水霧系統

水霧系統是根據國際海事組織要求，船舶（主要是散化船）在貨物區域，機械設備區域配置的滅火設備的一種，也常套用於客船人員居住處所滅火。

基本介紹

• 中文名：水霧系統
• 水霧分類：I類。Ⅱ類。Ⅲ類細水霧
• 性質：滅火設備的一種
• 作用：代防火、冷卻及船員防護用

水霧系統

水霧系統是根據國際海事組織要求，船舶（主要是散化船）在貨物區域配置的滅火設備的一種。

散化船的水霧系統主要代防火、冷卻及船員防護用。

一般由水泵、水管、閥、水霧噴嘴和其他構件組成，均能耐火併能耐海水腐蝕。

水霧分類

按照噴射水霧中水微粒的大小分布，細水霧可分為3類，I類細水霧：累積百分體積分布曲線全部位於連線Dv0.1=100μm和Dv0.9=200μm連線的左邊，代表了最精細的水霧。Ⅱ類細水霧：是累積百分容積分布曲線的一部分，位於I類噴霧界限以外，但全部在連線Dv0.1= 200μm和Dv0.9= 400μm連線的左邊。這類細水霧可以通過壓力噴射噴頭，雙相流噴頭及許多衝擊式噴頭產生，由於有較大水滴出現，Ⅱ類細水霧更容易產生較大的流量。Ⅲ類細水霧：Dv0.9大於400μm，或者曲線任何部分超過Ⅱ類分界線的右邊(但Dv0.9<1000μm)，這種細水霧主要由中壓、小孔口噴頭、各種衝擊式噴頭產生的，並且它們可以得到較大流量。

滅火分類

介質

單相流系統：是指採用單管供水至每個噴頭的細水霧滅火系統。

雙相流系統：是指水和霧化介質分開來供給並在細水霧噴頭上混合的細水霧滅火系統。

系統壓力

低壓系統：系統管網工作壓力小於或等於1.21MPa的細水霧滅火系統。

中壓系統：系統管網工作壓力大於1.21MPa，小於或等於3.45MPa的細水霧滅火系統。

高壓系統：系統管網工作壓力大於3.45MPa的細水霧滅火系統。

套用方式

局部套用系統：系統被設計和安裝成向保護對象直接噴射細水霧的套用方式。

全空間套用系統：是指設計和安裝成用來保護整個封閉空間裡的所有危險的套用方式。

分區套用系統：系統被設計和安裝成用於保護在一個封閉空間的某個預定部分的危險的套用方式。

動作方式

開式系統(雨淋系統)和閉式系統(即濕式系統、乾式系統和預作用系統)。

供水方式

泵組式系統：採用泵組進行供水的細水霧滅火系統。

容器式系統：採用儲水容器、儲氣容器進行加壓供水的細水霧滅火系統。

保護區多少

組合分配系統：用一套滅火系統保護兩個或兩個以上保護區或保護對象的細水霧滅火系統。

單元獨立系統：用一套滅火系統保護一個保護區或保護對象的細水霧滅火系統。

性能特點

(1)用水量大大降低。通常而言常規水噴霧用水量是水噴淋的70%-90%，而細水霧滅火系統的用水量通常為常規水噴霧的20%以下;

(2)降低了火災損失和水漬損失。對於水噴淋系統，很多情況下由於使用大量水進行火災撲救造成的水漬損失還要高於火災損失;

(3)減少了火災區域熱量的傳播。由於細水霧的阻隔熱輻射作用，有效控制火災蔓延;

(4)電氣絕緣性能更好，可以有效撲救帶電設備火災;

(5)能夠有效撲救低閃點的液體火災

相對於氣體滅火系統

(1)細水霧對人體無害，對環境無影響，適用於有人的場所;

(2)細水霧具有很好的冷卻作用，可以有效避免高溫造成的結構變形，且滅火後不會復燃;

(3 )細水霧系統的水源更容易獲取，滅火的可持續能力強;

(4)可以有效降低火災中的煙氣含量及毒性。

(5)管道管徑較小、節省管材。相對於傳統的自動噴水滅火系統而言，其重量輕，可減少90%。同時，安裝費用也相應降低[17]。

滅火效果

一個是其產生足夠小的水滴的能力，一個是將足夠數量的水分布到整個空間的能力。這兩種能力又受液滴大小、速度分布、衝量以及噴頭幾何特性等因素的影響，同時也受保護對象的幾何形狀和被保護空間大小等其它客觀因素的影響。

細水霧不適合於用水不能撲救的物質如過氧化鉀、過氧化鈉、過氧化鋇、過氧化鎂等過氧化物，因為這些物質遇水將發生劇烈分解反應，放出反應熱，並生成氧氣，這容易與某些有機物、易燃物、輕金屬等因為反應速度過快而發生爆炸；細水霧也不適合於撲救遇水燃燒物質如金屬鉀、鈉，碳化鈣、碳化鋁、碳化鈉、碳化鉀。

細水霧噴頭

不同的噴嘴結構其霧化性能可能有很大差別，有些型式的噴嘴無論如何調整參數都無法達到要求的霧化性能。選擇一種型式的噴嘴，不僅僅要考慮其可能達到的霧化性能，還要考察其結構、加工難度和適用範圍等。廣泛套用於生產和生活中的液體霧化方法中，具有代表性的有以下幾類。

壓力式

將壓力轉化為流體動能以形成高速運動的液柱射流或液膜射流，與周圍低速的氣體介質相遇，液柱或液膜在破碎力與反破碎力的作用下破碎，最後完成霧化。主要包括直流噴頭、單式離心噴頭等。

直流噴頭

直流噴頭在壓差作用下，噴淋液經噴嘴噴出，在流體動力和表面張力的作用下霧化。直流噴頭的噴嘴口徑一般為2～4mm，直徑過小易堵塞，過大霧化效果太差。其噴射錐角一般在5°～15°之間。液滴主要分布在噴嘴軸線附近很窄的範圍內。

‚單式離心噴頭

離心式噴頭典型的有兩種。一種是具有切向進口的離心式噴頭，液體經過噴頭殼體上的切向孔進入離心室，然後由孔口噴出。一種是具有渦旋器的離心噴頭，液體進入螺旋槽，一邊旋轉一邊向下作螺旋線運動，離開噴嘴後，液體微團不再受到內壁的約束，因而沿著軸線和切向運動，形成一個錐形薄膜，即所謂噴射錐。噴射錐角一般為60°～120°。

氣動式

氣動式又稱介質式，利用空氣或蒸汽作霧化介質，將噴出的液體霧化。一般是雙流體噴霧型，有高壓和低壓兩種類型。工作原理是藉助於流動氣體的動能將液柱或液膜吹散，破碎成液滴。

旋轉式

旋轉式又稱轉杯式，將液體注入一個高速旋轉的杯或圓板表面上，藉助於轉杯高速旋轉產生的離心力作用將液體均勻地甩出去，液膜破碎，完成霧化過程。它最主要的優點就是價格低廉而且結構簡單。

對沖式

利用兩股高速液體射流互相衝擊，或一股高速射流與金屬板衝擊進行霧化。

振動式

藉助於聲波、超音波等作用，使液體振動而失穩，進行分裂霧化、破碎成小液滴的噴嘴型式統稱為振動霧化噴嘴。有低頻機械振動霧化噴嘴、超聲振動霧化噴嘴等。由於裝置比較複雜，所以一般只在實驗室和地面工業中使用。

氣泡霧化式

氣泡霧化噴頭採用的方法是在噴頭的出口前設定一氣流管道，管的頭部有一定數量的小孔。氣體在很低的壓力下以很低的速度進入液體場，氣液壓差僅使液體不回流入氣管，液體流經噴口時被氣泡擠壓成薄膜或小碎片，小氣泡從噴口出來後爆裂，這種爆裂相當於給液膜增加了擾動，促使液膜破碎成更小的液滴。

靜電霧化式

將液體加以高壓靜電，使液滴處於電場中帶有電荷，電荷之間的斥力使得液膜表面積擴大，而液體的表面張力又趨於使表面積縮小，當電荷間斥力大於表面張力時，液膜破碎成小液滴。靜電霧化噴頭霧化效果非常好，但是流量特別小，只適合於噴塗、印刷。

霧化方式

噴頭按照霧化方式又可以分為撞擊式水霧噴頭和離心式水霧噴頭。撞擊式水霧噴頭是通過噴嘴的直流水柱噴射到濺水盤上，靠機械力分解成很小的水珠而形成水霧。離心式水霧噴頭以多股高速旋轉的水流和直射水流在通過小口徑噴射時，相互撞擊、打碎。這些極不穩定的細水流不用濺水盤也能分解成小水珠，再從噴嘴噴射而出，形成噴霧。離心式水霧噴頭還可以分為單級離心式和雙級離心式。

選擇原則

工作壓力

與普通觀念不同，不是所有的水霧噴頭都靠高壓成霧，一般的水霧噴頭通常在0.35MPa的工作壓力下就能得到滿意的霧化效果。

在實際套用中，水霧噴頭處於室外，其工作壓力的確定與噴頭的防風性有關。防風性差時，可適當提高起動工作壓力。由於水霧噴頭型號規格的不同，其防風性能也有差異。一般來說，離心式好於撞擊式；雙級離心式好於單級離心式；流量大的好於流量小的；噴霧角小的好於噴霧角大的。

有效射程

水霧噴頭的有效射程一般取決於兩個方面：

(1) 霧滴的初速度。初速度越大，有效射程就大。

(2) 水霧霧滴直徑的大小。霧滴直徑的大小直接關係到霧滴的穿透能力的大小。霧滴直徑大穿透能力強，相對有效射程也就大些。

從這兩個決定因素看，離心式水霧噴頭的有效射程大於撞擊式水霧噴頭。在實際套用中，水霧噴頭保護距離的確定，不單看有效射程，與其噴霧角也有一定的聯繫。考慮到滅火效果和經濟性，噴霧角小的，保護距離可取大一些；反之，取小一些。

安裝方式

相對而言，離心式水霧噴頭的安裝形式比較靈活。噴頭安裝形式可根據滅火要求任意布置。原則是針對保護對象，能有效覆蓋被保護面。普通撞擊式水霧噴頭都是按下垂方式安裝的，其布置原則與標準型噴頭差不多。

適用對象

由於兩種形式的水霧噴頭在成霧原理上的不同，也勢必造成在滅火功能方面的差異。

撞擊式水霧噴頭霧滴較細，霧滴直徑一般在0.2～0.4mm。由於霧滴經濺水盤布水後灑落，其大部分水霧的噴射初速度不快，在空氣中有明顯的漂移，冷卻作用較為顯著。撞擊式水霧噴頭大都用來保護閃點66℃以下的易燃液體、氣體和固體危險區。

離心式水霧噴頭噴射的霧滴較大，一般在0.2-0.3mm左右，霧滴的初速度也更快，水霧對火焰的穿透能力較撞擊式水霧噴頭強。離心式水霧噴頭噴射的霧狀水滴是不連續的、間斷水滴，因而具有良好的高壓絕緣性能。
離心式水霧噴頭的特點是：對油類火災效果良好，對電氣火災能帶電滅火。火災撲滅後，復燃的可能性極小。離心式水霧噴頭通常用來保護閃點66℃以上易燃液體和電氣設備。被廣泛用於變壓器、發電機組、感應器、油浸開關、油槽等的保護[21]。

噴頭類型選擇

離心式噴頭對工作壓力要求比較低，抗干擾能力優於撞擊式噴頭，有效射程大於撞擊式噴頭，採用下垂式安裝，安裝方便，更適用於滅油池火，且離心式噴頭結構簡單、體積小、生產成本低，故本選用離心式噴頭作為實驗噴頭，考慮到增加霧化效果，故在噴頭中加入旋芯來增加渦流，使霧場更均勻。

滅火組成

管網

(1) 配水管安裝噴頭的管道稱配水管管道。

(2) 乾管幹管配水管可採用環狀管道或樹狀。

(3) 供水管供應乾管用水的管道稱供水管，管道應採用防腐蝕的管材，例如採用不鏽鋼管等。

(4) 控制閥控制閥應設在與供水管連線處的乾管上，並且便於人員接近、平常易於檢查、不凍結的地方。在水滅火系統中，能起控制供水、啟動報警器的專用閥門裝置，習慣上稱作報警控制閥。每一噴水滅火系統至少應配備一套報警控制閥，一般由標準閘閥和專用報警閥並聯而成。

過濾器

為防止噴霧頭被雜質堵塞，在水源進入水泵之前或水泵的出水口應設過濾，應根據水源的水質情況，選用過濾網合適的目數。在過濾器處應設有檢查、更換、排除雜質的設施。

報警控制

報警控制裝置在滅火系統中起著監測、控制、報警的作用，並能以光、電等信號顯示，主要由監測器、報警器等組成。

(1) 監測器
包括水流指示器、閥門限位器、壓力監測器和水位監視器等，能分別對管網內的水流、閥門的開啟狀態和消防水池、水箱的水位等進行監測，並能以電信號方式向報警控制器傳送狀態信息。

(2) 報警器
一種靠壓力水驅動的撞擊式警鈴，當報警控制閥開啟時壓力水就進入水力警鈴的渦輪腔，推動渦輪錘打響警鈴，實現在報警控制閥開啟時的報警指示。每個噴水滅火系統必須安裝一套水力警鈴。

配件輔件

為了確保細水霧滅火系統的完整性及施工安裝、使用維修的需要，必須配置一些部件和專用工具，它們包括電磁閥、手動啟動器、管件、快開裝置等。

(1) 電磁閥一般用作為系統自動控制的執行元件。

(2) 手動啟動器凡採用自動開啟的報警閥裝置，必須加設手動啟動器，以防自動控制失靈。手動啟動器的安裝處，應有醒目的標記和操作指示。

細水霧滅火系統的設計參數，目前為止還是以經驗值居多，現階段還不能有全理論的設計參數，其原因是多方面的。一是實際工程中還沒有很確切的火災載荷計算方法，二是噴頭噴水的冷卻效果和測定方法難以確定，三是實際工程中可燃物的燃燒速度較難確定，四是噴嘴在實際火災現場的吸熱時間計算有難度等等。細水霧滅火系統的設計主要是保證足夠多的水及時到達著火部位，並均勻布水，使水起到冷卻降溫，達到滅火的目的[22]。

本章小結

通過對細水霧、細水霧噴嘴、細水霧發生系統的組成的分析研究，可以得出以下結論：

(1)通過對細水霧滅火系統和滅火環境的分析，針對熄滅油池火的需要，確定了選用中低壓細水霧發生系統，以降低對設備的要求，節約成本。

(2)根據噴頭的選擇原則，選用離心式加旋芯噴嘴作為細水霧發生器，以滿足在較低的滅火壓力下產生較好的霧場。

(3)細水霧滅火技術越來越多地被運用和開發，細水霧滅火技術的研究包括細水霧的系統組成、系統設計最佳化、系統內各部件的最佳化、噴嘴的最佳化，這些對提高細水霧滅火效果都將有很大的意義。

(4)細水霧噴嘴是細水霧滅火系統的關鍵部件，對細水霧噴嘴的研究及最佳化，是細水霧滅火系統研究的重要組成部分，對細水霧系統的最佳化，有重要的意義，對細水霧噴嘴的最佳化研究，需要研究水霧的生成機理。

實驗平台

本實驗是在2.5m×2.5m×3m的受限空間內進行。實驗裝置如圖3-1所示。受限空間的框架屬於鋼結構，為了便於觀察，受限空間的四個面裝上玻璃，為了減少實驗對受限空間的損害，玻璃採用鋼化玻璃。煙道全部是由鋼製成，直接與受限空間相連。它由集煙罩和煙囪兩個部分組成。集煙罩是錐形的，它用來收集在實驗過程中生成的所有燃燒產物。在它的側面打一個孔，可以放置煙氣感測器探頭，用來採集煙氣成分，頂部安裝抽出式風機。

實驗系統圖

數據採集系統 數據採集系統由煙氣成分採集系統和溫度變化採集系統組成。煙氣成分採集系統包括M-9000型燃燒分析儀、計算機和數據接收軟體；溫度變化採集系統包括USB溫度採集儀和熱電偶。

火焰溫度分布情況採用熱電偶來測定。將5根熱電偶固定到熱電偶樹上，在距離油盤的上表面中心0.05m處布置一個熱電偶，並沿著表面中心線向上每隔0.10m布置一個熱電偶，各個熱電偶依次編為1、2、3、4、5號。這些熱電偶主要是用來觀察細水霧施加前後火焰溫度分布及其變化情況，對不同實驗條件下細水霧的滅火效果進行比較。熱電偶接在USB溫度採集儀上，溫度採集儀每隔1秒採集一次數據，通過數據線連線到計算機，自動記錄溫度。

氣體成分及濃度測定採用M-9000型燃燒分析儀，它是一種小型便攜、快速分析、測量煙氣成份的新型分析儀器，可同時測量排煙溫度、煙氣中的氧(O2)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、微壓(⊿P)等參數，計算二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、空氣過剩係數(α)、α=1時的一氧化碳值(CO′)、燃燒效率(η)，並具有計算機通訊口(RS232),可實現與計算機的通訊聯網。

LS-2000系列分體式雷射霧化液滴粒度分析儀是在顆粒測量技術研究及雷射顆粒儀研製的基礎上研製的一種新型雷射霧化液滴粒度分析儀。它是基於雷射顆粒前向散射原理。當一束雷射束照射到被測液滴時，受液滴的散射作用，雷射會向四面八方散射，其中大部分散射光能量處於前向方向。根據光散射理論及反演算法對測得的散射光能分布數據進行處理，就可以得到被測液滴的粒度分布。

實驗過程

燃料試樣選用煤油。燃料用直徑為0.30m、深度為0.025m的油盤盛裝，每次所用的燃料試樣均為750ml，油盤位於噴頭正下方。細水霧噴頭距液體面高2.8m垂直向下。鎧裝熱電偶沿試樣中心線布置，間距均為10cm，用收集法測量了細水霧的耗水量2.894L/min(在壓力為1.8MPa時)，實驗時環境溫度10 ℃。

在做實驗之前，首先依次檢查電路、管路的連線狀況和實驗設備的工況，以確保儀器正常運轉；向油池倒入少量酒精，然後點燃油池火，經過大約50s的預燃時間，油池火達到穩定燃燒階段後，熱電偶溫度達到700 ℃開始釋放細水霧。火焰熄滅後，關閉閥門，打開排煙通道。等待25min左右，即受限空間內空氣恢復原始工況後，再開始第二次實驗，這期間整理相關實驗記錄，做好存儲以便分析。在實驗後重新點燃了燃燒池中的剩餘燃料，以便確認池火確實是被細水霧抑制熄滅的，而不是燃料燒完而致使火熄滅的。實驗時，通過改變產生細水霧的壓力和噴頭型號，研究細水霧抑制熄滅煤油池火的結果。重複上述實驗步驟，最後對採集的實驗數據進行處理，做出曲線圖，對實驗結果進行分析。

滅火時間是實驗中十分關鍵的一個參數。因為滅火時間的長短直接反映了細水霧滅火效率以及其有效性，同時間接地反映著細水霧與火焰相互作用的機理。在本實驗中是通過秒表紀錄不同工況下細水霧的滅火時間，也可用序列攝像照片來進行驗證，以得到不同工況條件對滅火效率的影響。同時，分析熱電偶的溫度變化曲線，根據細水霧施加的位置、火焰熄滅瞬間的位置，即由其橫坐標值，即可確定火焰熄滅時間。

實驗步驟

（1）在房頂中心所處的垂線位置固定細水霧噴頭，並確保噴頭與油盆之間的距離Lp可調(由於實驗室噴頭位置固定，可以用墊高油盆的方法來解決)。油盆放在房間的地面上，以噴頭位置為基點，油盆相對噴頭的坐標可用噴頭高度Lp和徑向距離R表示。

（2）實驗採用煤油作為燃燒物質。燃燒模型由圓形油盆內放入煤油構成。油盆材料為鋼板，直徑為300 mm，壁厚為2.0～3.0 mm，深度不小於200 mm，油層厚度約為30 mm。

（3）在油盆正上方距離地面150 mm高度處，布置了1號熱電偶，然後沿豎直方向以150 mm為間隔，連續布置了3個熱電偶(從下到上分別是熱電偶2至熱電偶4)。這些熱電偶間距可調(可根據需要增加或減少熱電偶的數量)，固定在一個可移動的支架上。當改變油盆位置時，該支架隨之移動，以確保這4個熱電偶始終處於油盆正上方。

（4）在每次實驗中，首先啟動溫度採集系統，接著將油盆點燃，當距離油盆150 mm的1號熱電偶溫度讀數到500 ℃時，釋放細水霧進行滅火。實驗在撲滅火焰後繼續噴霧10 s來降溫、降塵，然後停止噴霧並排煙、通風。如果細水霧噴霧時間超過60 s仍然無法撲滅火焰，結束噴霧，打開門窗和排煙風機通風，人工撲滅殘餘火焰。

結果分析

細水霧的釋放能明顯改變火羽流的流動，同時影響火焰結構。在大量的滅火實驗後，通過觀察和實驗數據，可以將細水霧的滅火過程分為3個階段：初始不穩定階段，突然的冷卻階段，逐漸冷卻階段。如圖3-2所示
在初始不穩定階段，細水霧剛剛噴出，進入火羽流的上部冷卻羽流，所以高處的熱電偶測得的溫度有明顯的下降，其他熱電偶溫度沒有太大影響，此時火焰蒸發掉大多數的水霧，少量的粒徑大的水霧可以穿過進入火羽流中心。火羽流在細水霧的作用下劇烈晃動，甚至會拉伸火焰，這個階段一般維持在3-6秒，細水霧流量或霧通量越大，壓力越大，一般這個階段就比較短。之後細水霧的持續噴射將火焰高度壓低。若細水霧壓力低，流量小而滅火失敗，這個時期就比較長。

在突然冷卻階段，火焰高度，溫度，大幅度降低。這是由於細水霧大量進入火焰中心，甚至能落入油麵，降低油溫，使油的熱解速度降低，燃料不足，火焰難以維持，同時蒸發細水霧變成水蒸氣稀釋了火焰周圍的空氣，可燃氣體與氧氣濃度降低，細水霧覆蓋了整個火焰，火焰周圍的溫度也大幅度降低，這些都有利於滅火。火焰通常在7~20秒內熄滅。

在逐漸冷卻階段，受限空間內的溫度逐漸回落，恢復到初始溫度。