（材料学专业论文）冷气溶胶灭火剂应用基础研究.pdf

硕士论文冷气溶胶灭火剂应用基i m 研究 摘要 喷射率是影响冷气溶胶灭火剂灭火效果和灭火装置设计的重要因素，本文研究了 灭火装置结构、灭火齐q 流动性、贮气压力和喷嘴口径等因素对冷气溶胶灭火剂的喷射 率的影响及其规律，结果表明，灭火剂流动性大小对喷射率影响最大，灭火装置结构 和贮气压力影响次之，喷嘴口径基本无影响。本文还系统测定了冷气溶胶灭火剂喷放 后在灭火室中的空间质量分布，研究了冷气溶胶灭火剂冷喷条件下在灭火室内的分布 特征，同时研究了灭火装置的一系列喷嘴口径和喷射压力对分布的影响，结果表明， 灭火剂在灭火室内呈现有规律的分布，在所测定的喷嘴口径和喷射压力中，口径较小 ( 3 ，o o r m l a ) 和压力较大( 1 2 m p a ) 时，灭火剂分布比较均匀。本文最后研究了不同 粒度的灭火剂的灭火效能以及不同喷射条件下灭火剂的灭火速度，结果表明，灭火剂 的灭火效能随粒度减小而增大，而不同的喷射条件对灭火剂的灭火速度有影响，只有 适当的喷射条件下，灭火剂灭火速度最快。 关键词：冷气溶胶灭火剂，粒度，喷射率，分布特征，灭火 硕j 。论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 a b s t r a c t e j e c t i o nr a t ei sa l li m p o r t a n tf a c t o rf o rd e s i g n i n gt h ee x t i n g u i s h e ra n di m p a c t i n gt h e f i r e e x t i n g u i s h i n ga b i l i t y o fs u p e rf i n e p o w d e re x t i n g u i s h i n ga g e n t ( s f p e a ) i ti s s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt h a tt h e e j e c t i o nr a t eo fs f p e a i n f l u e n c e db yt h e e x t i n g u i s h e r s t r u c t u r e ，t h ef l u i d i t yo fe x t i n g u i s h i n ga g e n t , t h es t o r a g ep r e s s u r ea n dt h en o z z l es i z e i t i sp r o v e dt h a tt h ef l u i d i t yo f e x t i n g u i s h i n ga g e n tt a k e st h es t r o n g e s te f f e c to ne j e c t i o n r a t e t h ee x t i n g u i s h e rs t r u c t u r ea n dt h es t o r a g ep r e s s u r et a k es t r o n g e re f f e c to ni t t h e n o z z i es i z ea l m o s th a sn oe f f e c t i ti sa l s os t u d i e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro f s f p e ai nt h e f i r e e x t i n g u i s h i n gr o o mw i t h o u tf i r e a n dt h ei n f l u e n c eo fas e r i e so f d i f f e r e n tn o z z l eh o l ed i a m e t e ra n de j e c t i o np r e s s u r eb ys y s t e m a t i c a l l ym e a s u r i n gt h e m a s sd i s t r i b u t i o no fs f p e ai nf i r e e x t i n g u i s h i n gr o o ma f t e re j e c t i o n t h er e s u l t ss h o w t h a ts f p e am a k ear e g u l a rd i s t r i b u t i o ni n f i r e e x t i n g u i s h i n gr o o ma n dt h es f p e a d i s t r i b u t i o ni sm o r eh o m o g e n e o u sw h e nt h e e x t i n g u i s h e r i s e q u i p p e d w i t l ls m a l l e r n o z z l es i z e ( 3 o o m m ) o rh i g h e rp r e s s u r e ( 1 2 m p a ) a tl a s t ，i ti ss t u d i e dt h a tt h ef i r e e x t i n g u i s h i n ga b i l i t yo fs e v e r a ls f p e a i nd i f f e r e n tp a r t i c l es i z ea n di t se x t i n g u i s h i n g r a t ew i t l ld i f f e r e n te j e c t i o nc o n d i t i o n s i ti sp r o v e dt h a tt h ef i r ee x t i n g u i s h i n ga b i l i t yo f s f p e ai m p r o v e sw i t hd e c r e a s eo fi t sp a r t i c l es i z e t h ed i f f e r e n te j e c t i o nc o n d i t i o n s h a v ed i f f e r e n te f f e c to n e x t i n g u i s h i n g r a t e s f p e aw a sm o s t e f f e c t i v ef o rf i r e e x t i n g u i s h i n go n l yi nt h ep r o p e re j e c t i o nc o n d i t i o n k e yw o r d s ：s u p e r f i n e p o w d e r f i r e e x t i n g u i s h i n ga g e n t ，p a r t i c l es i z e ，e j e c t i o n r a t e ， d i s t r i b u t i o n ，e x t i n g u i s h m e n t s 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：匿查车肿午年7 月j j - 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：熟查玺伊午年7 月f 日 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 1 前言 1 1 研究背景 2 0 世纪7 0 年代以来，从世界各地地面观察站对大气臭氧层总量的观测记录发现， 全球大气中的臭氧总量正在逐渐减少。环境科学家们认为，世界上正在大量生产和使 用的c f c s 和哈龙类物质的排放是导致臭氧减少的主要原因。由于c f c s 和哈龙类物质 化学性能稳定，不易在对流层分解，当它们扩散进入臭氧层后，受到短波紫外线u v c 的照射分解产生c l 或b r 自由基，强烈地参与了臭氧的消耗。 1 9 8 5 年3 月，联合国环境规划署( u n e p ) 在奥地利首都维也纳召开了“保护臭 氧层外交大会”，有2 1 个国家的政府代表出席了会议。会议一致通过了“保护臭氧层 维也纳公约”( 简称公约) ，并于1 9 8 8 年9 月生效。公约申明了臭氧层变化对 人类健康和环境可能造成的有害影响，指出了保护臭氧层需要国际间的合作与行动， 并依靠科学技术的发展。公约要求各国采取法律、行政、技术等方面的措施保护 人类健康和环境，减少臭氧层破坏的影响，并鼓励政府间在研究和有计划地观测臭氧 层、监督c f c s 的生产和信息交流等方面开展合作。我国政府于1 9 8 9 年9 月1 1 日正 式加入公约，并于1 9 8 9 年1 2 月l o 日生效，但是公约并未达成任何有实质性 的控制协议。为促使各国采取有实质性的控制措施，u n e p 又于1 9 8 7 年9 月在加拿大 蒙特利尔召开“保护臭氧层公约关于含氯氟烃议定书全权代表大会”，会议通过了关 于消耗臭氧物质的蒙特利尔议定书，后经多次修改，最后明确规定：发达国家淘汰 c f c s 和哈龙灭火剂的时间为2 0 0 0 年1 月1 日，发展中国家淘汰c f c s 和哈龙灭火剂 的时间为2 0 1 0 年1 月1 日。我国政府承诺：自2 0 0 6 年1 月1 日起全部停止生产哈龙 1 2 1 1 灭火剂，自2 0 1 0 年1 月1 日起全部停止生产哈龙1 3 0 1 灭火剂。 哈龙淘汰计划的实施并不意味着火灾的停止发生，因此研究清洁高效、环境友好 的绿色哈龙替代灭火技术已成为各国科学家近年来的研究热点。目前国内外研究和使 用的哈龙替代品主要有卤代烷、惰性气体、超细水雾和气溶胶灭火剂等四大类。 卤代烷灭火剂主要有f m 一2 0 0 、c f 。i 和c h f 。等。f m 一2 0 0 灭火剂是美国大湖公司开 发的哈龙替代型卤代烷灭火剂，分子式为c f 。c h f c f 。f m 一2 0 0 的灭火系统与哈龙1 3 0 t 所使用的设备、管道及配制方法几乎相同，能很方便地应用于哈龙替代场所。f m 一2 0 0 的主要缺点是价格高，酸气生成量大，温室效应潜能值高( g w p = 3 8 0 0 ) ，存留时间长 达3 6 5 年，因而不是理想的哈龙替代物。美国太平洋科技公司开发的氟碘烃气体灭 火剂c f 。i 的最小灭火设计浓度为3 9 ，灭火速度快，臭氧耗损潜能低 ( o d p = o 0 0 8 ) ，g w p 5 ，大气停留时阆小于一天，是一种较好的哈龙替代品，但它的 最小灭火设计浓度是n o a e l ( 未观察到不良反应的浓度) 的2 1 4 倍，所以它不能在 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 有人工作的场所实施防火保护。美国杜邦公司研制的三氟甲烷( c h f 。) 最小设计浓度 为1 6 8 ，是哈龙1 3 0 1 的三倍，但比国内大量使用的c o , 、n 。的灭火浓度低一半，它 的0 d p = 0 ，灭火过程中酸性气体生成量仅为哈龙1 3 0 1 的1 l o ，不会对火灾现场的人 员造成伤害，故适用于有人工作的场所。但它的大气存活时间长达2 4 3 年，不宜长期 作哈龙替代物使用。 惰性气体灭火剂主要有i g 一5 4 1 和c o ：。i g 一5 4 1 惰性气体灭火剂由氮气、氩气、 二氧化碳组成，靠降低氧浓度窒息灭火。它的灭火设计浓度为3 7 5 ，喷射时间较长 ( 6 0 秒) ，灭火速度低于哈龙1 3 0 1 和其它灭火剂，扑灭b 类火的效果不如扑救a 类 火的效果好。二氧化碳是一种不燃烧、不助燃的惰性气体，无色无味，易于液化，制 造方便，价格低廉，是目前广泛使用的气体灭火剂之一。二氧化碳是以窒息兼轻微冷 却来实现灭火的，腐蚀性小，灭火后不留痕迹，特别适合于扑救那些受到水、泡沫、 干粉等灭火剂污染后易损坏的固体物品火灾。它的主要缺点是储存压力高( 常温时高 达1 5 - - 1 6 m p a ) ，灭火设计浓度高( 高达3 4 ) ，超过了人的致死浓度，因此也不宜用 于有人场所的火灾保护。 水通过特殊加工的喷嘴与不同雾化介质产生的水微粒称为超细水雾。超细水雾的 灭火机理是：当超细水雾直接喷射进入或被卷吸进入火焰区时，由于它的表面积相对 较大，吸收热量快，迅速汽化，大量的汽化潜热会降低气相燃料及氧化剂的温度，同 时大量水蒸气的存在也会降低反应区的氧气及可燃气体的体积分量，从而达到一方面 冷却燃烧反应物，另一方面窒息燃烧反应进行的双重物理灭火效果，此外，细水雾能 有效隔离火焰区对外的热辐射，减少周围可燃物着火的危险。细水雾的灭火能力依赖 于喷嘴的设计，所用设备复杂，造价昂贵，它的灭火性能受环境影响大”“”。 至今国内外学者对气溶胶灭火剂尚没有明确的定义，国内采用的分类方法通常是 以灭火气溶胶的形成方式为基础，将气溶胶灭火剂分为热、冷气溶胶灭火剂两类。所 谓热气溶胶灭火剂是指通过自身燃烧生成灭火气溶胶体系的灭火剂。热气溶胶灭火剂 属烟火类药剂，它主要由氧化剂、燃料、催化剂和性能添加剂组成。灭火剂燃烧时产 生的固体颗粒能吸收火场燃烧过程中的自由基，中断链反应；同时产生的惰性气体稀 释空气中氧浓度，通过双重作用来达到灭火目的。热气溶胶灭火剂灭火时具有效率高、 灭火速度快，灭火介质对大气臭氧层无损耗，灭火剂可常压贮存等优点。然而此类灭 火剂采用高温技术会产生许多连带问题，例如：火焰外喷，灭火装置表面发热，气溶 胶具有腐蚀性，会产生有毒气体等，这些都限制了热气溶胶灭火剂的应用范围“。 冷气溶胶灭火剂灭火时，需要靠惰性气体或其它气体的压力作用来分散于着火空 间。在此过程中，驱动冷气溶胶灭火剂的气体稀释了火场中的氧浓度，同时冷气溶胶 灭火剂的微粒与火焰作用，消耗了燃烧反应赖以进行的自由基，再者现有的大部分冷 气溶胶灭火剂受热分解后吸热，能降低火场温度，冷气溶胶灭火剂灭火是多种机理协 2 硕士论文 冷气溶胶灭火荆施用基础研究 同作用的结果，因此它的灭火效率很高。 冷气溶胶灭火剂的优点是对大气环境无不良影响，既不会破坏臭氧层，也不会产 生温室效应，具有腐蚀性小、毒性低、灭火高效的特点“。冷气溶胶灭火系统可设置 为管网型、非管网型和便携型，因此适用范围广。冷气溶胶灭火剂与热气溶胶灭火剂 相比，没有燃烧反应，安全性无疑要高。冷气溶胶灭火剂灭火效能与普通干粉灭火剂 相比，灭火效率高、速度快、且易清除；其灭火效能的提高可抵消单位成本的提高， 而且灭火器的重量和体积都大为减少。冷气溶胶灭火剂与卤代烷烃及惰性气体灭火剂 相比，其成本较低，价格低廉，维护费用较少。冷气溶胶灭火剂的缺点是气溶胶灭火 剂一经排出，烟雾状的气溶胶灭火剂弥漫于着火空间，降低着火空间的能见度，这意 味着冷气溶胶灭火剂将主要应用在无人值守与停留的场合。冷气溶胶灭火技术由于其 具有的诸多优点，已成为哈龙替代技术的重要方向之一，目前广受世界各国的关注和 重视，冷气溶胶灭火产品也必将成为未来消防产品的重要一员。 1 2 国内外研究概况 近年来，国内外专家均非常重视冷气溶胶灭火技术的研究。目前，研究工作主要 针对冷气溶胶灭火剂的设计、制备工艺和性能研究。 1 2 1 冷气溶胶灭火剂的组成 从文献资料看，目前冷气溶胶灭火剂的组成主要分为两大类，一类是从普通干粉 灭火剂演变而来，另一类是新的高效灭火剂配方。普通干粉灭火剂根据其灭火能力的 不同，主要分为a b c 和b c 干粉两类，干粉颗粒的粒径大部分在4 0 um 以上，由于其 粒径比气体分予大得多，不具备弥漫性，因此通常被用于局部灭火。然而研究表明， 这些干粉灭火剂的灭火效率会随粒径的减小而提高，研究人员就利用现有的普通干粉 灭火剂添加助磨剂、分散剂、防潮剂、防静电剂和流动剂进行超细化来制取冷气溶胶 灭火剂“。这些干粉灭火剂主要有碱金属碳酸盐、碳酸氢盐、硼酸盐、磷酸盐、碱金 属卤化盐，磷酸_ - - 氢铵和聚磷酸铵等。另外人们也试图寻找一些新的高效灭火剂的配 方。i c i 公司研究了用尿素和钾、钠的酸式碳酸盐，碳酸盐或氢氧化物反应后制取 m o n n e x 干粉的方法啪1 ，此类灭火剂被认为是非常有效的粉末灭火剂，但其成本太高， 而且与其他灭火剂相比它的松密度也偏低，即在同等容积的灭火器中，该灭火剂的装 药量要比其它灭火剂少。此外，研究人员发现，某些金属化合物对火焰的抑制和熄灭 比卤素类化合物还要有效，这些金属化合物有f e ( c o ) ；( 五羰基合铁) 和f e ( c j h s ) z ( 二 茂铁) 等，利用这些高效灭火剂进行超细化也是制取冷气溶胶灭火剂的途径之一。 1 2 2 冷气溶胶灭火剂的制备工艺 冷气溶胶灭火剂的制备是超细粉体制备的一种，超细粉体的制备方法有很多种， 预 ：论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 主要有机械粉碎法，喷雾于燥法和化学合成法等方法。目前见于文献的冷气溶胶灭火 剂的制备方法主要有两种，一种是将现有的干粉灭火剂机械超细化，这种方法原料易 得，加工成本较低，在目前国内冷气溶胶技术仍处于探索阶段的背景下，此方法可作 为研究的起点。用此法制备冷气溶胶灭火剂时，首先用普通气流粉碎机，经特定粉碎 工艺将含有前述组分的粉体粉碎成平均粒径小于5um 的超细粉体，密闭包装或储存 在储罐内；应用时，以惰性气体为分散体，超细粉体为被分散体，常温条件经特定设 备混合喷射而形成气溶胶态能够在空气中飘浮的气固混合物“”。国内研究人员设计了 一种超声波气溶胶灭火装置，该装置集干粉的储存、加工、定温传感、限时启闭及喷 射气溶胶灭火荆等功能于一身。火险发生后，压缩气体自动进入于粉仓与干粉形成两 相流，在超声波气溶胶发生器中使普通干粉被进一步粉碎成2 5 “m 的超细粉体，通 过气溶胶喷嘴喷向火场。“。超细粉碎法设备要求相对不高，原料易得，但由于受到设 备技术条件所限，要将大部分粉末加工至5 微米以下难度较大。另一种方法是喷雾干 燥法。英国k i d d e 公司研究人员将钾、钠的碳酸氢盐溶解成水溶液，再通过喷雾干燥 法制取钾、钠的碳酸氢盐小颗粒，该方法制得的粒子粒径大多数分布在0 1 5 i im 之间。“。英国a e a 公司研究了利用氢氧化钠溶液喷雾形成的气溶胶微粒与二氧化碳气 体反应生成碳酸钠的微粒的方法，因为氢氧化钠的溶解度较大，可减少喷雾干燥时所 需蒸发掉的水分，节约了生产时间和成本。“。喷雾干燥法能小批量生产用于实验的冷 气溶胶灭火剂粉末，但其设备复杂，耗能巨大，成本太高。 1 2 3 冷气溶胶灭火剂的性能表征 由于冷气溶胶灭火剂的研究起步时间不长，用于其性能表征的参数也不是很明 确。目前一方面借鉴干粉灭火剂的性能参数，另一方面针对冷气溶胶灭火剂粒度很细 的特点提出一些性能参数。冷气溶胶灭火剂研究中主要的性能有粒径及粒径分布、灭 火性能和贮存稳定性。 ( 1 ) 粒径及粒径分布 粒径小于0 1 “m 的粒子具有和气体分子一样的行为，在1 2 0 u m 之间的粒子 随气体运动雨运动，往往被气体所携带，大于2 0um 的粒子具有明显的沉降运动”。 国内研究人员用机械粉碎法能制取粒径在5 um 以下的冷气溶胶灭火剂，英国k i d d e 公司用喷雾干燥法制取的冷气溶胶灭火剂粒径在0 ，l 5 um 之间。在冷气溶胶灭火剂 的实际应用中，由于冷气溶胶灭火剂的颗粒较小，很难穿透火焰，因而在扑救某些类 型的火灾时有些困难。实际灭火时冷气溶胶灭火剂的粒径有一定的分布，某些场合下， 可能不同粒径的粉末搭配使用效果更好。 ( 2 ) 灭火效能 冷气溶胶灭火剂的灭火效能通常用保护单位空间所需最少灭火剂用量来表示，其 硕士论文 冷气溶胶灭火荆应用基础研究 单位为g m 3 。人们往往将灭火剂颗粒的粒径与灭火效能联系在一起，冷气溶胶灭火荆 由于粒径较小，其灭火效能相对于普通干粉灭火剂要高得多。国外有研究人员在2 8 7 升体积的灭火室中用普通干粉灭火剂与冷气溶胶灭火剂做了对比实验，实验结果如表 1 1 所示m 3 。 表1 12 7 8 升灭火室中灭火结果 这表明，由于粒径的减小，冷气溶胶灭火剂的灭火效能远比普通于粉灭火剂的灭 火效能要高。 ( 3 ) 贮存稳定性 冷气溶胶灭火剂由于其颗粒非常小，比表面很大，在组成上含有水溶性盐类， 导致其易吸潮，且表面自由能高，从而很容易发生团聚，这极大地影响了冷气溶胶灭 火剂的贮存寿命。研究表明，未经处理的冷气溶胶灭火剂放置3 6 小时后就会发生团 聚。改善冷气溶胶灭火剂贮存稳定性成为研究人员努力的方向。 改善冷气溶胶灭火剂贮存稳定性的一种方法是在灭火剂颗粒中加入防粘剂，防 粘剂能有效地改善灭火剂颗粒表面的特性，防止团聚。防粘剂包括无机防粘剂和有机 防粘剂，无机防粘剂包括滑石、云母、硅酸、火成硅酸等，有机防粘剂包括高级脂肪 酸( 1 2 个碳原子以上) 、高级脂肪酸盐( 如硬脂酸锌、硬脂酸钙等) 或其混合物。p o w s u s 公司研究了用硬脂酸锌包覆溴化胺灭火剂以提高其抗结块性的方法。”。 另一种方法是在灭火剂颗粒表面包覆表面活性剂。表面活性剂能有效降低颗粒 表面自由能，减少团聚现象。按亲水基的种类可以把表面活性剂分为阴离子型、阳离 子型、非离子型和两性表面活性剂。可用于灭火剂表面处理的表面活性剂有碳氢表面 活性剂、氟碳表面活性剂等。国外研究人员用氟碳表面活性剂处理干粉灭火剂，使干 粉灭火剂获得了较好的憎水憎油性”6 2 ”。同样，选择合适的表面活性剂对冷气溶胶灭 火剂进行处理，也能有效地降低灭火剂颗粒的表面自由能，减少团聚现象。 1 3 本文拟开展的研究工作 由于哈龙淘汰的紧迫性以及目前国内外对冷气溶胶灭火荆的重视，对冷气溶胶灭 火剂的研究工作进展很快，具有良好性能的冷气溶胶灭火剂在不久的将来可望投入应 硕 论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 用。目前国内外研究人员对冷气溶胶灭火剂的制备与性能研究较为关注，而对冷气溶 胶灭火剂的应用基础研究则很少开展，这也是冷气溶胶灭火剂研究方向上需要加强的 环节。 本人所在的课题组经过近两年的研究开发，对冷气溶胶灭火剂的制备工艺、性能 表征、工程应用等做了大量基础研究。本文的研究目的是为冷气溶胶灭火剂的应用开 展有关的基础研究，拟开展的工作包括： ( 1 ) 影响冷气溶胶灭火剂喷射率的因素及影响规律； ( 2 ) 冷气溶胶灭火剂在冷喷条件下的流动分布特性； ( 3 ) 冷气溶胶灭火剂微粒与火焰的相互作用。 6 预上论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 2 影响冷气溶胶灭火剂喷射率的因素及影响规律 2 1 引言 在干粉灭火装置的性能参数中，喷射率是一个很重要的影响因素，它直接影响到 灭火剂能否有效地被喷放于灭火空间中，进而影响到灭火剂的灭火效能。而对于冷气 溶胶灭火剂，其粉体粒度更细，用于灭火时同样要求能有效地被喷放于灭火空间，因 此冷气溶胶灭火剂从灭火装置中的喷出量对灭火效果也有很大影响，同时这一因素也 影响到灭火装置的设计。 由于冷气溶胶灭火剂尚处于研究开发阶段，它的一些性能参数可参考干粉灭火剂 的性能参数。国家标准磷酸铵盐干粉灭火剂( g b l 5 0 6 0 - 2 0 0 2 ) 中给喷射率作了如 下定义： x ：塑二竺2 1 0 0 1x = _ 土 m 1 式中：x 喷射率，： 聊喷射前喷射器内干粉灭火剂的质量，g ； 聊：喷射后喷射器内干粉灭火剂的质量，g 。 本文中对冷气溶胶灭火剂的喷射率作类似规定： x ，：竺l 堕1 0 0 ( 1 ) m l 式中：x 冷气溶胶灭火剂喷射率，； m ：喷射前喷射装置内冷气溶胶灭火剂的质量，g ； m ：喷射后喷射装置内冷气溶胶灭火剂的质量，g 。 干粉灭火器在日常生活中己被广泛使用，作为一项技术成熟的消防产品，其功能 是完成千粉灭火剂的有效喷放，并使之作用于着火区域。冷气溶胶灭火剂的用途比干 粉灭火剂更为广泛，它除了适用于局部火灾的扑救外，还可用于全淹没火灾扑救。冷 气溶胶灭火技术与干粉灭火技术的共同之处在于，首先它们都是固态粉剂，其次它们 都需要借助外力作用喷放。因此本文在考虑冷气溶胶灭火剂的喷放装置时，直接选用 现成的于粉灭火装置，来于粉灭火装置技术成熟，二来即使对装置进行改造，也比 较方便。更重要的是，旦冷气溶胶灭火技术推广后，利用现有的干粉灭火器生产线 或对其稍作改造，就可组织生产。本文在进行冷气溶胶灭火剂喷射率实验时，选用手 提贮压式干粉灭火器的壳体作为实验装置，装置具体描述见2 2 节。 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础酬究 本章拟研究以下四个因素对冷气溶胶灭火剂喷射率的影响及影响规律： ( 1 ) 灭火装置结构； ( 2 ) 灭火剂流动性： ( 3 ) 贮气压力； ( 4 ) 喷嘴口径。 2 2 实验部分 2 2 1 实验原料和仪器装置 a ) 实验原料：1 8 灭火剂( 体积平均直径d 。= 3 5 5 pm ) ；2 4 灭火剂( d 。= 2 4 8um ) 。 体积平均直径测定方法详见4 2 1 节。 b ) 灭火装置：1 垤手提压吸式灭火装置，如图2 1 所示；1k g 手提倒置式灭火 装置，如图2 2 所示。 c ) 托盘天平：感量2 9 。 d ) 驱动气体：经氯化钙干燥后的普通氮气，充气装置如图2 3 所示。 1 出粉管；2 喷嘴；3 压把 图2 1 手提压吸式灭火装置 1 喷嘴：2 出粉1 ：3 ；3 压把 图2 2 手提倒置式灭火装置 5 6 1 氯气瓶；2 高压胶管；3 - t - 燃t ；4 充气接1 3 ：5 氯化钙；6 纱布 图2 3 氮气充气装置 硕。论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 2 2 2 实验步骤 a ) 在托盘天平上称量2 0 0 9 灭火剂，装入灭火装置中，旋紧灭火装置接头； b ) 连接好充气接头，缓慢充入所需压力的氮气，充气时间以1 0 至1 5 分钟为宣； c ) 卸下充气接头，装上所需口径的喷嘴； d ) 在空旷处手持灭火装置，竖立罐体，压下把手至气体全部喷出； e ) 称量剩余灭火剂的质量，计算喷射率，计算公式如式( 1 ) 所示。 2 3 灭火装置结构对喷射率的影响 两种灭火装置的结构分别如图2 1 、图2 2 所示。在图2 1 手提压吸式灭火装置 中，灭火剂在气体压力作用下，经装置的出粉管从喷嘴喷出灭火，而在图2 2 手提倒 置式灭火装置中，灭火剂不经出粉管而直接从喷嘴中喷出，实验拟研究两种不同灭火 装置结构对灭火荆喷射率的影响及其规律。 实验原料为2 0 0 克1 4 灭火剂，灭火装置分别为1 蝇手提压吸式灭火装置与l 螬 手提倒置式灭火装置，喷嘴口径设定为4 5 蕊，贮气压力分剐设定为0 6 m p a ，0 9 m p a ， 1 2 m p a ，实验对应每一种贮气压力平行试验三次，结果取平均值，实验结果如表2 1 所示。 表2 1 灭火装置结构对喷射率的影响 测量项目实验测量值 装置结构压吸式倒置式 贮气压力m p a o 60 9t 2 o 6o 91 2 剩余粉末质量平均值g 3 02 32 l2 3 1 91 4 喷射率8 58 88 9 8 89 09 3 由表2 1 结果可以看出：灭火装置结构对喷射率的影响较大，倒置式灭火装置比 压吸式灭火装置的喷射率提高了3 4 。 从装置结构分析其原因，首先，压吸式灭火装置比倒置式灭火装置多了一个出粉 管，灭火剂在与气体混合流动过程中要经过出粉管，气固两相的流动阻力增加，滞留 在压吸式灭火装置中的灭火剂自然要增加。其次，在压吸式灭火装置中，灭火剂与气 体混合后的流动是“由下而上”在出粉管中流动，相对于气体，灭火剂受到重力的影 响要大得多，而气体更容易从出粉管中逸出，在没有足够气体压力驱动的情况下，灭 火剂的残留自然也要增加；倒置式灭火装置中灭火剂与气体都是向下流动，重力对其 流动影响不大，灭火剂残留相对较少。最后，压吸式灭火装置的出粉管口与装置底部 总有一段间隙，因为这段间隙中的灭火剂很难被驱动气体压入出粉管中，所以导致装 置中残留的灭火剂增加。 9 硕士论文 冷气溶胶灭火荆应用基础研究 2 4 灭火剂流动性对喷射率的影响 在冷气溶胶灭火剂喷射实验中发现，残留在灭火装置中的灭火剂流动性很差，常 有结块的趋势，可见灭火剂的流动性是喷射率的影响因素之一。 2 4 1 灭火剂流动性测定 粉体流动性的测量方法很多，包括静态法和动态法。静态法有休止角法、内磨擦 角法、壁磨擦角法和滑角法等；动态法有小孔流出速度法、旋转圆筒法、记录式粉末 流速计法、旋转式粘度计法等。在国内有测定金属粉末流动性的流速漏斗法和测定药 物粉末流动性的休止角法。但至今还没有一种适用于无机粉体和有机粉体、自由流动 的粉体和粘滞性粉体流动性的测量方法。目前国内外研究人员用休止角、刮铲角、压 缩度和凝集度4 项参数来综合评价粉体流动性的c a r r 粉体流动性测定方法是比较好 的方法，该方法能够定量评价粉末的流动住。用该方法测定时，先对粉体的每一项参 数进行测定，然后根据测定值，在粉体流动性评价表上查出相应的分数，然后相加得 总分，就可知道所测粉体的流动性状属于哪一类1 。本文限于实验条件，采用了休止 角法来测定灭火剂流动性，该方法在用于比较两种冷气溶胶灭火剂的相对流动性大小 时，能够满足实验要求。 粉末堆积层的自由表面在静平衡状态时，对水平面所成的最大角度称为休止角。 处理粉体时，休止角大小可用于衡量粉末的流动性大小。休止角越太，表明粉末的流 动性越不好。但由于测定方法的不同，所得结果也不一致，所以在衡量流动性时，需 标明测定条件。本实验所用测定方法如图2 4 所示。 图中h 为粉末高度，s 为粉末所成圆锥体的底面直径，休止角p = a r c 留( 2 h s ) 。 用图2 4 所示的流动性测定装置对l 。灭火剂和2 ”灭火剂进行流动性测试，以比较二 者的流动性大小。 实验装置如下 图2 4 流动性测定装置 1 0 丫簖 7况 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 a ) 玻璃漏斗； b ) 直径为4 0 r a m 的圆木板； c ) 8 5 4 1 2 6 型高度尺，0 0 2 m m 5 0 c m 。 实验步骤如下： a ) 用高度尺测量出圆木板对工作台面的高度h 。； b ) 将玻璃漏斗口对准圆木板中心，用小药匙将灭火剂经玻璃漏斗加至圆木板 上， 加至灭火剂不能再堆高为止； c ) 用高度尺测量出粉剂对工作台面的高度血，计算出粉剂高度肛肛一h ； d ) 重复测量三次，计算平均值。 测试结果见表2 2 所示。 表2 2 灭火剂流动性测试 灭火剂种类粉高h r a m底面直径l i i l休止角舻。流动性相对大小 1 4 灭火剂2 4 04 0 05 0 2较小 2 4 灭火剂 1 9 04 0 04 3 5 较大 由表2 2 结果可以看出，2 “灭火剂的流动性相对l4 灭火剂要好一些。 2 4 2 灭火剂流动性对喷射率的影响 用1 4 灭火剂与2 。灭火剂各2 0 0 9 做喷射率实验，考察灭火剂流动性对喷射率的影 响。实验装置为1 蚝手提倒置式灭火装置，喷嘴口径设定为4 5 越，贮气压力分别设 定为0 6 m p a ，0 9 m p a ，1 2 m p a ，实验对应每一种贮气压力平行试验三次，结果取平 均值，实验结果如表2 3 所示。 表2 3 灭火剂流动性对喷射率的影响 测量项目实验测量值 灭火剂种类1 4 灭火剂2 。灭火剂 贮气压力m p a o 6o 91 2 o 6o 91 2 剩余粉末质量平均值g 2 31 91 4 473 喷射率8 89 0 9 39 89 69 9 由表2 3 结果可以看出，灭火剂流动性对喷射率的影响很大，喷射率提高了6 1 0 ，其中2 4 灭火剂喷射后，灭火装置内灭火剂基本无剩余。 粉末的流动性与粉末的粘蓿力即粉末之间的相互作用力大小有关，粉末的粘着力 越大，粉末的流动性越差。粉末的粘着力和流动性又与粉末的粒度、粒度分布、比表 面、颗粒形状、颗粒上的孔隙、颗粒表面光洁度等因素有关啪1 。对于冷气溶胶灭火剂 来说，其粒度分布在0 1 1 0 微米之间，灭火剂粉末的比表面很大，其表面自由能也 很大，微粒间有相互吸引和靠近的趋势，如果未经处理的冷气溶胶灭火剂于自然环境 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 中放置一段时间后，灭火剂微粒间的粘着力将增大，流动性将变差。改善冷气溶胶灭 火剂的流动性的途径之一是对冷气溶胶灭火剂进行表面处理，降低冷气溶胶灭火剂的 表面自由能，从而减小灭火剂微粒间的粘着力，这已不在本文的讨论范围之内。 2 5 贮气压力对喷射率的影响 实验原料为1 “灭火剂2 0 0 9 ，装置为l 蚝手提压吸式灭火装置，喷嘴口径设定为 4 5n i l ，贮气压力分别设定为0 6 m p a ，0 9 m p a ，1 2 m p a ，实验对应每一种贮气压力平 行试验三次，结果取平均值，实验结果如表2 4 所示。 表2 4 贮气压力对喷射率的影响 由表2 4 结果可以看出： a ) 贮气压力对喷射率的影响较大，相差有3 4 。 b ) 贮气压力增大，喷射率也随之增加。 2 6 喷嘴口径对喷射率的影响 实验原料为l ”灭火剂2 0 0 9 ，装置为l 堙手提压吸式灭火装置，喷嘴口径分别设 计成4 5n l n l ，5 5 咖和6 5 衄三种，贮气压力设定为0 6 m p a ，实验对应每个喷嘴1 ：3 径 平行试验三次，结果取平均值，实验结果如表2 5 所示。 表2 5 喷嘴口径对喷射率的影响 由表2 5 结果可以看出： a ) 喷嘴口径对喷射率的影响不大，相差只有2 3 。 b ) 喷嘴口径对喷射率的影响没有明显规律。 2 7 小结 本章主要对冷气溶胶灭火剂喷射率的四个影响因素及其影响规律进行了研究，并 得到以下结论： ( 1 ) 对冷气溶胶灭火剂喷射率影响最大的因素是冷气溶胶灭火剂的流动性。灭 硕士论文 冷气港胶灭火剂应用基础研究 火剂的流动性越好，喷射率越大。改善冷气溶胶灭火剂的流动性方法之一 是对冷气溶胶灭火剂进行表面处理，以降低其表面自由能，减少颗粒间的 结块趋势。 ( 2 ) 对冷气溶胶灭火剂喷射率影响较大的因素有灭火装置的结构和灭火装置的 贮气压力。冷气溶胶灭火剂使用倒置式灭火装置比使用压吸式灭火装置喷 射率要高：灭火装置的贮气压力越大，喷射率越高。 ( 3 ) 灭火装置的喷嘴口径大小对冷气溶胶灭火剂的喷射率影响较小，且无明显 规律。 硕 论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 3 冷气溶胶灭火剂在冷喷条件下的质量分布特征 3 1 引言 冷气溶胶灭火剂由于粒度小，可用于全淹没( t o t a lf l o o d i n g ) 条件下的火灾保 护，所谓全淹没，是指一种将灭火剂以一定浓度( 或强度) 充满被保护的有限空间的 灭火方式。冷气溶胶灭火剂不同于气体灭火剂，在灭火过程中，受灭火空间的形状、 灭火剂自身性质以及灭火剂喷放方式等诸多因素的影响，它在灭火空间内各点的分布 浓度是不一样的，这必然造成灭火剂在空间内各点的灭火能力的差异。 本章重点研究在没有火源( 即冷喷) 的情况下，冷气溶胶灭火剂在封闭空间中达 到准稳定状态后在各点的质量分布情况，即冷气溶胶灭火剂的质量分布特征，以此来 检验冷气溶胶灭火剂的扩散能力。拟开展的研究工作包括： ( 1 ) 灭火装置喷嘴口径大小对灭火剂分布的影响； ( 2 ) 喷射压力大小对灭火剂分布的影响； ( 3 ) 冷气溶胶灭火剂在灭火室内的质量分布特征。 实际上，改变喷嘴口径和喷射压力都改变了冷气溶胶灭火剂的喷放质量流率和喷 口动能，本章通过改变这两个因素进行冷气溶胶灭火剂的冷喷实验，探索冷气溶胶灭 火剂喷放后在灭火室内的质量分布特征。 3 2 实验部分 3 2 1 实验方案 本章拟研究冷气溶胶灭火剂于冷喷条件下在2 m 3 灭火室中的质量分布特征。灭火 室如图3 1 所示。长为1 6 0c m ，宽为1 6 0 锄，高为8 0a m ；灭火室的正面有一个玻璃 观察窗，可用于观察灭火室内的情况；灭火室的侧面设一个喷气口，灭火装置向灭火 室内喷射灭火剂时，就通过此喷气口喷入。实验时将灭火室底部划分为6 4 个2 0 x 2 0 a m 的区域，如图3 2 所示，因灭火室内依喷气口喷射方向左右对称分布，右半部分的 灭火剂质量分布规律与左半部分相似，故取灭火室的左半部分进行实验，在每个2 0 2 0a m 的区域中心摆放一个直径为1 6 廿i l 的圆形灭火剂收集盘，共有4 行3 2 个灭火 剂收集盘。测定冷气溶胶灭火剂在灭火室内的质量分布特征时，用灭火装置向灭火室 内喷射一定质量的灭火剂，经过一定时间，冷气溶胶灭火剂在灭火室内达到准稳定状 态后，收集灭火室内沉积在灭火剂收集盘上的冷气溶胶灭火剂，并称量它们的质量。 灭火剂收集盘上冷气溶胶灭火剂的质量反映了在灭火空间内分布在以收集盘为底面 的各个柱状区域内的灭火剂的质量，各柱状区域的灭火荆质量分布情况就是冷气溶胶 灭火荆在灭火室内的质量分布特征。 1 4 硕上论文 冷气溶胶灭火剂应用摹础研究 2 l 1 观察窗；2 灭火室；3 喷气口 图3 1 灭火室 3 2 2 试验方法 3 12 345678 】喷气口：2 收集盘 图3 2 灭火剂收集示意图 2 灭火装置的喷嘴口径与充气压力的变化对冷气溶胶灭火剂在灭火室内的分布有 一定的影响，试验采用正交试验法，这样能以较少的实验次数得出两者之间较好的搭 配，以及衡量两者之间的相互作用对灭火剂分布的影响。 正交试验法是处理多因素试验的一种科学的试验方法，它利用一种规格化的正交 表，合理安排试验，用这种方法只做较少次数的试验便可判断出较优的条件，对试验 结果进行简单的统计分析，还可以更全面、更系统地掌握试验结果1 。 在正交试验中，把对试验结果可能有影响的因素简称为因素，把每个因素在试验 中要比较的具体条件称为水平，在确定了因素和水平后，就可以选择合适的正交表来 安排试验。正交表如表3 1 所示，该表记为b ( 3 4 ) ，l 是正交表的简写，9 表示用这 张表安排的方案需要做9 次试验，3 表示可以安排三水平的因素，4 表示这张表上最 多可以安排四个水平的因素，表中的i 、i i 、i 分别代表三个水平安排的位置“。 表3 1k ( 3 4 ) 正交试验表 0_：二一 硕士论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 衡量一个因素对试验指标来说是否为主要因素一般有两种分析方法，一是直观分 析，另一是方差分析。直观分析简单直观，在正交表上就可以进行分析；方差分析比 较精细，但是有一定的计算量。本实验采用直观分析的极差分析法，极差越大，表明 该因素对试验指标作用越大。“。 本章实验中灭火装置的喷嘴口径、充气压力和它们的相互作用共有三个因素，喷 嘴口径分别取3 0 0 m m ，3 7 4 r a m ，4 5 2 r a m ，充气压力分别取0 6m p a ，0 9m p a ，1 2 a ， 每个因素各有三个水平数，因此选用正交表b ( 3 4 ) ，根据设计要求，交互作用列应 安排在第3 列或第4 列。 3 2 3 实验原料与仪器设备 a ) 实验原料：1 “灭火剂( d ，= 3 5 5pm ) ； b ) 灭火室：见3 2 1 中图3 1 、图3 2 所示； c ) 灭火装置：l k g 手提倒置式干粉灭火装置； d ) 天平：电子天平，感量为0 i m g ；托盘天平，感量为2 9 。 3 2 4 实验步骤 a ) 在托盘天平上称量2 0 0 91 。灭火剂，装入灭火装置中，然后充入氮气至所需 压力； b ) 将灭火装置连接至灭火室上喷气接口，喷射灭火剂； c ) 喷射完灭火剂1 5 m i n 后，打开灭火室，取出收集盘用电子天平进行称量，记 录灭火剂与收集盘总重厮； d ) 用总重所减去盘重蠼得灭火剂重量职记录数据； e ) 清理灭火室，改变喷嘴口径或调整充气压力，重复步骤a ) d ) ，进行下一次 试验。 3 3 灭火装置喷嘴口径与充气压力对灭火剂分布的影响 实验所得数据见附录a ，本节在研究灭火装置喷嘴口径、充气压力及它们的交互 作用对冷气溶胶灭火剂分布的影响时，用各采集点的灭火剂质量对所有采集点灭火剂 平均质量的偏差平方和来表示灭火剂质量分布的均匀情况，偏差平方和计算公式如式 ( 2 ) 所示。 s = ( 形，一叻2 式中：s 冷气溶胶灭火剂质量分布偏差平方和 呒，各采集点灭火剂的质量；n = a ，b ，c 万所有采集点灭火剂的平均质量。 ( 2 ) d ：j = 1 ，2 ，8 。 1 6 硕上论文 冷气溶胶灭火剂应用基础研究 实验中冷气溶胶灭火剂质量分布的偏差平方和越大，则该实验中冷气溶胶灭火剂 在灭火室内的质量分布越不均匀。表3 2 为根据正交表b ( 3 4 ) 设计所得试验表，并 计算出了各次试验冷气溶胶灭火剂质量分布的偏差平方和。 表3 2 喷嘴口径与充气压力正交试验表 由表3 2 可知： ( 1 ) 根据极差分析结果，因素a ( 喷嘴1 3 径) 的极差为0 1 8 4 5 ，因素b ( 充气压力) 的极差为o 1 2 9 2 ，交互作用的极差为0 3 2 7 1 和0 2 2 6 4 ，三种因素的极差大 小相差不大，可知喷嘴口径、充气压力和它们之间的交互作用对冷气溶胶灭 火剂的质量分布均有影响。 ( 2 ) 从各组实验的灭火剂质量分布偏差平方和可以看出，当喷嘴1 3 径较小( 3 0 0 i 衄) ，或充气压力较大( 1 2m p a ) 时，冷气溶胶灭火剂质量分布的偏差平方 和较小，由此可知冷气溶胶灭火剂在灭火室内质量分布较为均匀。其原因可 能是喷嘴口径小或充气压力大时，灭火剂喷射时间较长，有利于其在灭火室 内均匀扩散分布。 3