細(xì)水霧滅火影響因素改變對(duì)受限空間燃油熱釋放率的影響

李安桂，彭 浩，高 然，成勁光

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

細(xì)水霧滅火技術(shù)具有用水量少、對(duì)被保護(hù)對(duì)象的沖擊力小、對(duì)環(huán)境無損害和污染等特點(diǎn)，細(xì)水霧滅火技術(shù)具有十分廣闊的工程實(shí)際應(yīng)用前景,具有很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.細(xì)水霧滅火機(jī)理為:當(dāng)細(xì)水霧達(dá)到火焰區(qū)時(shí),由于細(xì)水霧總表面積相對(duì)較大,吸收熱量快,迅速氣化,大量的氣化潛熱會(huì)降低燃料溫度,同時(shí)大量水蒸氣的存在也會(huì)降低反應(yīng)區(qū)的氧氣濃度,從而達(dá)到冷卻燃燒反應(yīng)和窒息燃燒反應(yīng)雙重物理滅火的效果[1-3].影響細(xì)水霧滅火效果主要因素有細(xì)水霧到達(dá)燃料表面的霧動(dòng)量和霧通量、燃料的燃燒面積、燃料相對(duì)于噴霧射流的位置.細(xì)水霧滅火效果受多方面因素的影響，在實(shí)際使用過程中，需要根據(jù)選用的細(xì)水霧噴頭和實(shí)際滅火場(chǎng)景進(jìn)行滅火試驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)化細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的噴頭布置，以達(dá)到最佳的滅火效果.通過以上認(rèn)識(shí)，本文選擇一種小流量噴頭進(jìn)行受限空間內(nèi)細(xì)水霧滅油盤火的實(shí)驗(yàn).

我國細(xì)水霧滅火技術(shù)的研究從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行，雖然晚于一些發(fā)達(dá)國家,但在細(xì)水霧滅火技術(shù)理論及設(shè)計(jì)應(yīng)用等方面得到了許多成果.陸強(qiáng)等人在進(jìn)行細(xì)水霧滅火的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出,當(dāng)液體燃料發(fā)生變化時(shí)，細(xì)水霧的滅火機(jī)理也會(huì)隨之有所變化,并且細(xì)水霧的水霧特性是影響滅火機(jī)理差異的最主要因素[5].牛國慶等人進(jìn)行了細(xì)水霧對(duì)油類火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn),對(duì)細(xì)水霧滅火過程中溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行分析,指出細(xì)水霧熄滅油類火災(zāi)的作用過程分為兩個(gè)階段,第一階段細(xì)水霧滅火機(jī)理主要是是衰減熱福射作用和氣相冷卻機(jī)理,第二階段是細(xì)水霧對(duì)燃料表面進(jìn)行冷卻[6].浙江大學(xué)的周華等人對(duì)長寬高為4 m×3 m×3 m的小空間內(nèi)細(xì)水霧對(duì)不同位置油池火的滅火效果進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧對(duì)位于噴頭正下方的火源滅火效果最好，并且隨這火源距離噴頭橫向偏移距離的增大細(xì)水霧滅火效果逐漸減弱[7].中國科技大學(xué)為了能進(jìn)一步了解細(xì)水霧滅火技術(shù)的滅火效果,進(jìn)行了"細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)研制及應(yīng)用"的課題研究，開展了細(xì)水霧特性實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究、受限空間細(xì)水霧滅火的模擬實(shí)驗(yàn)研究等工作[8-11].

我國目前對(duì)細(xì)水霧滅火影響因素的實(shí)驗(yàn)研究較少,細(xì)水霧滅火技術(shù)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用還存在一些差距.但作為比較先進(jìn)的滅火技術(shù),細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在我國的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛.為了進(jìn)一步提高細(xì)水霧滅火效果,推動(dòng)其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用,有必要研究各因素對(duì)細(xì)水霧滅火效果的影響.本文通過實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)水霧滅火特性的影響因素,以作為相關(guān)研究的參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和熱釋放率測(cè)量原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在全尺寸熱釋放率試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上搭建了細(xì)水霧條件下油池火燃燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要功能是測(cè)量受限空間內(nèi)細(xì)水霧條件下油池火的熱釋放率.

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部尺寸6 m×3 m×3 m,實(shí)驗(yàn)裝置由細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)、油盤燃燒平臺(tái)、串口線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.實(shí)驗(yàn)中采用的是高壓泵式細(xì)水霧發(fā)生方法,采用開式細(xì)水霧系統(tǒng)，動(dòng)力由高揚(yáng)程深井螺桿泵產(chǎn)生，揚(yáng)程300 m，額定流量2.6 m3/h.噴頭前設(shè)置壓力表和閥門，方便調(diào)節(jié)流量和壓力.噴頭為標(biāo)準(zhǔn)角實(shí)心錐細(xì)水霧噴頭，K=1.0，工作壓力0.2～8.0 MPa，霧滴粒徑一般為200～400 μm.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電子質(zhì)量稱、連接線、電腦和數(shù)據(jù)記錄軟件，實(shí)驗(yàn)中使用的電子天平秤讀數(shù)精度為0.1 g.實(shí)驗(yàn)中燃油采取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的工業(yè)乙醇，每一工況量取200 ml的乙醇，質(zhì)量為160 g.實(shí)驗(yàn)主要裝置如圖所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備布置Fig.1 Experimental system equipment layout

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.2 Photo of the experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理

熱釋放速率(HRR)是在單位時(shí)間內(nèi)材料燃燒向外所釋放的熱量，是評(píng)價(jià)可燃物燃燒時(shí)火災(zāi)強(qiáng)度與規(guī)模的重要參數(shù)，被視為反映火災(zāi)場(chǎng)景，表征火災(zāi)過程最重要參數(shù)之一[12-13]，熱釋放速率是預(yù)測(cè)火災(zāi)行為、比較火災(zāi)行為以及評(píng)價(jià)火災(zāi)對(duì)附近環(huán)境其他燃料影響最有用的數(shù)據(jù)，是確定消防設(shè)計(jì)的重要指標(biāo).測(cè)量熱釋放速率的方法有替換燃燒法、絕熱箱法、耗氧量法、質(zhì)量損失法，基于氧消耗原理的熱釋放速率測(cè)試方法和基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測(cè)試方法是最常用的兩種方法[14].基于耗氧原理的測(cè)量方法是現(xiàn)在較為常用的一種測(cè)量方法，但在測(cè)量時(shí)必須將全部燃燒產(chǎn)物收集和轉(zhuǎn)移，經(jīng)過充分混合后在排氣管下流測(cè)量氣體的成份和流量，這種測(cè)量方法不適合本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，本文采取質(zhì)量損失法測(cè)量熱釋放率.

質(zhì)量損失法(Mass Loss Rate Method，簡稱 MLRM)是指利用測(cè)得的質(zhì)量損失率和燃燒熱值來計(jì)算熱釋放速率方法.質(zhì)量損失率是指可燃物在燃燒過程中質(zhì)量隨時(shí)間的變化率，它反應(yīng)了材料在一定火強(qiáng)度下的燃燒程度、熱裂解及揮發(fā).試驗(yàn)中可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接測(cè)定可燃物的質(zhì)量損失，并換算為可燃物的質(zhì)量損失率，具體公式如下.

Q=α×m×q

(1)

式中：Q為火源的熱釋放率，kW；m為燃料的質(zhì)量損失速率；α為可燃物的燃燒效率因子，完全燃燒為1，一般情況為0.3～0.9之間；q為燃料的平均熱值，kJ/kg(乙醇燃燒熱值一般取3×104kJ/kg).

質(zhì)量損失速率的測(cè)量方法計(jì)算較為簡單.實(shí)驗(yàn)時(shí)將盛有燃料的油盤放置在電子天平上，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以直接測(cè)定燃料燃燒時(shí)的質(zhì)量隨時(shí)間的變化，并換算為燃料的質(zhì)量損失速率m，因?yàn)楸疚募?xì)水霧霧滴直徑小于400 μm落于電子天平上的細(xì)水霧質(zhì)量可以忽略不計(jì)，這樣計(jì)算滅火過程中可燃物的熱釋放速率更為簡便.

本文主要研究油盤相對(duì)于噴頭水平偏移距離、油盤與噴頭垂直距離、油盤面積、預(yù)燃時(shí)間等對(duì)乙醇燃燒過程中熱釋放率的影響.制定了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況，見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)工況列表

細(xì)水霧滅火的基本過程可以分為三個(gè)階段，第一階段：在施加細(xì)水霧初期時(shí)受限空間溫度較高，霧滴不能穿過燃燒產(chǎn)生的熱煙氣層和高溫火焰區(qū)達(dá)到燃料表面，容易被上升的火羽流帶出火焰區(qū)，同時(shí)吸收火焰的熱輻射和高溫?zé)煔庑纬筛邷厮魵鈱?，冷卻燃料周圍的空間，并且由于細(xì)水霧噴射過程中會(huì)卷吸周圍空氣，促進(jìn)流場(chǎng)擾動(dòng)，加劇空氣與燃料混合，燃燒加劇燃燒，熱釋放率增大.第二階段：更多的細(xì)水霧霧滴能夠進(jìn)入到燃燒區(qū)，吸收熱量，降低火焰溫度，抑制燃料燃燒，燃料火焰變小.在此階段，大量細(xì)水霧霧滴快速吸熱蒸發(fā)降溫，汽化冷卻作用占主導(dǎo)地位，且細(xì)水霧滴粒徑越小，其相對(duì)表面積越大，蒸發(fā)速率越快，吸收的熱量越多，使燃油燃燒熱釋放率逐漸降低.第三階段：火焰在細(xì)水霧的持續(xù)噴射下直至熄滅.經(jīng)過第二階段后火焰溫度急劇下降，燃燒蒸發(fā)率隨之降低，燃料釋放的熱量逐漸減少，火羽流的上升浮力減小，被卷吸進(jìn)入火焰區(qū)的霧滴穿過熱煙氣層和火焰時(shí)并不能夠完全蒸發(fā)，能夠到達(dá)燃料的燃燒表面，起到表面冷卻的作用，直至燃料燃燒完全熄滅[15].

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差主要由以下幾個(gè)方面的因素引起：(1)油盤由于多次燃燒導(dǎo)致油盤底面不平整使燃油液面厚度不一致，導(dǎo)致燃燒后期燃油無法完全覆蓋油盤底面，從而使燃燒速率降低，而且油盤面積越大時(shí)出現(xiàn)該狀況越明顯，且發(fā)生時(shí)間越早；(2)房間不能做到完全密閉，門縫窗縫等縫隙所引起的滲透風(fēng)量的不固定引起室內(nèi)風(fēng)量變化；(3)開始點(diǎn)燃時(shí)由于細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法做到完全同步啟動(dòng)，存在人為的反應(yīng)時(shí)間差，從而易產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)落后或超前1～2 s，影響對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性分析；(4)燃燒過程中由于火焰飄忽不定，以及電子天平受熱后的穩(wěn)定性變差，從而導(dǎo)致個(gè)別質(zhì)量數(shù)據(jù)變大的壞值不符合燃燒時(shí)燃油質(zhì)量逐時(shí)降低的客觀規(guī)律.

主要通過以下數(shù)據(jù)處理方式減小實(shí)驗(yàn)誤差：(1)用厚鋼板制作油盤及定期更換燃燒油盤，減小油盤形狀及底面平整度變化所引起的實(shí)驗(yàn)誤差；(2)盡可能地對(duì)門窗縫隙進(jìn)行重復(fù)性密封，減少由于滲透風(fēng)所引起的實(shí)驗(yàn)誤差；(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開啟時(shí)間提前于電子脈沖點(diǎn)火器1～2 s，這樣可得到最初的質(zhì)量數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)時(shí)可剔除掉開始記錄時(shí)未發(fā)生變化的幾個(gè)數(shù)據(jù)；(4)通過間隔5 s取質(zhì)量數(shù)據(jù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)，從而減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)忽大忽小所引起的誤差.

2 討論與分析

2.1 油盤相對(duì)于噴頭不同水平偏移距離下的熱釋放率

在油盤邊長0.2 m，預(yù)燃時(shí)間0 s，噴頭壓力3 MPa，油盤與噴頭垂直距離1.6 m條件下，進(jìn)行工況1～工況6的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 油盤相對(duì)于噴頭不同水平偏移距離下的熱釋放率的變化Fig.3 Changes in heat release rate of oil pan relative to the nozzle at different horizontal offset distances

對(duì)本文使用的噴頭，其保護(hù)半徑為80 cm，當(dāng)油盤水平偏移距離大于80 cm時(shí)，細(xì)水霧不能到達(dá)油盤所處位置，此時(shí)乙醇為自由燃燒，因此，工況1為自由燃燒時(shí)乙醇的熱釋放率.燃燒過程所持續(xù)時(shí)間較短，熱釋放率穩(wěn)定持續(xù)時(shí)間較短，但峰值較高；工況2～工況6為有細(xì)水霧情況下的燃燒過程，第1階段與第2階段中隨著距離的增大，熱釋放率增大，距離越大，熱釋放率越大，且熱釋放率峰值到達(dá)時(shí)間越早.

2.2 油盤相對(duì)于噴頭不同垂直偏移距離下的熱釋放率

在油盤邊長0.2 m，預(yù)燃時(shí)間0 s，噴頭壓力3 MPa，油盤在噴頭正下方條件下，進(jìn)行工況7～工況11的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出；熱釋放率在燃燒第1階段與第2階段中隨這噴頭與油盤垂直距離增大而逐漸增大；且燃燒穩(wěn)定期持續(xù)時(shí)間隨著距離增大而縮短；由工況7、工況8的熱釋放率曲線可看出，當(dāng)油盤與噴頭垂直距離較小時(shí)，其熱釋放率變化較小，曲線走向趨勢(shì)差別較小，熱釋放率峰值到達(dá)時(shí)間有較大的延遲，且熱釋放率穩(wěn)定時(shí)間明顯變長.

2.3 不同油盤面積下的熱釋放率

在預(yù)燃時(shí)間0 s，噴頭壓力3 MPa，油盤在噴頭正下方且油盤與噴頭垂直距離1.6 m條件下，進(jìn)行工況12～工況16的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示.

圖4 油盤相對(duì)于噴頭不同垂直偏移距離下的熱釋放率的變化Fig.4 Change sin heat release rate of the oil pan relative to the nozzle at different vertical offset distances

圖5 不同油盤面積下的熱釋放率的變化Fig.5 Changes in heat release rate under different oil pan areas

由圖可看出：在燃燒第1階段與第2階段中乙醇熱釋放率隨著油盤面積的增大而增大；相同質(zhì)量的燃油燃燒所用的時(shí)間隨著油盤面積增大而減?。欢译S著油盤面積逐漸減小時(shí)，其燃油燃燒熱釋放率穩(wěn)定時(shí)間逐漸變長，熱釋放率峰值到達(dá)時(shí)間隨著油盤面積增大而逐漸提前.在燃燒衰減階段，由圖可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面積越大時(shí)衰減階段所需的時(shí)間越短，熱釋放率曲線斜率也越大.

2.4 不同預(yù)燃時(shí)間下的熱釋放率

在油盤邊長0.2 m，噴頭壓力3 MPa，油盤在噴頭正下方且油盤與噴頭垂直距離1.6 m條件下，進(jìn)行工況17～工況21的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同預(yù)燃時(shí)間下的熱釋放率的變化Fig.6 Changes in heat release rate at different pre-ignition times

圖6為不同預(yù)燃時(shí)間下熱釋放速率的變化曲線圖，從圖中可以看出，施加細(xì)水霧時(shí)間越早，乙醇火火源熱釋放速率越小.從工況20,工況21可以看出，預(yù)燃60 s時(shí)施加細(xì)水霧，細(xì)水霧對(duì)乙醇火火源熱釋率抑制作用較小，因乙醇在點(diǎn)燃50 s后已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).實(shí)驗(yàn)表明，在霧通量一定的情況下，乙醇火未充分燃燒時(shí)，施加細(xì)水霧可以更為有效的抑制乙醇燃燒.

2.5 不同噴頭壓力下的熱釋放率

在油盤邊長0.2 m，預(yù)燃時(shí)間0 s，油盤在噴頭正下方且油盤與噴頭垂直距離1.6 m條件下，進(jìn)行工況22～工況25的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同噴頭壓力下的熱釋放率的變化Fig.7 Changes in heat release rate under different nozzle pressures

從圖7中可以看出，隨細(xì)水霧工作壓力增大，乙醇熱釋放率下降幅度明顯增大，這是因?yàn)閴毫υ龃蠛蠹?xì)水霧的霧通量隨之增大，同時(shí)霧滴粒徑變的更小，細(xì)水霧的粒徑減小,霧滴動(dòng)量增大,增大了細(xì)水霧穿透火羽流的能力,可以更加有效地沖擊燃燒火焰的根部,切割、拉伸火焰并且限制火焰的發(fā)展.同時(shí)發(fā)現(xiàn)提高火焰區(qū)域細(xì)水霧通量,也可以使細(xì)水霧蒸發(fā)吸熱和表面冷卻作用得到強(qiáng)化.

3 結(jié)論

研究了受限空間中細(xì)水霧條件下油盤相對(duì)于噴頭水平偏移距離、油盤與噴頭垂直距離、油盤面積、預(yù)燃時(shí)間、細(xì)水霧噴頭壓力等對(duì)乙醇燃燒過程中熱釋放率的影響.得到了如下結(jié)論

(1)在不同油盤相對(duì)于噴頭水平偏移距離工況下，可以得到火源位于噴頭正下方時(shí)，火源熱釋放率最小，熱釋放率峰值比乙醇自由燃燒時(shí)下降30%,細(xì)水霧能夠有較好地滅火效果，而且隨著細(xì)水霧噴頭與火源水平距離的增大，火源熱釋放率越大，細(xì)水霧滅火效果越差.因此，采用適當(dāng)?shù)募?xì)水霧噴頭噴射角度，可以增大細(xì)水霧噴頭保護(hù)范圍.

(2)在不同油盤相對(duì)于噴頭垂直偏移距離工況下，可以得到火源位于噴頭正下方時(shí)，隨著細(xì)水霧噴頭與火源垂直距離的減小，火源熱釋放率越小，細(xì)水霧滅火效果越好，油盤距離噴頭1.4 m時(shí)熱釋放率峰值比距離2.2 m時(shí)下降37%.因此，采用適當(dāng)?shù)募?xì)水霧噴頭安裝高度，可以增大細(xì)水霧滅火效果.

(3)不同預(yù)燃時(shí)間工況下，在火源未充分燃燒時(shí)，施加細(xì)水霧對(duì)熄滅乙醇熱釋放率抑制效果最好,乙醇預(yù)燃時(shí)間0 s的熱釋放率峰值比預(yù)燃時(shí)間為80 s時(shí)下降26%.因此，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，要以最快時(shí)間開啟細(xì)水霧滅火系統(tǒng).

(4)在不同油盤面積工況下，在第1、第2階段時(shí)熱釋放率峰值到達(dá)時(shí)間隨著油盤面積的減小而推遲，熱釋放率峰值隨著油盤面積的減小而減小，火源面積的大小對(duì)細(xì)水霧滅火效果有很大影響.

(5)不同噴頭壓力工況下，隨細(xì)水霧工作壓力增大，熱釋放率明顯下降，噴頭壓力為3MPa時(shí)乙醇熱釋放率峰值比壓力為1.5時(shí)下降21%.因此，增大細(xì)水霧噴頭工作壓力，可以增大細(xì)水霧滅火效果.