CN114217009A - 一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，可以为气相、液相灭火剂性能评估提供实验环境。该装置包括风机、送风管道、风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块、风洞固定支架、扩散整流段、沉降收缩段、燃烧室、排烟通道、数据采集与控制模块、燃料供应模块、循环冷却水供应模块、温度采集模块、颗粒粒径与速度测量模块、气体检测模块。本发明可开展灭火剂性能评估实验，例如可进行五氟乙烷、2‑BT等灭火剂性能评估实验。

Description

一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置
技术领域
本发明涉及灭火剂性能评估领域，特别涉及一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置。
背景技术
随着社会发展进步，火灾场景变得复杂化和多样化，对灭火剂灭火效能提出了更高要求，因此对灭火剂进行灭火性能评估、测试灭火能力显得尤为重要。
现有灭火剂性能测试装置，例如中国专利“一种适用于蒸气态灭火剂灭火效能测试的杯式燃烧器”(CN103901156B)中所述杯式燃烧器只能开展蒸气态的灭火剂性能测试实验，而不能进行其他相态灭火剂性能评估。中国专利“一种超细干粉灭火剂效能测试装置及方法”(CN112345688A)中所述灭火剂效能测试装置受限于粉体灭火剂。中国专利“一种含添加细水雾灭火有效性能评估的实验装置及实验方法”(CN104614485)所述实验装置没关注气态灭火剂性能测试，不利于实验装置多功能应用，并且没有监测管道内风量、风压，不利于开展气流参数变化对灭火效能影响研究。
本发明可适用于气体、液体灭火剂性能测试实验，例如可开展五氟乙烷、全氟己酮、2-BTP等灭火剂性能评估实验。
发明内容
为了实现同一装置可进行气体、液体灭火剂性能评估的目标，本发明提出了一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置。
本发明采用的技术方案为：一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，包括风机、送风管道、风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块、风洞固定支架、扩散整流段、沉降收缩段、燃烧室、排烟通道、数据采集与控制模块、燃料供应模块、循环冷却水供应模块、温度采集模块、颗粒粒径与速度测量模块、气体检测模块，风机进风口与送风管道连接，输送风量；风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块安装在送风管道壁面；送风管道出风口与扩散整流段连接；扩散整流段与沉降收缩段连接；燃烧室安装在沉降收缩段出风口处；燃烧室内安装了多孔燃烧器，多孔燃烧器内部含燃料通道和冷却水通道，燃料由燃料供应模块提供，冷却水由循环冷却水供应模块提供，燃烧室由一块铝板和三块石英玻璃组成，为颗粒粒径与速度测量模块提供了良好的测量环境，通过将一侧的石英玻璃更换成带缝隙钢板为温度测量模块提供测量路径；整个风洞安装在风洞固定支架上；燃烧室出口上方设置有排烟通道，排烟管道壁面上连接着气体检测模块；风压监测、风量监测、流量控制、温度输出等由数据采集与控制模块监测控制。
其中，所述风机，作为风源，用于产生特定风量；
通过手动调节、数据采集与控制模块调节产生特定风量。
其中，所述风压测量模块和风量测量模块能实时监测管道内风压和风量。
其中，所述灭火剂输送模块用于将气体灭火剂注入气流中；其采用直径为1/4英寸的钢管连接，钢管末端含1/4英寸卡套接头；对于气体灭火剂，采用质量流量计控制流量，出口处连接多孔零件，多孔零件能够均匀地将灭火剂扩散至气流中。
其中，所述风洞固定支架用于固定整个风洞，其由铝型材搭建而成，将装置稳定固定于地面。
其中，所述扩散整流段，用于降低气流流速，使湍流变成层流；所述沉降收缩段，用于安装雾化器，将液体灭火剂注入风洞内，沉降大颗粒灭火剂液滴，出风口收缩设置可提高气流流速；所述扩散整流段和沉降收缩段呈对称分布，扩散整流段能够产生均匀平稳气流，沉降收缩段内含夹持器，用于夹持雾化喷头，沉降收缩段能使大颗粒液滴沉降在风洞内部。
其中，所述燃烧室由三块石英玻璃和一块铝板组成，含多孔燃烧器，燃烧器内含冷却水通道，燃烧器滤芯为半开放焊接密封。
其中，所述排烟通道用于将实验烟气排至外部环境。
其中，所述数据采集与控制模块用于调节风机风量、控制气体灭火剂流量、控制气体燃料流量、监测热电偶输出温度、控制颗粒粒径与速度测量模块的测量工作，并显示测量数据。
其中，所述燃料供应模块能够定量输送可燃气体。
其中，所述循环冷却水供应模块，用于向燃烧器输送冷却水，避免燃料未到达燃烧区提前分解；其包括水泵、输水管、冷却水容器，能够持续的供应冷却水。
其中，所述温度采集模块包括热电偶、升降台和电机控制器，控制热电偶测量竖直方向上的火焰温度，并且将温度数据传送到数据采集与控制模块。
其中，所述颗粒粒径与速度测量模块，用于测量灭火剂液滴的速度与粒径变化；其采用相位多普勒粒子分析仪，包括激光发生器、激光发射探头、激光接收探头，激光发射探头发出的激光穿过石英玻璃被接收探头接收，并将测量数据输送到数据采集与控制模块。
其中，所述气体检测模块，用于检测灭火剂与火焰作用后的气体产物；其将气体分析仪测量探头与烟气管道上的1/4英寸NPT外螺纹卡套接头连接，通过对实验烟气的抽取测量气体成分。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本实验装置可完成对气体、液体灭火剂的性能评估测试，通过改变灭火剂的注入方式进行灭火剂性能测试，气体灭火剂由灭火剂输送模块输送至气流中，液体灭火剂由雾化器注入气流中。此外，本实验装置还能对灭火剂临界吹熄值进行定量表征：在含一定量灭火剂的气流中，逐渐增加风速，直到火焰突然转变成尾焰，设此时的临界风速为U，通过ac＝2U/R计算得到临界火焰拉伸率ac，其中，R为燃烧器半径，依据ac定量判断灭火剂的灭火性能，即ac越小灭火剂灭火效果越显著。
2、相比于文献《Dispersed Liquid Agent Fire Suppression ScreenApparatus》中的DLAFSS采用涂抹高温防火材料进行燃烧器密封的方式，本发明中采用氩弧堆焊进行燃烧器密封，延长了燃烧器使用寿命，使其能够经受更高温度，并在高温下能够长期运行，但氩弧堆焊热影响区域大，易造成滤网变形，对加工技术要求较高。此外，燃烧室采用耐高温石英玻璃作为观察窗，便于PDPA测量；采用升降式温度测量方法，可多点测量竖直方向上的火焰温度；有完善的风量测量模块、风压测量模块以及排烟通道设计，能实时监控管道风量、风压，利用热线风速仪测量装置出口处风速v，结合装置出口面积S，计算得到出口处风量L＝vS，利用风量测量模块测量得到管道内风量，并与出口处风量L进行对比、校准。
3、对于气体灭火剂的注入，本发明采用了扩散式灭火剂输送模块设计，可通过1/4英寸卡套接头直接与灭火剂管路连接，灭火剂输送模块末端连接多孔消声器部件，能将灭火剂均匀扩散到气流中。
附图说明
图1为一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其中，1为风机，2为送风管道，3为风压测量模块，4为风量测量模块，5为灭火剂输送模块，6为风洞固定支架，7为扩散整流段，8为沉降收缩段，9为燃烧室，10为排烟通道，11为数据采集与控制模块、12为燃料供应模块、13为循环冷却水供应模块、14温度采集模块、15为颗粒粒径与速度测量模块、16为气体检测模块。
图2为灭火剂输送模块内部结构图；
图3为蜂窝整流器和夹持器图，其中，7-1为蜂窝整流器，8-1为夹持器；
图4为燃烧器整体图和剖视图，其中，9-1为燃烧器支撑段，9-2为滤芯，9-3为燃料进料段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明为一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，包括风机1、送风管道2、风压测量模块3、风量测量模块4、灭火剂输送模块5、风洞固定支架6、扩散整流段7、沉降收缩段8、燃烧室9、排烟通道10，数据采集与控制模块11、燃料供应模块12、循环冷却水供应模块13、温度采集模块14、颗粒粒径与速度测量模块15、气体检测模块16，其中，扩散整流段7包含蜂窝整流器7-1，燃烧室包含燃烧器支撑段9-1、滤芯9-2、燃料通道9-3，上述各部分通过机械连接、电路连接及气路连接成实验设备。
其中，风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块安装在送风管道壁面；送风管道出风口与扩散整流段连接；扩散整流段与沉降收缩段连接；燃烧室安装在沉降收缩段出风口处；燃烧室内安装了多孔燃烧器，多孔燃烧器内部含燃料通道和冷却水通道，燃料由燃料供应模块提供，冷却水由循环冷却水供应模块提供，燃烧室由一块铝板和三块石英玻璃组成，为颗粒粒径与速度测量模块提供了良好的测量环境，通过将一侧的石英玻璃更换成带缝隙钢板为温度测量模块提供测量路径；整个风洞安装在风洞固定支架上；燃烧室出口上方设置有排烟通道，排烟管道壁面上连接着气体检测模块；风压监测、风量监测、流量控制、温度输出等由数据采集与控制模块监测控制。
优选的，风机1为GZLING、型号2RB840-7HH27的涡流风机，最大功率和赫兹分别为8.6kW、60Hz，风机1出风口与最大管径为110mm的不锈钢送风管道2采用螺纹连接，送风管道2的长度为210cm，送风管道2出风口与扩散整流段7采用不锈钢法兰连接，法兰与管道口处采用内径为110mm的橡胶垫圈进行密封加固。
优选的，风压测量模块3、风量测量模块4采用机械连接方法安装在送风管道2壁面上。其中，风压测量模块3采用SIEMENS、型号QBE2103-P1压力传感器测量风压，通过螺纹连接固定在送风管道壁面；风量测量模块4采用HKFCTMF-100型热式气体质量流量计测量风量，通过螺纹连接固定在送风管道壁面。灭火剂输送模块5通过将NPT1/4英寸穿板接头以焊接的方式贯穿固定在送风管道2的壁面上，管道内部为1/4英寸不锈钢管，钢管与穿板接头通过卡套连接的方式固定在壁面，管道内剖面结构如图2所示。当灭火剂为气体时，管路末端连接多孔结构，以便灭火剂能更均匀的扩散到气流中，本实施例中，采用1/4英寸全铜消声器连接到管路末端。
优选的，风洞固定支架6由50×50cm的带孔铝板和14根铝型材组成，分别为8根20×20×790mm铝型材、4根30×30×320mm铝型材、2根20×20×400mm铝型材，铝型材之间通过角件固定，铝型材与铝板间通过M6内六角螺钉连接固定。
本实施例中，扩散整流段7外壁由热塑聚碳酸酯(PC)组成，PC板之间采用无影胶和M4螺钉连接，高度50cm的扩散整流段7内含蜂窝整流器7-1，蜂窝整流器7-1由30×30×15cm的PP材料制成，内部含直径4mm的圆形孔洞。
优选的，沉降收缩段8由热塑聚碳酸酯(PC)组成，PC板之间采用无影胶和M4螺钉连接，高度50cm的沉降收缩段8内含直径8cm、长30cm的夹持器，在进行液体灭火剂性能评估实验时，可用于夹持雾化器，其中，本实施例采用进液范围0.2-2.5mL/min的PEEK雾化器。
优选的，燃烧室9为10×10×20cm的立方体结构，四面由三块带铝框的石英玻璃和一块铝板组成，带铝框石英玻璃的尺寸为100×178×4mm，铝板尺寸为200×100×8mm，石英玻璃的铝框和铝板之间采用M4内六角螺丝连接。铝板与对侧的石英玻璃在距底边4cm的高度上开有直径15.8mm的圆孔，总长度214mm的多孔燃烧器贯穿于圆孔内，燃烧器结构图如图4所示，燃烧器由燃烧器支撑段9-1、滤芯9-2、燃料进料段9-3三部分组成，燃烧器滤芯为半密闭的不锈钢多孔结构，密封面采用氩弧堆焊进行密封焊接，燃料进料段9-3内含直径1.6mm的燃料通道和直径3.2mm的冷却水通道，在冷却水入口、冷却水出口、进料口处焊接有1/8英寸NPT外螺纹接头，用于与外部管路连接。
优选的，排烟通道10由内径为150mm的不锈钢管构成，排烟通道10将烟气运送至烟气净化装置，净化后的烟气直接排放至大气中。
优选的，燃料供应模块12由丙烷气瓶、七星华创丙烷气体流量计、减压阀、燃料输送管路通过卡套连接成输送系统，流量计定量输出由数据采集与控制模块11控制。
优选的，循环冷却水供应模块13由Kamoer型号KHM-1283N16水泵、容量1L的烧杯和输送软管组成，各部分通过1/4英寸卡套连接成系统。水泵从烧杯中抽取冷却水，由输送管路运送至燃烧器，经过冷却水通道后，再由管路输送回到烧杯中，形成冷却水循环。
优选的，温度测量模块14由北光世纪SC100步进电机控制器、剪式升降台、R型热电偶组成。通过内径8mm的管夹将热电偶固定在升降台上，测量温度时，可通过计算机或者手动操作控制热电偶升降，以便实现多点火焰温度测量。
优选的，颗粒粒径与速度测量模块15采用丹迪PDPA设备进行测量，该装置由激光器、激光发射探头、激光接收探头、信号处理器组成，可测量的粒子速度范围为-140m/s-450m/s，速度测量不确定度≤3‰；粒径测量范围为1-1000um。
优选的，气体检测模块16采用了逸云天手提式氟化氢PM 600-HF气体检测仪，气体检测仪通过1/4英寸卡套连接固定在排烟通道壁面。实验时能够持续性抽吸气体，进行实时气体分析。
优选的，选择五氟乙烷进行气体灭火剂性能评估，其他气体灭火剂均可依照以下实验步骤进行性能评估：
(1)将风机1、送风管道2、风压测量模块3、为风量测量模块4、灭火剂输送模块5、风洞固定支架6、扩散整流段7、沉降收缩段8、燃烧室9、排烟通道10、数据采集与控制模块11、燃料供应模块12、循环冷却水供应模块13、温度采集模块14、颗粒粒径与速度测量模块15、气体检测模块16依次连接成一种适用于气体、液体灭火剂性能评估装置；
(2)启动数据采集与控制模块11，将五氟乙烷通过气体管路连接至灭火剂输送模块5，并使用量程为40L/min的七星华创气体流量计控制灭火剂流量，本实验中设定的流量为8L/min；
(3)将丙烷气瓶通过气路连接至燃料供应模块12，并使用量程为10L/min的七星华创气体流量计控制丙烷流量，本实验中设定的流量为1.5L/min；
(4)将靠近温度测量模块14的石英玻璃更换成中间含3mm缝隙的不锈钢板，将R型热电偶伸至燃烧器下方，并固定在升降台上；
(5)依次打开冷却水泵、丙烷气体流量计，利用点火器点燃燃烧器；打开风机将初始风量设置为1Hz，启动灭火剂输送模块5，先以0.5Hz增量增加风速，当火焰接近吹熄时，再将增量减小为0.1Hz。在此过程中，控制剪式升降台上的热电偶测量不同风速下的火焰最大温度；
(6)持续增加风速，直到火焰从稳定包络火焰突然转变成尾焰，此时的风速为该灭火剂流量下的吹熄风速U，通过ac＝2U/R定量计算临界火焰拉伸率ac，其中，R为燃烧器半径，依据ac可定量判断灭火剂的灭火性能，即ac越小灭火剂灭火效果越显著；
(7)记录数据采集与控制模块11、温度测量模块14、气体监测模块16的数据，并进行分析。
优选的，选择2-BTP进行液体灭火剂性能评估，其他液体灭火剂均可依照以下实验步骤进行性能评估：
(1)将风机1、送风管道2、风压测量模块3、风量测量模块4、灭火剂输送模块5、风洞固定支架6、扩散整流段7、沉降收缩段8、燃烧室9、排烟通道10、数据采集与控制模块11、燃料供应模块12、循环冷却水供应模块13、温度采集模块14、颗粒粒径与速度测量模块15、气体检测模块16依次连接成一种适用于气体、液体灭火剂性能评估装置；
(2)利用量程60mL的注射器抽取30mL的2-BTP，将注射器安装在哈佛11Elite注射泵上，并将注射泵的注射率设置为1mL/min，将注射器的针嘴与PEEK雾化器进液管道连接，雾化器进气管道的空气流量由量程10L/min七星华创空气流量计控制，设定值为1L/min；
(3)将丙烷气瓶通过气路连接至燃料供应模块12，并使用量程为10L/min的七星华创气体流量计控制丙烷流量，本实验中设定的流量为1.5L/min；
(4)依次打开冷却水泵、丙烷气体流量计、注射泵，利用点火器点燃燃烧器；打开风机将初始风量设置为1Hz，启动注射泵，先以0.5Hz增量增加风速，当火焰接近吹熄时，再将增量减小为0.1Hz；在此过程中，启动颗粒粒径与速度测量模块15，将测量点调节至燃烧器正下方合适距离处；
(5)进行温度测量时，将靠近温度测量模块14的石英玻璃更换成中间含3mm缝隙的不锈钢板，将R型热电偶伸至燃烧器下方，并固定在升降台上；测量过程中，控制剪式升降台上的热电偶测量不同风速下的火焰最大温度；
(6)持续增加风速，直到火焰从稳定包络火焰突然转变成尾焰，此时的风速为该灭火剂流量下的吹熄风速U，通过ac＝2U/R定量计算临界火焰拉伸率ac，其中，R为燃烧器半径，依据ac可定量判断灭火剂的灭火性能，即ac越小灭火剂灭火效果越显著；
(7)记录数据采集与控制模块11、温度测量模块14、气体监测模块16的数据，并进行分析。
本领域的技术人员容易理解，上述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，包括风机、送风管道、风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块、风洞固定支架、扩散整流段、沉降收缩段、燃烧室、排烟通道、数据采集与控制模块、燃料供应模块、循环冷却水供应模块、温度采集模块、颗粒粒径与速度测量模块、气体检测模块，风机进风口与送风管道连接，输送风量；风压测量模块、风量测量模块、灭火剂输送模块安装在送风管道壁面；送风管道出风口与扩散整流段连接；扩散整流段与沉降收缩段连接；燃烧室安装在沉降收缩段出风口处；燃烧室内安装了多孔燃烧器，多孔燃烧器内部含燃料通道和冷却水通道，燃料由燃料供应模块提供，冷却水由循环冷却水供应模块提供，燃烧室由一块铝板和三块石英玻璃组成，为颗粒粒径与速度测量模块提供了良好的测量环境，通过将一侧的石英玻璃更换成带缝隙钢板为温度测量模块提供测量路径；整个风洞安装在风洞固定支架上；燃烧室出口上方设置有排烟通道，排烟管道壁面上连接着气体检测模块；风压监测、风量监测、流量控制、温度输出等由数据采集与控制模块监测控制。
2.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述风机，作为风源，用于产生特定风量；
通过手动调节、数据采集与控制模块调节产生特定风量。
3.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述风压测量模块和风量测量模块能实时监测管道内风压和风量。
4.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述灭火剂输送模块用于将气体灭火剂注入气流中；其采用直径为1/4英寸的钢管连接，钢管末端含1/4英寸卡套接头；对于气体灭火剂，采用质量流量计控制流量，出口处连接多孔零件，多孔零件能够均匀地将灭火剂扩散至气流中。
5.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述风洞固定支架用于固定整个风洞，其由铝型材搭建而成，将装置稳定固定于地面。
6.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述扩散整流段，用于降低气流流速，使湍流变成层流；所述沉降收缩段，用于安装雾化器，将液体灭火剂注入风洞内，沉降大颗粒灭火剂液滴，出风口收缩设置可提高气流流速；所述扩散整流段和沉降收缩段呈对称分布，扩散整流段能够产生均匀平稳气流，沉降收缩段内含夹持器，用于夹持雾化喷头，沉降收缩段能使大颗粒液滴沉降在风洞内部。
7.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述燃烧室由三块石英玻璃和一块铝板组成，含多孔燃烧器，燃烧器内含冷却水通道，燃烧器滤芯为半开放焊接密封。
8.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述排烟通道用于将实验烟气排至外部环境。
9.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述数据采集与控制模块用于调节风机风量、控制气体灭火剂流量、控制气体燃料流量、监测热电偶输出温度、控制颗粒粒径与速度测量模块的测量工作，并显示测量数据。
10.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述燃料供应模块能够定量输送可燃气体。
11.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述循环冷却水供应模块，用于向燃烧器输送冷却水，避免燃料未到达燃烧区提前分解；其包括水泵、输水管、冷却水容器，能够持续的供应冷却水。
12.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述温度采集模块包括热电偶、升降台和电机控制器，控制热电偶测量竖直方向上的火焰温度，并且将温度数据传送到数据采集与控制模块。
13.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述颗粒粒径与速度测量模块，用于测量灭火剂液滴的速度与粒径变化；其采用相位多普勒粒子分析仪，包括激光发生器、激光发射探头、激光接收探头，激光发射探头发出的激光穿过石英玻璃被接收探头接收，并将测量数据输送到数据采集与控制模块。
14.如权利要求1所述的一种适用于气体、液体灭火剂性能评估的装置，其特征在于，所述气体检测模块，用于检测灭火剂与火焰作用后的气体产物；其将气体分析仪测量探头与烟气管道上的1/4英寸NPT外螺纹卡套接头连接，通过对实验烟气的抽取测量气体成分。
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