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南京理工大学硕士论文 超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 摘要 灭火效能是衡量超细微粒灭火剂的一个重要性能指标，是超细微粒灭火剂工程 化应用的基础数据之一。本文以朗伯比尔定律为理论基础，提出了采用光学原理测 量超细微粒灭火剂灭火效能的方法，设计了相应的测量系统。该系统由灭火剂均匀 流场产生装置、灭火剂采样装置和灭火剂浓度激光测定装置三部分组成。该系统用 过滤称重法采样，用海绵和滤纸两级过滤方式进行粉末过滤，用电磁阀截断法作为 气流截断方式。利用该系统进行了磷酸铵盐型和碳酸氢钠型超细微粒灭火剂粒度与 灭火浓度之间的关系的初步研究。结果表明，粒径相差不大的不同类型的超细微粒 灭火剂其激光吸收系数比较接近，激光吸收系数受粒径的影响较大，而与超细微粒 灭火剂的类型关系不大。对于同一类型的超细微粒灭火剂，其平均粒径较小时，灭 火浓度值较低，灭火效能高。对8 类火来说，主料为磷酸铵盐型的超细微粒灭火剂 和主料为碳酸氢钠型超细微粒灭火剂，粒度接近时，其灭火效率没有明显差距。 关键词：灭火剂超细微粒灭火浓度激光测量系统 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 a b s t r a c t f i r ee x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c yw a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n c ec r i t e r i o n s t oe v a l u a t es u p e rf i n ep o w d e re x t i n g u i s h i n ga g e m ( s f p e a ) i tw a sa l s oo n eo fb a s i c e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nd a t ao fs f p e a b a s e do np r i n c i p l eo fl a m b e r t - b e e r , t h i sp a p e r c h o s et h eo p t i cm e t h o dt om e a s u r et h ee x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c yo fs f p e aa n dd e v i s e d r e l e v a n tm e a s l l r ed e v i c e t h es y s t e mw a sc o m p o s e do f t h r e ep a r t sm c l u d i n gs y m m e t r i c a l f l o wf i e l dg e n e r a t o r , s a m p l i n gd e v i c ea n dl a s e rm e a s u r e m e n td e v i c e t h ep a r t i c l e sv c e r g f i l t r a t e db ys p o n g ea n df i l t e rp a p e ra n dw e i g h e db ye l e c t r o n i cb a l a n c e t h es a m p l i n gg a s w a sc u to f fb ye l e c t r o m a g n e t i cv a l v e 喇sp a p e rp r e l i m i n a r ys t u d i e dt h ea m m o n i u m p h o s p h a t et y p ea n ds o d i u mc a x b o n a t et y p es f p e ab yt h es y s t e m t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h el a s e ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t so fd i f f e r e n tt y p es f p e aw h i c hh a dc l o s e rp a r t i c l e s i z ew e r es i m i l a r t h el a s e ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw a sa f f e c t e db yp a r t i c l ed i a m e t e rb u t w a si n d e p e n d e n to ft h ea g e n tt y p e f o rs f p e ao fs a r n et y p e t h ea v e r a g ep a r t i c l es i z e w a ss m a l l e r , t h ee x t i n g u i s h i n gc o n c e n t r a t i o nw a sl o w e ra n dt h ee x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c y w a sh i g h e r t h ea m m o n i u mp h o s p h a t et y p es f p e aa n dt h es o d i u mc a r b o n a t et y p e s f p e ah a ds i m i l a re x t i n g u i s h i n ge f f i c i e n c yw h e n1 h e i rp a r t i c l es i z e sw e r en e a ri nc l a s sb f i r e k e yw o r d s ：f i r ee x t i n g u i s h i n ga g e n t , s u p e rf i n ep o w d e r , e x t i n g u i s h i n gc o n c e n t r a t i o n , l a s e r , m e a s u r e m e n ts y s t e m n 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： ii o b 年易月佃 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 汐6 年易月砷日 南京理丁= 大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 1 前言 1 1 研究背景 哈龙灭火剂具有灭火效率高、灭火速度快、不导电、无残留且适用范围广等优异 性能，在世界各地获得了广泛应用“删我国在8 0 年代初期至9 0 年代中期，哈龙气 体灭火剂的使用达到了高峰，被广泛地应用于电子计算机机房、通讯机房、高低压配 电室、档案馆等重要场所。然而，哈龙系的灭火剂所带来的c f c s 到达臭氧层后，受 到短波紫外线u v - - - c 的照射源，分解为卤元素自由基，参与对臭氧层的消耗。1 1 。 为了保护人类生存环境，避免迸一步破坏臭氧层，联合国环境计划署( u n e p ) 于 1 9 8 7 年制定关于破坏臭氧物质的蒙特利尔协定书，后经多次修改，最后明确规定： 发达国家淘汰c f c s 和啥龙灭火剂的时间为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 5 年起停止使用哈龙 1 2 1 1 灭火剂，自2 0 1 0 年起停止生产1 3 0 1 灭火剂”1 。由此寻求不破坏大气臭氧层、灭 火效率高、无毒无害的哈龙灭火剂替代品及替代技术，已成为各国近年来研究的热点 之一 目前国内外正在广泛开展研制的哈龙替代产品叭”主要有四类：卤代烃、惰性气体、 气溶胶灭火剂“”和细水雾灭火剂。其中气溶胶灭火荆有两类，即热气溶胶灭火剂和 超细微粒灭火剂( 也称冷气溶胶灭火剂) 热气溶胶灭火剂“”1 是由氧化剂、还原剂及 其它添加剂组成的烟火类物质，由于它是以燃烧方式形成灭火气溶胶，因此其生成的、 起主要抑制火灾燃烧反应进行的固态微粒粒度容易达到1l lm 以下，换句话说，形成 具有弥漫特征的灭火气溶胶并不困难，这也是热气溶胶灭火剂迅速进入实用的重要原 因之一。然而在热气溶胶灭火剂的应用中发现，由于它是通过高放热的燃烧反应产生 灭火介质的，因此还存在一些问题：燃烧时火焰外喷及设备表面温度过高，具有产生 二次引发火灾的危险；放热，不利于火场的降温；对抑制a 类深位火效果不明显。这 些连带问题的出现，限制了热气溶胶灭火剂的应用范围嘲。 超细微粒灭火剂作为一种既能产生高效灭火的气溶胶，灭火时又无高温反应连带 问题的灭火技术，很快引起了人们高度关注和兴趣，已成为气溶胶灭火技术的最新研 究方向。 1 2 超细微粒灭火剂研究现状 1 2 1 超细微粒灭火剂主料 从目前国内外超细微粒灭火剂研究发展的相关资料来看，超细微粒灭火剂的组成 主要分为两大类：一类是从普通干粉灭火剂演变而来。普通干粉灭火剂的干粉粒径一 南京理工丈学硕士论文 超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 般在3 0 4 0 i im 之间，根据其灭火能力的不同，主要分为a b c 和b c 干粉两类，由于 其粒径比气体分子大得多，不具备弥漫性，因此通常被用于局部灭火。然而研究表明， 这些干粉灭火荆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( 如碱金属碳酸盐、碳酸氢盐、硼酸盐、磷酸盐、碱金属卤化盐，磷酸二氢铵 和聚磷酸铵等) 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 超细微粒灭火剂o ”。另一类是新的高效灭火剂配方。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 干粉的方法瞄1 ，此类灭火剂被 认为是非常有效的粉末灭火剂，但其成本太商，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 人员还发现，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 0 ) ；( 五羰基合铁) 和f e ( c 矗 5 ) ，( 二茂铁) 等，利用这些高效灭火剂进 行超细化也是制取超细微粒灭火剂的途径之一瞄1 。 1 2 2 超细微粒灭火剂制备工艺 超细微粒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， 主要有机械粉碎法、喷雾干燥法和化学合成法等方法。目前见于文献的超细微粒灭火 剂的制各方法主要有两种，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，在目前国内超细微粒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超细微粒灭火剂时，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5l lm 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o ”。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 射气溶胶灭火剂等功能于一身。火险发生后，压缩气体自动进入干粉仓与干粉形成两 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 5i lm 的超细粉体，通 过气溶胶喷嘴喷向火场哺1 。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 5um 之间”1 。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嘲3 。喷雾干燥法能小批量生产用于实验的超 细微粒灭火剂粉末，但其设备复杂，耗能巨大，成本太高。 2 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火荆灭火浓度测量方法研究 1 2 3 超细微粒灭火剂性能表征嘲 “ 由于超细微粒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，另一方面针对超细微粒灭火刺粒度很细 的特点提出一些性能参数。超细微粒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 1l im 的粒子具有和气体分子一样的行为，在1 2 0l lm 之间的粒子随 气体运动而运动，往往被气体所携带，大于2 0 l lm 的粒子具有明显的沉降运动啪1 。国 内研究人员用机械粉碎法能制取粒径在5pm 以下的超细微粒灭火剂，英国k i d d e 公 司用喷雾干燥法制取的超细微粒灭火剂粒径在0 1 5i im 之间。在超细微粒灭火剂的 实际应用中，由于超细微粒灭火剂的颗粒较小，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超细微粒灭火剂的粒径有一定的分布，某些场合下， 可能用不同粒径的粉末搭配使用效果更好。 ( 2 ) 灭火效能 超细微粒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 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，超细微粒灭火剂 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m 删。研究表明由于粒径 的减小，超细微粒灭火剂的灭火效能远比普通干粉灭火剂的灭火效能要高。 ( 3 ) 贮存稳定性 超细微粒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，这极大地影响了超细微粒灭火 剂的贮存寿命。研究表明，未经处理的超细微粒灭火剂放置3 6 小时后就会发生团聚。 改善超细微粒灭火剂贮存稳定性成为研究人员努力的方向。 改善超细微粒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齐j ，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 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 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千粉灭火刺，使干粉 灭火剂获得了较好的憎水憎油性汹碉。同样，选择合适的表面活性剂对超细微粒灭火 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 微粒灭火剂灭火效能测量 在超细微粒灭火剂的各种性能中，灭火能力的强弱无疑是最重要的性能之一。超 细微粒灭火剂由于其颗粒小，在空气中流动时具有类似气体的特性，而其本身又是一 种固体颗粒，因而它的灭火能力衡量方法不能简单地套用现有的任何一种灭火能力衡 量方法。只有在对现有的各种灭火剂灭火效能测定方法进行比较衡量的基础上，才能 设计出比较适合超细微粒灭火荆灭火效能测定的方法。 1 3 1 干粉灭火剂灭火效能测定 g b l 3 5 3 2 9 2 千粉灭火剂通用技术条件中规定了干粉灭火荆扑灭a 类火的灭 火能力测定方法。在一定的温度和风速条件下，在油盘内倒入一定量的燃料，点燃燃 料，引燃木垛。当油盘内的燃料烧堪后，撒出油盘。在点燃燃科的时j r 始计时，当 术垛燃烧至一定时间时，开始灭火( 根据不同种类木材，以木材失重4 0 左右的预 燃时间，为开始灭火的时间) 。开始时，从距离木垛一定距离( 一般不小于1 8 m ) 喷 射，以后操作者可以缩短到任何距离向木垛的前面、顶面和两侧面随意喷射。但不得 从木垛的背面喷射。a 类火木垛1 5 m i n 不复燃( 包括自燃或阴燃) 即为灭火试验成功。 三次试验二次灭火成功即为合格。该方法主要用于局部灭火时灭火剂的灭火效能测 定。 1 3 2 杯式燃烧器法 在超细微粒灭火剂出现之前，灭火剂的灭火浓度主要是针对气体灭火剂汹3 提出 的，其定义为在确定的实验条件下扑灭特殊材料火所需要灭火剂的最小浓度。国际上 主要采用杯式燃烧器燃烧试验来完成灭火浓度的测量。实验过程为同轴流动的空气流 中心位置处的圆形储存罐( 杯) 中燃料燃烧的火焰被加入的气体灭火药剂恰好扑灭。 测量所用的杯式燃烧器如图1 1 所示。 该装置主要由石英或钢制燃料杯、玻璃或石英烟囱、扩散器、燃料供应部分、集 气管、空气供应、灭火药剂供应与喷放系统组成。试验时将可燃液体放在燃料供应罐 中并导入杯中，将空气流量调节至灭火浓度最大且不受空气流量影响的空气流量范 围，点燃燃料。燃料预燃6 0 1 2 0 s 后开始通灭火剂，逐步增加灭火剂流速直到火焰熄 灭。记录灭火时的灭火剂和空气流速，计算灭火荆浓度。该方法主要用于全淹没灭火 时灭火剂的灭火效能测定。 4 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 1 一调平用油缸；2 一转子流量计；3 - - 空气；4 一灭火剂： 5 一内外壁间的加热导线；6 一热电偶管；7 一加热端子 图1 1 气体灭火剂杯式燃烧器示意图 1 3 3 基于对流扩散火焰测定灭火剂灭火效能的方法 1 9 7 0 年m i l n e 等采用对流技术来评价气体灭火剂包括c f 3 b r 及粉末灭火剂对扑 灭甲烷一空气等对流火焰的标准情况的影响。这些实验采用“t s u j i ”型对流装置，扩 散火焰稳定在多孔容器向上临界线附近，从容器中气体燃料导入反应区。近年来随着 颗粒灭火剂的出现，国外学者开始了针对颗粒灭火荆灭火浓度的测量方法及装置的研 究。美国建筑火灾科学实验室、化学科技实验室和加州大学的科研人员，在研究火 焰抑制有效性时，提出一种如图1 2 和图1 3 所示的颗粒灭火剂灭火有效性的测量装 置，利用流动空气，流经颗粒灭火剂药床，携带灭火剂作用于火焰，从而获得颗粒灭 火剂大概的灭火能力。 图1 2 颗粒灭火剂灭火效能测量装置示意图图1 3 粉末分散设备示意图 5 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 1 3 4 全尺寸试验法 所谓全尺寸试验法，就是在标准灭火室中进行的灭火试验。试验时在一定容积的 灭火室内。放置标准火灾模型，在全淹没条件下施放超细微粒灭火剂，检验灭火结果。 比如在g b5 7 8 2 0 0 5 中规定，在检验超细微粒灭火剂扑灭a 类火效能时，首先建立a 类火灾模型( 木垛) ，在灭火室外引燃木垛，使木垛自由燃烧6 m i n ，在6 r a i n 预燃时 间结束前1 5 s 之内将木垛移入试验房间。木垛可放置于房间内不被灭火剂直接喷射到 的任何地方。预燃达到6 m i n 时关闭灭火室门( 此时房间内氧浓度低于正常大气中氧 浓度的值不得超过o 5 ) 开始启动灭火装置。喷射过程应调节钢瓶调压阀使喷头出 口压力保持在0 5 0 m p a 0 0 5 m p a 。灭火剂释放结束后关闭氮气瓶，房间保持密封l o m i n ，然后移出木垛。灭火荆释放结束后6 0 s 内扑灭明火；在房间内保持密封1 0 m i n 后，移出木垛，继续观察3 m i n ，木垛不复燃，则为灭木垛火试验成功。由此得到的 结果，能真实反映超细微粒灭火剂的灭火效能，但试验成本很高。 1 3 5 激光测定颗粒物浓度的方法 超细微粒灭火荆通过灭火装置施放后，在空气中形成一种气溶胶状态的悬浮颗粒 物，而悬浮颗粒物的测定方法有许多种，通常测量颗粒物浓度的标准检验方法为称重 法，但是称重法操作麻烦、费时( 采样时间长) 、费力等特点，在实际应用中较难做 到。如g b t 1 6 1 5 7 - - 1 9 9 6 中规定的固体污染源排气中颗粒物测定与气体污染物采样 方法。 早在5 0 年代国内许多学者就已开始研究快速、准确，能直接给出待检颗粒物浓 度的新方法，如用激光来测定颗粒物浓度的方法。该方法就是使一定体积的空气进入 激光测量区，空气中的颗粒物在激光照射下产生散射光，通过光电转换器使颗粒物信 号转换成相应的电信号，测量颗粒物电信号，并经过数学模型转换，得出颗粒物质量 浓度嘲。 七十年代末期以来，由于激光技术、新型光电元件的普及和计算机控制技术的发 展，使基于激光衍射和散射理论的粒径及浓度分析技术得到了很大发展。但激光衍射 分析技术仅适用于粒子粒径大于激光波长很多的粒子，其测量范围大约在6 微米以 上，无法满足烟雾等小粒子的测量。对于烟雾粒子的测量，必需采用更精确的方法来 进行分析“1 文献【烟雾浓度及粒径的激光探测实验研究】介绍了m i e 散射理论“”“该文提 出的利用激光消光法和角散射法，对烟雾的浓度和平均粒径同时进行探测，经对熏香 烟雾进行探测实验，证明本方法具有探测灵敏度高，准确可靠等特点，是一种烟雾等 小粒子浓度的有效探测方法。该方法可用于早期火灾的探测报警，能克服传统的光电 感烟探测技术存在的缺点，大大提高火灾探测的可靠性和灵敏度。 6 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 1 4 本文的目的及拟开展的研究工作 本人所在的课题组经过多年的研究开发，对超细微粒灭火剂的制备工艺、性能表 征、工程应用等做了大量研究工作。本文的研究目的是对超细微粒灭火剂灭火效能展 开研究，找出能方便快捷的检验超细微粒灭火剂灭火效能的方法和装置，本文拟开展 的工作包括： ( 1 ) 研究激光测定超细微粒灭火剂灭火效能的装置； ( 2 ) 研究超细微粒灭火剂粉末浓度与激光透光率之间的关系； ( 3 ) 通过得到的超细微粒灭火剂粉末浓度与激光透光率之闻的关系曲线对超细微 粒灭火剂灭火效能进行研究。 7 南京理工大学硕士论史超细微粒灭火剂灭火浓度铡量方i 去研究 2 超细微粒灭火剂灭火浓度测定装置研究 2 1 引言 超细微粒灭火剂是由具有高效抑制火焰的物质及其辅助添加剂组成的超细粉体， 其粒度比干粉灭火剂细得多，但与气体相比，它仍是由大量分子构成的聚集体，它在 大气中的流动扩散能力取决于粉体的粒度和质量，随着粒度和质量的下降，流动性趋 于气体特征，但扩散能力明显弱于气体；在应用定位上，既可应用于局部灭火，也可 应用于全淹没条件下的火灾保护畔l 。 超细微粒灭火剂作为一种新型超细颗粒灭火剂，以其“类气体”特征及其广阔的 应用前景被定位在全淹没条件的火灾保护和局部应用火灾保护中。本文有关灭火效能 的研究主要针对全淹没条件下的灭火效能。 。 通常全淹没条件下的灭火剂灭火效能包括灭火时间、灭火浓度、复燃性三个指标。 其中灭火时间从灭火荆开始喷射至试验中的火被扑灭的时间。灭火浓度系指封闭灭火 空间内的气溶胶灭火剂的浓度，其中包括设计浓度、最大浓度与灭火浓度。在一定的 灭火试验条件下，设计浓度是指含有一个安全系数以满足系统设计要求的灭火剂的浓 度；最大浓度是指在保护区最高环境温度下由实际灭火剂量计算得到的浓度；灭火浓 度是指不考虑任何安全系数在确定的实验条件下扑灭特殊燃料火所要求的灭火剂最 低浓度，即恰好扑灭火灾时灭火气体在灭火气体与空气混合物中所占的体积百分数。 灭火浓度是衡量灭火剂灭火能力的一项重要指标。复燃性是指在指定的时间内被扑灭 的火是否有复燃现象发生。本文主要研究超细微粒灭火剂灭火浓度的测试方法、采用 的测试装置等内容。 2 2 灭火剂均匀流场产生装置m 2 2 1 灭火剂的稳定输送 对于超细微粒灭火剂来讲，灭火效能测量装置的基本要求是能够营造出一种粉体 在火焰周围均匀分布的氛围，并且粉末的体积浓度可调节。这样在测量灭火浓度时， 通过粉末体积浓度的变化，找到能使火焰熄灭的最低值。为实现灭火剂的稳定输送， 在进行研究时，本文拟设计的超细微粒灭火剂均匀流场产生装置如下： ( 1 ) 输送设备类型的选择 在总体系统构思中已明确提出：喂料系统能向装置中连续、稳定、均匀地输送超 细微粒灭火剜粉末，输送速率可调。 目前，颗粒物输送设备中按输送原理不同，主要有螺旋输送机、链式输送机、斗 式输送机、刮板输送机和振动输送机等。而能满足本文输送要求的设备为螺旋输送类 8 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火荆灭火浓度测量方法研究 设备。该类设备具有良好的密封性，无粉尘泄漏等特点，其结构m ! 如图2 1 所示。 卜一步进电机；2 一外磁转子；3 - - 内磁转子；4 - - 密封罩； 5 一螺杆轴；6 一壳体；7 一进科开口；8 一出料开口 图2 1 固体螺旋进料器 ( 2 ) 物料输送均一性问题的解决 在完成选型后，进行超细微粒灭火剂物料输送性能的试验，摸索物料均匀输送的 可行性。在试验时发现，直接使用这种输送机时，螺杆周围物料易被架空。其原因是 物料堆积密度太小( o 2 2 9 e r a 3 左右) ，质点很轻，重力影响小为此，在料盒外测安 装振动装置进行敲打，结果发现物料被一定程度的振实，粉末输送仍不顺利。在总结 以上实验现象后，采用适度振动，同时在粉末盒内加上一个搅拌桨，使粉末一直处于 松散状态，不发生团聚，这样解决了物料的架空问题。 此外，在试验时还发现输送螺杆与壳体之阊的空隙大小非常重要。空隙太小时， 螺杆与壳体之间易于摩擦生热，超细微粒灭火剂发生局部融化从而造成结块。为此， 本文适度留出空隙，解决了物料结块问题。 解决以上两个问题后，物料输送平稳均匀。 ( 3 ) 输送速度的调节 对螺杆输送机，其输料速率“6 1 可用式( 2 1 ) 计算。 q ：，r ( d 2 - d 2 ) 邶缈 ( 2 1 ) 。4 。 9 南京理丁= 大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 式中：伊推料螺杆外径，m ； 沪推料螺杆根径，m ； 俨推料螺杆转速，r m d m i n ； 矿推料螺杆螺距，m ； 夕一推料螺杆中粉末的体积填满系数，； ，一粉末的密度，k g m 3 。 为了达到q 可调，采用了调节疗的方法，即用电压控制直流电机的转速，从而 调节q 。 实验时，选用两种螺距的螺杆，分别为4 8 m m 和1 3 m m 。表2 1 、表2 2 分别为 不同电压时，两种螺杆输送速率的变化情况。 表2 1 螺距为4 8 咖的螺杆在不同电压下的输料速度 图2 2 、图2 3 分别为两种螺杆对应的输料速率与电压之问的关系。由这两个图的 曲线可以看出，电压与输料速率有良好的线性关系。 0 0 6 图2 2 螺距为1 3n l m 的螺杆电压- 粉末输送速度关系 、 l o 吆 o o o o 28毒毯蚓罚铎* 南京理工大学硕士论文 超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 ： 喜 趟 蚓 幽 器 * 稻 4567891 0 电压( v ) 图2 3 螺距为4 8m i l l 的螺杆电压粉末输送速度关系曲线 至此，本文解决了超细微粒灭火剂物料的输送问题。 2 2 2 灭火剂的均匀分布 为获得均匀分布的灭火剂气固两相流，本文在设计时采用一系列金属网孔筛( 1 0 网孔c m ) 作为流速调节器。它们被横在烟筒的整个交叉区域，位于燃料管的下端， 然后将烟筒切成几个部分。如果没有这些网筛，在燃料杯附近就会观察到不均匀的粉 末流和再循环区域。在没有燃烧情况下对流速的观察表明，获得了均匀的向上流速。 在灭火浓度测量系统启动后，超细微粒灭火剂输送系统向干空气入口管道内连 续，稳定的输送灭火剂。若干空气流速缓慢时，灭火剂有可能在重力作用下沉降，因 此要获得均匀气溶胶粒子氛围，其必要条件是干空气流速必须要达到某一定值，而此 值大小取决于以下两个条件： ( 1 ) 超细微粒灭火剂颗粒能被干空气带走； ( 2 ) 带走的超细微粒灭火剂在流动过程中完成扩散过程，抵达火焰周围时，灭 火剂微粒的浓度均匀。 首先考虑超细微粒灭火剂颗粒能被带走的最小干空气流速。当上升气流的速度 等于颗粒在自由沉降速度蜘时，颗粒悬浮在气流中不会沉降。上升气体流速稍大于 此沉降速度时，颗粒便被气体推动向上流动，所以在流化床中颗粒最下气流速率应等 于颗粒在静止气体中的沉降速度，此速度称之为带走速度。 假定超细微粒灭火剂颗粒为球形，若气体处于湍流状态，即雷诺数r e o = 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 ，则可由式( 2 2 ) 来确定砌值。 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 一4 、孕 式中：一颗粒带走速度，n 怕； 以一颗粒直径，m ； 岛一超细微粒灭火剂颗粒密度，k g m 3 ： p 一千空气密度，k g m 3 ； g 一重力加速度，l i l ，s 2 。 ( 2 2 ) 显然，带走速度与干空气的流动状况有关，前面已经提到，不仅要求气流向上带 走灭火荆颗粒，而且要求将灭火剂颗粒分散均匀。实际上这个过程是一个传质过程， 而作为传质目的的设备来说，流体的流动状态一般选择湍流，因为湍流时，存在着杂 乱的涡流运动，使微粒出现脉冲运动，因此造成的扩散将被大大加速。本文也依据这 个原理，使于空气处于湍流态以进行超细微粒灭火剂的输送和分散。 为此，要使干空气的流动达到湍流状态，根据一般规律，要求雷诺数 4 0 0 0 。 由雷诺数定义可知： r e o ：i 丝i q 3 l zj 式中；d 一管道直径，m ； “一千空气流速，m s ； p 一干空气密度，k g ，m 3 ； 口一干空气粘度，n s m 2 。 2 0 cl i 寸。= 0 0 0 0 0 1 7 6n s m 2 ，p = - 1 2 0 5k g m 3 ，由图2 4 ，管道直径为0 0 9 6 m 。若忽略物料输送管道的影响，则要使干空气处于湍流态，其最小流速为： “：r e 0 1 ：4 0 0 0 x 0 0 0 0 0 1 7 6 ：0 6 1 ( ，玎s 、 d d 1 2 0 5 x 0 0 9 6 1 即最小体积流量( q ) 为： a=u孚：_061x314x00962：44xlo-4(rgs)：1ss(cs) 44 超细微粒灭火剂的密度店= 2 0 0 0 0k g m 3 ，平均粒度为2 6 7 m , 重力加速度 g = 9 8 1m s 2 。则超细微粒灭火剂的带走速度为： 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 = 1 = 0 2 l m s 此时，千空气流量q = o 5 4m 3 h 。 由此可见，当干空气流动处于湍流时，本文所采用的灭火荆足以能够向上流动， 而此时干空气的流量为1 5 8m a h 。 此外，还需考虑湍流态的干空气，在什么条件下，才能保证携带超细微粒灭火剂 粉体，抵达火焰周围时颗粒浓度径向均匀分布。显然，颗粒分布均匀程度受以下几个 因素影响：( 1 ) 气体流速，( 2 ) 管道直径，( 3 ) 喂料口至火焰区长度，( 4 ) 颗粒的扩 散系数，( 5 ) 管路上的额外措施。由于影响因素复杂，理论计算很困难。 事实上，虽然理论计算困难，但可通过实验来解决。而且解决方案有很多，比较 实用的途径是改变喂料口至火焰区的长度，或改变气体流量。采用图2 4 所示的条件， 即影响因素( 2 ) ( 5 ) 一定时，干空气流量大于2 0m 3 h 时，能够达到分布均匀的 目的。 为了验证理论计算的结果，本文利用图2 4 的实验系统，进行了干空气流量与颗 粒带走情况之间关系的实验。 实验过程：打开干空气供应系统调节干空气流量启动物料输 送系统，连续输料3 0s 等待3 0s 后关闭气阀查看管道底部是否有 超细微粒灭火荆颗粒沉积+ 清理管道底部。 实验结果如表2 3 所示。 表2 3 干空气流量对灭火剂颗粒流动的影响 由表2 3 可以看到，在流量不大于1 5m 3 h 时，部分超细微粒灭火剂没被干空气 带走，而沉降在管道底部。此流量远大于理论带走速度0 2 1m s 所对应的空气流量， 其原因一方面是理论计算有一定的误差，另一方面，实验所用的超细微粒灭火剂虽然 平均粒径为2 6 7 1 u n ，但由于存在粒度分布，部分颗粒大于2 6 7 岬，带走速度是随着 粒度增加而增加的。从表4 5 还可以看出，当气流在2 0m 3 h 以上时，灭火剂全部被 气体带走。 从以上理论和实验结果可以看出，采用图2 4 的装置，采用实验所用的超细微粒 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 灭火剂，干空气流量不小于2 0m ? h 时，能够保证灭火剂抵达火焰区时均匀分布。然 而改变灭火剂后，测量灭火浓度时需要对实验条件进行调节。 本文采用的干空气流量控制在3 m 3 h 。 图2 4 拟定的灭火浓度测量装置结构图 2 3 灭火剂的采样装置 2 3 1 引言 烟尘采样器技术条件( m ，r 4 8 - 1 9 9 9 ) 和固定污染源排气中颗粒物测定与气态污 染物采样方法( g b 厂r 1 6 1 5 7 1 9 9 6 ) 中采用重量法测量颗粒物浓度，该方法原理为：由 烟道中抽取一定体积的排气，使之通过玻璃纤维滤筒，排气中的颗粒物被玻璃纤维滤 筒吸收，玻璃纤维滤筒的增重即为已知体积排气中颗粒物重量。称重法中采用的采样 管由采样嘴( 采样嘴入口内径应不小于5 m m ，其加工偏差应不大于0 1 n u n ，入口边 缘厚度应不大于0 2 r a m ，采样嘴锥度应不大于4 5 0 ) 、前弯管、滤筒夹、滤筒、采样 管主体等部分组成；滤筒为玻璃纤维滤筒，由玻璃纤维制成，对0 5 1 h - , a 粒子捕捉效率 应不低于9 9 9 ；滤筒托架；流量计量箱、抽气泵( 抽气泵在1 3 k p a 恒定阻力下以 3 0 l r a i n 。当流量计量装置放在抽气泵出口端时，抽气泵应不漏气) 等设备进行采样。 采样装置如图2 5 所示。 1 南京理工大学硕士论文 超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 1 一采样嘴；2 一前弯管；3 - - 滤简夹压盖；4 一滤筒夹； 5 - - 滤筒夹；6 - - 不锈钢托；7 - - 采样管主体；8 一滤筒 图2 5 玻璃纤维滤简采样管 该方法测量颗粒物浓度的整机要求为： ( 1 ) 各部件的布局合理，结构紧凑，便于携带。 ( 2 ) 各部件之间的连接管，要耐腐蚀，气密性好，拆装维修方便。 ( 3 ) 整个系统的气密性要求：采样器的整个气路应有良好的气密性。流量计量 装置位于抽气泵前时，气路的气密性要求是当系统的负压为6 7 k p a 时，小量程转子 流量计的流量泄漏率不大于0 6 l r a i n 或在3 0 s 内系统负压下降不超过0 2 k p a 。 ( 4 ) 要求流量调节装置操作灵活，对流量控制均匀，流量波动保持在1 0 。 ( 5 ) 计时器要求：计时器可与整机一体，也可作为烟尘采样器附件，计时误差 不大于l 。 ( 6 ) 采样器各零部件应连接可靠，表面无明显缺陷，各操作健纽使用灵活，定 位正确。 2 3 2 采样装置 由于本试验所测超细微粒灭火荆的浓度较大( 一般在l 5 0 9 m ) ，因此在采集固 体颗粒物时时间比标准重量法要大大缩短，故本试验在重量法测颗粒物浓度的基础上 进行适当改变。本文所用采样装置如图2 6 所示。 ( 1 ) 采样管 本试验用p v 塑料管直角弯管代替采样嘴作为采样管。采样时，超细微粒灭火剂 在抽气装置的作用下通过该采样管进入采样装置。 ( 2 ) 滤纸与海绵 本试验用称量纸、玻璃纤维滤纸和密度为2 2 2 6 k g m 3 的聚氨酯海绵代替标准方 1 5 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度测量方法研究 法中的玻璃纤维筒。在一根直径比采样管略小的圆柱体上均匀涂抹一层凡士林，然后 将称量纸包裹在圆柱上并用凡士林封口形成一个纸管，接着轻轻的将纸管抽出，并用 镊子将一圆柱形海绵塞入纸管中 3 4 k l 一电磁阀：2 - - 玻璃纤维滤纸；3 一称量纸； 4 一采样管；5 一橡胶密封套；6 一海绵； 图2 6 采样装置示意图 ( 3 ) 电磁阀 本试验采用杭州金灵电磁阀厂生产的金灵牌z c t j o i i s a 2 5 型电磁阀，电磁阀技 术参数如下；开阀能力1 6 m p a 、使用电压2 2 0 v 、适用介质水、气、油。当采样开始 后打开电磁阀，开始进行采样。当采样结束时，关闭电磁阀，瞬间截断抽气气流，使 采样停止。 ( 4 ) 流量计 本试验采用余姚工业自动化仪器厂生产的l z b 1 0 型玻璃转子流量计进行流量控 制在采样时流量一般控制在0 2 4 m 3 h 。 ( 5 ) 抽气泵 本试验采用浙江森森实业有限公司生产的h o x 1 2 0 型漩涡式充气增氧机作为实 验的抽气泵。该增氧泵的技术参数为；功率1 2 0 w 、风量1 2 m ? h 、风压7 5 k p a 、转 速2 8 2 0 r r a i n 。当采样进行时抽气泵产生负压，使得超细微粒灭火剂在负压作用下进 入采样装置。 ( 6 ) 秒表 本试验采用秒表进行采样时间记录。采样时间通常在2 0 2 5 秒左右。 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火浓度铡量方法研究 2 4 灭火剂浓度激光测定装置研究 2 4 1 激光装置测定原理 根据朗伯比尔定律( l a m b e r t - b e e r ) ，当一束入射光通过一定体积的超细微粒与 空气混合区域时，空气中的超细微粒颗粒物在激光的照射下产生散射光，通过光电转 换器使颗粒物信号转换成相应的电信号，测量颗粒物电信号，并经过数学模型转换， 得出超细微粒颗粒物质量浓度。 流动领域粉末浓度的增加是通过激光衰减的增加来表征的，由式( 2 4 ) 表示： ， = e x p ( 一k a 】三) ( 2 4 ) 0 式中，而一未衰减的激光信号；i 一衰减的激光信号； 口】一粉末浓度； 三一通道长度； k - - 吸收，发散系数( 和颗粒直径、形状和许多其它参数有关) 2 4 2 激光装置组件 ( 1 ) 氦氖激光器 本实验采用南京恒立达光电仪器厂生产的j g l l 型氦氖激光器，激光器输出功 率o 3 0 毫瓦，激光输出光束的焦距可调。 ： ( 2 ) 分光镜 通过分光镜，从光源引出一束激光作为参考光束，利用光电感应器接收光强变化 信息，用以修正因外界光源和电压波动引起的发射光源的衰减和波动。 ( 3 ) 测量窗 本文采用激光直接测量超细微粒灭火剂浓度，测量时在灭火剂通过的管道中间开 一个缺口，用玻璃制成测量窗，并在测量窗两侧对称的位置开两个直径为4 m m 的测 量孔。在测量时让激光光束通过该孔照射在激光接收装置上，如图2 7 所示，以达到 测量超细微粒灭火剂即时浓度的目的。 1 7 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火荆灭火浓度测量方法研究 1 一光电感应器；2 一铡量窗；3 一氦氖激光器；4 一测量孔；5 - - 灭火刺通道； 图2 7 测量窗示意图 ( 4 ) 光电感应器 光电感应器是通过光电二极管将接收到的激光信号转化为电流信号输入到数据 采集装置中去的。 ( 5 ) 数据采集处理装置 本实验采用南京恒立达光电仪器厂生产的h l d l p r - i 型激光透光率测量仪来接 收光电感应器传输过来的光电信号。 2 4 3 激光测定步骤介绍 打开激光发射仪，使激光光束通过测量窗上的测量圆孔后，照射在光电感应器上。 打开数据采集软件，接收激光光强信息。待激光光强稳定后，调节电压至设计数值， 打开氮气阀门，调整压力至0 4 0 5 m p a ，打开进气阀门，调节流量计流量为3m 3 h ， 同时打开供粉机构电源，开始供粉。待供粉稳定后打开抽气泵，然后将采样装置插入 采样口进行采样。采样时打开电磁阍，同时开始计时。待采样时间约为2 0 秒左右时 关闭电磁阀，同时计时结束。 2 5 系统联调 整个激光标定粉末浓度系统的装置如图2 8 所示，系统的联合调试步骤如下： ( 1 ) 采样装置准备 首先在一根直径比采样管略小的圆柱体上均匀涂抹一层凡士林，然后将称量纸包 裹在圆柱上并用凡士林封口形成一个纸管，接着轻轻的将纸管抽出，并用镊子将一圆 、 l r 南京理工大学硕士论文超细微粒灭火剂灭火球度铡量方法研究 柱形海绵塞入纸管中接着制作两片直径与采样管相当的圆形玻璃纤维滤纸。用电子 天平分别称量出海绵纸管、玻纤滤纸和塑料采样嘴的初始重量并记录。然后将玻纤滤 纸、海绵纸管和采样嘴按图2 6 所示装入采样装置。 ( 2 ) 调节激光测量装置 打开氦氖激光器，调节激光输出功率至2 5 毫瓦，然后调节激光束使其会聚于对 面测量端的测定光电感应器上。接着通过调节激光发射源和测定光电感应器下的升降 台，使激光束恰好通过玻璃测量窗上的小孔且不被测量窗遮挡。此时在激光发射源与 测量窗之间放置一个分光镜，引出一部分参考激光束用于进行校准，参考激光束用校 准光电感应器接收。随后将测定光电感应器和校准光电感应器分别接到数据处理仪的 端口一和端口二上。将数据处理仪用通讯线连接至电脑，并打开数据处理仪。在电脑 上打开数据处理软件，设置好基本参数后，开始接收数据( i o ) ，当接收到的数据值 基本稳定后，表明此时激光源发射基本稳定，此时激光测量装置调节成功。 氮气 1 一光电感应器：2 一抽气泵；3 一玻璃转子流量计；4 一电磁阀：5 一玻璃纤维滤纸： 6 一海绵；7 一氮氖激光器；8 一金属筛网；9 一搅拌桨；1 0 - - 供粉电机 。 图