消防專業課程中阻火器教學模型的設計與實施

馬建云

(昆明消防指揮學校 訓練部，云南 昆明 650208)

消防專業課程中阻火器教學模型的設計與實施

馬建云

(昆明消防指揮學校 訓練部，云南 昆明 650208)

阻火器是化工裝置中廣泛使用的一種阻火裝置，阻火器的使用及阻火原理是消防專業課程教學的重點內容。針對阻火器的結構特點和工作原理，介紹阻火器教學模型的設計思路及研制，并就該教學模型在課堂教學操作時的具體實施、演示過程進行闡述。

阻火器；教學模型；設計；實施

0 引言

模型是所研究的系統、過程、事物或概念的一種表達形式，也可是根據實驗、圖樣放大或縮小而制作的樣品，一般用于展覽或實驗或鑄造機器零件等的模子[1]。在一般意義上，模型又指模仿實物或設計中構造物的形狀制成的雛形，根據其大小可分為縮小型、實物型和放大型[2]。本文所述的阻火器教學模型是指教學實物模型，其根據相似性理論按原系統比例縮小制作，立體直觀地、部分透明地展現阻火器各種構件的組合及形態，科學合理地展示阻火器內部結構，適用于火災蔓延、阻火原理、阻火器工作過程等直觀教學。

學生對于知識的學習，一方面需要通過書本知識理解掌握，另一方面也需要借助于豐富的感性材料。教師使用直觀教具(教學模型)，通過課堂演示試驗，將晦澀難懂的知識直觀生動地展現出來，把抽象的事物具體化，將有助于學生對教學內容的理解和記憶，激發其學習積極性，提高學習效率。

1 阻火器教學模型研制的必要性

阻火器是化工設備、管道中普遍使用的一種阻止可燃氣體、液體蒸氣火焰蔓延的安全裝置。常用的金屬網型阻火器用單層或多層不銹鋼絲網或銅絲網重疊起來組成，當火焰進入阻火器時，火焰即被熄滅。阻火器的阻火原理和構造，是消防專業課程教學中重點講授的內容。阻火器之所以能起到阻止火焰蔓延的作用，取決于其內部的構造形式。由阻火器的結構特點和材質決定，即使學生親自到設置有阻火裝置的現場參觀，也不能看到裝置的內部構造和工作原理。在課堂教學時，教師講解其工作原理時，也通常只能采用繪圖等簡單形式。這就導致學生感性認識不足，教學效果不甚理想。

為了將阻火器阻火原理、裝置的結構和工作過程直觀生動、合理有效地展現給學生，筆者通過大量的研究設計、試驗對比，研制了阻火器教學模型。該模型裝置具有可視、可重復操作、可拆裝、可移動等優點，通過教師的課堂演示操作，可幫助學生理解、掌握阻火器的工作原理及其過程。其既是培養學生實踐能力的有效途徑，也是提高消防專業課程教學水平的重要手段。

2 阻火器教學模型的研制

2.1 模型工作原理

一般的金屬網型阻火器的阻火層是用單層或多層不銹鋼絲網或銅絲網重疊起來組成的(如圖1所示)，當火焰進入阻火層就被分隔成許多細小的火焰流，在傳熱作用和器壁效應影響下，火焰流被熄滅[3]。由于通道或孔隙傳熱面積很大，火焰與通道壁進行熱交換后，溫度大大降低，到一定程度時火焰被熄滅。傳熱作用是熄滅火焰的原因之一，阻火層阻止火焰傳播的主要原因是器壁效應。當燃燒的混合氣體進入阻火層時，由于通過直徑減小，促使自由基生成數量減少而反應降低。當通過尺寸減小到某一數值時，器壁效應就造成火焰不能繼續傳播的條件，火焰即被阻止。由此可見，影響阻火器阻火效果的主要因素是金屬網孔隙大小和阻火層厚度。

圖1 金屬網型阻火器

2.2 模型設計思路

根據阻火器阻火原理可知：隨著金屬網層的增加，阻火效果也隨之提高；但達到一定層數后再增加層數，阻火效果并不顯著。另外，金屬網的目數也直接影響網的層數和阻火性能。一般來說，使用目數少的網，為達到同等的阻火效果，則要求層數增多。使用目數過多的網，則會增大流體阻力，容易發生堵塞，降低阻火層的性能。為了使學生在學習過程中直觀掌握阻火層數和金屬網目數對阻火效果的影響，模型中金屬網的選擇是重點。

根據常見的金屬網型阻火器的結構特點，筆者經過大量的調查分析，研究設計的阻火器教學模型由一面為可視透明窗及內設多層金屬網的金屬長方體組成。根據設計思路首先繪制出阻火器教學模型設計結構圖，模型尺寸為21 cm×17 cm×39 cm(長×寬×高)(如圖2所示)。當進行真火模擬演示試驗時，把噴燈放在支架的臺板上，利用電子打火設備點火后，噴燈產生的火焰直接通過管道向上傳播。然后，把金屬網依次平行放入穿過管道。學生即可通過透明視窗觀察到火焰進入阻火器管道的燃燒情況，同時可以觀察到隨著金屬網的層層添加，穿過金屬網的火焰逐漸被熄滅的過程，進而理解阻火器工作原理。

圖2 阻火器教學模型設計結構圖

2.3 模型研制

由于該模型是根據具體的教學內容而設計的，類似的阻火器教學模型市場化生產還沒有，因此只能采用手工制作才能滿足設計功能要求。

2.3.1 金屬網的選取

為了在課堂教學演示時，使學生能夠清晰地觀察到金屬網孔隙大小不同時，阻火器阻火效果的明顯區別，深刻領會影響阻火器阻火效果的因素，該教學模型選取制作的金屬網就顯得尤為關鍵。

首先，要考慮選擇什么材質的金屬網。為了避免金屬網表面受熱產生氧化層，同時也為了延長金屬網的使用壽命，根據模型制作的要求選用了平紋不銹鋼絲網。這種不銹鋼絲網在工業生產和民用生活中廣泛應用，其主要特點是經向和緯向絲徑的密度相同，不僅耐用而且便于試驗觀測。

其次，要考慮選擇多大孔隙的金屬網。不銹鋼絲網的孔徑大小用“目數”作為計量單位，依據目數分為1～500目不等的規格，網孔徑也有0.026～23.4 mm不等的規格。多大目數的金屬網適合做實驗，觀測效果良好，這也是研制過程中需重點考慮的問題。結合課程教學的需要和模型試驗時的觀測效果，筆者從眾多規格中選取了相對適中的2目(11.2 mm)、4目(5.64 mm)、8目(2.545 mm)、20目(1.1 mm)、30目(0.682 mm)、40目(0.505 mm)、60目(0.313 mm)、80目(0.178 mm)八種不同規格的平紋不銹鋼絲網進行阻火效果的模擬試驗。在平紋不銹鋼絲網層數一定的情況下，分別把不同網孔大小的金屬網放入卡槽，觀察火焰從網孔大小不同的金屬網穿過后火焰變化的效果，以及金屬網層數的變化后火焰的變化效果(試驗數據如表1所示)。根據試驗結果(測試效果對比情況如圖3、圖4所示)，選取了觀測效果比較明顯的8目、20目、30目三種規格的平紋不銹鋼絲網作為阻火器教學模型的標準教學演示金屬網。

表1 不同規格平紋不銹鋼絲網阻火效果試驗數據

圖3 金屬網層數相同時的測試效果對比圖

圖4 金屬網層數不同時的測試效果對比圖

2.3.2 阻火器教學模型外形研制

為了滿足操作簡單、透明可視、便于移動、便于觀測的教學演示目的，阻火器教學模型采用模擬火焰傳播通道的長方體結構。其左、右、背三個面為金屬板，正面為可觀察內部效果的透明耐火玻璃板。三個金屬板安裝前進行氧化處理呈黑色，白天做燃燒實驗時，有黑色背板反襯，火焰能清晰可見。在金屬板與玻璃板相連的兩個側面壁壁高1/2以上處留有金屬網卡槽數個，上下卡槽之間的距離約為1.8 mm～2 mm。金屬網可平放在兩個金屬卡槽之間形成獨立配件，每層金屬網均可自由插入、疊加、取下，以演示不同目數的金屬網及金屬網的厚度等對阻火效果的影響。

2.3.3 實驗燃燒氣體的選擇

如果選用液化氣，平時對液化氣鋼瓶的存放管理存在一定困難，而且在使用過程中如操作不當極易引發安全事故。酒精較液化氣相對安全，酒精噴燈火焰溫度可達1 000 ℃，可滿足燃燒實驗要求。

2.3.4 教學模型細節的優化

酒精噴燈火焰為淺藍色，在白天火焰顏色不明顯。為了讓酒精噴燈火焰在白天明顯可見，使火焰便于觀察，可利用焰色反應原理，在實驗用酒精噴燈火焰上加入某種金屬參與燃燒。如，加入氯化鋇，火焰呈黃綠色，加入氯化鈉，火焰呈金黃色。這些火焰的顏色比酒精燃燒的顏色更加便于觀看。在每次演示試驗前，可把少量氯化鋇(或氯化鈉)粉末放在杯子里，加入溫水調成糊狀，用一根裹上棉花的小鐵絲把糊狀的氯化鋇(或氯化鈉)涂抹在金屬網面上。點火后，火焰通過金屬網后呈現黃綠色(或金黃色)效果，能明顯地看到火焰大小的變化。

鑒于酒精噴燈放置在相對較小的模型裝置內，如果用普通打火機、火柴等常用點火工具，要把手伸到裝置內點火，極易發生燙傷、燒傷事故。為了便于點火操作，配備一把長柄電子點火槍用于點火。

3 阻火器教學模型演示實施

每組演示實驗安排10名左右學生參加，點燃酒精噴燈，按照教學需要插入演示金屬網。學生通過透明視窗觀察火焰進入阻火層熄滅的全過程，理解并掌握阻火器的阻火原理及影響阻火效果的因素。

3.1 火焰大小的演示

在酒精噴燈里注入適量酒精，打開玻璃門把噴燈放入裝置底座上旋轉調節開關使火焰呈穩定燃燒狀態，使火焰中心高度剛好能與兩側金屬卡槽高度一致，以便學生觀察此時火焰大小情況。

3.2 影響阻火器阻火效果的因素一演示：阻火層厚度的影響

首先，選用30目的金屬網演示相同孔隙大小(目數)、不同厚度(層數)金屬網對火焰熄滅效果的影響。一層一層地疊加30目的金屬網，讓學生注意觀察火焰穿過金屬網后的焰面、焰高變化情況，注意觀察隨著金屬網層數的增加，火焰逐漸減弱直到不能穿過金屬網，讓學生記住火焰不能穿過30目金屬網時金屬網的層數。用同樣的方法分別測試插入不同層數20目、8目規格金屬網火焰變化的情況，做好記錄并進行統計分析，得出金屬網厚度對阻火器阻火效果影響的結論。

3.3 影響阻火器阻火效果的因素二演示：阻火層孔隙大小的影響

在金屬網層數相同情況下，分別把8目、20目、30目不同網孔大小的金屬網放入卡槽。注意觀察火焰穿過層數相同、網孔大小不同金屬網后的火焰大小變化或熄滅效果的差別，做好記錄并進行統計分析，得出不同網孔大小的金屬網對火焰熄滅效果影響的結論。

3.4 實驗過程中的安全注意事項

3.4.1 酒精是易燃液體，加注酒精時必須保證在酒精噴燈冷卻情況下加注。

3.4.2 取用燃燒實驗用過的金屬網時，必須使用鑷子，不能用手取，以防燙傷；取下的金屬網應放置在安全位置，以防引燃或燒壞桌子。

4 結語

隨著課程改革的發展，教學方法也應根據教學內容和教學目標的變化而改變。相比傳統教學，通過教學模型的課堂演示，有助于提高學生的學習效率，取得良好的教學效果。教學組根據人們難以見到阻火器的實際結構組成，在理論講授阻火器工作原理時，學生難以理解的實際情況，結合教學內容，設計、研制出阻火器教學模型，并應用于課堂教學。這不僅有利于學生對阻火器的結構特點產生感性認識，還有利于其更直觀地感受阻火過程。此外，也有利于學生親自動手體驗，使室內授課具有趣味性，有效激發其學習興趣，培養其動手能力[4]。阻火器教學模型的研制和使用，使學生對消防專業知識有了更深入的了解，對提高消防專業課程的教學質量具有十分重要的作用。

[1] 裴麗麗.巧用模型搞好生物教學[J].江西教育：綜合版，2012，(3).

[2] 聶規劃，唐喜林.一種新的DSS表示方法——模型的對象表示[J].武漢工業大學學報，2001，(1).

[3] 呂顯智，張宏宇.生產工藝防火[M].昆明：云南人民出版社，2006.

[4] 張宏宇.油罐防火附件教學模型設計研究[J].南昌教育學院學報，2013，(4).

(責任編輯 劉彥超)

The Design and Implementation of Teaching Model for Flame Arrester in a Professional Curriculum of Firefighting

MA Jianyun

(StaffOffice，KunmingFireCommandingSchool，Kunming，YunnanProvince650208，China)

The flame arrester is a device widely used in a chemical plant. Its use and principles of flame arrestor operation are the focuses of a professional curriculum teaching about firefighting. In this thesis， the design idea and content development of a teaching model of flame arrester are introduced， and the specific implementation and demonstration course in operating classroom instruction are elaborated in accordance with the feature and function of flame arrester. The application of this teaching model can improve the perceptual knowledge of the students， so as to achieve favorable teaching effect.

the flame arrester； teaching model； design； implementation

2015-03-07

馬建云(1974— )，女，云南大理人，副教授。

G642.0

A

1008-2077(2015)11-0063-04