細(xì)水霧滅火系統(tǒng)對(duì)油池火抑制效果研究

劉燁明 孫舒 畢勝奕

（1.天津保泰安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450；2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

0 引言

針對(duì)傳統(tǒng)滅火技術(shù)的種種不足，經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家共同攻關(guān)和研究，已經(jīng)提出了一系列新型滅火技術(shù)，新一代滅火技術(shù)在滅火材料選擇和滅火性能優(yōu)化方面進(jìn)行很大改進(jìn)，新一代滅火技術(shù)包括潔凈氣體滅火技術(shù)、高倍數(shù)泡沫滅火技術(shù)、細(xì)水霧滅火技術(shù)[1-2]。因此，深入研究細(xì)水霧滅火性能，尤其增加表面活性劑的細(xì)水霧滅火性能，可以有效提高滅火能力，并對(duì)拓寬細(xì)水霧使用范圍有著至關(guān)重要的作用。

1 細(xì)水霧滅火機(jī)理分析

細(xì)水霧滅火過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，經(jīng)過(guò)廣大學(xué)者的多年研究，基本上得到了以下幾個(gè)方面的共識(shí)[3-5]：

1.1 細(xì)水霧對(duì)火焰中心區(qū)冷卻作用

細(xì)水霧的冷卻降溫作用集中體現(xiàn)在燃燒物表面和氣相火焰部分，水霧吸熱方式表現(xiàn)為沸騰傳熱，這主要依靠液滴的高強(qiáng)霧動(dòng)量穿透高溫?zé)煔鈭?chǎng)，最終順利進(jìn)入火焰區(qū)和燃燒表面。

1.2 細(xì)水霧對(duì)氣相產(chǎn)物降溫作用

火蔓延過(guò)程將產(chǎn)生大量的熱煙氣流，細(xì)水霧液滴經(jīng)過(guò)熱對(duì)流作用和熱傳導(dǎo)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)氣相高溫?zé)煔饬鞯慕禍乩鋮s。細(xì)水霧粒徑大小與液滴蒸發(fā)速率對(duì)吸熱性能均有影響，表1[6]為超細(xì)水霧和一級(jí)細(xì)水霧的吸熱性能對(duì)比表。

表1 細(xì)水霧吸熱性能對(duì)比表

由表1 可知，細(xì)水霧霧滴在高溫氣流作用下，迅速汽化，降低高溫氣流溫度，減少了高溫氣流對(duì)燃料表面熱反饋，使火蔓延得到有效控制。細(xì)水霧粒徑越大，吸熱蒸發(fā)速率越慢，但其吸熱量增加，吸熱速率與吸熱量成反比趨勢(shì)，所以細(xì)水霧的粒徑研究十分有必要。

1.3 衰減熱輻射作用

細(xì)水霧滅火過(guò)程中，水蒸氣、二氧化碳在火焰周?chē)纬烧魵饽唬山档突鹩鹆鳠彷椛?，Korobeinichev等[7]研究結(jié)果表明，細(xì)水霧衰減熱輻射是吸熱與散射共同作用的結(jié)果。

1.4 細(xì)水霧火焰窒息作用

細(xì)水霧液滴吸熱蒸發(fā)過(guò)程中吸收大量熱量，體積劇烈膨脹，擴(kuò)大至原體積的1 700 多倍。這引起火焰區(qū)周?chē)鯕鉂舛妊杆俳档?，燃燒因缺氧而受到抑制或終止。當(dāng)火焰溫度達(dá)到1 000 K 時(shí)，不同粒徑細(xì)水霧的霧滴蒸發(fā)時(shí)間如下表2 所示[8]，表2 中數(shù)據(jù)可以得出50 μm 的霧滴僅需0.003 s 即可汽化，對(duì)火區(qū)進(jìn)行有效覆蓋，對(duì)滅火有著重大意義。

表2 液滴蒸發(fā)時(shí)間表

1.5 細(xì)水霧對(duì)液體燃料的乳化作用

當(dāng)細(xì)水霧用于撲滅可燃液體類(lèi)火災(zāi)時(shí)，細(xì)水霧液滴沖擊液體燃料表面，形成難燃乳化層。一方面燃料表面乳化層可降低液體燃料的蒸發(fā)速度；另一方面乳化層起到阻燃隔氧作用。

1.6 細(xì)水霧施加的動(dòng)力學(xué)作用

細(xì)水霧施加導(dǎo)致火焰周?chē)鷼饬鲾_動(dòng)增強(qiáng)且空氣卷吸作用加強(qiáng)，火焰被拉伸、撕裂而失穩(wěn)熄滅，火災(zāi)規(guī)模極小的情況下可以直接實(shí)現(xiàn)滅火的目的。

2 細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

根據(jù)細(xì)水霧的滅火機(jī)理，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種工況下的油池火滅火實(shí)驗(yàn)。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由細(xì)水霧發(fā)生系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)、火焰發(fā)生系統(tǒng)組成。

圖2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)實(shí)物圖

細(xì)水霧噴頭選用霧化效果較好的旋芯式噴頭，霧滴粒徑分布分別為200 μm、400 μm?；鹧鏈囟炔杉褂梦⒓?xì)熱電偶組成熱電偶樹(shù)，測(cè)量火焰軸向溫度及火焰底部溫度，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集儀（DataTaker）輸入電腦，分析普通細(xì)水霧、含表面活性劑細(xì)水霧與庚烷火相互作用過(guò)程中溫度變化規(guī)律。攝像機(jī)置于距離油池50 cm 處，拍攝細(xì)水霧與火焰相互作用過(guò)程中火焰形態(tài)，將采集到的細(xì)水霧抑制火焰發(fā)展過(guò)程輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，得到火焰受到抑制情況下的典型火焰形態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程概述

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，量取50 mL 正庚烷倒入油池中，為了使油池火穩(wěn)定燃燒，點(diǎn)燃后60 s 開(kāi)始啟動(dòng)細(xì)水霧。實(shí)驗(yàn)中使用普通細(xì)水霧與含表面活性劑細(xì)水霧的細(xì)水霧噴頭，選取的噴頭型號(hào)有兩種，兩種分別標(biāo)記為噴頭1（平均粒徑200 μm）和噴頭2（平均粒徑400 μm），實(shí)驗(yàn)壓力分別設(shè)定為0.2、0.4、0.6 MPa。本次實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有滅火時(shí)間、溫度場(chǎng)分布、火焰形態(tài)，來(lái)分析普通細(xì)水霧與含表面活性劑細(xì)水霧對(duì)油池火的滅火時(shí)間影響。依據(jù)細(xì)水霧施加時(shí)間、火焰熄滅時(shí)間，分析細(xì)水霧與火焰相互作用過(guò)程中火焰軸向溫度、火焰底部溫度變化，總結(jié)不同工況下表面活性劑對(duì)細(xì)水霧滅火性能的影響。

圖3 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粒徑200 μm 噴頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同工作壓力下，1 號(hào)噴頭（平均粒徑200 μm）普通細(xì)水霧、含添加劑細(xì)水霧與庚烷火相互作用過(guò)程火焰底部溫度曲線(xiàn)如圖4、5、6 所示。

圖4 0.2 MPa 1 號(hào)噴頭—火焰底部溫度曲線(xiàn)

根據(jù)圖4，將1 號(hào)噴頭（平均粒徑200 μm）在0.2 MPa 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況匯總于表3 中。結(jié)合細(xì)水霧霧場(chǎng)特性參數(shù)分析可得，表面活性劑作用下，水溶液表面張力降低，水霧平均霧滴粒徑減小，則含表面活性劑細(xì)水霧施加會(huì)加速液滴在火焰區(qū)蒸發(fā)，降低庚烷火焰溫度，火羽流對(duì)燃料表面熱反饋減少，火焰底部溫度降低。

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，粒徑過(guò)小的細(xì)水霧霧滴的穿透能力相對(duì)弱，不能完全穿透火焰區(qū)，降低了細(xì)水霧的表面冷卻能力，進(jìn)而導(dǎo)致了火焰抑制能力下降，相反使得在細(xì)水霧擾動(dòng)下的火焰增大，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間。

含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧降溫效果與含十二烷基苯磺酸鈉細(xì)水霧相比，效果略差。其原因主要是十二烷基硫酸鈉作用下表面張力降低值大于十二烷基苯磺酸鈉，細(xì)水霧霧滴粒徑縮減明顯，導(dǎo)致了含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧霧滴在外界環(huán)境影響下?lián)p失較大，降低了其火災(zāi)抑制能力。

根據(jù)圖5，將1 號(hào)噴頭（平均粒徑200 μm）在0.4 MPa 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況匯總于表4 中。

圖5 0.4 MPa 1 號(hào)噴頭—火焰底部溫度曲線(xiàn)

表4 細(xì)水霧作用下池火燃燒參數(shù)表（0.4 MPa）

由表4 可知，對(duì)比庚烷自由燃燒狀態(tài)下火焰持續(xù)時(shí)間，普通細(xì)水霧、含表面活性劑細(xì)水霧作用下庚烷火仍為得到有效控制。與0.2 MPa 的工作壓力進(jìn)行對(duì)比，受細(xì)水霧作用下的庚烷燃燒持續(xù)時(shí)間有一定程度上減小，但仍高于庚烷自由燃燒狀態(tài)，細(xì)水霧火焰滅火作用相對(duì)不明顯。含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧與含十二烷基苯磺酸鈉細(xì)水霧滅火時(shí)間相差較小，火焰底部溫度波動(dòng)幅度較小，細(xì)水霧僅起到抑制火焰發(fā)展作用，并沒(méi)有達(dá)到火焰熄滅的目的。

根據(jù)圖6，將1 號(hào)噴頭（平均粒徑200 μm）在0.6 MPa 下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況匯總于表5 中。

圖6 0.6 MPa 1 號(hào)噴頭—火焰底部溫度曲線(xiàn)

表5 細(xì)水霧作用下池火燃燒參數(shù)表（0.6 MPa）

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，隨著系統(tǒng)工作壓力增大，細(xì)水霧霧滴霧動(dòng)量增大，可有效降低火焰高度，火焰底部溫度隨之降低。

從1 號(hào)細(xì)水霧噴頭細(xì)水霧與庚烷火相互作用實(shí)驗(yàn)可知，普通細(xì)水霧作用下，隨著壓力升高，庚烷火燃燒持續(xù)時(shí)間逐漸縮短，火焰底部溫度逐漸降低。在對(duì)比工作壓力對(duì)細(xì)水霧對(duì)庚烷火的抑制效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)在工作壓力為0.6 MPa 時(shí)，含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧與庚烷火作用過(guò)程中出現(xiàn)火焰強(qiáng)化現(xiàn)象，證明表面活性劑添加有利于改善細(xì)水霧粒徑分布，但是對(duì)于平均粒徑分布為200 μm 細(xì)水霧噴頭來(lái)講，該粒徑范圍僅僅對(duì)火焰發(fā)展起到一定抑制作用，不能滿(mǎn)足滅火需求，甚至?xí)霈F(xiàn)火焰增大現(xiàn)象。

3.2 粒徑400 μm 噴頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為進(jìn)一步研究表面活性劑對(duì)細(xì)水霧滅火性能的影響，用2 號(hào)噴頭（平均粒徑400 μm）進(jìn)行同樣工況下的三組實(shí)驗(yàn)。細(xì)水霧作用下庚烷火焰底部溫度曲線(xiàn)如圖7、8、9 所示。

圖7 0.2 MPa 2 號(hào)噴頭—火焰底部溫度曲線(xiàn)

由圖7 可知，普通細(xì)水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為638 ℃，滅火所需時(shí)間50 s；含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為697 ℃，滅火所需時(shí)間35 s；含十二烷基苯磺酸鈉細(xì)水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為692 ℃，滅火所需時(shí)間為35 s。對(duì)比3 種細(xì)水霧，普通細(xì)水霧作用下，表面溫度峰值低于含表面活性劑細(xì)水霧，但滅火時(shí)間大于含表面活性細(xì)水霧。由于0.2 MPa 工作壓力條件下，普通細(xì)水霧霧化效果較差，霧流密度分布不均勻，大量霧滴分布在霧場(chǎng)中心區(qū)域集中作用于火焰區(qū)，抑制火焰發(fā)展，因此普通細(xì)水霧作用下，火焰底部溫度峰值大于含表面活性劑細(xì)水霧。表面活性劑作用使霧場(chǎng)霧流密度降低，液滴粒徑和分布更均勻，有利于細(xì)水霧多種滅火機(jī)理同時(shí)作用，因此含表面活性劑細(xì)水霧作用下，庚烷火熄滅用時(shí)較少。

由圖8 可知，普通細(xì)水霧作用下，火焰底部溫度峰值為682 ℃，滅火所需時(shí)間60 s；含十二烷基硫酸鈉細(xì)水霧作用下，火焰底部溫度峰值為722 ℃，滅火所需時(shí)間30 s；含十二烷基苯磺酸鈉細(xì)水霧作用下，火焰底部溫度峰值為702 ℃，滅火所需時(shí)間為30 s。隨著細(xì)水霧持續(xù)作用，氣相火焰溫度降低，部分大粒徑霧滴到達(dá)燃料表面實(shí)現(xiàn)液體表面冷卻。含表面活性劑細(xì)水霧作用下庚烷火勢(shì)得到快速控制，火焰溫度與火焰高度明顯下降，表面活性劑有效降低表面張力，霧滴粒徑分布均勻有利于細(xì)水霧霧滴快速蒸發(fā)，有效降低燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔饬鳒囟?。同時(shí)火焰溫度降低也有利于更多細(xì)水霧霧滴穿過(guò)火焰區(qū)對(duì)油池表面降溫，熄滅殘余火焰。

由圖9 可知，3 種細(xì)水霧滅火所需時(shí)間明顯減少，普通細(xì)水霧滅火時(shí)間40 s，含表面活性劑細(xì)水霧平均滅火時(shí)間為20 s，細(xì)水霧滅火性能得到有效改善。當(dāng)工作壓力為0.6 MPa 時(shí)，表面活性劑作用下，霧滴尺寸均勻，細(xì)水霧霧動(dòng)量大，細(xì)水霧霧滴具有足夠的霧動(dòng)量穿透火焰區(qū)到達(dá)燃料表面冷卻，快速降低火焰底部溫度，降低液體燃料燃燒速率，實(shí)現(xiàn)高效、可靠滅火。綜上所述，含表面活性劑細(xì)水霧粒徑分布均勻，擴(kuò)散效果較好，有利于細(xì)水霧對(duì)火焰區(qū)的有效覆蓋，加強(qiáng)細(xì)水霧對(duì)氣相火焰冷卻作用以及液滴對(duì)燃料表面降溫作用，提高細(xì)水霧滅火性能。

圖9 0.6 MPa 2 號(hào)噴頭—火焰底部溫度曲線(xiàn)

對(duì)比兩組細(xì)水霧與庚烷火相互作用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，細(xì)水霧滅火性能提高與細(xì)水霧平均粒徑減小并非正相關(guān)，細(xì)水霧粒徑減小雖然有利于實(shí)現(xiàn)霧滴快速蒸發(fā)達(dá)到冷卻氣相火焰目的，但也加劇細(xì)水霧對(duì)火焰擾動(dòng)造成火焰卷吸作用增強(qiáng)，造成火焰區(qū)氧氣濃度增大，加強(qiáng)火焰燃燒。細(xì)水霧霧滴粒徑減小，導(dǎo)致液滴霧動(dòng)量及液滴吸熱量減小，不利于細(xì)水霧液滴穿過(guò)火焰區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料表面液相冷卻作用。因此細(xì)水霧滅火應(yīng)用過(guò)程中，在改善細(xì)水霧霧化性能同時(shí)應(yīng)保證細(xì)水霧霧滴足夠霧動(dòng)量穿過(guò)火焰區(qū)實(shí)現(xiàn)表面冷卻，從根本上控制火焰發(fā)展。

由含表面活性劑細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)可知，工作壓力變化對(duì)細(xì)水霧滅火性能產(chǎn)生一定影響，為更為準(zhǔn)確分析細(xì)水霧與庚烷火相互作用機(jī)理。不同工作壓力條件下，普通細(xì)水霧與池火相互作用火焰底部溫度曲線(xiàn)如圖10 所示。在工作壓力為0.2 MPa（細(xì)水霧平均粒徑400 μm）時(shí)，當(dāng)其與火焰相互作用初期，霧流密度較大，對(duì)火羽流發(fā)展起到很好抑制作用，同時(shí)由于細(xì)水霧擾動(dòng)以及水蒸氣蒸發(fā)影響火焰湍流加劇，溫度震蕩劇烈。在系統(tǒng)工作壓力較高時(shí)，一方面細(xì)水霧粒徑擴(kuò)散分布更均勻，可以對(duì)火焰區(qū)有較好覆蓋，衰減火焰熱輻射及對(duì)高溫?zé)煔饬鬟M(jìn)行冷卻，另一方面較高工作壓力可提供霧滴較大的霧動(dòng)量，使霧滴可以穿透火焰區(qū)對(duì)燃料表面冷卻，降低可燃蒸氣蒸發(fā)速率，對(duì)抑制火焰發(fā)展有重要作用。

圖1 細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖10 普通細(xì)水霧作用下火焰底部溫度曲線(xiàn)

通過(guò)不同工作壓力條件下細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)可得，細(xì)水霧滅火性能與工作壓力正相關(guān)，工作壓力增大有利于細(xì)水霧滅火有效性改善及霧滴動(dòng)量提高，強(qiáng)化細(xì)水霧液面降溫機(jī)理及氣相火焰冷卻作用，提高細(xì)水霧滅火性能。

5 結(jié)論

本文通過(guò)油池火實(shí)驗(yàn)對(duì)含表面活性劑細(xì)水霧與庚烷火相互作用進(jìn)行了研究，研究表明，表面活性劑能降低液體表面張力，有利于霧滴在保護(hù)半徑內(nèi)有效擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)火焰區(qū)覆蓋，增強(qiáng)細(xì)水霧氣相火焰冷卻和燃料表面冷卻作用。通過(guò)優(yōu)化細(xì)水霧系統(tǒng)的工作壓力、噴頭型號(hào)、表面活性劑種類(lèi)，均可以進(jìn)一步優(yōu)化表面活性劑細(xì)水霧對(duì)油池火抑制效果。