消防专业课程中阻火器教学模型的设计与实施

马建云

(昆明消防指挥学校 训练部，云南 昆明 650208)

消防专业课程中阻火器教学模型的设计与实施

马建云

(昆明消防指挥学校 训练部，云南 昆明 650208)

阻火器是化工装置中广泛使用的一种阻火装置，阻火器的使用及阻火原理是消防专业课程教学的重点内容。针对阻火器的结构特点和工作原理，介绍阻火器教学模型的设计思路及研制，并就该教学模型在课堂教学操作时的具体实施、演示过程进行阐述。

阻火器；教学模型；设计；实施

0 引言

模型是所研究的系统、过程、事物或概念的一种表达形式，也可是根据实验、图样放大或缩小而制作的样品，一般用于展览或实验或铸造机器零件等的模子[1]。在一般意义上，模型又指模仿实物或设计中构造物的形状制成的雏形，根据其大小可分为缩小型、实物型和放大型[2]。本文所述的阻火器教学模型是指教学实物模型，其根据相似性理论按原系统比例缩小制作，立体直观地、部分透明地展现阻火器各种构件的组合及形态，科学合理地展示阻火器内部结构，适用于火灾蔓延、阻火原理、阻火器工作过程等直观教学。

学生对于知识的学习，一方面需要通过书本知识理解掌握，另一方面也需要借助于丰富的感性材料。教师使用直观教具(教学模型)，通过课堂演示试验，将晦涩难懂的知识直观生动地展现出来，把抽象的事物具体化，将有助于学生对教学内容的理解和记忆，激发其学习积极性，提高学习效率。

1 阻火器教学模型研制的必要性

阻火器是化工设备、管道中普遍使用的一种阻止可燃气体、液体蒸气火焰蔓延的安全装置。常用的金属网型阻火器用单层或多层不锈钢丝网或铜丝网重叠起来组成，当火焰进入阻火器时，火焰即被熄灭。阻火器的阻火原理和构造，是消防专业课程教学中重点讲授的内容。阻火器之所以能起到阻止火焰蔓延的作用，取决于其内部的构造形式。由阻火器的结构特点和材质决定，即使学生亲自到设置有阻火装置的现场参观，也不能看到装置的内部构造和工作原理。在课堂教学时，教师讲解其工作原理时，也通常只能采用绘图等简单形式。这就导致学生感性认识不足，教学效果不甚理想。

为了将阻火器阻火原理、装置的结构和工作过程直观生动、合理有效地展现给学生，笔者通过大量的研究设计、试验对比，研制了阻火器教学模型。该模型装置具有可视、可重复操作、可拆装、可移动等优点，通过教师的课堂演示操作，可帮助学生理解、掌握阻火器的工作原理及其过程。其既是培养学生实践能力的有效途径，也是提高消防专业课程教学水平的重要手段。

2 阻火器教学模型的研制

2.1 模型工作原理

一般的金属网型阻火器的阻火层是用单层或多层不锈钢丝网或铜丝网重叠起来组成的(如图1所示)，当火焰进入阻火层就被分隔成许多细小的火焰流，在传热作用和器壁效应影响下，火焰流被熄灭[3]。由于通道或孔隙传热面积很大，火焰与通道壁进行热交换后，温度大大降低，到一定程度时火焰被熄灭。传热作用是熄灭火焰的原因之一，阻火层阻止火焰传播的主要原因是器壁效应。当燃烧的混合气体进入阻火层时，由于通过直径减小，促使自由基生成数量减少而反应降低。当通过尺寸减小到某一数值时，器壁效应就造成火焰不能继续传播的条件，火焰即被阻止。由此可见，影响阻火器阻火效果的主要因素是金属网孔隙大小和阻火层厚度。

图1 金属网型阻火器

2.2 模型设计思路

根据阻火器阻火原理可知：随着金属网层的增加，阻火效果也随之提高；但达到一定层数后再增加层数，阻火效果并不显著。另外，金属网的目数也直接影响网的层数和阻火性能。一般来说，使用目数少的网，为达到同等的阻火效果，则要求层数增多。使用目数过多的网，则会增大流体阻力，容易发生堵塞，降低阻火层的性能。为了使学生在学习过程中直观掌握阻火层数和金属网目数对阻火效果的影响，模型中金属网的选择是重点。

根据常见的金属网型阻火器的结构特点，笔者经过大量的调查分析，研究设计的阻火器教学模型由一面为可视透明窗及内设多层金属网的金属长方体组成。根据设计思路首先绘制出阻火器教学模型设计结构图，模型尺寸为21 cm×17 cm×39 cm(长×宽×高)(如图2所示)。当进行真火模拟演示试验时，把喷灯放在支架的台板上，利用电子打火设备点火后，喷灯产生的火焰直接通过管道向上传播。然后，把金属网依次平行放入穿过管道。学生即可通过透明视窗观察到火焰进入阻火器管道的燃烧情况，同时可以观察到随着金属网的层层添加，穿过金属网的火焰逐渐被熄灭的过程，进而理解阻火器工作原理。

图2 阻火器教学模型设计结构图

2.3 模型研制

由于该模型是根据具体的教学内容而设计的，类似的阻火器教学模型市场化生产还没有，因此只能采用手工制作才能满足设计功能要求。

2.3.1 金属网的选取

为了在课堂教学演示时，使学生能够清晰地观察到金属网孔隙大小不同时，阻火器阻火效果的明显区别，深刻领会影响阻火器阻火效果的因素，该教学模型选取制作的金属网就显得尤为关键。

首先，要考虑选择什么材质的金属网。为了避免金属网表面受热产生氧化层，同时也为了延长金属网的使用寿命，根据模型制作的要求选用了平纹不锈钢丝网。这种不锈钢丝网在工业生产和民用生活中广泛应用，其主要特点是经向和纬向丝径的密度相同，不仅耐用而且便于试验观测。

其次，要考虑选择多大孔隙的金属网。不锈钢丝网的孔径大小用“目数”作为计量单位，依据目数分为1～500目不等的规格，网孔径也有0.026～23.4 mm不等的规格。多大目数的金属网适合做实验，观测效果良好，这也是研制过程中需重点考虑的问题。结合课程教学的需要和模型试验时的观测效果，笔者从众多规格中选取了相对适中的2目(11.2 mm)、4目(5.64 mm)、8目(2.545 mm)、20目(1.1 mm)、30目(0.682 mm)、40目(0.505 mm)、60目(0.313 mm)、80目(0.178 mm)八种不同规格的平纹不锈钢丝网进行阻火效果的模拟试验。在平纹不锈钢丝网层数一定的情况下，分别把不同网孔大小的金属网放入卡槽，观察火焰从网孔大小不同的金属网穿过后火焰变化的效果，以及金属网层数的变化后火焰的变化效果(试验数据如表1所示)。根据试验结果(测试效果对比情况如图3、图4所示)，选取了观测效果比较明显的8目、20目、30目三种规格的平纹不锈钢丝网作为阻火器教学模型的标准教学演示金属网。

表1 不同规格平纹不锈钢丝网阻火效果试验数据

图3 金属网层数相同时的测试效果对比图

图4 金属网层数不同时的测试效果对比图

2.3.2 阻火器教学模型外形研制

为了满足操作简单、透明可视、便于移动、便于观测的教学演示目的，阻火器教学模型采用模拟火焰传播通道的长方体结构。其左、右、背三个面为金属板，正面为可观察内部效果的透明耐火玻璃板。三个金属板安装前进行氧化处理呈黑色，白天做燃烧实验时，有黑色背板反衬，火焰能清晰可见。在金属板与玻璃板相连的两个侧面壁壁高1/2以上处留有金属网卡槽数个，上下卡槽之间的距离约为1.8 mm～2 mm。金属网可平放在两个金属卡槽之间形成独立配件，每层金属网均可自由插入、叠加、取下，以演示不同目数的金属网及金属网的厚度等对阻火效果的影响。

2.3.3 实验燃烧气体的选择

如果选用液化气，平时对液化气钢瓶的存放管理存在一定困难，而且在使用过程中如操作不当极易引发安全事故。酒精较液化气相对安全，酒精喷灯火焰温度可达1 000 ℃，可满足燃烧实验要求。

2.3.4 教学模型细节的优化

酒精喷灯火焰为浅蓝色，在白天火焰颜色不明显。为了让酒精喷灯火焰在白天明显可见，使火焰便于观察，可利用焰色反应原理，在实验用酒精喷灯火焰上加入某种金属参与燃烧。如，加入氯化钡，火焰呈黄绿色，加入氯化钠，火焰呈金黄色。这些火焰的颜色比酒精燃烧的颜色更加便于观看。在每次演示试验前，可把少量氯化钡(或氯化钠)粉末放在杯子里，加入温水调成糊状，用一根裹上棉花的小铁丝把糊状的氯化钡(或氯化钠)涂抹在金属网面上。点火后，火焰通过金属网后呈现黄绿色(或金黄色)效果，能明显地看到火焰大小的变化。

鉴于酒精喷灯放置在相对较小的模型装置内，如果用普通打火机、火柴等常用点火工具，要把手伸到装置内点火，极易发生烫伤、烧伤事故。为了便于点火操作，配备一把长柄电子点火枪用于点火。

3 阻火器教学模型演示实施

每组演示实验安排10名左右学生参加，点燃酒精喷灯，按照教学需要插入演示金属网。学生通过透明视窗观察火焰进入阻火层熄灭的全过程，理解并掌握阻火器的阻火原理及影响阻火效果的因素。

3.1 火焰大小的演示

在酒精喷灯里注入适量酒精，打开玻璃门把喷灯放入装置底座上旋转调节开关使火焰呈稳定燃烧状态，使火焰中心高度刚好能与两侧金属卡槽高度一致，以便学生观察此时火焰大小情况。

3.2 影响阻火器阻火效果的因素一演示：阻火层厚度的影响

首先，选用30目的金属网演示相同孔隙大小(目数)、不同厚度(层数)金属网对火焰熄灭效果的影响。一层一层地叠加30目的金属网，让学生注意观察火焰穿过金属网后的焰面、焰高变化情况，注意观察随着金属网层数的增加，火焰逐渐减弱直到不能穿过金属网，让学生记住火焰不能穿过30目金属网时金属网的层数。用同样的方法分别测试插入不同层数20目、8目规格金属网火焰变化的情况，做好记录并进行统计分析，得出金属网厚度对阻火器阻火效果影响的结论。

3.3 影响阻火器阻火效果的因素二演示：阻火层孔隙大小的影响

在金属网层数相同情况下，分别把8目、20目、30目不同网孔大小的金属网放入卡槽。注意观察火焰穿过层数相同、网孔大小不同金属网后的火焰大小变化或熄灭效果的差别，做好记录并进行统计分析，得出不同网孔大小的金属网对火焰熄灭效果影响的结论。

3.4 实验过程中的安全注意事项

3.4.1 酒精是易燃液体，加注酒精时必须保证在酒精喷灯冷却情况下加注。

3.4.2 取用燃烧实验用过的金属网时，必须使用镊子，不能用手取，以防烫伤；取下的金属网应放置在安全位置，以防引燃或烧坏桌子。

4 结语

随着课程改革的发展，教学方法也应根据教学内容和教学目标的变化而改变。相比传统教学，通过教学模型的课堂演示，有助于提高学生的学习效率，取得良好的教学效果。教学组根据人们难以见到阻火器的实际结构组成，在理论讲授阻火器工作原理时，学生难以理解的实际情况，结合教学内容，设计、研制出阻火器教学模型，并应用于课堂教学。这不仅有利于学生对阻火器的结构特点产生感性认识，还有利于其更直观地感受阻火过程。此外，也有利于学生亲自动手体验，使室内授课具有趣味性，有效激发其学习兴趣，培养其动手能力[4]。阻火器教学模型的研制和使用，使学生对消防专业知识有了更深入的了解，对提高消防专业课程的教学质量具有十分重要的作用。

[1] 裴丽丽.巧用模型搞好生物教学[J].江西教育：综合版，2012，(3).

[2] 聂规划，唐喜林.一种新的DSS表示方法——模型的对象表示[J].武汉工业大学学报，2001，(1).

[3] 吕显智，张宏宇.生产工艺防火[M].昆明：云南人民出版社，2006.

[4] 张宏宇.油罐防火附件教学模型设计研究[J].南昌教育学院学报，2013，(4).

(责任编辑 刘彦超)

The Design and Implementation of Teaching Model for Flame Arrester in a Professional Curriculum of Firefighting

MA Jianyun

(StaffOffice，KunmingFireCommandingSchool，Kunming，YunnanProvince650208，China)

The flame arrester is a device widely used in a chemical plant. Its use and principles of flame arrestor operation are the focuses of a professional curriculum teaching about firefighting. In this thesis， the design idea and content development of a teaching model of flame arrester are introduced， and the specific implementation and demonstration course in operating classroom instruction are elaborated in accordance with the feature and function of flame arrester. The application of this teaching model can improve the perceptual knowledge of the students， so as to achieve favorable teaching effect.

the flame arrester； teaching model； design； implementation

2015-03-07

马建云(1974— )，女，云南大理人，副教授。

G642.0

A

1008-2077(2015)11-0063-04