙顆粒尺寸要大于烷烴類燃燒產(chǎn)生的煙顆粒尺寸。

通過對圖7和圖8比較可明顯看出,在細(xì)水霧的沖刷作用下,兩種煙顆粒內(nèi)部的球形基本粒子更加離散,同時細(xì)水霧作用后的球形基本粒子要略大于無細(xì)水霧作用下的球形基本粒子。這是因為過飽和水蒸氣凝結(jié)在煙顆粒上,球形基本粒子吸附了大量的水蒸氣,體積和重量略有增加。

圖7 無細(xì)水霧作用下煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.7 Smoke particle structure without water mist applying

圖8 細(xì)水霧作用下煙顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖片F(xiàn)ig.8 Smoke particle structure with water mist applying

從圖9和圖10中可看出,在細(xì)水霧的作用下柴油煙顆粒從最初的15 μm增大到60 μm,PVC塑料煙顆粒從最初的25 μm增大到70 μm。由于粒徑較小的細(xì)水霧迅速蒸發(fā),火災(zāi)環(huán)境的高溫進(jìn)一步加快了霧滴的蒸發(fā),煙氣中水蒸氣迅速飽和,此時煙顆粒不斷與微小水滴和水蒸氣發(fā)生凝聚合并,煙顆粒體積和重量不斷增大。粒徑較大的細(xì)水霧通過與煙顆粒的碰撞、攔截、凝聚以及擴(kuò)散等動力學(xué)作用加速煙顆粒的凝聚。同時水的相變和云滴形成會導(dǎo)致溫度和濃度變化,伴隨著噴霧流引起的含煙顆粒空氣運(yùn)動,使攜帶著煙顆粒的云滴和其他霧滴相互碰撞、凝聚進(jìn)而增重下沉。在噴霧區(qū)內(nèi),霧滴迅速蒸發(fā)時,必然會在液滴附近區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生蒸氣的濃度梯度,形成由液滴向外流動擴(kuò)散的斯蒂芬流,當(dāng)水蒸氣在某一煙顆粒上凝結(jié)時,也會造成煙顆粒周圍蒸氣濃度的不斷降低,形成由周圍向凝結(jié)核運(yùn)動的斯蒂芬流。因此,懸浮于噴霧區(qū)中的煙顆粒,必然會在斯蒂芬流的輸運(yùn)作用下遷移運(yùn)動,最后接觸并粘附凝結(jié)在霧滴上實現(xiàn)沉降。

圖9 細(xì)水霧作用下柴油煙顆粒形貌變化過程(工況5)Fig.9 Change progress of diesel oil smoke particle shape with water mist applying(case5)

圖10 細(xì)水霧作用下PVC塑料煙顆粒形貌變化過程(工況10)Fig.10 Change progress of PVC smoke particle shape with water mist applying(case10)

3.3 細(xì)水霧對dA影響分析

從圖11中可以看出,在細(xì)水霧的作用下,兩種材料的煙顆粒直徑明顯增大。根據(jù)對圖8的分析可知,構(gòu)成煙顆粒的球形粒子吸收了水蒸氣,使得煙顆粒的體積和重量有所增大,同時煙顆粒與微小霧滴不斷凝聚合并,這也導(dǎo)致煙顆粒尺寸不斷增大。筆者定義一個無量綱參數(shù)Id:

式(3)中,Id代表細(xì)水霧作用下煙顆粒采樣平均直徑的增大倍數(shù);dA0為細(xì)水霧作用前煙顆粒的采樣平均直徑;dAW為細(xì)水霧作用后煙顆粒的采樣平均直徑。

圖11 煙顆粒dA隨細(xì)水霧作用時間變化曲線Fig.11 Change regulation of smoke particledAwith water mist applying time

從圖12中可以看出,煙顆粒的采樣平均直徑增大倍數(shù)Id隨著壓力的增大而增加,這是因為隨著工作壓力的增大,霧滴粒徑不斷減小,霧滴粒徑越小,霧滴的蒸發(fā)速率就越快,這樣有利于煙氣中的水蒸氣達(dá)到過飽和。同時隨著工作壓力的增大,霧滴速度不斷增大,這強(qiáng)化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞,更有利于煙顆粒的凝聚合并。

圖12 柴油煙顆粒Id隨壓力變化曲線Fig.12 Change regulation of diesel oil smoke particle Id with pressure

3.4 細(xì)水霧對ρS影響分析

從圖13可以看出,在細(xì)水霧作用下,兩種材料的煙顆粒表面密度明顯減小。這主要是因為細(xì)水霧有效地沖刷煙顆粒,煙顆粒不斷地凝聚沉降,導(dǎo)致空間中煙顆粒數(shù)量快速下降,使得吸附在采樣器表面的煙顆粒數(shù)量也快速下降。筆者等定義一個無量綱參數(shù)Aρ:

式(4)中,Aρ為細(xì)水霧作用下煙顆粒表面密度的衰減比例;ρS0為細(xì)水霧施加前煙顆粒的表面密度;ρSW為細(xì)水霧施加后的煙顆粒表面密度。

從圖14可以看出,Aρ隨著壓力的增大而增加。這是因為隨著壓力的增大,霧滴粒徑不斷減小,在細(xì)水霧與煙氣相互作用的過程中,顆粒較小的細(xì)水霧滯空性較好,有足夠的時間與煙顆粒凝聚合并;霧滴粒徑較大的細(xì)水霧則很快降落到地面,在空中懸浮時間較短,沒有充足的時間與煙顆粒凝聚合并。隨著壓力的增大,霧滴速度有所增加,這強(qiáng)化了霧滴與煙顆粒之間的碰撞作用,但霧滴速度加快也會導(dǎo)致細(xì)水霧滯空時間縮短,這不利于煙顆粒與霧滴的凝聚合并,從圖14可以看出,隨著壓力的增大煙顆粒表面密度的衰減比例不斷增大,因此可以推斷出,速度增大時,煙顆粒與霧滴之間的碰撞強(qiáng)化作用占主導(dǎo)地位,這有利于煙顆粒的沉降,而滯空時間縮短造成對煙顆粒沉降的不利因素占次要地位??梢缘贸鲞@樣的結(jié)論,霧滴粒徑較小、速度較大且滯空時間長的細(xì)水霧更有利于煙顆粒表面密度的衰減。

圖13 煙顆粒表面密度隨細(xì)水霧作用時間變化曲線Fig.13 Change regulation of smoke particle ρSwith water mist applying time

圖14 柴油煙顆粒Aρ隨工作壓力變化曲線Fig.14 Change regulation of diesel oil smoke particleAρ with different pressure

4 結(jié)語

通過實驗研究和理論分析得出如下結(jié)論。

1)柴油和PVC塑料煙顆粒均是由直徑在0.05~0.1μm的分散球形基本粒子構(gòu)成。PVC塑料煙顆粒直徑略大于柴油煙顆粒,隨著燃燒進(jìn)行煙顆粒尺寸不斷增大,進(jìn)入充分燃燒階段,煙顆粒尺寸不再增大。

2)隨著細(xì)水霧施加時間增長,煙顆粒采樣平均直徑dA增大,表面密度ρS減小。改變采樣點的空間位置對dA和ρS測量結(jié)果影響不大,實驗結(jié)果基本相同。這主要是因為霧滴與煙顆粒的混合物在受限空間接近均勻混合,且處于循環(huán)運(yùn)動的分布狀態(tài)。

3)實驗發(fā)現(xiàn),粒徑較小、速度較大且滯空時間長的細(xì)水霧更有利于煙顆粒的凝聚和沉降。在細(xì)水霧作用下煙顆粒表面密度快速下降,采樣平均直徑快速增大。隨著壓力的增大,煙顆粒表面密度衰減比例和采樣平均直徑增大倍數(shù)不斷增大。

[1]Kim A,Mawhinney J,Su J.Water-mist system can replace Halon for use on electrical equipment[J].Canadian Consulting Engineer,1996(5):30-35.

[2]Botting R E.Fire engineering and research:Fire detection and protection of telephone exchange main distribution frames[C]//Annual Conference of the Institution of Fire Engineers Telecom Corporation of New Zealand Ltd.New Zealand:New Zealand Branch,1990.

[3]Hills A T,Simpson T,Smith D P.Water mist fire protection systems for telecommunication switch gear and other electronic facilities[C].USA:Water Mist Fire Suppression Workshop,1993,123-144.

[4]Carlzon B.Fire protection in computer room nordic conference on water mist applications[R].Swedish:Swedish National Testing and Research Institute,1997.

[5]張曉燕,郭 強(qiáng),李 全.微細(xì)水霧除塵技術(shù)的研究[J].環(huán)境污染與防治,2003(8),234-237.

[6]張曉燕.微細(xì)水霧除塵系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2001(8),1-4.

Study on variational principles of smoke particle shape and dimension with water mist appling

Fang Yudong
(Communication and Information Center of the State Administration of Work Safety,Beijing 100013,China)

The micrographs of diesel oil soot particles were achieved by transmission scanning electron microscope with and without water mist applied.It was seen by statistical analysis that the average diameter of soot particle increased and the surface density of soot particle decreased with water mist applied.The experimental results show that water mist washes out smoke mainly by dynamics effect,cloud physics effect and transportation mechanism of Steffen flow.This paper provides scientific references for water mist technology using in smoke scrubbing of computer room fires.

water mist;smoke particle;surface density;average diameter

X93

A

1009-1742(2014)02-0093-08

2012-12-04

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(50904041);中國博士后科學(xué)基金面上項目(20070410067)

房玉東,1979年出生,男,黑龍江哈爾濱市人,高級工程師,研究方向為清潔高效滅火技術(shù)、公共安全應(yīng)急技術(shù)等;E-mail:fangyd@chinasafety.gov.cn

猜你喜歡
水霧柴油形貌
細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對油池火抑制效果研究
用履帶收割機(jī)送柴油
草酸鈷制備中的形貌繼承性初探
高壓細(xì)水霧在龍洞水電站變壓器消防的應(yīng)用
柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷計算
集成成像同名像點三維形貌獲取方法
艦船細(xì)水霧紅外隱身技術(shù)及其試驗研究
SAPO-56分子篩的形貌和粒徑控制
氮氣—細(xì)水霧滅火關(guān)鍵技術(shù)研究
河南科技(2014年19期)2014-02-27 14:15:31
HC裝置摻煉催化柴油改善柴油品質(zhì)技術(shù)應(yīng)用
河南科技(2014年8期)2014-02-27 14:07:59
凤冈县| 南投市| 云霄县| 宜丰县| 海淀区| 务川| 上林县| 建湖县| 绥江县| 娄烦县| 庐江县| 香格里拉县| 美姑县| 邢台县| 柘荣县| 宁津县| 井研县| 鄂托克前旗| 濮阳县| 泰顺县| 中阳县| 岐山县| 郓城县| 铜山县| 宁陕县| 上思县| 静乐县| 郁南县| 兰坪| 新昌县| 习水县| 保定市| 江阴市| 大同县| 雷波县| 藁城市| 台前县| 忻城县| 威海市| 太白县| 罗山县|