氣溶膠滅火劑的性能

??1．氣溶膠粒子的力學問題

一般而言，氣溶膠粒子受到以下三種力的作用：

（1）外力：如重力、電場力或離心力等；

（2）周圍介質的作用力：如氣體介質對粒子運動的阻力，流體作為連續介質所形成的流體動力，流體中個別分子對粒子無規則撞擊的熱動力等；

（3）粒子間相互作用的勢力：如范德華力、庫侖力等；

氣溶膠粒子的力學現象雖然形形色色，若從基本過程考慮，大體有三類：

（1）粒子在重力作用下的沉降過程和外力作用下的沉淀過程或揚起過程；

（2）粒子之間在三種力聯合作用下的碰并過程；

（3）粒子上的物質與傳熱過程。

氣溶膠粒子體系是一個多粒子體系，因此氣溶膠粒子沉降等力學現象在大多數情況下是多粒子相互作用而產生的力學現象。多粒子力學即使在低雷諾數（Re）條件下也很難求解，為此在研究過程中總是把氣溶膠粒子簡化為一個孤粒子力學問題，同時又假定粒子形狀為球形。因此，目前對氣溶膠粒子的動力學研究仍較多地局限于球形粒子范圍內。

2．氣溶膠的動力學

氣溶膠的動力學特性主要表現在三個方面：布朗運動、擴散、沉降與沉降平衡。其中主要的是布朗運動，它是后兩個特性的基礎。另外，氣溶膠還具有碰并和凝并的特點。

（1）布朗運動

1827年，英國植物學家布朗（Brown）在顯微鏡下觀察到懸浮于水中的花粉粒子處于不停息的，無規則的運動狀態。以后發現凡是線度小于4×10-6m的粒子，在分散介質中皆呈現這種運動，由于這種現象是由布朗首先發現的故稱為布朗運動。

氣溶膠微粒的無規則熱運動，是由于分散介質中氣體分子的無規則熱運動造成的。懸浮于氣體中的微粒，處在氣體分子的包圍之中，氣體分子一直處于不停的熱運動狀態，它們從四面八方連續不斷地撞擊著這些微粒。如果這些微粒相當大，則某一瞬間氣體分子從各個方面對粒子的撞擊可以彼此抵消，粒子便不會發生位移；若這些 微粒較小時，則此種撞擊便會不平衡，這意味著在某一瞬間，微粒從某一方向得到的沖量要多一些，因而會向某一方面發生位移，而在另一時刻，又從另一方向得到較多的沖量，因而又使其向另一方向運動，這樣我們便能觀察到微粒在不停地如圖3-1所示的連續的、不斷的、不規則的折線運動，由此可見，布朗運動是分子熱運動的必然結果，是膠體粒子的熱運動。

1905年愛因斯坦用幾率的概念和分子運動論的觀點，創立了布郎運動的理論，并推導出愛因斯坦——布朗平均位移公式：

X=（RTt/3NAπrη）1/2 

式中：X——t時間間隔內粒子的平均位移； 

r——微粒的半徑；

η——分散介質的粘度系數；

T——溫度；

R——摩爾氣體常數；

NA——阿佛加德羅常數。

由上式可知，當其它條件一定時，微粒的平均位移與其粒徑的平方根呈反比，這就是說粒徑越小，微粒的布朗運動越劇烈。

（2）擴散

在有濃度梯度存在時，物質粒子因熱運動而發生宏觀上的定向遷移的現象，稱為擴散。也就是說，產生擴散現象的主要原因是由于物質的粒子的布朗運動造成的。由于布朗運動是無規則的，因而就單個質點而言，它們向各個方向運動的幾率均等。但在濃度較高的區域，由于單位體積內質點數較周圍多，因而必定是“出多入少”，使濃度降低，而低濃度區域則剛好相反，這就表現為擴散。所以擴散是布朗運動的宏觀表現，而布朗運動是擴散的微觀基礎。

擴散服從菲克定律：

dm/dt=DA（dc/dx） 

即單位時間內通過某截面的擴散量dm/dt與該截面各A濃度梯度dc/dx成正比。比例常數D即為擴散常數，D越大，粒子的擴散能力越強。愛因斯坦曾導出如下關系式：

D=RT/（6NAπrη） 

式中：D——擴散常數； 

r——微粒的半徑；

η——分散介質的粘度系數；

T——溫度；

R——摩爾氣體常數； 

NA——阿佛加德羅常數。

由上式可知，微粒的擴散與粒子的半徑組成反比，這說明粒子的半徑越小，擴散能力越強。

（3）沉降與沉降平衡

多相分散系統中的物質粒子因受重力作用而下沉的過程稱為沉降。分散質的粒子所受到的作用力情況大致可分為兩個作用，一是重力場的作用，它力圖將粒子拉到地面；另一種是因布朗運動所產生的擴散作用，它力圖使粒子趨于均勻分布。沉降與擴散是兩個相反的作用，兩者之間存在著相互競爭。對于一般真溶液，由于擴散作用占絕 對優勢，沉降現象不明顯。對于粗分散系統，如渾濁的泥水、靜置多時便可澄清，這主要是粒子的質量大，擴散速度很慢，沉降起主導作用，而使質量大的粒子沉積于容器底部。一般來說，粒子的粒徑越小，布朗運動越強烈，擴散速率也愈大，因而粒子受重力作用下沉出現濃度梯度時，則必然導致反方向的擴散作用的加強，若擴散速率等于沉降速率，則系統達到沉降平衡。

氣溶膠粒子的沉降過程，是粒子在外力作用下和分散介質分離的過程，除重力沉降外，還包括著離心機的分離，中場中的沉降及化工工程中的反過程——流化床等。

1851年斯托克斯用孤粒子沉降理論對極端稀薄體系的沉降問題進行了研究，并得出了著 名的Stokes介質對球形粒子運動的阻力公式：

FD=6πηrv 

式中：FD——介質對球形粒子運動的阻力； 

r——微粒的半徑；

η——分散介質的粘度系數；

v——微粒的運動速度。 

如果分散粒子比較大，布朗運動不足以克服沉降作用時，粒子就會以一定速度沉降，對于一個僅在重力作用下的以一定速度沉降的球體而言，沉降力就等于球的重力減去流體的浮力，即：

F=4/3πr3g（ρ-ρ0） 

式中：F——沉降力；

g——重力加速度；

ρ——微粒的密度；

ρ0——分散介質的密度；

r——微粒的半徑。

當FD=F時，粒子將以恒定速度v沉降。

此時 6πηr v=4/3πr3g（ρ-ρ0）

則： v=[2r2（ρ-ρ0）]/（gη ） 

上式即為氣溶膠微粒的沉降公式。

由上式可知，微粒的沉降與粒子的半徑平方成正比，這說明粒子半徑越小，沉降的越慢。

（4）氣溶膠粒子的碰并

將一個障礙物放入流動的氣溶膠中時，較小的粒子能夠繞過障礙物跟隨氣流走，而較大的粒子由于具有較大的慣性，不能隨著氣流改變方向，于是被障礙物截獲，這一現象就是碰并。

氣溶膠體系中一個粒子與另一個粒子的碰并過程（包括粒子與障礙物之間的碰并捕獲過程），實質上是粒子從體系中消失的過程。當氣溶膠體系中存在著碰并現象時，其數密度將不斷減少，而粒子的平均大小與平均沉降速度則不斷增加。因此粒子從介質中分離出來的速度亦加快。所以，通常把存在著碰并現象的體系叫不穩定體系，反之，則穩定體系。

氣溶膠粒子的碰并現象實際上包括了以下兩個過程：

①碰撞過程：兩個或兩個以上的粒子，在外力（重力、離心力、外流場作用力等）或來自介質的布朗熱運動力作用下而產生了相對運動，此時粒子相互接近以致發生接觸碰撞。

②并合過程：兩個或兩個以上的粒子碰撞后，由于粒子表面的各種物理的、化學的作用，粒子發生并合，其中亦包括著粒子碰撞后不能并合又反彈回去的過程。

碰并現象對于氣溶膠粒子的收集和測量具有實際意義，碰并率即碰并效率，可用碰并參數Pin來表達球形粒子。碰撞在橫放于氣路的流體中的孤立圓柱體、球體、平板或圓盤上的Pin值用下式表示。

Pin=4Ccρr2v/18ηd0 

式中：Pin——碰并率；

Cc——滑動修正系當選；

r——粒子的半徑；

ρ——粒子的密度； 

d0——圓柱體、球體、圓盤的直徑或平板密度；

v——粒子的速度；

η——介質的粘度系數。

由上式可知，氣溶膠中粒子的碰并率Pin與粒子的半徑平方吳正比，這表明氣溶膠粒子的半徑越小，碰并率越低，其沉降就越慢，在介質中駐留時間就越長。

（5）氣溶膠粒子的凝并

氣溶膠粒子在大氣中運動時相互接觸（碰撞）而形成較大粒子的過程叫凝并（亦稱凝聚、凝結）。凝并的接觸過程有熱力的、電力的、磁力的、流體力學的、分子力的、重力的、慣性力的、聲的等，對于煙霧氣溶膠來說，主要考慮熱力凝并，荷電凝并，湍流凝并和動力凝并。

①熱力凝并

氣溶膠粒子因布朗運動，彼此間發生頻繁的碰撞，即產生熱力凝并。布朗運動兩粒子相碰就會粘附在一起，形成一個聚合粒子。

②荷電粒子的凝并

粒子帶有電荷時，就有可能增強或者減弱粒子的凝并，這主要看電荷的同異性。

③湍流凝并

氣溶膠粒子處于湍流中，其凝并會由于流體的混亂運動而增強。

④動力凝并

受外場力（重力、庫倉力等）作用引起的氣溶膠粒子的凝并過程稱為動力凝并，粒子大小不同，其運動速度亦不同，往往是由大粒子捕獲小粒子。

（6）氣溶膠粒子的沉降，擴散、碰并和凝并的綜合作用

沉降、擴散、碰并、凝并的綜合作用將引起氣溶膠的粒子濃度減小。在一個封閉空間，所觀察到的粒子濃度減少的原因是：

①粒子沉降而沉積于空間底部；

②粒子在空間內壁和底部的擴散沉積；

③粒發生碰并和凝并。

以上三者作用各不相同，沉降和擴散一般是不能同時起作用的，這是因為擴散只當粒子小于1μm時才能發生。而此時的沉降作用則微不足道；相反，當沉降起主導作用時，粒子擴散遷移可忽略不計，無論是擴散過程還是沉降過程，碰并和凝并總是發生。并且當粒子在0.1μm-1μm時，上述作用都發生。

由熱氣溶膠滅火劑所產生的主要滅火介質——固體微粒的粒徑一般在10-9~10-6m之間，遠小于能產生布朗運動的粒徑的極限值4×10-6m，所以它所表現出的布朗運動狀態是很明顯的，因此表現出類似于氣體一樣的很強的擴散能力，能很快繞過障礙物擴散、滲透到火場內任何一處微小的空隙之內，起到全淹沒、無死角的滅火作用。

氣溶膠的分散程度是評價氣溶膠滅火效能的一個重要因素，氣溶膠的分散特性是其固體微粒尺寸的函數，氣溶膠微徑越小，其擴散能力越強。另外由于氣溶膠具有較小的粒徑，雖然存在著碰并、凝并現象，但仍能使較多的超細固體滅火微粒長時間處于沉降平衡狀態，這樣這些微粒便可在保護空間內保持長時間的懸浮狀態，很好地起到滅火并防止火災復燃的效果。試驗研究表明，這些固體微?？稍诨饒隹臻g中駐留長達數十分鐘甚至幾個小時。