细水雾喷头气-液工作压力与雾化效果

薛 伟，李 铎

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨 150040）

细水雾喷头气-液工作压力与雾化效果

薛 伟，李 铎

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨 150040）

在标准实验室内，利用单变量控制法研究了细水雾灭火系统，取得最优灭火效果所对应的喷头的气液工作压力参数。首先对气体压力和液体压力及其比值与细水雾雾化颗粒的平均直径D［v，0.9］的影响进行单变量研究，然后对气体压力和液体压力配比与细水雾喷头喷雾密度关系进行了探索。结果表明，合理地设置液体压力和气体压力更能体现细水雾雾化优越性，pg=1.0～3.0 MPa，pg/pl=2时的D［v，0.9］最小;根据条件及时调整气液压力比能增大细水雾喷头的喷雾密度，从而提高两相流细水雾喷头的喷雾效果，气液压力比为2对应的喷雾效果最佳。

细水雾;喷头;喷雾压力;喷雾密度

0 引言

细水雾灭火技术以无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点广泛应用于电厂、轮船、图书馆、通信机房等场所［1-6］。细水雾喷头是细水雾灭火系统的核心部件之一，其性能的好坏直接制约细水雾灭火系统的灭火效果。吴晓伟等分析了高压细水雾喷头的工作压力、流量、粒径分布、粒径特征量D［v，0.9］等的设计要求，并对细水雾生成机理和过程做了理论研究［7］。刘乃玲等考虑到喷雾压力等影响雾粒分布的显著系数，利用因次分析的方法建立了细水雾喷头索特尔直径与喷嘴出口直径的准则关系式［8］。陈斌等实验研究了气体压力(0～0.15 MPa)、液体压力(0.10～0.25 MPa)对雾粒直径和流量的影响，得到最佳两相压力配比:pg/pl=2.0［9］。邓东等选用不同的喷头测量了其周向和径向的喷雾密度分布，并做了灭火时间和喷雾密度分布的对比试验，验证了两级雾化喷头喷雾密度分布均匀性［10］。

本文以两相流雾化细水雾喷头为研究对象，实验探究不同的气体压力(0.10～0.30 MPa)、液体压力(0.05 ～0.49 MPa)及其配比(1.0 ～4.0)对细水雾雾化颗粒平均直径的影响，并对不同气液压力比(0.5～3.5)下细水雾喷头径向喷雾密度进行研究，为今后进一步推广细水雾灭火系统在消防中的应用提供相应的实验依据。

1 内容和分析

1.1 环 境

以水为介质，选择喷放的细水雾处于Ⅰ和Ⅱ型之间的两相流c型、XWT型两相流低压细水雾喷头为研究对象。喷头流量系数为3.5，雾通量为50 L/min，喷头和过滤网采用不锈钢材料，该喷头是单喷嘴型喷头。实验在一个6.5 m ×5.5 m ×5.5 m(长 ×宽 ×高)的封闭空间内进行，喷头垂直正下方，喷头的安装高度为距离水平地面5 m［11］。实验过程中保持气体和液体压力以外的喷头的节流孔直径、节流孔长度、喷雾直径、温度等与本实验相关参数恒定。

1.2 液体压力对细水雾直径的影响

为了方便观察细水雾颗粒平均直径D［v，0.9］随液体压力的变化规律，实验过程中保持气体压力的恒定。分别取气体压力pg分别为 0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 MPa，每个气体压力值配比的液体压力pl有46 个:0.05 ～0.50 MPa，间隔 0.01 MPa。

图1 一定气压下雾粒D［v，0.9］随液体压力的变化

当pl＜0.15 MPa时，D［v，0.9］随液体压力增大的变化率≤2 μm/0.01 MPa，此时液体流量相对于气体流量较少，细水雾喷头喷出的细水雾虽然雾化颗粒的平均直径较小，但是流量也小，且极有可能产生断流;pl＞ 0.15 MPa，0.10 MPa≤pg≤0.20 MPa 时，10 μm/0.01 MPa≤D［v，0.9］变化率≤28 μm/0.01 MPa;0.20 MPa≤pg≤0.30 MPa 时，2 μm/0.01 MPa≤D［v，0.9］变化率≤6 μm/0.01 MPa，随着液体压力增加，液滴与气体的摩擦频率减少，液滴破碎的机会减少，雾粒的平均直径迅速变大，同时喷嘴雾化喷嘴的雾化锥角也变大，雾化效果慢慢变差;在pl=0.37 MPa(pg=0.10 MPa)，pl=0.39 MPa(pg=0.15 MPa)，pl=0.40 MPa(pg=0.20 MPa)，pl=0.42 MPa(pg=0.25 MPa)，pl=0.42 MPa(pg=0.30 MPa)以后，雾化颗粒的平均直径变化趋于平缓，接近定值，但是气体压力越大该定值越小，而且达到该定值所对应的液体压力越大，这是由于液体流量远远大于气体流量，气体的冲击、摩擦作用已经不再明显才会使细水雾喷头产生的雾化颗粒平均直径趋于定值。

1.3 气体压力对细水雾直径的影响

为了方便观察D［v，0.9］平均直径随气体压力的变化规律，实验过程中保持液体压力的恒定。取pl分别为 0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 MPa，每个pl对应的pg有21 个:0.10 ～0.30 MPa，间隔 0.01 MPa，实验结果如图2所示。

图2 一定液压下雾粒D［v，0.9］随气体压力的变化

在一定的液体压力下，pg≤0.27 MPa时，11 μm/0.01 MPa≤D［［v，0.9］平 均 变 化 率≦ 43 μm/0.01 MPa，D［［v，0.9］因液滴不断破碎呈现明显下降趋势，而且会出现液雾抖动现象，所以给予两相流细水雾喷头较高的气压，这就符合了细水雾的要求;pg＞0.27 MPa 时，0≤D［［v，0.9］平均变化率≦ 1 μm/0.01 MPa，D［［v，0.9］几乎不变。这是由于在液体压力不变时，伴随气体压力的变大，细水雾喷头内水流量降低，最后降低到极少的一部分被气体雾化，此时细水雾颗粒再进一步破碎为更小颗粒的液滴十分困难，所以继续提升气体的压力已经没有多大意义。

为了进一步研究气体压力和液体压力对细水雾尺寸的影响，本文做了气体压力与液体压力的比pg/pl与细水雾索特尔平均直径D［3，2］之间的关系的实验，实验结果如图3所示。

在恒定液压下，随着pg/pl的增大，D［3，2］是先变小到达某一最低临界点后有小幅度的逐渐变大，而且恒定的气体压力越大的曲线所对应的细水雾索特尔平均直径越小。该临界点是pg/pl=2.0。当pg/pl＜2.0时，D［3，2］随着pg/pl的增大而减小，这是由于在气体压力一定范围内的提高促进了气体和水的混合均匀度，在两者的高速摩擦中快速实现了更微小的细水雾;当pg/pl＞2.0 时，D［3，2］随着pg/pl的增大而增大，这

图3 雾粒索特尔平均直径与气液压力比的关系

是由于气体压力相对于液体压力过高，喷嘴出口处的流量充满率降低，甚至出现气体“空喷”现象，此时气流和液流摩擦频率降低，不能进行完全充分的混合，表现为细水雾颗粒的平均直径反而变大。

整体看来，随着pg/pl的增大，气体和液体在喷头混合室混合更加均匀，雾粒索特尔平均直径是先变小到达某一最低临界点，然后气体流量和液体流量配比因气液压力比进一步增大使液滴在混合室的运动中来不及被气流完全破碎，便被喷射到空气中造成细水雾直径小幅度变大，但是最终细水雾的雾粒索特尔平均直径仍然小于它的初始值;而且为了保证细水雾的良好雾化效果，pg/pl=2.0是最佳的操作条件。

1.4 气液压力配比对径向喷雾密度的影响

细水雾喷雾径向密度测量简图俯视图如图4所示，细水雾喷头在水平地面上的投影是O点，以它为圆心，沿直径CD水平方向布置41个内径为5 cm的量杯，相邻2个量杯的间距12.5 cm，用来测量径向方向的细水雾喷雾密度。图中∠AOB=∠BOD=∠DOF=∠FOE=∠EOC=∠COA=60°，以O点为圆心，沿AF、BE方向也布置间距为12.5 cm的内径为5 cm的同样的41个量杯(O点只放置一个量杯)。

图4 细水雾喷头喷雾密度测点分布图(cm)

每一次实验喷雾2 min，实验控制液体压力为2.5 MPa，取pg/pl分别为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5做7次实验。测量量杯内对应的细水雾的喷雾密度，然后将测量的数据进行处理后取平均值。以喷头在地面上的投影O点为圆心，沿半径做径向细水雾喷雾径向密度变化图。

图5 细水雾喷雾径向密度分布曲线

在不同的pg/pl下，以喷头为圆心的细水雾喷雾密度与半径基本成对称分布的递减曲线，该分布基本符合正态分布曲线。由于细水雾喷头喷出的水在垂直方向轴向速度最大，所以细水雾喷头正下方的喷雾密度最大;距离细水雾喷头越远，细水雾喷雾密度越小，在边缘地区，细水雾的喷雾密度几乎不变。

pg/pl=0.5 ～2.0 间，随着pg/pl的增大，水流和气流在两相流细水雾喷头的混合室里面能够更快速、更均匀的混合，细水雾颗粒直径减小的同时，喷雾流量［12-13］反而有所提高。

式中:Q为流量;d1为第一级喷孔的直径;Cd为第一级喷孔的流量系数;ρ为水的密度;ΔP为细水雾喷雾压力。在其他自变量保持恒定的情况下，流量与喷雾压力成正相关。整体上喷雾密度表现为上升的趋势;pg/pl=2.0和pg/pl=2.5对细水雾喷头两相流的影响不大，它们所对应的喷雾密度基本上一样，分别为6.35、6.17 L/(min·m2);pg/pl=2.0 ～3.5 间，pg/pl过大导致气体在混合室里影响了液滴的流速，而且压力比越大，这种影响作用越大，虽然细水雾雾化颗粒的直径越来越小，但是水流量减少，导致喷头流量降低，在细水雾喷头甚至会发生断流现象。

由于实验过程中管路和气压罐、液压罐气压阀、液压阀等可能存在漏气现象，使得数据出现了异常点，实验数据相对于理论数据偏低。在pg/pl=0.5，R=±1.625 m 处，测得喷雾密度为 0.3 L/(min·m2)，相邻R= ±1.500 m、R= ±1.750 m 处的喷雾密度分别为:0.4、0.75 L/(min·m2)，很显然不符合以上分析的理论。同样在pg/pl=2.0，R= ±1.000 m处，测得喷雾密度为 3.490 L/(min·m2)，相邻R= ±0.875、±1.125 m 处 的 喷 雾 密 度 分 别 为:3.58、4.55 L/(min·m2);在pg/pl=3.5条件下，也有一点出现了异常。

据国家细水雾灭火系统设计规范，规定喷雾密度大于 1 L/(min·m2)的面积为有效喷雾面积［12，14-16］，那么根据本实验，选取pg/pl=2.0和pg/pl=2.5时所对应的喷雾有效面积分别为12.606、14.18 m2，符合设计规范。所以选择pg/pl∈ [ 2.0，2.5 ] 对于实现高效的细水雾灭火效果的可行性比较高。

2 结语

(1)pl≤0.15 MPa 时，细水雾的D［v，0.9］变化率≤2 μm/0.01 MPa并不明显;pl＞0.15 MPa 时，2 μm/0.01 MPa≤变化率≤28 μm/0.01 MPa。

(2)pg/pl=2.0时，雾粒的索特尔平均直径最小而且变化率为零。

(3)以喷头为圆心的细水雾喷雾密度呈正态曲线分布。pg/pl=2.0的细水雾喷头的喷雾密度最大(6.35 L/(min·m2))，pg/pl=2.0 是两相流细水雾灭火系统的最佳操作条件。

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The Aresearch Research on Water Mist Nozzle Gas-liquid Pressure and Atomizing Effect

XUE Wei，LI Duo
(Institute of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

By making use of single variable control method in the standard laboratory，the experiment researches the gas and liquid’s pressure parameters of nozzle when water mist fire extinguishing system obtains the optimal fire extinguishing effect.Not only the gas and the liquid’s pressure and their ratio’s influence on average diameter-D［v，0.9］of water mist atomized particles are studied via single variable，but also the relationship between the ratio of the gas pressure and the liquid pressure and the density of water mist sprinkler are studied.The experimental result shows that setting the gas pressure and the liquid pressure reasonably can reflect the superior atomization characteristics of water mist，D［v，0.9］is the lowest whenpg=1.0 －3.0 MPa，pg/pl=2;It can increase the water mist sprinkler spray density and improve the spray effect of two phase flow water mist nozzle if you can adjust the ratio of the gas pressure and the liquid pressure，the spray effect is the best when their ratio is 2.

water mist;nozzle;spray pressure;the spray density

X 93

A

1006－7167(2014)05－0029－04

2013－07－11

黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(11553031)

薛 伟(1962－)，男，黑龙江绥化人，教授，博士生导师，主要研究方向:森工安全。

Tel.:13936991464;E-mail:liduo 0808@126.com