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靶式流量计在火灾烟气流速测量中的应用
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火灾危害主要源自热量、烟气和缺氧这三种因素的作用[1]。对于多数火灾而言,烟气造成的伤害比例最大。统计结果表明,火灾中85%以上的死亡与烟气有关,其中大部分是由于人员吸入烟尘及有毒气体后致死的。此外,烟气的遮光作用可降低建筑内部的能见度,这给疏散和救援活动造成很大的阻碍[2,3]。为了及时排除烟气,保障人员的安全疏散和有利于消防扑救,建筑中设置了各种防排烟设施,火灾发生时,烟气在浮力及防排烟设施的作用下发生流动。如何能更好的控制烟气流动,降低其危害,成为了当前火灾科学研究的要点。

   烟气流速是火灾研究中的一个重要参数。目前,主要采用测量气体流速的方法对烟气进行测速,包括气压法、机械法与散热率法等[4]。气压法通过测量全压和静压的差值求得风速,如皮托管式风速传感器和双向微压差计;机械法利用流体的动压推动机械装置旋转求得风速,如叶轮风速仪;散热率法根据流速与散热率成对应关系的原理,通过测量相等散热量的时间,或温度变化,或保持原温度的加热电流量的变化来确定风速,如热线、热球风速仪。

   传统的火灾烟气测速采用的主要是以上列举的几类风速测量仪器。但是,由于火灾烟气的特殊性质,这几种仪器在应用过程中存在不同缺陷,尤其是经建筑内消防设施作用后,烟气性质发生变化,使得传统方法具有明显的不适用性。本文在对传统仪器的原理及应用缺陷进行分析的基础上,介绍了使用靶式流量计测量火灾烟气流速的方法,并开展了水喷淋作用下自然排烟口的烟气流速测试实验,对该方法与传统测量方法的有效性进行了对比。

  1 传统的烟气流速测量方法

   据研究,在建筑火灾中,烟气沿水平方向的流动速度为0.3~0.8左右,沿垂直方向的扩散速度为2~4[5],属于低速或极低速流动。同时,烟气有时可达数百摄氏度,具有中温的特性。此外,烟气中气体成分复杂并含有大量的固体颗粒。总之,火灾烟气是一种低速、多杂质、高湍流度的气体,若经过水喷淋等消防设施的作用后,还可能具有高湿度的性质并伴随着一定腐蚀性。烟气的性质决定了其在速度测定上的困难性,使得传统测速方法存在各自的不适用性。

  1.1 皮托管、双向微压差计测速法

  皮托管根据流体流动引起的压差进行流速测定[4]。标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱和全压、静压引出导管等组成。如图1(a),在皮托管头部的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方,环绕管壁的外侧又开有多个小孔,孔面与流动的方向相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入顶端小孔的气流压力为全压,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅为流体的静压,根据全压和静压可求出动压,从而得到风速。

  通常情况下,皮托管是和微压力传感器联用进行风速测量的。管道连接好后,根据估算的压力范围选择合适量程的皮托管,其全压接头接压力传感器的高压端,静压接头接压力传感器的低压端[6]。当流体流过皮托管头部时,测得的压差信号将传给微压力传感器,并由传感器转化为电信号输出。但是,当前最灵敏的微压力传感器其精度也只有1,换算成标准状态下的空气流速约为1.25,皮托管无法测量低于此速度的流动。同时,考虑到本身的测量误差,皮托管的推荐最低风速为4[4~6]。此外,皮托管只能用于相对洁净的气体,由于其静压孔尺寸较小,用于烟气流速测量时极易被烟气中的烟尘和水滴堵塞,从而影响测量结果的准确度,显然,皮托管不适于建筑火灾烟气测速。

  双向微压差计的测速原理与皮托管相似,如图1(b),它由一段短管和两根支管构成,短管(长径比=2)中部被隔断,形成两个受压管,管子的轴线与流向一致,两根支管分别与受压管相连。面向来流方向的受压管受到的滞流压力为总压,另一受压管感受的压力为静压。支管用于传递压力信号,也作为探头的固定支架。由于其结构的对称性,探头可以响应两个方向中任一方向的流动,这个特点允许其在不可预知流动方向的情况下安装[7],并能测量双向流动。

  用于火灾烟气测速时,双向微压差计的缺陷与皮托管类似,一方面其最高精度只有1,理论上不能测量速度低于1的流动。另一方面,烟气中的固体颗粒和水滴有可能堵塞支管,影响信号传输。

  1.2 叶轮风速仪测速法

  叶轮风速仪由叶片、传感器轴、传感器支架及磁感应线圈等组成[8]。它利用流动空气的动能推动传感器的叶片旋转,然后通过转速求出流速。如图2所示,测速时,将风速仪探头与来流方向垂直,叶片在来流的作用下转动并由传感器将转速信号输出到纪录表进行读数。叶轮风速仪属于机械式测速设备,它不受重力的影响,可安装在任何位置并通过叶轮的转向识别气体流向。叶轮风速仪不像皮托管,测压孔可能被烟气中的颗粒堵塞而失去测速作用,可靠性高。但是,叶片的形状和表面光洁度,转子的质量以及转子轴承的阻力均影响其测量性能。轴承阻力降低了仪器的灵敏度,目前,叶轮风速仪的可测速度下限为1[4]。

   叶片的材质通常为ABS塑料,在接触温度较高且具有一定腐蚀性的火灾烟气时极易损坏变形,因此,很少将叶轮风速仪器用于火灾环境下的测速。此外,叶片受力还与气流密度有关,常压下,气体密度随温度改变,因而当被测流体密度与标定流体不同时,必须对风速仪进行温度补偿才能获得正确的流速。但是过低或过高的温度都可造成风速仪探头的损坏,使其工作温度范围很窄(通常为0~50℃),因而,在实际应用中,极少对叶轮风速仪进行温度补偿。使用不含温度补偿机制的叶轮风速仪测量火灾烟气的流速,当烟气温度较高时,测量值将偏小。

   1.3 热线、热球风速仪测速法

   热线、热球风速仪以电热丝(钨丝或铂丝)或球形玻璃体(电热丝包裹在其内部)为探头(图3),裸露在被测空气中,并将热丝接入惠斯顿电桥,通过电桥的电阻或电流的平衡关系,检测出被测空气的流速。测量时,电热丝通恒定直流,气流吹过热丝或热球表面时,将从其表面带走热量。当产生的热量和散失的热量相等时,探头就稳定在某一温度,达到动态平衡,通过测量探头的温度即可确定气流的速度[4,9]。

   与皮托管、双向微压差计和叶轮风速仪相比,热线、热球风速仪可测量更低的流速并能适应有颗粒的气流,但流速过低时,受到自然对流和辐射的作用的影响,测量值比实际值偏大,因此一般推荐气流速度下限为1[9]。当气流温度高于标定流体的温度时,需进行温度补偿(图3(a))。同时,此类风速仪不能识别来流的方向,因此不能用于测量双向流动。此外,如图3(a)所示,为了保护热线或热球不受杂质的撞击,在探头外部通常会套上一层金属滤网,在测量火灾烟气时,固体颗粒会堵塞网孔,使得气体无法流过探头,导致测量结果偏低。

   除了上述几种较为常用的风速仪外,还有激光多普勒测速仪[10]、超声波旋涡式风速仪[11]等气体流速测量装置,但这些装置存在价格昂贵、安装困难、使用不便等问题,不适于大型火灾实验中烟气流速的测量。

  2 靶式流量计测速法

   智能靶式流量计是为解决高粘度、低雷诺数的流量(流速)测量而发展起来的一种流量计。使用中,被测流体可以是液体、气体和蒸汽,尤其对低雷诺数、小流量(低速)、高湿度、含固体颗粒以及腐蚀性介质的流体有很强的适应性。通过温度补偿,靶式流量计还能对中高温的流体流速进行测量。目前,该流量计被广泛应用于重油、沥清、矿浆、有机酸、高温蒸汽等的测量中[12,13],但将其应用于火灾烟气流速的测量,还未见相关研究和文献报导。

  2.1 靶式流量计的工作原理

   如图4所示,在流体流动方向上放置一个圆盘形或正矩形的阻流靶板。当流体流过靶板时,其正面所受的压力等于流体的全压,而背面由于形成“死水区”仅受静压的影响,从而使靶板前后形成一个压力差,这个压力差对靶面造成一个作用力:


   式中,F为靶板受力;Cd为阻力系数;ρ为介质密度;v为靶板平面上流体平均流速;A为靶板面积。由式(1)可得流体的体积流量为:


   式中,k为为常系数;D为流动区域截面直径(圆形)或等效直径(矩形);β为靶径比,即靶板直径与D比值;α为流量系数(),与靶径比β和雷诺数Re有关。大量实验表明,Re大于2000时,α保持为常数,若Re小于2000,流量计将自行对α进行修正[12,13]。由式(2)可知,测出靶板受力F,即可计算过靶板的流量(流速)。靶板受力F,经刚性连接的传递件(靶杆)传至电容力传感器,使其产生电压信号输出:

R=KF(3)

   上式中:U为电容力传感器输出的电压;K为电容应变比例常数,此信号经前置放大后输出至数字积算仪进行流量计算并读数。

   靶式流量计的靶板和靶杆均为铝合金材质,对高温、高粘、高湿度、多杂质、及强腐蚀性流体有极强的适应性。此外,由于采用了高敏的电容式力传感器,使得靶式流量计的灵敏度大大提高,配合加大靶板阻流面积的方法能使可测流速下限大大降低,理论上,靶式流量计可以测任意小的流体速度。靶式流量计属机械式测速设备,通过温度补偿可测不同温度、不同密度的流体。综合以上优点可知,当火灾烟气温度较高、流速较低及颗粒物杂质较多时,利用靶式流量计进行测速有较强的可靠性。

   但是,靶式流量计也存在缺陷。当流速较低时,需要增加靶板面积以增大其作用力使传感器达到响应应变。由于流量计测的是平均流速,若靶板面积过大,其上各点的速度梯度可能很大,从而影响了测量的精度。这个问题随着传感器灵敏度的增加已大大改善,目前,0.1的气体(标准状态下)流速下限仅需0.05(直径约0.12)的靶板阻流面积,已能满足多数火灾实验的需要。另外,靶式流量计只能测一个方向的来流,当流体从靶板背面流过时,流量计没有读数,使其只能用于已知流向的测速工作。但是,正是由于这样的特性,使得靶式流量计在高湍流度、流动变化大的流场当中不会出现虚假读数。

   2.2 应用实例

  在中国科学技术大学的水喷淋实验台上,分别利用靶式流量计、皮托管和中温热线风速仪对喷淋作用下喷头近域自然排烟口的烟气流速(靶式流量计、中温热线风速仪)和动压(皮托管)进行测量。图6为实验台的示意图,如图6(a),实验台分成两个部分:燃烧区和测量区。燃烧区是一个4m(长)×2m(宽)×2.5m(高)的长方形小室,为了保证燃烧的稳定和充分,小室的两侧设有6个补气口,尺寸均为0.8m(长)×0.4m(高)。燃烧区小室与测量区相连部分敞开,当燃料在小室内燃烧时,烟气通过开口被引入到测量区中。测量区尺寸为4.2m(长)×4.2m(宽)×4.0m(高),其上部蓄烟池由宽度为2.0m的防火板围制而成,使得实验时能在测量区形成厚度约为2.0m的烟气层。实验使用ZSTP—15标准普通型洒水喷头,喷口直径为12.7mm,安装于测量区域顶部中央位置。