氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)對(duì)受限空間木垛火的窒息特性研究

賴振中 李帷軒 徐志勝 肖俏偉 李銀波 陳彥

摘要：氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)因其環(huán)保節(jié)能、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在建筑消防領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展空間。為進(jìn)一步拓寬氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，通過縮尺寸模型實(shí)驗(yàn)分析了氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)對(duì)受限空間木垛火的滅火時(shí)間、氧氣濃度、火焰溫度等窒息特性參數(shù)的影響。結(jié)果表明，氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)對(duì)受限空間中木垛火展現(xiàn)了良好的窒息滅火效果，其中不同火源功率的木垛火在受限空間中的滅火時(shí)間接近。

關(guān)鍵詞：氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)；受限空間；木垛火；滅火效能；氧氣濃度

中圖分類號(hào)：D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）12-0005-03

氣體滅火系統(tǒng)以其節(jié)能環(huán)保、穩(wěn)定性高和對(duì)設(shè)備損壞小等優(yōu)點(diǎn)，在精密設(shè)備和重要資料保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。楊柳松[1]研究了氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)在通氮口位置不同、數(shù)量分布不同以及通氮口流率多種工況下對(duì)儲(chǔ)油罐火災(zāi)的滅火效能，研究發(fā)現(xiàn)氮?dú)饽苡行錅鐑?chǔ)油罐火災(zāi)。徐承林等[2]研究發(fā)現(xiàn)氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)能有效撲滅煤礦采空區(qū)火災(zāi)并有效防止火源復(fù)燃，保障綜采工作面的安全回采。鄧立剛等[3]人提出了制氮、儲(chǔ)氮、供氮、輸?shù)?、保氮、?lián)氮等功能于一體的移動(dòng)式氮?dú)鉁缁鹧b置，并應(yīng)用于大跨度舉高噴射消防車領(lǐng)域。

在各類火災(zāi)事故中，A類固體火災(zāi)的危害是不可忽視的，木垛火是最常見的A類火災(zāi)之一。國內(nèi)外關(guān)于如何撲滅木材及其制品的火災(zāi)進(jìn)行了大量的研究。顏龍等[4]論證了氣力輸送水泥粉體撲滅木垛火的可行性，研究發(fā)現(xiàn)采用一定的噴射角度和噴射距離可以顯著提高水泥粉體對(duì)木垛火的滅火效能。黃鑫等[5]開展了雙流體細(xì)水霧對(duì)木垛火滅火特性研究，研究表明雙流體細(xì)水霧在水流率足夠的條件下可以快速撲滅木垛火災(zāi)。氮?dú)怆m被廣泛應(yīng)用于電氣機(jī)房、圖書館和博物館等領(lǐng)域，但是對(duì)于其在受限空間內(nèi)對(duì)不同火源功率木垛火的滅火效能研究還較少。為此，本研究系統(tǒng)研究氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)撲滅木垛火的滅火時(shí)間、氧氣濃度、溫度等窒息特性參數(shù)，進(jìn)而為氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 氮?dú)鉁缁饘?shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用裝置主體框架燃燒室總凈高175cm，體積為2.50m3。氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)輸送管路采用DN10管道，氮?dú)獬淙胪ㄟ^調(diào)壓閥調(diào)節(jié)管道充入壓力，同時(shí)通過壓力表調(diào)節(jié)管道沖出壓力，以壓力表讀數(shù)確定噴入壓力大小。燃燒室內(nèi)置升降臺(tái)，保持可燃物表面到噴頭距離1m不變。同時(shí)在燃燒室內(nèi)置熱電偶樹，自上至下安裝7根鎧裝熱電偶，熱電偶間距10cm，0cm處熱電偶最低與可燃物表面平齊。在燃燒室內(nèi)設(shè)置氧氣濃度測量點(diǎn)位，布置氣體收集探頭連接氣體分析儀監(jiān)控氧氣濃度變化。氮?dú)鉁缁鹧b置示意圖見圖1。

1.2? 木垛火燃燒實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)選用木垛的材質(zhì)為杉木，以1cm×1cm×20cm木條搭建的木垛為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)間距2cm的6層×6條、8層×6條和10層×6條三種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。木垛尺寸搭建依據(jù)《SFPE消防工程手冊(cè)》提供的一種木垛中心點(diǎn)火的計(jì)算模型進(jìn)行。木垛形式及主要參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與討論

2.1? 受限空間木垛燃燒行為分析

實(shí)驗(yàn)基于表1工況設(shè)計(jì)開展實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)開始前要用20mL95%乙醇對(duì)木垛進(jìn)行浸潤，并開展空燃實(shí)驗(yàn)確定預(yù)燃時(shí)間。采用0.10MPa噴射壓力，從滅火時(shí)間、溫度變化和氧氣濃度變化的角度，分析氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)對(duì)木垛的滅火效能。以0cm處熱電偶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，三種尺寸木垛空燃實(shí)驗(yàn)溫度變化見圖2。由圖2可以看出，三種不同尺寸木垛著火后50s的火焰溫度均能穩(wěn)定在600℃以上，并在250s之后溫度逐漸下降并熄滅。為了有效驗(yàn)證氮?dú)獾臏缁鹦埽x擇木垛火穩(wěn)定燃燒的時(shí)間點(diǎn)100s施加氮?dú)膺M(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)。

2.2? 氮?dú)鉁缁疬^程中溫度變化分析

選取0.10MPa的系統(tǒng)噴射壓力開展氮?dú)鉁缁饘?shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析氮?dú)鈱?duì)木垛火的燃燒過程、火焰溫度和氣體濃度的影響和規(guī)律。氮?dú)鈸錅绮煌鹪垂β誓径饣鸬臏缁疬^程見圖3。由圖3可以看出，施加氮?dú)鉁缁饎┠苡行Ы档湍径饣鹑紵叨炔⒁种苹鹧嫒紵^程，當(dāng)噴射時(shí)間40s時(shí)木垛火完全熄滅且無復(fù)燃現(xiàn)象。

選取0cm處的熱電偶溫度分析氮?dú)鉁缁饎?duì)木垛火燃燒溫度的影響，具體見圖4。由圖4可以看出，施加氮?dú)饽苎杆賹⒛径饣鸬娜紵郎囟冉档椭?00℃以下使火焰熄滅，其中不同火源功率木垛火的降溫速率較為接近，這表明氮?dú)庵饕ㄟ^降低受限空間氧氣濃度而使火焰熄滅、燃燒區(qū)域溫度降低。

2.3? 氮?dú)鉁缁疬^程中氧氣濃度變化分析

氮?dú)鉁缁饳C(jī)理為窒息作用，氧氣濃度的下降程度可有效表征氮?dú)鉁缁鹦?，其中氮?dú)鈸錅缒径饣鸬难鯕鉂舛茸兓€見圖5。由圖5可以看出，木垛著火后受限空間的氧氣濃度逐漸下降至14.5%左右并維持穩(wěn)定，在100s施加氮?dú)夂笥捎诠艿纼?nèi)殘存的空氣被優(yōu)先排出導(dǎo)致受限空間中氧氣濃度略有升高，之后在140s時(shí)氧氣濃度逐漸下降并在140s左右火焰熄滅。為了防止復(fù)燃，在火焰熄滅后噴射20s氮?dú)?，此時(shí)受限空間的氧氣濃度降低至13.0%左右，之后隨著停止噴射氮?dú)猓芟蘅臻g的氧氣濃度逐漸升高至環(huán)境氧氣濃度。綜上可以看出，受限空間中木垛火的滅火時(shí)間與氧氣濃度下降速率有關(guān)，而與木垛火的火源功率關(guān)系不大，木垛火明火熄滅后仍需繼續(xù)施加氮?dú)庖苑乐箯?fù)燃。

3 結(jié)論

氮?dú)鉁缁饎┠苡行錅缡芟蘅臻g的木垛火，并顯著降低木垛火的燃燒溫度和燃燒區(qū)域氧氣濃度，滅火機(jī)理為窒息滅火機(jī)理。氮?dú)鉁缁饎錅缡芟蘅臻g中不同火源功率木垛火的滅火時(shí)間和氧氣濃度較為接近，這表明氮?dú)鈱?duì)木垛火的窒息滅火作用主要與受限空間中氧氣濃度的下降速率有關(guān)，而與木垛火的火源功率關(guān)系不大。氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)可用于撲滅受限空間A類固體火災(zāi)，在木料倉庫、博物館、木結(jié)構(gòu)文物建筑等領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊松柳.儲(chǔ)油罐火災(zāi)氮?dú)鉁缁鸺夹g(shù)的研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.

[2]徐承林，李發(fā)瑞.用氮?dú)鈸錅绶彭斆汗ぷ髅娌煽諈^(qū)火災(zāi)[J].煤炭工程師，1993（1）：1-6.

[3]鄧立剛，郝偉，林佳.移動(dòng)制氮滅火裝備在滅火救援實(shí)戰(zhàn)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2023，42（2）：241-244.

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[5]黃鑫，王喜世，廖光煊，等.雙流體細(xì)水霧對(duì)木垛火的滅火特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，10（5）：131-135.

Asphyxiation characteristics of nitrogen fire-extinguishing system in wood stack fires of confined space

Lai Zhenzhong1， Li Weixuan1， Xu Zhisheng1， Xiao Qiaowei2， Li Yinbo2， Chen Yan2

（1. Institute of Disaster Prevention Science and Safety Technology of Central South University， Hunan Changsha 410075; 2. Sany Automobile Manufacturing Co.， Ltd.， Hunan Changsha 410100）

AbstraCt： Nitrogen fire-extinguishing system has great development space in building fire protection field due to its environmental protection， energy saving， high stability. In order to broaden the application field of nitrogen fire extinguishing system， the effects of nitrogen extinguishing system on fire extinguishing parameters including extinguishing time， oxygen concentration and flame temperature of wood stack fires in confined space are analyzed through a small-scale experimental model. The results show that nitrogen fire-extinguishing system has a good asphyxiation and fire extinguishing effect on the wood stack fires in confined space， and the fire extinguishing time of the wood stack fires with different fire loads is closed in the confined space..

Keywords： Nitrogen fire-extinguishing system; Confined space;Wood stack fire; Fire-extinguishing efficiency;Oxygen concentration