解麗娜，曹雪曼，趙心怡，王立陽

（1.沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122；2.北京華煤安信科技有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著城市化發(fā)展，對(duì)火災(zāi)滅火技術(shù)、滅火速度、滅火后處理的要求越來越高［1-2］，因此為了達(dá)到“十四五”規(guī)劃綱領(lǐng)要求，充分重視高層等復(fù)雜建筑的消防問題，眾多滅火技術(shù)中細(xì)水霧基于其高效、清潔等特點(diǎn)，被廣泛研究與應(yīng)用。為更好地處理復(fù)雜建筑的消防問題，探析滅火效果最佳的滅火劑粒徑的最優(yōu)值，為滅火事業(yè)和應(yīng)急救援提供一定的理論基礎(chǔ)。

滅火器劑種類繁多，隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究，目前滅火器種類分為泡沫、干粉、氣體、水系等不同類型［3］，但是大量實(shí)驗(yàn)研究表明滅火劑粒徑在滅火過程中起到?jīng)Q定性作用，水霧或干粉粒徑的大小在嚴(yán)重和一般火災(zāi)中的滅火效果也不同［4-5］。日常生活中對(duì)滅火劑粒徑的研究是極其重要的，因此從實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)方面對(duì)滅火劑粒徑進(jìn)行研究，分析現(xiàn)有滅火器的最佳粒徑。

國際上關(guān)于滅火劑的研究相對(duì)較早，早在10世紀(jì)30年代，美國ANSUAL 公司首次研發(fā)以碳酸氫鈉做為基料的干粉滅火劑，自美國首次研發(fā)出使用至今，該研究成果仍有里程碑意義，隨著各國滅火事業(yè)的不斷發(fā)展，目前已形成多種產(chǎn)品［6］。英國在此基礎(chǔ)上，KIDD公司也投身于粒徑較小的超細(xì)干粉滅火劑中，最終研制出了粒徑小于5 μm的超細(xì)干粉滅火劑，其主要是以碳酸氫鉀為基料，經(jīng)全淹沒式滅火實(shí)驗(yàn)表明：顯著提升了滅火效能，其滅火效果遠(yuǎn)超其他類型或者品種的滅火劑，達(dá)到了一般滅火劑的10 倍左右［7］。雖然國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究，已大量應(yīng)用于實(shí)踐的滅火劑的滅火效果雖好，但是均存在污染、污漬或者高昂的費(fèi)用等問題，本實(shí)驗(yàn)將在前人研究的基礎(chǔ)上，探析最佳細(xì)水霧粒徑范圍，在保證滅火效果的基礎(chǔ)上，力求最大限度減少現(xiàn)場(chǎng)難清理的污漬，形成高效、清潔的滅火效果，進(jìn)而推動(dòng)早期應(yīng)急救援與滅火事業(yè)的發(fā)展。

1 激光粒度分析儀工作原理

激光粒度分析儀在各行各業(yè)都有應(yīng)用，利用該設(shè)備獲得了較多的試驗(yàn)成果［8-11］。為了探析最佳滅火水霧粒徑，將利用沈陽工學(xué)院安全實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備Bettersize 2 000 S（噴霧）激光粒度分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，其基本工作原理是利用激光衍射來測(cè)量粒子。為了獲得各種粒子的粒徑大小，測(cè)量時(shí)利用激光束直接照射，激光的部分偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致了一個(gè)特征，通過一個(gè)特殊形狀的探測(cè)器，在測(cè)量樣品的背后形成了環(huán)形的亮度分布，粒子大小是基于這些環(huán)形間距計(jì)算出來的：大粒子產(chǎn)生緊密的環(huán)形，小粒子產(chǎn)生寬松的環(huán)形［12-14］。

在雙相流系統(tǒng)中，采用輸送管網(wǎng)將水和一定量氣體通過混流器進(jìn)行混合，送至噴頭，在噴頭處通過一定壓力使氣液混合體通過噴射孔向外噴出，其中水會(huì)因?yàn)闅怏w的剪切作用破碎成水霧，形成直徑很小的霧滴，當(dāng)水霧通過噴頭噴出后，會(huì)迅速吸熱汽化而使其體積迅速膨脹，然后通過稀釋氧氣濃度來減弱燃燒中的氧氣供應(yīng)。該激光粒度儀運(yùn)用雙鏡頭的專利技術(shù)［15］，該技術(shù)的應(yīng)用避免了更換鏡頭的麻煩，因?yàn)楦鼡Q鏡頭后需要進(jìn)行多次調(diào)焦、測(cè)試等，這可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定。同時(shí)其測(cè)量寬分布顆粒時(shí)，從大到小的所有信息均能在一次分析中獲得，使分析精度大大提高。偏光強(qiáng)度差專利技術(shù)［16］利用多波長（450 nm、600 nm、900 nm）測(cè)量、大角測(cè)量（150°）以及偏振效應(yīng)三種方法改進(jìn)了對(duì)細(xì)小顆粒的測(cè)定，保證了0.04 μm ～0.4 μm細(xì)小顆粒的準(zhǔn)確性。該分析儀輸出的數(shù)據(jù)豐富直觀，本儀器的軟件可以在各種計(jì)算機(jī)視窗平臺(tái)上運(yùn)行，具有操作簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，不僅對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，而且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)捕集、處理與輸出功能，同時(shí)可以選擇和設(shè)計(jì)最理想的表格和圖形輸出。

2 實(shí)驗(yàn)原理

各種測(cè)量得到的顆粒物的大小稱之為粒度，科學(xué)研究以及時(shí)間應(yīng)用過程中，粒度是物料的重要特征之一。在粒度研究中，常常用到顆粒物的平均粒度、粒度組成和粒度分布等數(shù)據(jù)。常用的檢測(cè)方法主要有篩分法、沉降法（包括重力沉降和離心沉降）、激光粒度分析儀、顯微鏡、電鏡法、庫爾特（電阻）法、透氣法、低溫氮吸附的比表面積法及X 射線小角散射法［17-18］。方法種類雖然繁多，但在水霧粒度研究過程中，基于激光粒度分析儀的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)將利用該分析儀的激光散射測(cè)得粒徑分布，分析不同結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建（自行描述實(shí)驗(yàn)過程）。通過空氣壓縮機(jī)提供氣源，日常的水做為實(shí)驗(yàn)樣品，通過水泵抽取提供液源來搭建雙相流細(xì)水霧的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)在外噴嘴的孔徑為1.5 mm 和注氣管孔徑為0.7 mm的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)氣體與液體壓力，通過改變氣壓、液壓的壓力實(shí)現(xiàn)細(xì)水霧粒徑的不同，改變4組氣、液壓力，每組壓力進(jìn)行3次，從而保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。計(jì)算四組的氣液比，通過調(diào)節(jié)細(xì)微的壓力的差值變化，從而得到霧滴粒徑不同的細(xì)水霧。當(dāng)細(xì)水霧從距激光粒徑分布儀正上方1 m 處落下，通過激光分布儀器的測(cè)量，通過光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，從而得到雙相流細(xì)水霧的霧滴顆粒分布，從而研究細(xì)水霧的分布情況。民用建筑和工業(yè)廠房的濕式系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1所列。

表1 民用建筑和工業(yè)廠房的濕式系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中要注意在測(cè)量補(bǔ)償、光路的矯正以及測(cè)量空白的工作后，應(yīng)注意觀察電腦端顯示的軟件提示，加入樣品后控制好量，根據(jù)選擇的模式不同，如PIDS或Obscuration均應(yīng)穩(wěn)定在各自的設(shè)計(jì)和要求范圍內(nèi)，待電腦端顯示OK提示后，再點(diǎn)擊DONE完成，否則會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性或偏差。激光粒度儀是利用激光散射法，是目前用途最廣泛的一種儀器。該方法操作簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、粒度分析快、再現(xiàn)性較好、可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和干法測(cè)量等特點(diǎn)，對(duì)于科學(xué)研究和生產(chǎn)過程中的粒度控制起著直觀重要的作用。此外，激光粒度儀可以得出多種粒度數(shù)據(jù)，如體積平均粒徑、比表面積、區(qū)間粒度分布和累計(jì)粒度分布等，可根據(jù)所需測(cè)量、調(diào)取不同數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用Bettersize 2000S（噴霧）激光粒度分布儀，設(shè)置不同的三組液壓和氣壓對(duì)所噴射的細(xì)水霧粒徑分布情況進(jìn)行對(duì)比分析。粒度分析儀能夠測(cè)試的范圍為1.00～2 000 μm，相對(duì)測(cè)得的粒徑范圍較廣，能夠較好的檢測(cè)該范圍內(nèi)不同細(xì)水霧噴射的粒徑分布情況。分析報(bào)告中，紅色曲線代表粒徑點(diǎn)，藍(lán)色曲線代表該粒徑的含量百分比。分析三種不同壓力狀態(tài)下細(xì)水霧噴射情況，各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

（1）液壓0.3 Mpa、氣壓0.3 Mpa 的粒度分析報(bào)告如圖1所示。

圖1 液壓0.3 Mpa-氣壓0.3 Mpa粒徑分析報(bào)告

當(dāng)液壓為0.3 Mpa、氣壓為0.3 Mpa 時(shí)，Dv0.5 ≥99.77 μm，Dv0.97 ≥210.5 μm。

（2）液壓0.4 Mpa、氣壓0.35 Mpa 的粒度分析報(bào)告如圖2所示。

當(dāng)液壓0.4 Mpa、氣壓0.35 Mpa時(shí)，Dv0.5 ≥74.49 μm，Dv0.97 ≥228.1 μm。由圖2可知，隨著壓力的升高，水霧粒徑在150 μm以上出現(xiàn)了波動(dòng)，說明隨著壓力的不斷升高，出現(xiàn)紊亂或不穩(wěn)定情況，但總體符合預(yù)期。

圖2 液壓0.4 Mpa-氣壓0.35 Mpa粒徑分析報(bào)告

（3）液壓0.5 Mpa、氣壓0.6 Mpa 的粒度分析報(bào)告如圖3所示。

圖3 液壓0.5 Mpa-氣壓0.6 Mpa粒徑分析報(bào)告

當(dāng)液壓0.5 Mpa、氣壓0.6 Mpa時(shí)，Dv0.5 ≥103.5 μm，Dv0.97 ≥1252 μm。由圖3可知，隨著壓力的不斷升高，波動(dòng)情況明顯，但是總體趨勢(shì)符合預(yù)期。

對(duì)比分析各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同的液壓和氣壓對(duì)水霧形成及其粒徑分布有較大影響。通過對(duì)比中位徑及其他數(shù)值的大小，得出當(dāng)氣壓0.4 MPa、液壓為0.35 MPa 時(shí)的低壓狀態(tài)下雙相流細(xì)水霧的DV0.5 ≥74.49 μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合預(yù)期。

4 結(jié)論

基于“十四五”規(guī)劃和現(xiàn)代應(yīng)急救援及滅火要求，高效、清潔、價(jià)廉的滅火劑仍需不斷探究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)滅火劑粒徑對(duì)滅火效果有著至關(guān)重要的作用，因此通過水霧滅火機(jī)理，又因其廉價(jià)且容易獲得的有利條件，利用粒度分析儀測(cè)量不同壓力狀態(tài)下水霧噴射粒徑分布情況，探得壓力與水霧粒徑分布的關(guān)系。由于粒度的不規(guī)則、變化各異，其大小本身就是一個(gè)難以明確或表達(dá)的概念，因此面對(duì)一個(gè)相對(duì)復(fù)雜粒度分布測(cè)量問題，利用激光粒度儀，分別設(shè)置三種不同壓力狀態(tài)下所噴射的水霧粒徑作為研究對(duì)象，對(duì)比分析，指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)。通過總結(jié)大量相關(guān)資料了解到細(xì)水霧的霧滴直徑達(dá)到DV0.5 ≥65 μm、DV0.97 ≥100 μm 的霧滴需要在高壓狀態(tài)下，10 MPa 下得到該結(jié)果。伴隨著液壓和氣壓的升高，噴霧滴液中，Dv0.5和Dv0.97的直徑升高。通過對(duì)比中位徑及其他數(shù)值的大小，得出當(dāng)氣壓0.4 MPa、液壓為0.35 MPa 時(shí)的低壓狀態(tài)下雙相流細(xì)水霧的DV0.5 ≥74.49μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合預(yù)期。為了確定最佳滅火粒徑，仍需后續(xù)實(shí)驗(yàn)跟進(jìn)，對(duì)比分析不同粒徑的滅火效果，為滅火事業(yè)、應(yīng)急救援提供一定的理論基礎(chǔ)，同時(shí)希望能夠促進(jìn)通風(fēng)除塵、職業(yè)衛(wèi)生防護(hù)等與粉塵粒徑相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的研究與發(fā)展。