水可以滅火的原理分析

橙色救援

1 ? 引言

縱觀歷史，消防員早已開(kāi)始利用水來(lái)滅火。上個(gè)世紀(jì)，人們逐漸形成了通過(guò)水桶接力的形式來(lái)?yè)錅缁馂?zāi)這一固有方式，很顯然這種滅火方式效率非常低。

隨后，荷蘭人發(fā)明了消防水泵和消防水帶，滅火形式有了質(zhì)的飛躍。消防員通過(guò)消防水泵和水帶可以將水輸送到更遠(yuǎn)的距離，并將其噴射到燃燒物上。

這樣的話，水就能和可燃物充分接觸，滅火效率也會(huì)有所提升。隨著時(shí)代的發(fā)展，空氣呼吸器（BA）問(wèn)世。在空氣呼吸器的協(xié)助下，消防員可以進(jìn)入著火建筑內(nèi)實(shí)施滅火救援，使得水能完全作用于火源表面，這意味著滅火效率的又一次提高。

最新的滅火形式是：煙氣冷卻滅火，該方法由瑞典學(xué)者發(fā)明，旨在為消防員進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)攻滅火創(chuàng)造一個(gè)更為安全的環(huán)境。

迄今為止，滅火方式經(jīng)歷了幾次比較大的變革。目前，標(biāo)準(zhǔn)的滅火方式是進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)攻來(lái)實(shí)施滅火。在火場(chǎng)環(huán)境允許的條件下，內(nèi)攻滅火是最有效的滅火形式。然而，很多消防員未能熟練掌握內(nèi)攻滅火的機(jī)理，本文將嘗試解釋內(nèi)攻滅火所涉及到的相關(guān)原理。

2 ? ?水如何吸收熱量的

水吸收熱量的方式有三種。一般情況下，消防員實(shí)施滅火時(shí)所用水的最高溫度為20℃左右。眾所周知，當(dāng)水被加熱時(shí)，其溫度會(huì)升高，而將1L水的溫度升高1℃需要4186J的能量。同樣地，當(dāng)水溫從20℃加熱到100℃時(shí)，1L水將吸收335kJ能量。

隨后，水將以第二種方式吸收熱量。通常來(lái)說(shuō)，100℃液態(tài)水將會(huì)很快轉(zhuǎn)變?yōu)?00℃水蒸氣，相較于液態(tài)水從20℃升溫至100℃所需要的能量，該狀態(tài)變化需要的能量更多。每升水蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為水蒸氣需要2.260kJ能量，這意味著水蒸發(fā)所需能量大約是將水從20℃加熱至100℃所需能量的7倍多。

水繼續(xù)以第三種方式吸收熱量。一旦水在100℃下形成了水蒸氣，它將吸收周圍煙氣的熱量。當(dāng)煙氣溫度高于100℃時(shí)，熱量將從煙氣轉(zhuǎn)移到水蒸氣中，直至達(dá)到溫度平衡。

假設(shè)水蒸氣最終溫度為300℃，這意味著水蒸氣被加熱了200℃。1L水蒸氣其溫度提高1℃所需要的平均熱能為2.080J，而1L水蒸氣溫度提高200℃的過(guò)程將吸收416kJ能量。

總而言之，水會(huì)在3個(gè)不同階段吸收熱量：

（1）水從20℃升溫至100℃ ? ? ? ? ? ? ?335kJ/L

（2）100℃水轉(zhuǎn)化為100℃水蒸氣 ? ? 2.260kJ/L

（3）水蒸氣從100℃升溫至300℃ ? ?416kJ/L

1L水經(jīng)過(guò)一系列過(guò)程轉(zhuǎn)化成300℃水蒸氣會(huì)吸收大約3MJ能量，可通過(guò)Lambert&Baaij[2]所寫(xiě)的Brandberloop找到對(duì)該過(guò)程更為詳細(xì)的解釋。

現(xiàn)在最有趣的是，要對(duì)水從可燃物表面流走，沒(méi)有發(fā)生蒸發(fā)這一情況進(jìn)行分析。這種情況下，水源利用的最高效率僅為11%。然而，在滅火救援中，通常會(huì)有大量水從可燃物表面流走，火場(chǎng)實(shí)際所需水量往往是理想狀態(tài)下的10倍。

上述分析可以看出，滅火過(guò)程中確實(shí)需要高效利用水源。為了達(dá)到高效的滅火效果，滅火時(shí)，水槍射出的水至少要在火場(chǎng)內(nèi)蒸發(fā)以此來(lái)吸收更多熱量，當(dāng)水得以完全蒸發(fā)時(shí)，滅火效率會(huì)上升至86%。

常言道：一次成功有效的滅火救援行動(dòng)，不應(yīng)該出現(xiàn)水從樓梯間或房門(mén)流出的現(xiàn)象。

3 ? ?表面冷卻（直接滅火）

3.1 什么是火災(zāi)

上述問(wèn)題的答案很簡(jiǎn)單?；馂?zāi)是可燃物和氧氣之間不受控制的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中伴隨著光和熱的產(chǎn)生。仔細(xì)看這個(gè)定義會(huì)產(chǎn)生以下疑問(wèn)：我們討論的是哪種可燃物？每名消防員都應(yīng)該知道，著火并不是固體物質(zhì)本身的燃燒。

經(jīng)過(guò)充分加熱，易燃固體會(huì)分解釋放出易燃?xì)怏w。在此過(guò)程中，固體物質(zhì)分子被分解成更小的顆粒，且該過(guò)程是可見(jiàn)的。這種現(xiàn)象可通過(guò)CFBT集裝箱進(jìn)行細(xì)致的觀察，這些煙氣就是所說(shuō)的熱解氣體，此過(guò)程就是熱解。熱解氣體的輸出量是由可燃物表面溫度決定的，熱解過(guò)程中，固體物質(zhì)會(huì)受熱分解產(chǎn)生氣體，這些氣體就會(huì)成為火災(zāi)發(fā)生所需的可燃物。

消防員的基本課程會(huì)簡(jiǎn)要介紹與氣相燃燒相關(guān)的主題，參訓(xùn)人員都知道，撲滅這類火災(zāi)最好的方式是切斷氣體供應(yīng)（關(guān)閉閥門(mén)）。該原理同樣適用于撲救室內(nèi)火災(zāi)，即切斷火場(chǎng)中可燃?xì)怏w的供應(yīng)。消防員可通過(guò)向火點(diǎn)位置射水來(lái)降低可燃物表面溫度，從而達(dá)到切斷氣體供應(yīng)的目的。

這一過(guò)程中，水分會(huì)很快蒸發(fā)并吸收可燃物表面能量，可燃物溫度也會(huì)因此下降。當(dāng)其溫度降低到一定程度時(shí)，熱解過(guò)程會(huì)減弱，可燃?xì)怏w的供應(yīng)便會(huì)中止。

這種滅火機(jī)制就是直接滅火，直接滅火的實(shí)現(xiàn)是基于充分冷卻固體可燃物表面來(lái)切斷可燃?xì)怏w供應(yīng)的這一原理。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)火勢(shì)的控制，可能會(huì)使用其他滅火形式。然而滅火的本質(zhì)在于降低火點(diǎn)位置的溫度，若不能有效降低火場(chǎng)溫度，很有可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃的情況。

3.2 關(guān)于表面冷卻的幾個(gè)問(wèn)題

對(duì)于可燃物表面的冷卻來(lái)說(shuō)，必須考慮幾個(gè)重要的問(wèn)題。當(dāng)消防員射水滅火時(shí)，目的是讓水盡可能接觸到燃燒物表面。離開(kāi)水槍的水滴首先必須要穿過(guò)熱煙氣層，其中一部分液滴會(huì)在到達(dá)可燃物之前蒸發(fā)掉。

如果水滴粒徑過(guò)小，其會(huì)在接觸明火前完全蒸發(fā)。這種情況下，可燃物表面溫度不會(huì)降低，且熱解也不會(huì)停止。因此，在進(jìn)行表面冷卻滅火時(shí)，液滴粒徑應(yīng)足夠大以確保大部分液滴在燃料表面蒸發(fā)吸熱。

其次，將水全面覆蓋整個(gè)可燃物表面也是滅火救援工作中一項(xiàng)重要內(nèi)容。在滅火過(guò)程中，整個(gè)熱解可燃物表面都需要冷卻，否則會(huì)出現(xiàn)部分可燃物表面火焰被撲滅而相鄰位置仍存在明火的現(xiàn)象。

因?yàn)?，這種情況下，輻射熱將導(dǎo)致已冷卻的燃燒物表面再次升溫，熱解再次開(kāi)始;隨后，熱解釋放的可燃?xì)怏w受高溫作用會(huì)被點(diǎn)燃，使得火災(zāi)撲救回到原點(diǎn)。同樣地，該現(xiàn)象可通過(guò)CFBT集裝箱進(jìn)行觀察。

最后，冷卻燃燒表面所用水量的合理性選擇對(duì)于火災(zāi)撲救來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在空氣呼吸器問(wèn)世之前，傳統(tǒng)的滅火方式是采用過(guò)量水來(lái)?yè)渚然馂?zāi)。這是因?yàn)橄绬T在沒(méi)有任何防護(hù)裝備的前提下，無(wú)法靠近火點(diǎn)位置進(jìn)行射水滅火。

當(dāng)前，由于火場(chǎng)內(nèi)不穩(wěn)定性因素，我們?nèi)悦媾R這類無(wú)法實(shí)施內(nèi)攻的火災(zāi)，譬如工業(yè)火災(zāi)。然而，類似于住宅火災(zāi)，則可通過(guò)內(nèi)攻得到有效抑制，再使用過(guò)量水進(jìn)行撲救顯然不太可取。

當(dāng)消防員將水噴射到可燃物表面，大量液滴與可燃物接觸會(huì)導(dǎo)致其表面溫度下降，熱解不久便會(huì)停止。這之后，所有液滴會(huì)撞擊可燃物表面的相同位置，造成水漬損失。

相比于火災(zāi)本身造成的損失，滅火過(guò)程中因水的過(guò)量使用，造成更大損失的火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)有發(fā)生。一把可調(diào)流量水槍可以起到控制水量的作用。

4 ? 蒸汽的產(chǎn)生（間接滅火）

消防員利用蒸汽滅火時(shí)，水是以氣體抑制劑形式應(yīng)用于整個(gè)滅火過(guò)程。這種滅火機(jī)制取決于蒸汽擠壓空氣的原理，稱為間接滅火。當(dāng)室內(nèi)存在蒸汽時(shí)，房間內(nèi)氧氣濃度會(huì)下降。一旦房間內(nèi)一半空間充滿蒸汽時(shí)，明火將會(huì)消失。

但這并不意味著火已經(jīng)被撲滅，只是暫時(shí)受到抑制。隨著蒸汽逐漸從室內(nèi)排出，新鮮空氣會(huì)進(jìn)入到房間內(nèi)，出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。為了完全撲滅火災(zāi)，需要中止可燃物的熱解過(guò)程。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生最大量的蒸汽，水要盡可能接觸到燃燒物表面。理想情況下，可通過(guò)使用開(kāi)花水槍，將水噴射到墻壁和吊頂處來(lái)達(dá)成這一目標(biāo)。

由于液滴接觸到墻壁前，要穿過(guò)火焰層，因此，火勢(shì)全面發(fā)展階段，會(huì)造成大量液滴蒸發(fā)。消防員采用間接形式滅火，需要關(guān)閉通往相鄰房間的防火門(mén)，以此來(lái)保證著火空間內(nèi)一定的蒸汽濃度。

間接滅火形式應(yīng)用到封閉空間內(nèi)是最有效的，這種滅火機(jī)制也可應(yīng)用在內(nèi)攻滅火實(shí)施起來(lái)比較困難的情形下。在不進(jìn)入室內(nèi)情況下，可通過(guò)使用穿孔水槍來(lái)產(chǎn)生室內(nèi)蒸汽。

針對(duì)可能發(fā)生回燃的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，外部間接滅火的形式會(huì)是一種不錯(cuò)的方案。

消防員通過(guò)水槍采用這種滅火技術(shù)時(shí)，需要注意的是，要留有一個(gè)開(kāi)口將多余蒸汽排到外部空間。如若不然，消防員進(jìn)入房間的門(mén)將成為多余蒸汽的出口。當(dāng)多余的蒸汽沿門(mén)向外擴(kuò)散時(shí)，熱蒸汽會(huì)不可避免地經(jīng)過(guò)火場(chǎng)內(nèi)消防員所在位置，這意味著消防員存在被嚴(yán)重?zé)齻娘L(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)然，當(dāng)室內(nèi)第二個(gè)開(kāi)口（例如窗戶）打開(kāi)時(shí)，火場(chǎng)內(nèi)危險(xiǎn)等級(jí)會(huì)降低，而且開(kāi)口最好是火源下游方向。這種情況下，可以開(kāi)創(chuàng)一條從門(mén)開(kāi)始的空氣流向，并引導(dǎo)火焰朝向窗戶發(fā)展。這條空氣流動(dòng)軌跡將攜帶蒸汽從窗口流出，而不會(huì)影響到內(nèi)攻消防員。

在具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口的著火房間內(nèi)采用間接滅火時(shí)，新鮮氧氣通過(guò)開(kāi)口進(jìn)入房間后，可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃的現(xiàn)象。燃燒物表面溫度升高，發(fā)生熱解并釋放可燃?xì)怏w。

為防止熱解產(chǎn)物復(fù)燃，間接滅火后，需要對(duì)可燃物進(jìn)行表面冷卻，使燃燒物表面熱解值降至熱解閾值以下。這種情況下，由于缺少足夠熱解產(chǎn)物，新鮮氧氣的補(bǔ)充不會(huì)造成復(fù)燃的發(fā)生。

下面的一系列照片，顯示了火災(zāi)試驗(yàn)中火災(zāi)發(fā)展情況。該火災(zāi)場(chǎng)景著火點(diǎn)位于客廳，火勢(shì)蔓延迅速并達(dá)到全面發(fā)展階段。

隨后，采用直接和間接滅火相結(jié)合的方式（重點(diǎn)放在間接滅火上）對(duì)火勢(shì)進(jìn)行壓制，然后水槍開(kāi)關(guān)調(diào)至直流射水來(lái)滅火。

5 ? 氣體冷卻

第三種水源利用方式是在消防員內(nèi)攻推進(jìn)滅火時(shí)，構(gòu)建一個(gè)安全區(qū)域。起初，火災(zāi)產(chǎn)生的熱煙氣會(huì)在天花板下方積聚，煙氣的溫度和密度逐漸增加，會(huì)對(duì)消防員人身安全造成一定威脅。某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，煙氣層被點(diǎn)燃（滾燃），煙氣產(chǎn)生輻射熱會(huì)急劇增加，轟燃隨之而來(lái)。

這時(shí)，可采用氣體冷卻方法來(lái)避免這種情況的發(fā)生，即在煙氣層中射入適量的水。一方面，水會(huì)蒸發(fā)并吸收煙氣層熱量;另一方面，水蒸發(fā)形成的蒸汽（部分）會(huì)保留在煙氣層內(nèi)，改變煙氣的燃燒極限，使其難以被點(diǎn)燃。

上文指出，液滴粒徑足夠大才能滿足到達(dá)可燃物表面的要求。但是，當(dāng)利用氣體冷卻技術(shù)滅火時(shí)，目的是避免液滴撞擊到墻壁和天花板。相反地，氣體冷卻技術(shù)應(yīng)該讓水在煙氣層內(nèi)完全蒸發(fā)吸熱。

Paul Grimwood提出液滴最佳尺寸為300微米「4」「5」，該尺寸下液滴比較厚重足以進(jìn)入到煙氣層內(nèi)部。如果液滴尺寸過(guò)小，那它們重量太小可能無(wú)法進(jìn)入到煙氣層內(nèi)部;如果液滴過(guò)厚，則一部分液滴會(huì)在熱煙氣中蒸發(fā)，剩余部分將穿過(guò)煙氣層到達(dá)熱壁并在熱壁上蒸發(fā)，就無(wú)法達(dá)到構(gòu)建安全區(qū)域的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? Fire Behaviour and Fire Suppression Course for instructors， MSB， augustus 2012，Revinge， Zweden

[2] ? Lambert Karel， Baaij Siemco， Brandverloop： technisch bekeken， tactisch toegepast， 2011

[3] ? Sardqvist Stefan， Water and other extinguishing agents， 2002

[4] ? Grimwood Paul， Eurofirefighter， 2008

[5] ? Grimwood Paul， Hartin Ed， Mcdonough John & Raffel Shan， 3D Firefighting， Training， Techniques & Tactics， 2005

[6] ? CFBT instructor’s course for the T-cell， CFBT-BE， september 2012