開門工況下工作壓力對細水霧滅火效能的影響

卞成玉

(南京市公安消防支隊，江蘇 南京 210008)

細水霧滅火系統(tǒng)具有冷卻效率高、水漬損失小和可以用于電氣火災等優(yōu)點，因此一直被視為哈龍滅火劑的理想替代品[1]。細水霧滅火系統(tǒng)的滅火介質(zhì)是水，滅火過程中既可以冷卻火場溫度又可以沖刷煙氣顆粒，有利于人員疏散。目前細水霧滅火系統(tǒng)已在我國得到了廣泛應用。

細水霧滅火機理主要有：(1)冷卻作用。水的蒸發(fā)潛熱約為2 280 kJ·kg-1，水蒸發(fā)能吸收火場釋放的大部分熱量[2]，細水霧液滴粒徑小，液滴比表面積遠大于傳統(tǒng)噴淋系統(tǒng)產(chǎn)生的液滴，細水霧液滴在火場中會迅速蒸發(fā)吸熱。細水霧能直接對火羽流進行冷卻，細水霧液滴穿越火羽流后還可以冷卻可燃物表面，從而降低火源的燃燒速率[3]。(2)窒息作用。細水霧汽化后體積可膨脹約1 700倍，大量的水蒸氣使燃料與氧氣隔離，降低燃燒反應速率。在較為密閉的空間中，細水霧的窒息作用能在較快時間內(nèi)滅火。(3)熱輻射衰減作用。細水霧蒸發(fā)生成的水蒸氣阻礙了火源、煙氣向周圍環(huán)境熱輻射的傳播，能有效抑制火場轟燃的發(fā)生[4]。此外，一些次級滅火機理也是細水霧快速滅火的原因，如細水霧向下噴射過程中會卷吸攜帶大量煙氣和水蒸氣，降低著火區(qū)域燃料和空氣的濃度[5]；細水霧向下的動量可以直接將火焰吹離燃料表面[6]，實現(xiàn)滅火。細水霧滅火機理的多樣性使得其在不同火災場景中的效能有著較大的差異性。本文通過開門工況下細水霧的滅火試驗，探究細水霧工作壓力對撲滅油盤火效能的影響。

1 試驗設計

試驗在長寬高分別為3.6,2.7,2.7 m的小室內(nèi)進行，小室側(cè)墻上的門尺寸為0.8 m寬2.0 m高，試驗中始終保持開門狀態(tài)，以滿足補風等要求。噴頭布置在小室中央，設置高度為2.6 m。正方形油盤邊長為40 cm，高10 cm，布置在噴頭正下方。在小室中央布置一熱電偶樹，熱電偶設置高度分別為0.3,0.6,0.9,1.2,1.5,1.8,2.1,2.4,2.7 m。采用德圖TESTO 320煙氣成分分析儀，其探槍設置高度為1.5 m，如圖1所示。小室正前方設置一臺攝像機，用于拍攝不同時刻的火焰形態(tài)。試驗系統(tǒng)采用單流體細水霧系統(tǒng)，主要由高壓水泵組、壓力表、壓力調(diào)節(jié)閥、凈水器、水箱、細水霧噴頭、耐高壓軟管和固定管網(wǎng)組成。泵組功率4 kW，轉(zhuǎn)速1 415，壓力范圍0～12 MPa，流量范圍0～21 L·min-1，水箱容量40 L，通過調(diào)節(jié)泵組頻率實現(xiàn)細水霧壓力的改變。

圖1 小室俯視圖

試驗選用93#汽油作為燃料，每次試驗燃料用量為1 L,水墊層距油盤上沿3 cm。開啟攝像機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和煙氣分析儀后點火并開始計時，30 s后開啟細水霧滅火系統(tǒng)，火焰被撲滅后細水霧系統(tǒng)繼續(xù)噴射1 min，關(guān)閉細水霧，測量系統(tǒng)停止數(shù)據(jù)采集。表1給出了不同工作壓力下細水霧滅火試驗工況和滅火時間。

表1 細水霧滅火試驗工況和滅火時間

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 典型試驗現(xiàn)象分析

圖2為工況4試驗中火源位置的溫度分布。汽油沸點較低，未點火前已經(jīng)開始在空氣中彌散，試驗開始后油盤上方迅速形成明火并釋放出熱量，油盤上方形成了溫度較高的火羽流，火羽流在熱力學作用向上運動過程中卷吸了大量空氣，高溫羽流在空氣的“稀釋”下溫度逐漸降低。因此表現(xiàn)出同一時刻隨著距地面高度的增加溫度不斷降低。開啟細水霧滅火系統(tǒng)前火羽流已經(jīng)達到了最高溫度，細水霧噴射初期火羽流溫度基本未發(fā)生變化，表明此時細水霧并不能進入火羽流實施有效降溫，1.5,1.8,2.1,2.4 m處的溫度則在開啟細水霧后逐漸下降，2.7 m頂棚處的溫度在試驗過程中基本未發(fā)生變化。53 s時0.3,0.6,0.9 m位于火羽流內(nèi)的溫度開始降低，細水霧持續(xù)冷卻降低了羽流浮力，細水霧液滴得以進入火羽流區(qū)域直接對火羽進行冷卻。油盤火被撲滅時0.3,0.6,0.9 m處的溫度約為405,236,54 ℃，其余位置的溫度均在40 ℃左右。隨著細水霧的繼續(xù)噴射，各點溫度逐漸恢復至環(huán)境溫度。

圖2 工況4溫度分布曲線

圖3為工況4試驗中煙氣組分濃度變化，試驗開始后氧氣濃度在汽油火的消耗下逐漸下降，開啟細水霧后氧氣濃度停止下降并在14 s后開始上升，氧氣濃度在63 s時出現(xiàn)降低趨勢，并在油盤火被撲滅后逐漸恢復至環(huán)境水平。一氧化碳濃度則在細水霧開啟后降低并在52 s開始上升，一氧化碳濃度在油盤火被撲滅后達到峰值。煙氣組分濃度變化表明開門工況下試驗的排煙、補風條件良好，因而在下面的論述中不再贅述。

圖3 工況4氧氣和一氧化碳濃度變化曲線

圖4為工況4試驗中不同時刻火焰狀態(tài)。試驗現(xiàn)象表明油盤在點燃后能迅速進入穩(wěn)定燃燒，細水霧噴下瞬間，細水霧強烈的動量使火焰體積迅速增加，出現(xiàn)了火焰強化現(xiàn)象，原因是在細水霧及其卷吸氣流的沖擊下加速了燃料蒸氣與氧氣的混合，提高了燃燒反應速率，油盤火的體積和亮度全面增加，56 s后火焰高度降低，火焰根部向油盤左側(cè)傾斜并不斷出現(xiàn)不連續(xù)火焰(火焰變細、變長)。油盤火被細水霧撲滅時火焰從油盤底部向上消失。

2.2 工作壓力對油盤火溫度的影響

圖5為各工況試驗中0.3 m處的溫度對比曲線，4組試驗中預燃階段溫度上升趨勢相似。油盤燃燒形成的火羽流溫度較高，羽流具有較大浮力，細水霧首先作用于油盤火生成的熱羽流，當液滴攜帶的動量不足以克服熱羽流的浮力時將無法進入火羽流對火羽進行直接冷卻。這種狀態(tài)下細水霧的冷卻效率較低。各組試驗的溫度在約38 s時出現(xiàn)上升，細水霧雖然不能穿越火羽進行冷卻但細水霧卷吸的氣流對下部油盤的燃燒產(chǎn)生了擾動，提高了燃燒反應速率，使火源處溫度發(fā)生短時間的提高。細水霧在持續(xù)噴射一定時間后使溫度開始降低，隨著細水霧壓力的增加，這一時間相應下降。增大細水霧工作壓力后細水霧流量提高，單位時間產(chǎn)生的細水霧液滴數(shù)量增多，作用于火羽的表面積增大，強化了細水霧的蒸發(fā)冷卻能力，同時細水霧的增加也使細水霧液滴攜帶的動量變大，在兩者共同作用下，增強了細水霧穿越火羽流的能力，縮短了細水霧直接冷卻火源的時間。

圖4 工況4試驗中不同時刻火焰形態(tài)

圖5 試驗中0.3 m處溫度對比曲線

2.3 工作壓力對火焰形態(tài)的影響

圖6、圖7、圖8和圖4分別為4組試驗中不同時刻的火焰形態(tài)。試驗中開啟細水霧后油盤火火焰開始向左側(cè)傾斜，并出現(xiàn)了火焰強化現(xiàn)象(火焰的體積、高度和亮度都迅速提升)，工況1火焰形態(tài)在約80 s開始轉(zhuǎn)變，火焰高度逐漸降低，103 s后火焰僅存在于油盤邊緣，火焰大小隨著時間逐漸減小。工況2火焰形態(tài)在66 s時開始轉(zhuǎn)變，在火焰縮小到油盤邊緣后逐漸熄滅。隨著細水霧壓力的增加，工況3火焰形態(tài)轉(zhuǎn)變的時間進一步縮短，86 s后火焰縮小到油盤左側(cè)邊緣，135 s時細水霧成功將油盤火“吹熄”。試驗現(xiàn)象顯示油盤火存在兩種燃燒形態(tài)：細水霧壓力較低時對油盤火的蒸發(fā)冷卻作用和對火源的沖擊作用都較弱，噴射初期火焰強化現(xiàn)象并不明顯，滅火主要是通過細水霧的噴射對火源進行持續(xù)冷卻，逐漸控制火源的熱釋放速率，從而實現(xiàn)滅火目的；隨著壓力的逐漸增大，試驗中出現(xiàn)的火焰強化現(xiàn)象也更加明顯，這表明細水霧的動量及其攜帶的氣流對火焰的沖擊力隨著壓力的增大而增強。工況3和工況4中，火焰熄滅時的形態(tài)都是火焰逐漸脫離油盤，火焰變的細長由下至上消失，這表明油盤火是在細水霧的冷卻和沖擊共同作用下“吹熄”的，隨著細水霧壓力的增加這一時間隨之縮短。

圖6 工況1試驗中不同時刻火焰形態(tài)

圖7 工況2試驗中不同時刻火焰形態(tài)

圖8 工況3試驗中不同時刻火焰形態(tài)

3 結(jié)論

細水霧是通過不同滅火機理協(xié)同作用滅火的，通常是吸熱、氧置換、隔絕熱輻射，稀釋燃料、空氣濃度和吹熄效應這幾個滅火機理中一種或幾種的組合。在本文試驗條件下，增大工作壓力細水霧的滅火時間隨之縮短，通過對試驗現(xiàn)象進行分析，證明開門工況下細水霧主要通過蒸發(fā)冷卻作用和吹熄作用實現(xiàn)滅火。工作壓力的增加增強了細水霧蒸發(fā)冷卻能力和吹熄作用，兩者共同作用下使細水霧能更快地進入燃料表面進行冷卻和直接吹熄火焰，有效提高了細水霧的滅火效能。

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