不同压力状态下细水雾粒径探究

解丽娜，曹雪曼，赵心怡，王立阳

（1.沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122；2.北京华煤安信科技有限公司，北京 100000）

0 引言

随着城市化发展，对火灾灭火技术、灭火速度、灭火后处理的要求越来越高［1-2］，因此为了达到“十四五”规划纲领要求，充分重视高层等复杂建筑的消防问题，众多灭火技术中细水雾基于其高效、清洁等特点，被广泛研究与应用。为更好地处理复杂建筑的消防问题，探析灭火效果最佳的灭火剂粒径的最优值，为灭火事业和应急救援提供一定的理论基础。

灭火器剂种类繁多，随着国内外学者的不断研究，目前灭火器种类分为泡沫、干粉、气体、水系等不同类型［3］，但是大量实验研究表明灭火剂粒径在灭火过程中起到决定性作用，水雾或干粉粒径的大小在严重和一般火灾中的灭火效果也不同［4-5］。日常生活中对灭火剂粒径的研究是极其重要的，因此从实验原理和数据方面对灭火剂粒径进行研究，分析现有灭火器的最佳粒径。

国际上关于灭火剂的研究相对较早，早在10世纪30年代，美国ANSUAL 公司首次研发以碳酸氢钠做为基料的干粉灭火剂，自美国首次研发出使用至今，该研究成果仍有里程碑意义，随着各国灭火事业的不断发展，目前已形成多种产品［6］。英国在此基础上，KIDD公司也投身于粒径较小的超细干粉灭火剂中，最终研制出了粒径小于5 μm的超细干粉灭火剂，其主要是以碳酸氢钾为基料，经全淹没式灭火实验表明：显著提升了灭火效能，其灭火效果远超其他类型或者品种的灭火剂，达到了一般灭火剂的10 倍左右［7］。虽然国内外学者进行了大量研究，已大量应用于实践的灭火剂的灭火效果虽好，但是均存在污染、污渍或者高昂的费用等问题，本实验将在前人研究的基础上，探析最佳细水雾粒径范围，在保证灭火效果的基础上，力求最大限度减少现场难清理的污渍，形成高效、清洁的灭火效果，进而推动早期应急救援与灭火事业的发展。

1 激光粒度分析仪工作原理

激光粒度分析仪在各行各业都有应用，利用该设备获得了较多的试验成果［8-11］。为了探析最佳灭火水雾粒径，将利用沈阳工学院安全实验室实验设备Bettersize 2 000 S（喷雾）激光粒度分析仪进行实验探究，其基本工作原理是利用激光衍射来测量粒子。为了获得各种粒子的粒径大小，测量时利用激光束直接照射，激光的部分偏转导致了一个特征，通过一个特殊形状的探测器，在测量样品的背后形成了环形的亮度分布，粒子大小是基于这些环形间距计算出来的：大粒子产生紧密的环形，小粒子产生宽松的环形［12-14］。

在双相流系统中，采用输送管网将水和一定量气体通过混流器进行混合，送至喷头，在喷头处通过一定压力使气液混合体通过喷射孔向外喷出，其中水会因为气体的剪切作用破碎成水雾，形成直径很小的雾滴，当水雾通过喷头喷出后，会迅速吸热汽化而使其体积迅速膨胀，然后通过稀释氧气浓度来减弱燃烧中的氧气供应。该激光粒度仪运用双镜头的专利技术［15］，该技术的应用避免了更换镜头的麻烦，因为更换镜头后需要进行多次调焦、测试等，这可能会导致实验结果不稳定。同时其测量宽分布颗粒时，从大到小的所有信息均能在一次分析中获得，使分析精度大大提高。偏光强度差专利技术［16］利用多波长（450 nm、600 nm、900 nm）测量、大角测量（150°）以及偏振效应三种方法改进了对细小颗粒的测定，保证了0.04 μm ～0.4 μm细小颗粒的准确性。该分析仪输出的数据丰富直观，本仪器的软件可以在各种计算机视窗平台上运行，具有操作简单直观的特点，不仅对样品进行动态检测，而且具有强大的数据捕集、处理与输出功能，同时可以选择和设计最理想的表格和图形输出。

2 实验原理

各种测量得到的颗粒物的大小称之为粒度，科学研究以及时间应用过程中，粒度是物料的重要特征之一。在粒度研究中，常常用到颗粒物的平均粒度、粒度组成和粒度分布等数据。常用的检测方法主要有筛分法、沉降法（包括重力沉降和离心沉降）、激光粒度分析仪、显微镜、电镜法、库尔特（电阻）法、透气法、低温氮吸附的比表面积法及X 射线小角散射法［17-18］。方法种类虽然繁多，但在水雾粒度研究过程中，基于激光粒度分析仪的特点，本实验将利用该分析仪的激光散射测得粒径分布，分析不同结果。

实验平台的搭建（自行描述实验过程）。通过空气压缩机提供气源，日常的水做为实验样品，通过水泵抽取提供液源来搭建双相流细水雾的实验平台。

实验在外喷嘴的孔径为1.5 mm 和注气管孔径为0.7 mm的基础上调节气体与液体压力，通过改变气压、液压的压力实现细水雾粒径的不同，改变4组气、液压力，每组压力进行3次，从而保证实验的科学性。计算四组的气液比，通过调节细微的压力的差值变化，从而得到雾滴粒径不同的细水雾。当细水雾从距激光粒径分布仪正上方1 m 处落下，通过激光分布仪器的测量，通过光信号转换成电信号，并传输到计算机上，从而得到双相流细水雾的雾滴颗粒分布，从而研究细水雾的分布情况。民用建筑和工业厂房的湿式系统设计参数见表1所列。

表1 民用建筑和工业厂房的湿式系统设计参数

实验过程中要注意在测量补偿、光路的矫正以及测量空白的工作后，应注意观察电脑端显示的软件提示，加入样品后控制好量，根据选择的模式不同，如PIDS或Obscuration均应稳定在各自的设计和要求范围内，待电脑端显示OK提示后，再点击DONE完成，否则会影响测试结果的稳定性或偏差。激光粒度仪是利用激光散射法，是目前用途最广泛的一种仪器。该方法操作简单、测量范围宽、粒度分析快、再现性较好、可实现在线测量和干法测量等特点，对于科学研究和生产过程中的粒度控制起着直观重要的作用。此外，激光粒度仪可以得出多种粒度数据，如体积平均粒径、比表面积、区间粒度分布和累计粒度分布等，可根据所需测量、调取不同数据。

3 实验数据分析

利用Bettersize 2000S（喷雾）激光粒度分布仪，设置不同的三组液压和气压对所喷射的细水雾粒径分布情况进行对比分析。粒度分析仪能够测试的范围为1.00～2 000 μm，相对测得的粒径范围较广，能够较好的检测该范围内不同细水雾喷射的粒径分布情况。分析报告中，红色曲线代表粒径点，蓝色曲线代表该粒径的含量百分比。分析三种不同压力状态下细水雾喷射情况，各组实验数据如下。

（1）液压0.3 Mpa、气压0.3 Mpa 的粒度分析报告如图1所示。

图1 液压0.3 Mpa-气压0.3 Mpa粒径分析报告

当液压为0.3 Mpa、气压为0.3 Mpa 时，Dv0.5 ≥99.77 μm，Dv0.97 ≥210.5 μm。

（2）液压0.4 Mpa、气压0.35 Mpa 的粒度分析报告如图2所示。

当液压0.4 Mpa、气压0.35 Mpa时，Dv0.5 ≥74.49 μm，Dv0.97 ≥228.1 μm。由图2可知，随着压力的升高，水雾粒径在150 μm以上出现了波动，说明随着压力的不断升高，出现紊乱或不稳定情况，但总体符合预期。

图2 液压0.4 Mpa-气压0.35 Mpa粒径分析报告

（3）液压0.5 Mpa、气压0.6 Mpa 的粒度分析报告如图3所示。

图3 液压0.5 Mpa-气压0.6 Mpa粒径分析报告

当液压0.5 Mpa、气压0.6 Mpa时，Dv0.5 ≥103.5 μm，Dv0.97 ≥1252 μm。由图3可知，随着压力的不断升高，波动情况明显，但是总体趋势符合预期。

对比分析各组实验结果可知，不同的液压和气压对水雾形成及其粒径分布有较大影响。通过对比中位径及其他数值的大小，得出当气压0.4 MPa、液压为0.35 MPa 时的低压状态下双相流细水雾的DV0.5 ≥74.49 μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合预期。

4 结论

基于“十四五”规划和现代应急救援及灭火要求，高效、清洁、价廉的灭火剂仍需不断探究，研究结果发现灭火剂粒径对灭火效果有着至关重要的作用，因此通过水雾灭火机理，又因其廉价且容易获得的有利条件，利用粒度分析仪测量不同压力状态下水雾喷射粒径分布情况，探得压力与水雾粒径分布的关系。由于粒度的不规则、变化各异，其大小本身就是一个难以明确或表达的概念，因此面对一个相对复杂粒度分布测量问题，利用激光粒度仪，分别设置三种不同压力状态下所喷射的水雾粒径作为研究对象，对比分析，指导后续实验。通过总结大量相关资料了解到细水雾的雾滴直径达到DV0.5 ≥65 μm、DV0.97 ≥100 μm 的雾滴需要在高压状态下，10 MPa 下得到该结果。伴随着液压和气压的升高，喷雾滴液中，Dv0.5和Dv0.97的直径升高。通过对比中位径及其他数值的大小，得出当气压0.4 MPa、液压为0.35 MPa 时的低压状态下双相流细水雾的DV0.5 ≥74.49μm、DV0.97 ≥228.1 μm，符合预期。为了确定最佳灭火粒径，仍需后续实验跟进，对比分析不同粒径的灭火效果，为灭火事业、应急救援提供一定的理论基础，同时希望能够促进通风除尘、职业卫生防护等与粉尘粒径相关行业领域的研究与发展。