开题报告-20120223

城市建设与安全工程学院

毕业设计（论文）开题报告

课 题 名 称：表面活性剂对细水雾特性的影响研究                      

专       业：       安全工程                

班       级：       08106312                

学       号：      **********               

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   2012  年 2 月 22 日

一.  选题依据

在人类历史发展的长河中,火,给予了光明;火,给予了温暖,给予了取之不尽的用处。但是当火失去控制时，火作为人类的希望的同时有时会在瞬刻之间摧毁了一切。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，随着社会的不断发展，社会财富日益增多，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。据统计，进入 90 年代，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 多人，尤其是近年来的特大火灾事故——湖南衡阳11.3大火、克拉玛依大火、上海11.15特大火灾的发生，提高了我们对火灾防范的意识、对火灾问题的关注并敦促我们对于火灾技术的更深、更进一步的研究。

火灾的破坏性表现在惨重的直接、间接财产损失、造成生态平衡的破坏、造成不良的社会政治影响等。火灾的危险性一方面表现在了其燃烧过程对周围物品的高温作用造成的破坏，对消防队员、逃生人员造成的物理伤害如烧伤、烧死；另一方面，燃烧产物中的有毒气和烟雾导致人员窒息甚至死亡。因此,火灾发生后,及时采取有效灭火措施,将火灾造成的财产损失和人员伤亡降低到最低程度，而此时灭火技术在其中起了重要的作用。

随着人类对环境问题的重视，有些灭火剂产品的使用对环境造成了很大的破坏，所以开发新一代高效洁净灭火剂产品成为近年来的发展趋势和研究热点。目前已被广泛使用个的灭火剂产品有卤代烷（哈龙）灭火剂、泡沫灭火剂、水系灭火剂、干粉灭火剂、惰性气体灭火剂等，但是由于卤代烷烃类灭火剂会严重破坏大气臭氧层，已被逐步淘汰，而细水雾作为灭火剂对于环境的潜在优势使其应用范围在不断拓展。

    1993年，来自美国工程界和科研部门、细水雾系统的制造商、保险公司、行政管理部门和工业用户的代表，组成了美国消防联合会细水雾灭火系统技术委员会，该委员会开始编制用于规范细水雾技术的NFPA标准，作为设计和安装的依据。 1996年，在美国的马萨诸塞州波士顿市每年5月20-23日的年会上，细水雾灭火系统技术委员会提交了细水雾规范，并获得了美国消防联合会的批准。该规范由国家标准协会于同年的7月18日颁布，生效日期为8月9日，同年的7月26日，96版NFPA 750被批准为美国国家规范。   

细水雾灭火技术已被看做是卤代烷系列灭火剂的主要替代品，在此背景下, 含添加剂细水雾灭火技术的研究受到越来越多的关注。由于单纯的细水雾灭火技术还存在着前述不足，因此，近年来国内外很多研究机构正致力于拓展细水雾灭火技术的应用范围和提高其功效的研究，其中含添加剂的细水雾灭火技术的研究正逐渐升温并受到越来越多的关注，该技术是在细水雾中添加一些高效灭火物质，从而以水为载体实现物理灭火和化学灭火的最佳结合。

国内外研究现状分析

1.细水雾定义

   “细水雾”是相对于“水喷雾”的概念，所谓的细水雾，是使用特殊喷嘴、通过高压喷水产生的水微粒。在NFPA 750中，细水雾的定义是：在最小设计工作压力下、距喷嘴1米处的平面上，测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv0.99不大于1000μ。 

2. 细水雾灭火机理

细水雾灭火系统的灭火机理主要是物理作用，早期Braidech 和Rasbash 就对细水雾的灭火机理进行了研究，找出了两种主要的灭火机理。而近年来的研究表明，细水雾的灭火机理不仅仅是两种，还有另外几种灭火作用，Mawhinney在他的研究中总结了其他几种辅助灭火机理。综合起来细水雾灭火机理有：三种主要的灭火作用和两种辅助灭火作用。三种主要的灭火机理有：① 蒸发冷却作用② 隔氧窒息作用③ 衰减辐射，

另两种辅助灭火机理如下：一是蒸汽空气混合物的稀释——对于池火，水蒸气稀释的蒸汽空气混合物，卷吸到液体表面的可燃蒸汽区里面，可燃蒸气中分散的小水滴火焰向前的移动速度，对于火灾的熄灭有一定的作用。二是细水雾对火焰的动力效应——细水雾应用于液体池火时，往往会发生“骤燃“现象，使燃烧加剧，如果细水雾系统具有足够的喷雾动力，火焰会很快的被遏制并熄灭。相反，如果喷雾动力不足，燃料将继续燃烧，直到消耗完毕[10]。

3. 细水雾系统的影响因素

细水雾的特性直接影响它的灭火效果，起决定性作用的主要有以下四种：水滴尺寸的分布——水滴尺寸分布是指水雾或细水雾中具有代表性的水滴尺寸范围。它不是一个恒定值，随水喷雾的位置（喷嘴附近或远离喷嘴，水雾锥中心或边缘）和时间不同而变化;通量密度，对于灭火系统喷雾通量密度是一个很重要的细水雾特性，因为必须有与火灾相合的水雾质量充分吸收火灾释放的临界热量值；喷雾动力，包括三方面的因素:.喷雾速度、相对于火羽流的方向、传递到火焰或到达燃料表面的水滴质量。火灾熄灭成功与否往往归于喷雾动力的变化。喷雾动力更好的控制这些要素，就能得到更好的细水雾的性能。当在水滴尺寸和通量密度的优化更难时，稍微控制喷雾方向或许取得比较好的灭火效果；添加剂，水的化学特性影响细水雾的灭火效果。NaCl、抗冻剂、成膜剂、A 类或B 类泡沫灭火剂、增强对固体火灾的穿透能力的表面活性剂和乳化剂，阻燃的盐类和防止海藻繁殖的生物杀灭剂等等，这些添加剂的使用可提高细水雾的灭火效果[10]。

    4.含添加剂的细水雾灭火技术

细水雾是通过发射装置，将压力水从喷射孔中高速喷出，与周围空气产生强烈摩擦，水流被撕裂，从而形成直径非常小（几十微米到几百微米之间）的雾滴。

细水雾灭火是目前比较先进的灭火技术,它有许多优点:清洁、高效。实现了多种灭火效应(气相冷却、隔氧窒息、阻隔热辐射、浸润作用) 的组合。无论是从原理到实践,还是从技术应用到经济的角度,我们可以看出细水雾灭火系统显示出明显的优越性。

目前已研究的细水雾添加剂主要有两大类物质,一是含碱金属或过渡金属的无机或有机物，被研究有效的物质主要有LiCl、NaCl、NaOH、NaBr、NaI、KOH、乳酸钾、乙酸甲等；二是表面活性剂。由于这类物质的特殊结构，使得它们能显著改善两相接触界面的性质，从而具有润湿、乳化、增溶、发泡和消泡等特性。表面活性剂按照其在水中的离解情况可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、；两性表面活性剂和非离子表面活性剂四大类。很多表面活性剂产品具有很好的环保性，生物降解性好，毒性低。

添加剂的存在有助于改善细水雾雾滴的黏滞特性,有助于提高水雾喷射的冲量及撒布均匀性,有助于提高雾滴的表面张力,可破坏燃烧反应链或形成不溶于燃料的抗溶剂覆盖在燃料表面,隔绝空气与燃料的接触,从而达到灭火的效果。添加剂可以有效提高细水雾的灭火效果,但这并不意味着细水雾中添加剂浓度越高越好。添加剂含量过高,一方面导致水雾黏滞性上升,阻碍细水雾的蒸发汽化;另一方面导致添加剂含有的金属离子及表面活性剂等成分的浓度增高,降低细水雾的电绝缘性。房玉东等研究了含MC 添加剂超细水雾作用下电气设备击穿强度的变化规律,指出在模拟试验条件下,存在临界添加剂浓度值,超过该临界值,添加剂中的金属离子发挥主导作用,将会增加水雾的导电性,显著降低电极的击穿强度;而低于临界浓度,将会增加水雾的电绝缘性,提高电极的击穿强度。在实际的火灾防治中,应根据添加剂作用下击穿强度的衰减比例及电气设备的击穿强度来确定添加剂的安全使用浓度范围,实现灭火有效性和设备安全性的统一[13]。

5.细水雾灭火技术的应用概况

（1）国外研究与应用概况

国际上水雾灭火系统的研究工作始于20 世纪初,经过长期努力,已经取得了突破性进展,在细水雾系统及其喷头等研究方面取得了很多的成果,有些已经进入实际应用阶段。

（2）国内研究概况

为了尽快缩短与世界先进水平的差距和满足我国消防部门的需要,国内也开展了大量的细水雾灭火技术的研究工作,并已将其应用于轮船、电厂、图书馆、通信机房等场所。中国科技技术大学火灾科学国家重点实验室针对细水雾的特性及其抑制熄灭液体火灾的机理开展了研究,并开发研制清洁、高效、实用的细水雾灭火系统，完成了水雾灭火多功能模拟实验系统的研制[3] 。天津消防科学研究所于1998 年开始“细水雾灭火系统”的课题研究,并研制出了细水雾灭火系统,通过2002 年先后主持召开的两次大型专家评定会得出了关于A类、B 类火灾的工程应用技术参数和结论[4] 。四川绵阳依斯特气动消防器材有限公司研制出移动式气雾灭火装置,利用压缩空气作动力源将水雾化,已成功用于机场灭火[5]。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室研制的一种移动式直接高压水雾化的灭火装置,汽油发动机经减速器与高压水泵连接,高压水泵一端与水箱连通,另一端与喷连接,喷上装有细水雾喷嘴[6] 。华中科技大学对高压细水雾喷头、高压单流细水雾灭火系统进行了深入的研究,已经初步研制出固定式高压水雾灭火系统样机[7] 。丛北华等[8] 对含灭火添加剂的细水雾与油池火相互作用过程研究发现,向细水雾中添加灭火添加剂显著影响其灭火性能,细水雾的灭火时间与加入的质量分数间呈现出“W”形;况凯蓦等对铁基细水雾添加剂灭火性能的实验研究表明,添加氯化亚铁的细水雾,其灭火性能发生了显著变化,且存在一个最佳灭火浓度,其对应的灭火时间最短,耗水量最小,灭火效率最高。 近年来,针对细水雾灭火系统在地铁火灾中的应用问题,陈浩、王旭红、欧阳卫华等人进行了探索和研究。

参考文献

[1] 龙芸. 消防技术与产品信息. 2004年9月63-67 systems, 1996 Pdition.

[2] 李晓丽,程远平,魏东等. 对含添加剂细水雾灭火系统的分析[J]. 消防科学与技术, 2006, 25 (5) 662- 6 

[3] 姚斌,廖光煊,范维澄,等. 细水雾抑制扩散火焰的研究[J]. 中国科学技术大学学报, 1998 , (5) :610261.

[4] 刘江虹,廖光煊,厉培德,等. 细水雾灭火技术研究与进展[J].科学通报,2003 ,48 (8) :7612767

[5] 绵阳依斯特气动消防器材有限公司. 移动式高效气雾灭火装置[J]. 绵阳:四川建材,2002,(3):12214

[6] 周华,范明豪,杨华勇. 移动式高压直接雾化细水雾灭火系统[J]. 消防科学与技术,2003 ,22 (6):4882491

[7] 王静立. 高压细水雾喷嘴及其灭火性能的研究[D]. 武汉: 华中科技大学,2005:58259

[8] 丛北华,等. 含添加剂细水雾对不同燃料池火灭火性能的实验研究[J].热科学与技术,2003,(1):65270.

[9]  崔玉周,细水雾灭火技术的研究现状及其在地铁消防中应用前景分析2009

[10] 葛晓霞,张学魁. 细水雾灭火系统技术研究进展. [2006] 05-0074-05 

[11] 李晓丽，程远平，魏东等.  对含添加剂细水雾灭火系统的分析[J].  消防科学与技术，2006,25（5）662-6 

[12] 张慧,曹雄. 中北大学化工与环境学院. 细水雾灭火系统实验研究. 2007

[13] 黄东来,王庆,董五义,张平. 细水雾灭火有效性的影响因素研究20060809

[14] Bjarne PaulsenHusted , PerPetersson , IvarLund , G oranHolmstedt . Comparison of PIV and PDA droplet velocity measurement techniques on two high-pressure water mist nozzles. Available online 19 August 2009.

[15] Paolo E. Santangelo. Characterization of high-pressure water-mist sprays: Experimental analysis

1. 实验目的与意义

人们如今对消防技术越来越重视，而灭火剂的开发与应用则是消防研究领域的一个重要方向，然而在消防技术发展的同时又不可忽略环境问题，哈龙灭火剂已逐渐淘汰，所以，具有清洁特点的细水雾技术将成为其替代品，尤其是对含添加剂的细水雾灭火技术的研究相当关键；对表面活性剂作为细水雾灭火添加剂的有效性进行全面和系统的研究，深入探讨其灭火机理，这对于将来开发新型高效的环保灭火剂产品具有非常重要的指导意义和参考价值。

2. 实验准备

本实验由上海应用技术学院的城市建设与安全工程学专业的老师、同学以及相关研究人员们参与进行。城建学院实验室拥有细水雾发生系统及细水雾灭火系统，并配备有热电偶、数据采集系统、计算机工作站、红外热像仪、烟密度测试仪、烟气分析仪、激光喷雾粒径分析仪等测试仪器装备，能满足灭火性能测试的需要。另外，紫外-可见分光光度计、色谱仪、静态表面张力测试仪等仪器设备，能为灭火机理研究提供部分检测分析手段。

红外光谱仪、质谱仪、核磁共振仪等分析仪器，可为灭火机理的研究提供测试分析。另外，城建学院实验室提供完成生物毒性、生物降解性等方面的测试，并且针对本课题的相关仪器，如粒径测定仪、燃烧器皿、表面活性试剂等已基本到位。

3. 实验要求及内容

本课题主要对表面活性剂对细水雾特性的影响研究，包括：（1）收集并整理与表面活性剂与细水雾相关的实验文献；（2）熟悉各类不同粒径细水雾对灭火的影响；（3）熟悉高度条件下细水雾对灭火的影响。（4）熟悉粒径测定仪工作原理及相关软件的操作；（5）研究添加不同表面活性剂对喷雾粒径的影响规律；（6）研究不同喷雾粒径对灭火效果的影响；

4. 研究内容

（1）不同种类表面活性剂作为细水雾灭火添加剂的灭火有效性研究

表面活性剂通常按照其在水中的离解情况分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂和非离子表面活性剂四大类。根据所含官能团的不同，这四类表面活性剂又各自包含不同官能团结构种类的表面活性剂。由于不同离子性和官能团结构的表面活性剂在物理和化学性质上存在着较大差异，因此其添加到细水雾中也会表现出不同的灭火性能。本部分研究主要就是对这些不同类别的表面活性剂添加到细水雾中后的灭火性能进行测试，即测定其扑灭不同特定类型火的灭火时间、降温速率以及烟气产生情况。此外，还要对同类表面活性剂的不同同系物（如不同碳数、不同乙氧基单元数）添加后的灭火性能以及同一物质在不同添加量的情况下灭火性能的变化规律进行考察。

（2）不同表面活性剂复配作为细水雾灭火添加剂的有效性研究

两种或两种以上的表面活性剂如果合理搭配同时使用（即复配）的话，能起到增效、互相弥补各自性能上的缺陷、派生出新性能的作用，这就是表面活性剂的协同效应。因此，本部分研究主要是对不同类型的表面活性剂进行各种方式的复配，通过研究这些复配物添加到细水雾中后的灭火性能，探讨最佳复配组合以及复配组分的最佳配比。

（3）含表面活性剂的细水雾灭火机制研究

 四.工作计划

指导教师对本课题的评价

                                                       导师签名