Evaluation of the Parameters of the Dispersed Stream Generated by Various Types of Water Nozzles

• Autorzy: Wąsik Wiktor

Identyfikatory

DOI

10.12845/sft.61.1.2023.2

Warianty tytułu

PL

Ocena parametrów strumieni rozpylonych wytwarzanych przez dysze wodne różnego typu

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Purpose: The purpose of the research was to determine the parameters of the micro- and macro-structure of the streams generated by nozzles of different types, and to identify potential applications of the tested water nozzles, including firefighting and air pollution removal. Project and methods: TF6 FCN, TF6 V, NF 15 and CW 50 water nozzles were tested. At supply pressures of 0.2 MPa, 0.4 MPa and 0.6 MPa, the basic parameters of micro- and macrostructure of the streams were measured and determined: flow rate, spray angle, mass distribution of liquid on the surface (spray intensity), non-uniformity of spray density distribution, and average droplet diameters and spray spectrum. A sputter spectrum analyser, using the photoelectric method, was used to determine the microstructural parameters of the stream. Results: The tested nozzles generated dispersed streams with different parameters. Among the analysed nozzles, the highest degree of dispersion was obtained for the TF 6 FCN sample, whose average Sauter mean diameter (SMD) reached a value of 217.3 µm. In comparison, for the NF15 nozzle, this parameter was 945 µm. The spray spectra indicate a high homogeneity of water dispersion in the stream produced by the nozzles TF 6 FCN and CW 50. From the distribution of mass sprinkling density, the CW 50 nozzle shows the greatest uniformity of spraying. At the same time, however, it reports a small amount of water, since the value of the spray density for this product did not exceed 100 g/( m2 · s), while for the NF 15 nozzle it was more than 2,700 g/( m2 · s). The obtained spray angles were close to those declared by the nozzle manufacturer. In the tests of all samples, a slight effect of supply pressure on the values of this parameter was observed. Conclusions: Among other things, the tests made it possible to conclude that in the range of supply pressures of 0.2÷0.6 MPa, the values of disperse angle and spray area of the analysed nozzles were constant or the recorded differences were insignificant. In addition, it was determined that in the case of nozzles with full spray cones, an increase in supply pressure (within the range of declared operating values) has little effect on changing the parameters of the micro- and macro-structure of the stream. The conducted tests showed the potential use of two nozzles (TF6 FCN, CW 50) in low-pressure fog extinguishing systems producing fog with SMD droplet diameters > 200 µm. For the absorption of hazardous substances, it is recommended.

PL

Cel: Celem badań było określenie parametrów mikro- i makrostruktury strumieni wytwarzanych przez dysze różnego typu oraz wskazanie potencjalnych zastosowań badanych dysz wodnych, w tym do gaszenia pożarów i usuwania zanieczyszczeń z powietrza. Projekt i metody: Badaniom poddano dysze wodne TF6 FCN, TF6 V, NF 15 oraz CW 50. Przy ciśnieniu zasilania równym 0,2 MPa, 0,4 MPa oraz 0,6 MPa zmierzono i wyznaczono podstawowe parametry mikro- i makrostruktury strumieni: natężenie przepływu, kąt rozpylenia, rozkład masowy cieczy na powierzchni (intensywność zraszania), nierównomierność rozkładu gęstości zraszania oraz średnie średnice kropel i widmo rozpylenia. Do określenia paramentów mikrostrukturalnych strumienia zastosowano analizator widma rozpylenia, wykorzystujący metodę fotoelektryczną. Wyniki: Badane dysze generowały strumienie rozpylone o różnych parametrach. Wśród analizowanych dysz największy stopień dyspersji uzyskano dla próbki TF 6 FCN, której średnia średnica Sautera (SMD) dochodziła do wartości 217.3 µm. Dla porównania w przypadku dyszy NF15 parametr ten wynosił 945 µm. Widma rozpylenia wskazują na dużą jednorodność dyspersji wody w strumieniu wytworzonym przez dysze: TF 6 FCN i CW 50. Z rozkładu masowej gęstości zraszania wynika, że dysza CW 50 wykazuje największą równomierność zraszania. Jednocześnie podaje ona jednak małą ilość wody, ponieważ wartość gęstości zraszania dla tego wyrobu nie przekroczyła 100 g/(m2 · s), podczas gdy dla dyszy NF 15 wynosiła ona ponad 2700 g/(m2 · s). Uzyskane kąty rozpylenia były zbliżone do deklarowanych przez producenta dysz. W badaniach wszystkich próbek zaobserwowano niewielki wpływ ciśnienia zasilania na wartości tego parametru. Wnioski: Przeprowadzone badania pozwoliły stwierdzić m.in., że w przedziale ciśnień zasilania 0,2÷0,6 MPa wartości kąta rozpylenia oraz powierzchni zraszania analizowanych dysz były stałe lub zarejestrowane różnice była nieznaczne. Dodatkowo ustalono, że w przypadku dysz o pełnych stożkach zraszania wzrost ciśnienia zasilania (w zakresie deklarowanych wartości pracy) ma mały wpływ na zmianę parametrów mikro- i makrostruktury strumienia. Przeprowadzone badania wykazały możliwości potencjalnego zastosowania dwóch dysz (TF6 FCN, CW 50) w niskociśnieniowych mgłowych systemach gaśniczych wytwarzających mgłę o średnicy kropel SMD > 200 µm. Do celów absorpcji substancji niebezpiecznych rekomenduje się zastosowanie dysz o dużym kącie rozpylenia i pełnym stożku zraszania, które – jak pokazały testy – wytwarzają jednorodne strumienie o małej średnicy kropel.

Słowa kluczowe

EN

water nozzles; water spray; spray spectrum; mass spray density; water mist

PL

dysze wodne; rozpylanie wody; widmo rozpylenia; masowa gęstość zraszania; mgła wodna

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Safety & Fire Technology
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 61, iss. 1
• Strony: 32--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wąsik Wiktor

• The Main School of Fire Service / Szkoła Główna Służby Pożarniczej

• https://orcid.org/0000-0002-0934-3961

Bibliografia

• [1] Orzechowski Z., Prywer J. Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej cieczy, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa2018.
• [2] Roguski J., Zbrożek P., Czerwienko D., Wybrane aspekty stosowania w obiektach budowlanych urządzeń gaśniczych na mgłę wodną, Wydawnictwo CNBOP-PIB, Józefów 2012.
• [3] Ilari A., Piancatelli S., Centorame L., Moumni M., Romanazzi G., Foppa Pedretti E., Distribution quality of agrochemicals for the revamping of a sprayer system based on lidar technology and grapevine disease managemen, “Applied Sciences”, 2023, 13(4):2222, https://doi.org/10.3390/app13042222.
• [4] Fessler L., Pietsch G., Wright W., Zhu H., Xiaocun S., Fulcher A., Characterizing spray deposits from variable- and constant-rate spray technologies: Implications for future optimization to target trunk and foliar pests, XXXI Międzynarodowy Kongres Ogrodniczy, 2023, 1360, https://doi.org/10.17660/ ActaHortic.2023.1360.34.
• [5] Jiang Y., Yang Z., Xu, X., Shen D., Jiang T., Xie B., Duan J., Wetting and deposition characteristics of air-assisted spray droplet on large broad-leaved crop canopy, “Frontiers in Plant Science” 2023, 14, https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1079703.
• [6] Moon S., Li T., Sato K., Yokohata H., Governing parameters and dynamics of turbulent spray atomization from modern GDI injectors, “Energy” 2017, 127, 89–100, https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.099.
• [7] Huang W., Gong H., Pratama R. H., Moon S., Takagi K., Chen Z., Potential for shock-wave generation at diesel engine conditions and its influence on spray characteristics., “Energies” 2020, 13(23), 6465, https://doi.org/10.3390/en13236465.
• [8] Gałaj J., Wójcik B., Assessment of the impact of extinguishing with a low-pressure fog lance on a fire environment, “Sustainability” 2022, 14(11), 6731, https://doi.org/10.3390/su14116731.
• [9] Drzymała T., Gałaj J., Wójcik M., Analiza wpływu wydatku i ustawienia głowicy prądownicy TurboJet 52 na rozkład intensywności zraszania w strumieniu rozpylonym, „Zeszyty Naukowe SGSP” 2017, 61, 151–169.
• [10] Gui X., Xue H., Hu Z., Cui Z., Influence of water mist nozzle characteristic parameters on oil pool fire extinguishing in confined space, “Arabian Journal for Science and Engineering” 2023, 48(3), 3441–3454, https://doi.org/10.1007/s13369-022-07162-0.
• [11] Bara A., Dusserre G., The use of water curtains to protect firemen in case of heavy gas dispersion, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 1997, 10(3), 179–183, https://doi.org/ org/10.1016/S0950-4230(96)00049-6.
• [12] Cui Y., Liu J., Research progress of water mist fire extinguishing technology and its application in battery fires, “Process Safety and Environmental Protection” 2021, 149, 559–574, https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.03.003.
• [13] Buchlin, J.-M., Mitigation of industrial hazards by water spray curtains, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 2017, Part A, 50, 91–100, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2017.08.007.
• [14] Węsierski T., Majder-Łopatka M., Wąsik W., Study of water curtain effectiveness to fight against vapours of methyl acetate during uncontrolled release, “MATEC Web of Conferences FESE 2018” 2018, 247, https://doi.org/10.1051/matecconf/201824700050.
• [15] Węsierski, T., Majder-Łopatka M., Comparison of water curtain effectiveness in the elimination of airborne vapours of ammonia, acetone, and low-molecular aliphatic alcohols, “Applied Sciences” 2018, 8(10), https://doi.org/10.3390/app8101971.
• [16] Cheng Ch., Tan W., Du H., Liu L., A modified steady-state model for evaluation of ammonia concentrations behind a water curtain, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 2015, 36, 120–124, https://doi.org/org/10.1016/j.jlp.2015.05.018.
• [17] Węsierski T., Majder-Łopatka M., Wąsik W., Control of ammonia space contaminations by using turbine fire-fighting vehicles, “Przemysł Chemiczny” 2017, 1(5), 145–149,https://doi.org/10.15199/62.2017.5.21.
• [18] Fedoruk M.J., Bronstein R., Kerger B.D., Ammonia exposure and hazard assessment for selected household cleaning product uses, “J. Expo. Anal. Sci. Environ. Epidemiol.” 2005, 15(6), 534–544, https://doi.org/10.1038/sj.jea.7500431.
• [19] Zhang J., Liang P., Liu Y., Impingement and breakup characteristics of free opposed impinging jets with unequal nozzle diameter, “Experimental Thermal and Fluid Science” 2023, 145, https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2023.110884.
• [20] Shen X., Zhang J., Hua M., Pan X., Experimental research on decontamination effect of water curtain containing compound organic acids on the leakage of ammonia, “Process Safety and Environmental Protection” 2017, 105, 250–261,https://doi.org/10.1016/j.psep.2016.10.016.
• [21] Fedak W., Ulbrich R., Ligus G., Wasilewski M., Kołodziej S., Wasilewska B., Ochowiak M., Włodarczak S., Krupińska A., Pawlenko I., Influence of Spray Nozzle Operating Parameters on the Fogging Process Implemented to Prevent the Spread of SARS-CoV-2 Virus, “Energie” 2021, 14(14), 4280, https://doi.org/10.3390/en14144280.
• [22] Ochowiak M., Krupińska A., Włodarczak S., Matuszak M., Woziwodzki S., Szulc T., Analysis of the possibility of disinfecting surfaces using portable foggers in the era of the SARS-CoV-2 epidemic, “Energies” 2021, 14(7), https://doi.org/10.3390/en1407201.
• [23] Ochowiak M., Włodarczak S., Krupinska A., Matuszak M., Fedak, W., Ligus G., Kołodziej S., Wasilewska B., Spray curtains as devices for surface spraying during the SARS-CoV-2 pandemic, “Environ. Res.” 2022, 206, 112562, https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.112562.
• [24] Zbrożek P., Prasuła J., Wpływ wielkości średnic kropli mgły wodnej na efektywność tłumienia pożarów i chłodzenie, BiTP Vol. 15 Issue 3, 2009, pp. 113–148, https://panel.sft.cnbop.pl/storage/46730e51-ab6c-4e41-83c8-e82249dbce2f.
• [25] Orzechowski Z., Prywer J., Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej cieczy, w Wydanie I, WNT, Warszawa 2008.
• [26] Ochowiak M., Krupińska A., Włodarczak S., Matuszak M., Markowska M., Janczarek M., Szulc T., The two-phase conical swirl atomizers: Spray characteristics, „Energies”2020, 13(13), 3416, https://doi.org/10.3390/en13133416.
• [27] Wąsik W., Rogula-Kozłowska W., Majder-Łopatka M., Ocena mikrostruktury strumienia wytwarzanego przez dyszę spiralną o pełnym stożku zraszania “Zeszyty Naukowe SGSP” 2021, 79, 105–122.
• [28] Wąsik W., Walczak A., Węsierski T., The impact of fog nozzle type on the distribution of mass spray density, “MATEC Web of Conferences FESE” 2018, 247, https://doi.org/10.1051/matecconf/201824700058.
• [29] Birouk M., Lekic N., Liquid jet breakup in quiescent atmosphere, “Atomization and Sprays” 2009, 19(6), 501–528, https://doi.org/10.1615/atomizspr.v19.i6.20.
• [30] Qian S., Zhu D. Z., Xu H., Splashing generation by water jet impinging on a horizontal plate, “Experimental Thermal and Fluid Science” 2022, 130, https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2021.110518.
• [31] Majder-Łopatka M., Węsierski T., Wąsik W., Binio Ł., Effects of the Supply Pressure in a Spiral Vortex Nozzle on a Dispersion Angle and the Sprinkling Density of Water Jet, “Zeszyty Naukowe SGSP” 2017, 61, 137–151.
• [32] Hua M., Qi M., Yue, T.-T., Pi X.-Y., Pan X.-H., Jiang J.-C., Experimental Research on Water Curtain Scavenging Ammonia Dispersion in Confined Space, “Procedia Eng.” 2018, 211,256–261, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.12.011.
• [33] Instrukcja obsługi Analiza Widma Kropel IPS, Zakład Elektronicznej Aparatury Pomiarowej Firma KAMIKA Instruments Sp. z o.o., Warszawa 2009.
• [34] Wąsik W., Majder-Łopatka M., Rogula-Kozłowska W., Influence of micro- and macrostructure of atomized water jets on ammonia absorption efficiency, “Sustainability” 2022, 14, 9693, https://doi.org/10.3390/su14159693.
• [35] BETE Europe GmbH, Catalog card nozzles TF 2023, https://www.bete-dysze.pl/files/bete-duesen-de/pdf/vollkegel/tf.pdf [dostęp: 01.01.2023].
• [36] BETE Europe GmbH, Catalog card nozzles TF 2023, https://www.bete-dysze.pl/files/bete-duesen-de/pdf/hohlkegel/tf.pdf [dostęp: 01.04.2023].
• [37] BETE Europe GmbH, Catalog card nozzles NF 2023, https://www.bete-dysze.pl/files/bete-duesen-de/pdf/flachstrahl/nf.pdf [dostęp: 01.04.2023].
• [38] BETE Europe GmbH, Catalog card nozzles CW 2023,https://www.bete-dysze.pl/files/bete-duesen-de/pdf/vollkegel/cw.pdf [dostęp: 01.04.2023].
• [39] Węsierski T., Effectiveness of water curtains during fighting against vapors of saturated linear low molecular mass alcohols during its uncontrolled release, “Przemysł Chemiczny” 2015, 5, 728–730, https://doi.org/10.15199/62.2015.5.13.
• [40] Majder-Łopatka M., Węsierski T., Wąsik W., Wpływ typu dyszy rozpylającej na skuteczność absorpcji obłoku amoniaku powstałego w wyniku awarii przemysłowej BiTP Vol. 42 Issue 2, 2016, pp, 127–134, https://doi.org/10.12845/bitp.42.2.2016.13.
• [41] Gałaj, J., Drzymała, T., Piątek P., Analysis of influence of tilt angle on the distribution of water droplets diameters in a spray generated by the turbo master 52 nozzle, “Procedia Engineering” 2017, 172, 300–309. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.02.118.
• [42] Kraus-Namroży N., Brzezińska D., Effectiveness of swirl water mist nozzles for fire suppression, “International Journal of Environmental Research and Public Health” 2022, 19(23), https://doi.org/10.3390/ijerph192316328.
• [43] Buchlin J.-M., Thermal shielding by water spray curtain, “Journal of Loss Prevention in the Process Industries” 2005, 18(4-6), 423–432, https://doi.org/10.1016/j.jlp.2005.06.039.
• [44] Piatek P., Gałaj J., Analysis of the influence of the spraying angle on the distribution of sprinkling intensity by a selected turbo water nozzle, “ MATEC Web of Conferences” 2018, 247, https://doi.org/10.1051/matecconf/201824700008.
• [45] Cote A.E., Fire protection handbook, National Fire Protection Association, Inc., Quincy, Massachusetts 2003.
• [46] PN-EN 12259-1:2005 Stałe urządzenia gaśnicze. Podzespoły urządzeń tryskaczowych i zraszaczowych – Część 1:Tryskacze.
• [47] PN-EN 12845:2008 Stałe urządzenia gaśnicze. Automatyczne urządzenia tryskaczowe. Projektowanie, instalowanie i konserwacja.
• [48] PN-EN 14972-1:2021 Stałe urządzenia gaśnicze. Zestawy instalacji mgły wodnej – Część 1: Projektowanie, instalacja, przegląd i konserwacja.
• [49] NFPA 750 Standard on Water Mist Fire Protection Systems [Systemy gaśnicze na mgłę wodną], Standard Narodowego Stowarzyszenia Ochrony Przeciwpożarowej, Quincy 2023.
• [50] Gai G., Hadjadj A., Kudriakov S., Mimouni S., Thomine O., Numerical study of spray-induced turbulence using industrial fire-mitigation nozzles, “Energies” 2021, 14(4), 1135, https://doi.org/10.3390/en14041135.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).