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船舶特種細水霧滅火系統中的 微差全引射技術研究

時間:2017-07-19 15:55:43 來源:未知

 隨著人類環保意識的日益加強,船舶主要依賴的鹵代烷滅火系統將很快被淘汰。當前倍受重視的船舶火災特種細水霧施救技術,是對國際上最新研究的細水霧滅火技術的一種改進。在火災施救過程中,細水霧滅火技術利用專門研究的新型的微差全引射技術,自動將傳統高效滅火劑、專用添加劑等引入滅火系統,與細水霧混合使用,從而實現:第1 ,融合細水霧和傳統高效滅火劑各自的多種優勢,成倍增加滅火作用方式,保證更為高效的火災施救效率;第2 ,特種細水霧的生成,既依靠原有的物理作用,也依靠專門設計的化學作用,以降低系統的起霧壓力,從而大大降低滅火系統的造價,并提高安全性和可靠性;第3 ,通過專用添加劑的加入,有效減輕滅火造成的污染和毒性,同時也可一定程度上增加滅火作用的方式。因此,對這一新型技術的研究與應用,代表了當今滅火技術研究的最新發展 。有關部門已將其作為船舶火災施救的重點研究推廣技術。
微差全引射技術,是這一新型滅火技術的一個關鍵。它與傳統研究的引射技術有著本質上的區別。本文擬對其設計要領進行較全面的研究,以便為船舶特種細水霧這一新型滅火技術的研究與應用,提供必不可少的技術保障。
 
1  微差全引射技術的特點及其試驗裝置
1. 1  微差全引射技術及其特點
引射技術是利用壓力較高流體使另一流體壓力得以提高的裝置,因為具有不直接消耗機械能,結構特別簡單,沒有任何運動部件,與其它設備連接容易,而且無需人員操作,維護管理極為方便等很多優良性能,早已成了流體力學等很多領域的一種重要的甚至是不可替代的裝置 ,并且一直是人們研究的熱點。文獻[3 ]~[5 ]就是近幾年關于引射技術很有價值的研究成果,它們進一步完善了引射理論,拓寬了應用范圍。然而,現有的引射技術仍不能滿足很多領域的使用要求,比如有些重要軍事裝備的研制,油田數量巨大的原油氣的回收(輕烴回收) ,以及我們研究的特種細水霧滅火系統等,都是離不開引射技術的。相對于這些領域的使用要求,現有引射技術存在2 個致命不足: ①系統的出入口流體壓差偏大,也就是壓力損失偏大,無法滿足這些領域的需要; ②所研究的多級引射技術雖可以解決出入口流體壓差偏大的問題,但因其必須要從級間引走部分介質,與這些領域的使用要求不符。因此,設法使引射系統的出入口壓差足夠小,同時又不從它的級間引走部分介質,就成了必須解決的2 個關鍵問題。
本文針對以上問題研究的微差全引射技術,是指系統能夠滿足最佳狀態下工作時,前級混合流體正好是后級的全部引射流體,也就是不從級間引走部分介質的多級引射系統。過去由于過分強調了不
從級間引走部分介質對引射效率的不良影響 ,研究的多級引射系統都是要從級間引走(冷凝) 部分介質的這一特殊類型,與它們相比,新型的微差全引射系統的引射效率略有下降,但正是因為它犧牲了一點點效率,才具有了其它任何類型的引射技術都無法同時具備的兩大優良性能: ①它不要求從其級間引走部分介質,從而可以滿足很多領域對引射技術使用提出的這一必不可少的要求; ②它可通過專門設計,使其出入口流體壓力非常接近,如3 級系統即可使出入口壓差小于20 % ,從而滿足很多領域對引射技術使用提出的又一嚴格要求。正是由于它的這兩大獨特性能,使得我們提出的船舶特種細水霧滅火技術的研制成了可能,展現了它廣闊的應用前景。
 
1. 2  微差全引射技術的試驗裝置
微差全引射系統與引射技術原有研究成果有著本質的區別,其設計制造須遵循自身的特定要求,而這些要求是研究人員最為關心的。為了確定這些特定要求,我們專門就此進行了較全面的研究。圖1是研究微差全引射技術的實驗裝置示意圖。該套裝置可以完成引射技術3 級、2 級串聯的實驗,也可進行單級實驗。我們以高壓水為工作流體,常壓水為
 研究微差全引射技術的實驗裝置示意圖
圖1  研究微差全引射技術的實驗裝置示意圖

引射流體,進行了多種條件下的大量實驗。根據實驗結果,結合定性、定量分析,總結出了有關微差全引射系統的特定要求和設計要領,它們都是保證系統高效工作的必備條件。
 
2  微差全引射技術系統設計要領
2. 1  串聯級數的確定
通過多級引射器(噴射器) 串聯,可以實現較高的壓縮比(全壓縮比 ) ,串聯系統中每級引射器(噴射器) 均可實現全壓縮比的一部分(分壓縮比) 。串聯的級數( N) ,就可直接由全壓縮比和分壓縮比這2 個數據決定。通常各級的分壓縮比是不相同的,如果取其平均值( ) ,則有
  實際應用中,全壓縮比是設計條件給定的;各級的平均壓縮比則可由經驗數據大致確定,或者根據各級噴射器的膨脹比和有關流量,利用原有成果求解。通常,串聯的級數越多對提高壓縮比越有利,但級數越多對設計和管理調試等帶來的麻煩越大,因此多數情況下以2 級~3 級串聯為宜,一般不宜超過4 級。
 
2. 2  全壓縮比的分配
全壓縮比在各級間分配是否合理,既決定著設計的成敗,也直接影響到使用的效率。對此問題,過去并無專門研究,只是原蘇聯索科洛夫等人提到過級間抽走部分介質的這一特殊多級系統的全壓縮比分配方法,他們的觀點是在各級間均勻分配。
然而,我們的研究表明,均勻分配從純理論上來講是合適的,但不適于實際應用,因為它要求各級工作流體壓力不同,并須隨時調節,因而對使用管理極為不利。所以,為方便使用,全壓縮比的分配應該遵循不均勻分配的原則,即由前至后各級壓縮比依次減小的原則,從而確保系統中各級引射器可以使用相同壓力的同一工作流體,并且安裝運行后不必調節。至于由前至后各級壓縮比要依次縮小的原因,分析起來較復雜,將連同全壓縮比的具體分配方法一起在后面專門分析。
 
2. 3  各級引射器類型的選擇
提高出口混合氣壓力,縮小出入口壓差,這是研制微差全引射系統的根本目的。引射器根據結構特點分為帶擴散器和不帶擴散器兩大類,前者可達到的最高壓縮比要明顯高于后者,故選用帶擴散器的這一類更有利于提壓的要求。而就引射器的壓縮性能而言,到底應該選用引射器,還是噴射壓縮器,或者選用噴射器,這可根據這些類型引射器的特性和前述的各級壓縮比范圍來選定。結合全壓縮比的分配方法,經過分析比較后,可得出選定各級引射器類型的合適方案為:
第1 級———引射器(或噴射壓縮器) ;
第2 級———噴射壓縮器(或引射器) ;
第3 級———噴射器(或噴射壓縮器) 。
 
2. 4  系統設計點的確定
這一問題,我們在文獻[1 ] 中已進行了簡單介紹,鑒于其重要性,特再對其進行詳細討論。
保證微差全引射系統工作效率最高時的各流體壓力、流量等參數,一般稱為設計點參數。由于引射器的實際工作條件(主要是壓力、流量等參數) 往往是一個范圍,這樣就須選擇合適的設計點。根據試驗結果可以看出,對于按某一給定條件設計的微差全引射系統,只有當工作、引射和壓縮流體參數都與設計點完全吻合時才具有最大的引射效率;當膨脹比偏大或壓縮比偏小時,引射效率會降低;而當膨脹比偏小或壓縮比偏大時,引射效率則會急劇下降,甚至出現倒流現象。這與文獻[6 ]所述的關于單級引射器的結論一致,但相比之下微差全引射系統的惡化程度要嚴重得多。
為此,特別建議在設計微差全引射系統時,不要把設計點選在通常認為的工作范圍的中點,而應盡可能選在工作范圍的下限或其附近(試驗結果表明離下限最大不宜超過工作范圍的25 %) ,以保證不會出現實際膨脹比和壓縮比偏離設計值過多的最不利情形,從而免去微差全引射系統由于調節而帶來的一系列麻煩,并且始終保持較高的效率。特別是在火災施救現場這樣的特殊環境中,往往對便于使用和維護管理有著更高的要求,尤其需要注意設計點的正確選定。
 
2. 5  主要關鍵尺寸的計算
引射器的設計涉及很多尺寸計算,計算用的公式習慣上由大量試驗數據回歸確定。文獻[2 ]和[6 ]都提供了單級噴射器設計計算的全套經驗公式。在設計多級噴射器時可以套用這些公式,但反復的試驗結果表明,噴嘴出口錐角、噴嘴喉長、噴嘴入口直徑、噴嘴入口段長、混合室進口直徑、混合室喉部長度、混合室總長度、擴壓管出口直徑、擴壓管長、擴壓管出口錐角等有關尺寸,如按我們在文獻[1 ]中提供的公式計算,將使整套系統具有更高的工作效率。
 
3  全壓縮比分配方法的深入研究
設計微差全引射系統時,確定了串聯的級數后,就應確定各級引射器的壓縮比大小。而要確定各級的壓縮比,關鍵是要看系統的全壓縮比在各級間如何分配。原蘇聯索科洛夫等人曾提出均勻分配的觀點,但未說明原因。我們特就這一分配方法進行了研究,提出了不同的看法。
 
3. 1  均勻分配———保證最高生產效率的理想方法
全壓縮比在各級間均勻分配,即對于N 級串聯的引射器,各級壓縮比統一取為全壓縮比的N 次方根,如全壓縮比為8 的3 級串聯,每級的壓縮比一律取為2。不難分析,這樣分配將具有最高的生產效
率,簡要分析如下。
為了簡便,以2 級串聯的情況為例。分析思路:在全壓縮比(  ) 、引射氣體的流量(  ) 等客觀條件均相同的情況下,分別計算全壓縮比在各級間均勻分配和不均勻分配時所需的工作氣體的流量,然后比較它們的大小即可。具體分析過程為:
第1 步,設定主要條件。不妨假設 ,引射氣體壓力 ,工作氣體、引射氣體均為空氣。
第2 步,選擇計算公式:
(1) 流量的計算


式中, G 為引射器吸走Gc1 所需的工作氣體總量;Gw1 、Gw2分別為第1 級,第2 級的工作氣體流量; u1 、u2 分別為第1 級、第2 級的引射系數。
(2) 各級引射系數的計算
微差全引射系統中的各級引射器顯然可以看成是彼此獨立的,因此各級的引射系數可完全按照單級引射器在壓縮比已知時求解對應引射系數的方法進行[6 ] 。
第3 步,計算分析過程及結果,如表1。
  比較表1 結果發現:全壓縮比均勻分配時,引射系統吸走同樣多的引射氣,所需的工作氣用量最少。盡管這一結論只是從2 級串聯中得出的,但顯然它不失普遍性。因此,微差全引射系統的全壓縮比在各級間均勻分配,應該是具有最高生產效率的理想分配方法。
3. 2  不均勻分配———便于維護管理的實用方法
3. 2. 1  均勻分配的不實用性分析
均勻分配雖然具有最高的生產效率,但并不實用。這是因為:
第一,微差全引射系統每一后級的引射氣就是其前級的混合氣,故越往后各級的引射量越大,而大引射量意味著引射器要有較大的引射系數;同時,引射器的引射系數具有隨壓縮比的增大而減小的特性,如果全壓縮比在各級間均勻分配,則后面各級引射器的壓縮比相對也較高。因此均勻分配時,后面各級既要保證較大的引射系數,又要保證較大的壓縮比,實踐證明,這樣實現起來的難度很大。
表1  全壓縮比按不同方式分配時的工作氣體消耗量
 第二,對于實際應用,保證各級引射器工作流體壓力一致,即保證各級采用相同壓力的同一流體,是一個十分重要的因素。為此,微差全引射系統的全壓縮比就不能再在各級間均勻分配。因為均勻分配,各級工作流體壓力勢必不再相同,而是越往后各級的壓力越高,具體高多少還得隨工況的變化而變化,無疑這會給使用管理帶來極大麻煩。因此,從工程運用角度來看,均勻分配也是難以被推廣的。
因此,全壓縮比的均勻分配,只有當各級的工作流體壓力可以隨時隨意進行調節時才行得通。這使它的使用大受限制。
3. 2. 2  不均勻分配及不均勻度的建議取值
綜上所述,為了便于使用管理,結合表1 結果,微差全引射系統的全壓縮比最好遵循不均勻分配———由前至后各級壓縮比依次減小的方法。
那么到底應該如何進行不均勻分配呢? 顯然,這要完全從理論角度加以分析很不容易。為此,也按慣用的實驗分析法,針對常見情形進行了多次實驗研究,發現:2 級引射器串聯時,第1 級的壓縮比
為第2 級的1. 4 倍左右較合適;3 級串聯時,第1、2、3 級的壓縮比則應按1. 8∶1. 3∶1 的大致比例分配。以3 級串聯為例,假設全壓縮比為4 ,則各級壓縮比大約應是:第3 級為;第2 級為1. 3 ×1. 2 = 1. 5 ;第1 級為1. 8 ×1. 2 = 2. 2。如果按這樣的比例進行分配,則設計制造、維護管理的要求等都可以放松,從而使得制造成本降低,維護管理容易。

4  結 語
文中所述的各項結論,主要是通過大量的試驗,同時結合定性分析,專門針對微差全引射系統總結出來的。嚴格按照這些要領設計,即可確保微差全引射系統一般都能高效率地運行工作,因此對它的研究,是引射理論的進一步完善和發展,也是其應用范圍的進一步拓寬。但是,微差全引射系統的其他更深入的理論問題,比如它的基本方程、各種極限狀態及其相應的方程等,仍有待于以后繼續完善。

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