船舶特种细水雾灭火系统中的 微差全引射技术研究
时间：2017-07-19 15:55:43 来源：未知
随着人类环保意识的日益加强,船舶主要依赖的卤代烷灭火系统将很快被淘汰。当前倍受重视的船舶火灾特种细水雾施救技术,是对国际上最新研究的细水雾灭火技术的一种改进。在火灾施救过程中,细水雾灭火技术利用专门研究的新型的微差全引射技术,自动将传统高效灭火剂、专用添加剂等引入灭火系统,与细水雾混合使用,从而实现:第1 ,融合细水雾和传统高效灭火剂各自的多种优势,成倍增加灭火作用方式,保证更为高效的火灾施救效率;第2 ,特种细水雾的生成,既依靠原有的物理作用,也依靠专门设计的化学作用,以降低系统的起雾压力,从而大大降低灭火系统的造价,并提高安全性和可靠性;第3 ,通过专用添加剂的加入,有效减轻灭火造成的污染和毒性,同时也可一定程度上增加灭火作用的方式。因此,对这一新型技术的研究与应用,代表了当今灭火技术研究的最新发展 。有关部门已将其作为船舶火灾施救的重点研究推广技术。
微差全引射技术,是这一新型灭火技术的一个关键。它与传统研究的引射技术有着本质上的区别。本文拟对其设计要领进行较全面的研究,以便为船舶特种细水雾这一新型灭火技术的研究与应用,提供必不可少的技术保障。
1 微差全引射技术的特点及其试验装置
1. 1 微差全引射技术及其特点
引射技术是利用压力较高流体使另一流体压力得以提高的装置,因为具有不直接消耗机械能,结构特别简单,没有任何运动部件,与其它设备连接容易,而且无需人员操作,维护管理极为方便等很多优良性能,早已成了流体力学等很多领域的一种重要的甚至是不可替代的装置 ,并且一直是人们研究的热点。文献[3 ]～[5 ]就是近几年关于引射技术很有价值的研究成果,它们进一步完善了引射理论,拓宽了应用范围。然而,现有的引射技术仍不能满足很多领域的使用要求,比如有些重要军事装备的研制,油田数量巨大的原油气的回收(轻烃回收) ,以及我们研究的特种细水雾灭火系统等,都是离不开引射技术的。相对于这些领域的使用要求,现有引射技术存在2 个致命不足: ①系统的出入口流体压差偏大,也就是压力损失偏大,无法满足这些领域的需要; ②所研究的多级引射技术虽可以解决出入口流体压差偏大的问题,但因其必须要从级间引走部分介质,与这些领域的使用要求不符。因此,设法使引射系统的出入口压差足够小,同时又不从它的级间引走部分介质,就成了必须解决的2 个关键问题。
本文针对以上问题研究的微差全引射技术,是指系统能够满足最佳状态下工作时,前级混合流体正好是后级的全部引射流体,也就是不从级间引走部分介质的多级引射系统。过去由于过分强调了不
从级间引走部分介质对引射效率的不良影响 ,研究的多级引射系统都是要从级间引走(冷凝) 部分介质的这一特殊类型,与它们相比,新型的微差全引射系统的引射效率略有下降,但正是因为它牺牲了一点点效率,才具有了其它任何类型的引射技术都无法同时具备的两大优良性能: ①它不要求从其级间引走部分介质,从而可以满足很多领域对引射技术使用提出的这一必不可少的要求; ②它可通过专门设计,使其出入口流体压力非常接近,如3 级系统即可使出入口压差小于20 % ,从而满足很多领域对引射技术使用提出的又一严格要求。正是由于它的这两大独特性能,使得我们提出的船舶特种细水雾灭火技术的研制成了可能,展现了它广阔的应用前景。
1. 2 微差全引射技术的试验装置
微差全引射系统与引射技术原有研究成果有着本质的区别,其设计制造须遵循自身的特定要求,而这些要求是研究人员最为关心的。为了确定这些特定要求,我们专门就此进行了较全面的研究。图1是研究微差全引射技术的实验装置示意图。该套装置可以完成引射技术3 级、2 级串联的实验,也可进行单级实验。我们以高压水为工作流体,常压水为
图1 研究微差全引射技术的实验装置示意图
引射流体,进行了多种条件下的大量实验。根据实验结果,结合定性、定量分析,总结出了有关微差全引射系统的特定要求和设计要领,它们都是保证系统高效工作的必备条件。
2 微差全引射技术系统设计要领
2. 1 串联级数的确定
通过多级引射器(喷射器) 串联,可以实现较高的压缩比(全压缩比
) ,串联系统中每级引射器(喷射器) 均可实现全压缩比的一部分(分压缩比
) 。串联的级数( N) ,就可直接由全压缩比和分压缩比这2 个数据决定。通常各级的分压缩比是不相同的,如果取其平均值(
) ,则有
实际应用中,全压缩比是设计条件给定的;各级的平均压缩比则可由经验数据大致确定,或者根据各级喷射器的膨胀比和有关流量,利用原有成果求解。通常,串联的级数越多对提高压缩比越有利,但级数越多对设计和管理调试等带来的麻烦越大,因此多数情况下以2 级～3 级串联为宜,一般不宜超过4 级。
2. 2 全压缩比的分配
全压缩比在各级间分配是否合理,既决定着设计的成败,也直接影响到使用的效率。对此问题,过去并无专门研究,只是原苏联索科洛夫等人提到过级间抽走部分介质的这一特殊多级系统的全压缩比分配方法,他们的观点是在各级间均匀分配。
然而,我们的研究表明,均匀分配从纯理论上来讲是合适的,但不适于实际应用,因为它要求各级工作流体压力不同,并须随时调节,因而对使用管理极为不利。所以,为方便使用,全压缩比的分配应该遵循不均匀分配的原则,即由前至后各级压缩比依次减小的原则,从而确保系统中各级引射器可以使用相同压力的同一工作流体,并且安装运行后不必调节。至于由前至后各级压缩比要依次缩小的原因,分析起来较复杂,将连同全压缩比的具体分配方法一起在后面专门分析。
2. 3 各级引射器类型的选择
提高出口混合气压力,缩小出入口压差,这是研制微差全引射系统的根本目的。引射器根据结构特点分为带扩散器和不带扩散器两大类,前者可达到的最高压缩比要明显高于后者,故选用带扩散器的这一类更有利于提压的要求。而就引射器的压缩性能而言,到底应该选用引射器,还是喷射压缩器,或者选用喷射器,这可根据这些类型引射器的特性和前述的各级压缩比范围来选定。结合全压缩比的分配方法,经过分析比较后,可得出选定各级引射器类型的合适方案为:
第1 级———引射器(或喷射压缩器) ;
第2 级———喷射压缩器(或引射器) ;
第3 级———喷射器(或喷射压缩器) 。
2. 4 系统设计点的确定
这一问题,我们在文献[1 ] 中已进行了简单介绍,鉴于其重要性,特再对其进行详细讨论。
保证微差全引射系统工作效率最高时的各流体压力、流量等参数,一般称为设计点参数。由于引射器的实际工作条件(主要是压力、流量等参数) 往往是一个范围,这样就须选择合适的设计点。根据试验结果可以看出,对于按某一给定条件设计的微差全引射系统,只有当工作、引射和压缩流体参数都与设计点完全吻合时才具有最大的引射效率;当膨胀比偏大或压缩比偏小时,引射效率会降低;而当膨胀比偏小或压缩比偏大时,引射效率则会急剧下降,甚至出现倒流现象。这与文献[6 ]所述的关于单级引射器的结论一致,但相比之下微差全引射系统的恶化程度要严重得多。
为此,特别建议在设计微差全引射系统时,不要把设计点选在通常认为的工作范围的中点,而应尽可能选在工作范围的下限或其附近(试验结果表明离下限最大不宜超过工作范围的25 %) ,以保证不会出现实际膨胀比和压缩比偏离设计值过多的最不利情形,从而免去微差全引射系统由于调节而带来的一系列麻烦,并且始终保持较高的效率。特别是在火灾施救现场这样的特殊环境中,往往对便于使用和维护管理有着更高的要求,尤其需要注意设计点的正确选定。
2. 5 主要关键尺寸的计算
引射器的设计涉及很多尺寸计算,计算用的公式习惯上由大量试验数据回归确定。文献[2 ]和[6 ]都提供了单级喷射器设计计算的全套经验公式。在设计多级喷射器时可以套用这些公式,但反复的试验结果表明,喷嘴出口锥角、喷嘴喉长、喷嘴入口直径、喷嘴入口段长、混合室进口直径、混合室喉部长度、混合室总长度、扩压管出口直径、扩压管长、扩压管出口锥角等有关尺寸,如按我们在文献[1 ]中提供的公式计算,将使整套系统具有更高的工作效率。
3 全压缩比分配方法的深入研究
设计微差全引射系统时,确定了串联的级数后,就应确定各级引射器的压缩比大小。而要确定各级的压缩比,关键是要看系统的全压缩比在各级间如何分配。原苏联索科洛夫等人曾提出均匀分配的观点,但未说明原因。我们特就这一分配方法进行了研究,提出了不同的看法。
3. 1 均匀分配———保证最高生产效率的理想方法
全压缩比在各级间均匀分配,即对于N 级串联的引射器,各级压缩比统一取为全压缩比的N 次方根,如全压缩比为8 的3 级串联,每级的压缩比一律取为2。不难分析,这样分配将具有最高的生产效
率,简要分析如下。
为了简便,以2 级串联的情况为例。分析思路:在全压缩比(
) 、引射气体的流量(
) 等客观条件均相同的情况下,分别计算全压缩比在各级间均匀分配和不均匀分配时所需的工作气体的流量,然后比较它们的大小即可。具体分析过程为:
第1 步,设定主要条件。不妨假设
,引射气体压力
,工作气体、引射气体均为空气。
第2 步,选择计算公式:
(1) 流量的计算
式中, G 为引射器吸走Gc1 所需的工作气体总量;Gw1 、Gw2分别为第1 级,第2 级的工作气体流量; u1 、u2 分别为第1 级、第2 级的引射系数。
(2) 各级引射系数的计算
微差全引射系统中的各级引射器显然可以看成是彼此独立的,因此各级的引射系数可完全按照单级引射器在压缩比已知时求解对应引射系数的方法进行[6 ] 。
第3 步,计算分析过程及结果,如表1。
比较表1 结果发现:全压缩比均匀分配时,引射系统吸走同样多的引射气,所需的工作气用量最少。尽管这一结论只是从2 级串联中得出的,但显然它不失普遍性。因此,微差全引射系统的全压缩比在各级间均匀分配,应该是具有最高生产效率的理想分配方法。
3. 2 不均匀分配———便于维护管理的实用方法
3. 2. 1 均匀分配的不实用性分析
均匀分配虽然具有最高的生产效率,但并不实用。这是因为:
第一,微差全引射系统每一后级的引射气就是其前级的混合气,故越往后各级的引射量越大,而大引射量意味着引射器要有较大的引射系数;同时,引射器的引射系数具有随压缩比的增大而减小的特性,如果全压缩比在各级间均匀分配,则后面各级引射器的压缩比相对也较高。因此均匀分配时,后面各级既要保证较大的引射系数,又要保证较大的压缩比,实践证明,这样实现起来的难度很大。
第二,对于实际应用,保证各级引射器工作流体压力一致,即保证各级采用相同压力的同一流体,是一个十分重要的因素。为此,微差全引射系统的全压缩比就不能再在各级间均匀分配。因为均匀分配,各级工作流体压力势必不再相同,而是越往后各级的压力越高,具体高多少还得随工况的变化而变化,无疑这会给使用管理带来极大麻烦。因此,从工程运用角度来看,均匀分配也是难以被推广的。
因此,全压缩比的均匀分配,只有当各级的工作流体压力可以随时随意进行调节时才行得通。这使它的使用大受限制。
3. 2. 2 不均匀分配及不均匀度的建议取值
综上所述,为了便于使用管理,结合表1 结果,微差全引射系统的全压缩比最好遵循不均匀分配———由前至后各级压缩比依次减小的方法。
那么到底应该如何进行不均匀分配呢? 显然,这要完全从理论角度加以分析很不容易。为此,也按惯用的实验分析法,针对常见情形进行了多次实验研究,发现:2 级引射器串联时,第1 级的压缩比
为第2 级的1. 4 倍左右较合适;3 级串联时,第1、2、3 级的压缩比则应按1. 8∶1. 3∶1 的大致比例分配。以3 级串联为例,假设全压缩比为4 ,则各级压缩比大约应是:第3 级为
;第2 级为1. 3 ×1. 2 = 1. 5 ;第1 级为1. 8 ×1. 2 = 2. 2。如果按这样的比例进行分配,则设计制造、维护管理的要求等都可以放松,从而使得制造成本降低,维护管理容易。
4 结 语
文中所述的各项结论,主要是通过大量的试验,同时结合定性分析,专门针对微差全引射系统总结出来的。严格按照这些要领设计,即可确保微差全引射系统一般都能高效率地运行工作,因此对它的研究,是引射理论的进一步完善和发展,也是其应用范围的进一步拓宽。但是,微差全引射系统的其他更深入的理论问题,比如它的基本方程、各种极限状态及其相应的方程等,仍有待于以后继续完善。
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