帶電細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)研究

趙 楓，王 旭

（沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110136）

帶電細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)研究

趙 楓，王 旭＊

（沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽，110136）

利用靜電感應(yīng)原理，設(shè)計了使細(xì)水霧強(qiáng)制帶電的感應(yīng)荷電裝置，進(jìn)行了帶電細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)研究。為研究帶電細(xì)水霧的滅火效率，在受限空間內(nèi)，采用小尺度實(shí)驗(yàn)方法，通過改變電壓的極性和大小、針－環(huán)狀電極的半徑及其距傘罩電極之間的距離，分析對滅火時間和熱電偶溫度變化的影響。結(jié)果表明：帶電細(xì)水霧比普通細(xì)水霧能更迅速地降低火焰溫度、熄滅火焰，荷負(fù)電的細(xì)水霧比荷正電的細(xì)水霧具有更好的抑制效果，隨著電壓的增大、針－環(huán)狀電極半徑及兩電極間距的減小，滅火效能提高，熄滅時間減少。

靜電感應(yīng)；感應(yīng)荷電；帶電細(xì)水霧；滅火效率

0 引言

細(xì)水霧以其無環(huán)境污染（不會損耗臭氧層或產(chǎn)生溫室效應(yīng)）、滅火迅速、耗水量低、破壞性小以及適用于特殊火災(zāi)（如計算機(jī)房、航空器火災(zāi)）等特點(diǎn)，被看作鹵代烷滅火系統(tǒng)的主要替代品［1］，已成為火災(zāi)科學(xué)研究領(lǐng)域的基本共識。美國、加拿大、英國等發(fā)達(dá)國家對細(xì)水霧與多種類型火災(zāi)的相互作用進(jìn)行了模擬的或全尺寸的實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，取得了實(shí)質(zhì)進(jìn)展［2］。為了進(jìn)一步提高細(xì)水霧的滅火效率，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廖光煊等人對含添加劑的細(xì)水霧滅火技術(shù)進(jìn)行了大量研究［3－7］。同時，Calcote在20世紀(jì)60年代指出化學(xué)電離是碳?xì)浠衔锘鹧骐x子產(chǎn)生的主要機(jī)制，并且陽離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子濃度，而生成陰離子則需要大量的電子［8］；Kim等人又通過實(shí)驗(yàn)得出，火焰反應(yīng)區(qū)域的電荷載體在電場的作用下可以影響火焰?zhèn)鞑ニ俾剩?］。但是，目前針對帶電細(xì)水霧的研究工作開展較少。

1 帶電細(xì)水霧定義及滅火機(jī)理

在NFPA750中，細(xì)水霧的定義是：在最小設(shè)計工作壓力下、距噴嘴1m處的平面上，測得水霧最粗部分的水微粒99%的體積直徑（Dv99）不大于1000μm［10］。帶電細(xì)水霧是指在細(xì)水霧噴射過程中采取物理學(xué)方法，使霧滴帶上適量電荷，來提高霧化和滅火作用效果。

我們認(rèn)為，帶電細(xì)水霧在普通細(xì)水霧冷卻、隔離、窒息、衰減熱輻射的滅火機(jī)理上還應(yīng)包括化學(xué)抑制和動力學(xué)效應(yīng)。

根據(jù)火災(zāi)化學(xué)原理，燃燒的本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。在反應(yīng)進(jìn)行過程中必然有電子的得失，在火焰及煙氣區(qū)形成帶電的正、負(fù)離子與電子分布。因?yàn)檫@些粒子不能很快復(fù)合生成不帶電分子，所以它們將以離子的形式在火焰中存留一段時間。一般情況下，由于火焰中電子運(yùn)動速度較快，則火焰的外部區(qū)域多充滿電子，內(nèi)部大部分區(qū)域多充滿陽離子。通過給細(xì)水霧荷電，具有明顯電荷極性傾向的霧滴進(jìn)入火焰反應(yīng)區(qū)后，區(qū)域內(nèi)的霧滴運(yùn)動特征將發(fā)生改變，極性不同的粒子互相吸引直接中和，極性相同的粒子互相排斥；中性粒子可能由于捕獲、吸附等作用帶上電荷，或由于感應(yīng)作用形成極化電荷；在極化力、引力等作用下更容易使火焰內(nèi)陰、陽離子的濃度及梯度減小而導(dǎo)致火焰化學(xué)反應(yīng)速率下降，抑制燃燒時自由基的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而提高滅火效率。

如常見的烴類有機(jī)物（柴油、汽油），鏈?zhǔn)椒磻?yīng)包括［11］：

帶電細(xì)水霧的霧滴可以捕捉燃燒反應(yīng)中生成的自由基H·、O·、·OH，發(fā)生中和反應(yīng)，阻礙支鏈反應(yīng)的進(jìn)行，降低化學(xué)反應(yīng)活性。

2 實(shí)驗(yàn)原理

高壓水流在形成霧滴過程中，由于液體與管道、噴嘴之間的高速摩擦及液滴破碎而自然帶電。但是，一般條件下其帶電電量較小，無法滿足滅火的要求。為進(jìn)一步增強(qiáng)霧滴的帶電量，實(shí)驗(yàn)中需要采取附加荷電的方法。

使霧滴荷電一般有三種方式：電暈荷電、接觸荷電、感應(yīng)荷電。從荷電效果、實(shí)用性等方面考慮，感應(yīng)荷電具有耗電量小、荷電量大、電極絕緣性好、安全性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)被應(yīng)用于細(xì)水霧荷電技術(shù)中。

感應(yīng)荷電法是根據(jù)靜電感應(yīng)原理使霧滴荷上與放電電極極性相反的電荷，它是將外加高壓電源直接加在針－環(huán)狀電極（或傘罩電極）上，當(dāng)霧滴通過針－環(huán)狀電極和接地傘罩電極（或傘罩電極和接地針－環(huán)狀電極）之間的電場時，由于電場中有大量的運(yùn)動離子，使得霧滴帶上與針－環(huán)狀電極極性相反的電荷。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)由細(xì)水霧系統(tǒng)、荷電系統(tǒng)、溫度測試系統(tǒng)三部分組成。其中，細(xì)水霧系統(tǒng)由電源控制柜、水箱、消防泵、穩(wěn)壓泵、壓力表、電磁閥、流量計、細(xì)水霧噴頭（共7個霧化噴嘴，噴霧擴(kuò)散角度為120°）組成；荷電系統(tǒng)由高壓電源、傘罩電極、針－環(huán)狀電極組成；溫度測試系統(tǒng)由5根K型熱電偶（自下而上為1～5號，每只間隔30cm）、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

在5m×5m×3m的受限空間內(nèi)，每次選取300ml柴油，放在直徑300mm、高50mm的油盤內(nèi)，用5ml酒精引燃，預(yù)燃120s。實(shí)驗(yàn)時，油盤在細(xì)水霧噴頭正下方2.5m處，熱電偶支架距離油盤中心0.3m，在油盤上方0.1m處布置第一根熱電偶，水泵壓力始終保持7MPa，流量計讀數(shù)范圍1.716m3／h～1.723m3／h。選取兩種半徑分別為11cm 和5.5cm紫銅制成的針－環(huán)狀電極，該電極距傘罩電極分別為4.5cm和1.5cm。荷電電壓在0kV～5kV調(diào)節(jié)，電壓的正負(fù)可以通過改變感應(yīng)電極的不同接地方式來實(shí)現(xiàn)，細(xì)水霧荷正電時，采用傘罩電極接地，針－環(huán)狀電極接高壓電源，如圖1；細(xì)水霧荷負(fù)電時，采用針－環(huán)狀電極接地，傘罩電極接高壓電源，如圖2。實(shí)驗(yàn)過程中，傘罩電極、針－環(huán)狀電極、電源線、接地線之間絕緣良好。

圖1 荷正電裝置Fig.1 Positively charged device

圖2 荷負(fù)電裝置Fig.2 Negatively charged device

4 結(jié)果與分析

表1為針－環(huán)狀電極半徑11cm和兩電極間距4.5cm條件下，電壓的極性及大小對滅火時間的影響。

表2為電壓－5kV和兩電極間距4.5cm條件下，將針－環(huán)狀電極半徑改為5.5cm對滅火時間的影響。

表3為電壓－5kV和針－環(huán)狀電極半徑5.5cm條件下，將兩電極間距調(diào)整為1.5cm對滅火時間的影響。

由表1～表3可知，荷負(fù)電的細(xì)水霧隨著電壓升高、針－環(huán)狀電極半徑和兩電極間距的減小，所用的滅火時間越少。這是因?yàn)榛鹧鎯?nèi)部充滿陽離子，細(xì)水霧通過荷負(fù)電的靜電場后，霧滴表面聚集了大量的負(fù)電荷，隨著電壓的升高，電場強(qiáng)度逐漸增大，空間電場電暈、電離增強(qiáng)，電子獲得的能量增加，碰撞電離分子數(shù)變多，產(chǎn)生的電子、陰離子數(shù)也增多，同時，加快了電子、陰離子在豎直方向的勻加速運(yùn)動，促進(jìn)了與火焰中陽離子的中和反應(yīng)，大量消耗了燃燒所需的自由基，中斷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，熄滅火焰。

表1Table 1

表2Table 2

表3Table 3

4.1 荷電電壓的影響

由于火焰內(nèi)部的不完全燃燒及離子化過程，使其充滿大量的陰、陽離子以及自由電子，Sugden和Tbxush通過實(shí)驗(yàn)證明了火焰中大約30%的碳顆粒帶正電［12］，其中，存在的陽離子為CH＋3、H3O＋、CHO＋和C3H＋3，CHO＋是由化學(xué)電離產(chǎn)生的一級離子，H3O＋是一級離子與中性質(zhì)點(diǎn)通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的二級離子［13］。在施加帶電細(xì)水霧后，電場導(dǎo)致火焰中離子重新分布，霧滴中的陰離子沿著電場方向朝火焰中陽離子移動，正負(fù)離子中和干擾了燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。在燃燒的眾多中間組分中，·OH是重要的氧化自由基，靜電場力迫使自由電子與自由基相互碰撞，形成大量激發(fā)態(tài)分子，引發(fā)電離生成OH－，大量的OH－離子捕捉維持燃燒所需的陽離子，破壞了燃燒化學(xué)反應(yīng)鏈。同時，在電場的作用下，火焰中的中性粒子和電場猛烈加速的離子與自由電子相撞，使自由電子附著在中性粒子上，中性粒子得到電子帶負(fù)電，加快了與火焰中陽離子的中和反應(yīng)，在此過程中，大量消耗了火焰化學(xué)離子反應(yīng)所需的電子，而對燃燒起主要強(qiáng)化作用的是電子［14］，因此，較大地降低了火焰化學(xué)反應(yīng)速率。

4.2 電極環(huán)徑的影響

針－環(huán)狀電極半徑越小，其均勻性不好，與噴霧產(chǎn)生的霧錐面間隔也越小，則感應(yīng)效果越強(qiáng)（即電場強(qiáng)度增強(qiáng)），霧滴在電場中電離的效果越好，產(chǎn)生的離子數(shù)增多，荷電量也隨之增大。這樣，提高了帶電細(xì)水霧中帶電粒子捕捉火焰中與其極性相反的帶電粒子的能力，促進(jìn)了正負(fù)電荷的中和反應(yīng)。

4.3 電極間距的影響

兩電極間距對細(xì)水霧的荷電性能存在影響，在相同的荷電條件下，兩電極間距越小，針－環(huán)狀電極距噴霧產(chǎn)生的霧錐面越近，感應(yīng)電荷就越強(qiáng)。由于針－環(huán)狀電極距噴頭較近，使得荷電霧滴的動量增加，在電場的作用下，極易破碎成細(xì)小的霧滴改善荷電效果，使其產(chǎn)生的離子數(shù)增多，荷電量增大，加快了正負(fù)離子的反應(yīng)速率。

4.4 帶電細(xì)水霧對溫度的影響

由熱電偶溫度測試結(jié)果可以看出，帶電細(xì)水霧比普通細(xì)水霧能更迅速降低火焰溫度，并且荷負(fù)電的細(xì)水霧有更好的降溫趨勢，隨著荷電電壓的升高，滅火時間逐漸減少，如圖3～圖6。

圖3 0kV溫度變化曲線Fig.3 Temperature curve at 0kV

圖4 3kV溫度變化曲線Fig.4 Temperature curve at 3kV

圖5 5kV溫度變化曲線Fig.5 Temperature curve at 5kV

圖6 －5kV溫度變化曲線Fig.6 Temperature curve at－5kV

細(xì)水霧在電場的作用下，其表面張力和粘滯阻力減小，霧滴尺寸分布更為均勻，彌散程度加大，從而提高了細(xì)水霧與火羽流的空間吸收效果，大量霧滴到達(dá)火焰根部，將與火焰發(fā)生熱量交換，降低火焰溫度，致使維持火焰燃燒的離子產(chǎn)生速率下降。同時，給細(xì)水霧荷負(fù)電，能夠直接捕獲火焰中的陽離子生成中性分子，使火焰化學(xué)離子反應(yīng)活性降低，導(dǎo)致火焰中離子濃度、能量梯度減小。而燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的鏈引發(fā)是高吸熱過程，該過程需要較高的活化能，能量的減少阻礙了分子間碰撞產(chǎn)生活化分子，抑制了鏈傳遞及自由基的生成，鏈終止反應(yīng)又是高放熱過程，化學(xué)鏈的中斷使得沒有更多的熱量去破壞舊的化學(xué)鍵進(jìn)行新的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)鏈增長速率不及鏈終止速率時，燃燒將被終止，熄滅時間減少，如圖6。普通細(xì)水霧是依靠自身的冷卻慢慢地控制火焰溫度，最終通過隔離、窒息、衰減熱輻射將火焰熄滅，但熄滅時間較長，如圖3。這就有效證明了帶電細(xì)水霧能夠迅速降低火焰溫度，而不是單純通過冷卻將火焰溫度降低。隨著針－環(huán)狀電極半徑和兩電極間

圖7 環(huán)徑5.5cm在－5kV下溫度變化曲線Fig.7 Temperature curve at－5kV with ring size of 5.5cm

5 結(jié)論

本文通過改變電壓的極性和大小、針－環(huán)狀電極的半徑及其距傘罩電極之間的距離等條件，進(jìn)行了多種工況下帶電細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)研究，初步得出以下結(jié)論：

（1）帶電細(xì)水霧比普通細(xì)水霧能夠用較少的時間熄滅柴油火。雖然荷負(fù)電的細(xì)水霧有較好的滅火距的減小，降溫效果更加明顯，將用更少的時間熄滅火焰，如圖7、圖8。效果，但是荷正電的細(xì)水霧也能有效地抑制火焰發(fā)展，降低火焰溫度及火焰高度，控制燃燒規(guī)模。隨著荷電電壓的增加，滅火效率顯著增強(qiáng)。

圖8 兩極間距1.5cm在－5kV下溫度變化曲Fig.8 Temperature curve at－5kV with poles spacing of 1.5cm

（2）針－環(huán)狀電極的半徑及其距傘罩電極之間的距離對細(xì)水霧的荷電效果影響很大。它們的減小，增強(qiáng)了電離程度，增加了火焰區(qū)域的細(xì)水霧通量，使霧滴更容易穿透火羽流到達(dá)火源，促進(jìn)正負(fù)電荷的中和反應(yīng)，抑制燃燒。

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Experimental study on extinguishment of fire by charged water mist

ZHAO Feng，WANG Xu

（School of safety engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

This paper presents a design of an induction charging device by the principle of electrostatic induction to make water mist be forced charged.By using this device，the extinguishment of fire by charged water mist was experimentally investigated.As for the fire extinguishing efficiency，we conducted the small-scale experiments in a limited space，by changing the voltage polarity and magnitude，radius of needle-ring electrode and the distance from the needle-ring electrode to umbrella cover electrode，whereby the fire extinguishing time and thermocouple temperature under different conditions were examined.The results show that compared to ordinary water mist，the charged water mist can reduce the flame temperature and extinguish the flame more quickly.The negatively charged water mist has a better inhibitory effect than the positively charged water mist.The fire extinguishing effectiveness could be improved and the extinguishment time could be reduced by increasing the voltage or decreasing of the radius of the needle-ring electrode and the distance between the two electrodes.

Electrostatic induction；Induction charging；Charged water mist；Fire extinguishing efficiency

X932；X915.5

A

2012-03-30；修改日期：2012-06-01

趙 楓（1986-），男，黑龍江大慶人，沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院碩士研究生，安全技術(shù)及工程專業(yè)，研究方向是防火防爆工程與技術(shù)。

王 旭，E-mail：wangx1960＠126.com

1004-5309（2012）-0153-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.07