細(xì)水霧對(duì)油池火熱釋放速率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

田　兵，陳明毅，劉家豪，丁　超，汪　箭*

(1.西藏消防總隊(duì)，拉薩，850000; 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

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細(xì)水霧對(duì)油池火熱釋放速率影響規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究

田兵1，陳明毅2，劉家豪2，丁超2，汪箭2*

(1.西藏消防總隊(duì)，拉薩，850000; 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

摘要:熱釋放速率是描述火災(zāi)現(xiàn)象的重要參數(shù)，可以表征火災(zāi)發(fā)展的強(qiáng)烈程度。利用大尺寸的熱釋放速率實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)開展細(xì)水霧對(duì)不同種類油池火滅火效率的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)分析細(xì)水霧對(duì)燃燒產(chǎn)物一氧化碳含量的影響。結(jié)果表明，熱釋放速率曲線能直接反映出細(xì)水霧對(duì)火源的作用，細(xì)水霧作用下三種燃料的熱釋放速率均被有效抑制，且細(xì)水霧的流量越大，對(duì)油池火的滅火效果越好。燃燒產(chǎn)物一氧化碳在施加細(xì)水霧時(shí)出現(xiàn)陡增，表明細(xì)水霧隔絕氧氣，造成不完全燃燒或者燃燒熄滅。

關(guān)鍵詞:細(xì)水霧;油池火，熱釋放速率，一氧化碳，滅火效率

0　引言

細(xì)水霧已經(jīng)成為哈龍滅火劑的一種有效替代產(chǎn)品，其以無環(huán)境污染、滅火迅速、耗水量低、對(duì)防護(hù)對(duì)象破壞性小等特點(diǎn)展示出廣闊的應(yīng)用前景。目前細(xì)水霧滅火作用的研究已成為國內(nèi)外火災(zāi)科學(xué)前沿研究熱點(diǎn)之一［1，2］。黃［3］等人利用錐形量熱儀研究了細(xì)水霧抑制PVC火的過程，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧能快速撲滅PVC火，且流量越大滅火越迅速。薛［4］等人研究了細(xì)水霧作用下原木楞堆燃燒特性，研究發(fā)現(xiàn)霧通量大的細(xì)水霧滅楞堆火更迅速。陸［5］等人對(duì)細(xì)水霧對(duì)于滅油池火時(shí)的各種影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在撲滅燃料閃點(diǎn)較高的油池火時(shí)，霧滴的動(dòng)量分布對(duì)細(xì)水霧的滅火有效性影響更大。李［6］等人針對(duì)細(xì)水霧體系中顆粒大小不明確的問題，研究了細(xì)水霧抑制煤油火的最佳霧滴大小。

熱釋放速率作為研究火災(zāi)時(shí)的重要參數(shù)［7，8］，在大量的實(shí)驗(yàn)研究中得到廣泛關(guān)注［9，10］?；谌紵难踉砑跋鄳?yīng)技術(shù)的錐形量熱儀(ISO5660)［11］和全尺寸熱釋放速率測試(ISO9705)［12］被廣泛用于測量材料燃燒熱釋放速率。

本文利用大尺寸熱釋放速率測試平臺(tái)開展了細(xì)水霧對(duì)不同種類油池火滅火有效性的實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同霧通量下油池火的滅火效率，為今后細(xì)水霧滅油池火提供了相應(yīng)的理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及測試方法

本次實(shí)驗(yàn)的熱釋放速率測試平臺(tái)和細(xì)水霧系統(tǒng)如圖1所示。熱釋放速率測試平臺(tái)是根據(jù)ISO9705實(shí)體房間火試驗(yàn)平臺(tái)和ISO5660錐形量熱儀平臺(tái)搭建的大尺寸燃燒熱釋放速率測試平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸是1.2 m×1.2 m×1.2 m，四周是鋼板，底部四周通風(fēng)口高度為0.15 m。實(shí)驗(yàn)中燃燒的氣體產(chǎn)物通過排煙管道排出，在排煙管道中部采集氣體樣本，通過氣體分析儀分析氣體成分，通過計(jì)算得出熱釋放速率。熱釋放速率的測量方法是基于氧耗法原理，氧耗法由于其簡單易于操作和高精度，是應(yīng)用最廣泛的測量熱釋放速率的方法。它的原理是燃料完全燃燒時(shí)消耗單位質(zhì)量氧氣所釋放的凈熱為一定值E=13.1 MJ/kg［13］，且該值誤差不超過±5%。因此熱釋放速率用公式表示為:

細(xì)水霧系統(tǒng)由細(xì)水霧噴頭、儲(chǔ)水罐、水泵、流量計(jì)和管路組成，其中水泵的工作壓力為0 MPa～6 MPa。細(xì)水霧噴頭選用的是多噴嘴形兩相流細(xì)水霧噴頭，霧化錐角為120°，霧化產(chǎn)生的細(xì)水霧能完全覆蓋整個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體。實(shí)驗(yàn)分別采用5 L/min，6 L/min，7 L/min和8 L/min四種工作噴頭流量，保持噴頭的工作壓力穩(wěn)定以恒定細(xì)水霧流量。實(shí)驗(yàn)燃料分別選用無水乙醇、正庚烷和航空煤油，油盆為直徑30 cm的圓形鋼盆，每組試驗(yàn)樣品量均為400 ml，細(xì)水霧噴頭位于油盆正上方100 cm處。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，從點(diǎn)火開始計(jì)時(shí)，當(dāng)燃料穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間后，開啟細(xì)水霧，火焰熄滅后關(guān)上細(xì)水霧系統(tǒng)，過程中記錄開啟細(xì)水霧時(shí)間和滅火結(jié)束時(shí)間。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus for measuring the heat release rate of pool fires interacted with water mist

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

細(xì)水霧滅火的主要機(jī)理是吸熱、置換氧氣和隔絕熱輻射。向火焰施加細(xì)水霧后，水霧主要通過三種途徑吸熱:從高溫氣體和火焰、燃料和火焰附近的物體。同時(shí)霧滴周圍的空氣將被水蒸氣取代，如果用于燃燒的氧氣濃度降至臨界值以下，燃燒的效率會(huì)降低，火焰很容易被撲滅。衰減輻射主要是阻止火焰向未燃的燃料表面蔓延，并降低燃料表面的蒸發(fā)或熱解速率。從宏觀的角度來說，不管是否能撲滅火焰，細(xì)水霧對(duì)輻射的衰減作用都可以保護(hù)目標(biāo)和人員免受熱輻射的損害［15-17］。

圖2是5組無水乙醇燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)的熱釋放速率曲線，包括不施加細(xì)水霧和施加細(xì)水霧兩種情況，施加細(xì)水霧時(shí)細(xì)水霧流量分別為5 L/min，6 L/min，7 L/min，8 L/min。在不施加細(xì)水霧時(shí)無水乙醇能穩(wěn)定燃燒200 s，熱釋放速率峰值大約在11.2 kW左右，之后熱釋放速率降低的過程很緩慢。在穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間后(約100 s)，對(duì)無水乙醇池火施加細(xì)水霧。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在對(duì)無水乙醇施加細(xì)水霧后，其熱釋放速率能很快降低。對(duì)5 L/min和6 L/min兩種霧通量較小的情況，最高峰值變?yōu)? kW左右，主要的作用機(jī)理是微小的霧滴能迅速到達(dá)火焰的表面，吸收大量熱量汽化蒸發(fā)，迅速降低燃料的熱釋放速率。隨后，無水乙醇在5 kW左右穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間后逐漸熄滅。當(dāng)施加細(xì)水霧到7 L/min時(shí)，細(xì)水霧基本能迅速的熄滅火焰。這是因?yàn)榱髁吭龃髸r(shí)細(xì)水霧的壓力更大，霧滴粒徑更小，霧滴的速度更快，粒徑小的細(xì)水霧蒸發(fā)更迅速，速度快的霧滴更能克服火羽流的阻力進(jìn)入火焰區(qū)，流量大的細(xì)水霧對(duì)火焰和燃料表面的吸熱量大，同時(shí)也能隔絕更多的空氣。對(duì)于比較大型的火災(zāi)情況，如果燃料表面沒有足夠的水或者燃料表面的累積水量速率與表面水的蒸發(fā)速率保持平衡，則不能將火撲滅。同時(shí)，圖2中可以明顯看出，流量越大，穩(wěn)定燃燒的時(shí)間越短，也就是說如果有足夠的細(xì)水霧施加到燃料的表面，同時(shí)有足夠的時(shí)間，則火焰最終將會(huì)被撲滅，這個(gè)量決定了滅火的時(shí)間。

圖2　無水乙醇燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)熱釋放速率曲線圖Fig.2 Heat release rate variation curve of alcohol fires with or without water mist

圖3　正庚烷燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)熱釋放速率曲線圖Fig.3 Heat release rate variation curve of n-heptane fires with or without water mist

圖3是正庚烷燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)的熱釋放速率曲線，從沒有施加細(xì)水霧的熱釋放速率曲線上來看，正庚烷的燃燒是開始一段時(shí)間緩慢燃燒，熱釋放速率逐漸增大，在100 s時(shí)達(dá)到峰值，然后保持穩(wěn)定燃燒。它在穩(wěn)定燃燒時(shí)熱釋放速率峰值達(dá)到20 kW，比無水乙醇高很多。本次實(shí)驗(yàn)在正庚烷燃燒達(dá)到峰值20 kW，即100 s時(shí)施加細(xì)水霧，可以看出細(xì)水霧的施加對(duì)正庚烷的燃燒同樣起到了抑制作用。與無水乙醇不同的是，在施加細(xì)水霧后，正庚烷熱釋放速率降低的速度更慢。在細(xì)水霧流量為5 L/min時(shí)，熱釋放速率從峰值20 kW降到7 kW左右穩(wěn)定燃燒的時(shí)間是180 s，而無水乙醇在150 s左右。另外在細(xì)水霧流量達(dá)到6 L/min時(shí)，正庚烷不會(huì)再穩(wěn)定燃燒，而是逐漸熄滅。這也和無水乙醇不同，無水乙醇在細(xì)水霧流量達(dá)到6 L/min時(shí)還能穩(wěn)定燃燒80 s才逐漸熄滅。在細(xì)水霧流量達(dá)到7 L/min和8 L/min時(shí)，正庚烷火焰能快速熄滅。

圖4　航空煤油燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)熱釋放速率曲線圖Fig.4 Heat release rate variation curve of Jet-A fires with or without water mist

圖4是航空煤油燃燒-細(xì)水霧實(shí)驗(yàn)的熱釋放速率曲線，從沒有施加細(xì)水霧的熱釋放速率曲線上來看，航空煤油的燃燒在120 s達(dá)到峰值18 kW左右，并穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間，在200 s時(shí)熱釋放速率突然快速增大，并達(dá)到峰值53 kW，這和梁［18］等人的研究成果相似，即航空煤油的燃燒分為4個(gè)過程:初步增長、穩(wěn)態(tài)燃燒、快速燃燒和逐漸熄滅。在這個(gè)過程中，快速燃燒階段燃燒非常劇烈，熱釋放速率達(dá)到了其他時(shí)間段的3倍。所以抑制航空煤油的快速燃燒階段對(duì)控制其導(dǎo)致的火災(zāi)具有重要意義。實(shí)驗(yàn)中在130 s施加細(xì)水霧，可以看出細(xì)水霧的施加很好地抑制了航空煤油發(fā)生快速燃燒的可能性。在流量為5 L/min時(shí)，熱釋放速率降至14 kW，并穩(wěn)定燃燒，不會(huì)再發(fā)生劇烈的快速燃燒。和正庚烷類似，航空煤油在細(xì)水霧流量達(dá)到6 L/min時(shí)就不能夠形成穩(wěn)定燃燒。當(dāng)流量再增大時(shí)，火勢同樣能夠在很短時(shí)間內(nèi)得到抑制并且熄滅。

表1給出了不同實(shí)驗(yàn)工況下，滅火時(shí)間、熱釋放速率峰值以及燃燒釋放的能量，圖5給出了對(duì)應(yīng)的曲線圖。滅火時(shí)間通常作為評(píng)價(jià)細(xì)水霧滅火效率的主要技術(shù)指標(biāo)，滅火時(shí)間定義為細(xì)水霧施加時(shí)刻與可見火焰消失時(shí)刻這段時(shí)間間隔。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:細(xì)水霧的通量越大，細(xì)水霧滅火的時(shí)間越短，同時(shí)燃燒的熱釋放速率峰值變小，燃燒釋放的能量有很大的減少。相同較小的流量下細(xì)水霧對(duì)于無水乙醇的滅火效果要弱于正庚烷和航空煤油。當(dāng)細(xì)水霧施加到7 L/min時(shí)，細(xì)水霧基本能迅速的熄滅火焰，三種燃料滅火時(shí)間相差不多，對(duì)于燃燒能量的抑制比例也差不多。從圖5的曲線趨勢來看，大量的細(xì)水霧往往能夠在很短的時(shí)間內(nèi)冷卻火焰并隔絕氧氣，從而使得火能夠迅速熄滅。但是細(xì)水霧抑制油池火的效果在隨著霧通量的增大，滅火效果的增量越來越小。所以說將多少通量的水應(yīng)用到實(shí)際火災(zāi)中，即能夠保證盡快撲滅火災(zāi)，又能提高滅火效果是之后研究工作的重點(diǎn)。

表1　不同工況下實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of experimental conditions

圖5　滅火時(shí)間和燃燒能量隨細(xì)水霧流量變化圖Fig.5 The extinguishment time and combustion energy vs water mist flow rate

圖6分別給出了無細(xì)水霧作用和有細(xì)水霧作用下無水乙醇、正庚烷和航空煤油燃燒產(chǎn)物一氧化碳的濃度變化?？梢钥闯鋈剂显跓o施加細(xì)水霧時(shí)，一氧化碳濃度逐漸升高，然后隨著火焰慢慢熄滅逐漸減少，其中航空煤油在快速燃燒階段時(shí)燃燒劇烈使得一氧化碳濃度有一定增加。在施加細(xì)水霧時(shí)，一氧化碳濃度急劇增大，說明使用細(xì)水霧滅火時(shí)，燃料周圍的空氣將部分被快速噴出的水蒸氣取代，在降低溫度的同時(shí)減少了空氣中氧氣的濃度，使得燃料燃燒不充分，從而生成更多的一氧化碳。大量滅火實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在使用細(xì)水霧抑制熄滅受限空間內(nèi)的火焰或開放空間的油池火時(shí)，置換氧氣(蒸汽惰性)為重要的滅火機(jī)理。一般而言，當(dāng)氧氣濃度低于13%時(shí)，碳?xì)浠衔镱悮怏w和蒸氣即會(huì)終止燃燒［19］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三種燃料都是在細(xì)水霧流量在6 L/min時(shí)，一氧化碳濃度出現(xiàn)最大值。也就是說一氧化碳濃度和細(xì)水霧流量增大的關(guān)系是先增大后減小，主要原因是:起初細(xì)水霧流量增大，隔絕氧氣的效果增強(qiáng)，使得抑制燃燒效果增強(qiáng)，不完全燃燒增多，而之后細(xì)水霧流量繼續(xù)增大時(shí)，燃燒已經(jīng)很難維持，這時(shí)候一氧化碳濃度也就會(huì)降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)生成一氧化碳的含量，航空煤油高于正庚烷，正庚烷高于無水乙醇。航空煤油燃燒產(chǎn)生的高含量的一氧化碳，在施加細(xì)水霧的過程中氧化量比其他兩種燃料高得多，從5 L/min細(xì)水霧的熱釋放速率來看，施加細(xì)水霧后，無水乙醇熱釋放速率降低6.2 kW，正庚烷降低13 kW，而航空煤油只降低了4 kW。在本文的研究中，不同流量細(xì)水霧都對(duì)三種燃燒產(chǎn)生了抑制效果，同時(shí)三種燃料都產(chǎn)生了一氧化碳，但是含量不同，其熱釋放速率降低的水平也不一樣。所以細(xì)水霧對(duì)于油池火滅火中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)還需要進(jìn)一步研究。

圖6　一氧化碳?xì)怏w含量曲線圖Fig.6 CO production in experiments

3　結(jié)論

通過熱釋放速率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究細(xì)水霧對(duì)無水乙醇、正庚烷和航空煤油池火燃燒的影響規(guī)律，可以得到以下結(jié)論:

(1)在進(jìn)行的三種燃料的細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)中，細(xì)水霧主要通過吸收火焰和燃料表面熱量和隔絕空氣中的氧氣兩種機(jī)理來達(dá)到降低熱釋放速率乃至滅火的目的。

(2)施加細(xì)水霧后，無水乙醇、正庚烷和航空煤油的熱釋放速率都迅速下降。同時(shí)，細(xì)水霧會(huì)隔絕空氣，增大其不完全燃燒，使得一氧化碳濃度增大，在6 L/min時(shí)一氧化碳濃度達(dá)到最大，之后細(xì)水霧通量的增大會(huì)使得燃燒很難維持，直至熄滅，一氧化碳含量又會(huì)降低。

(3)細(xì)水霧系統(tǒng)的工作流量越大，滅油池火的速度越快，對(duì)于小流量的細(xì)水霧來說，正庚烷和航空煤油的火焰更容易被細(xì)水霧抑制，對(duì)于大流量細(xì)水霧，三種燃料都能迅速熄滅。

參考文獻(xiàn)

［1］Liu ZG，Kim AK.A review of water mist fire suppression systems-fundamental studies［J］.Journal of Fire Protection Engineering，1999，10(3) : 32-50.

［2］Yuan L，Lazzara CP.The effects of ventilation and preburn time on water mist extinguishing of diesel fuel pool fires ［J］.Journal of Fire Sciences，2004，22(5) : 379-404.

［3］黃鑫，等.用錐形量熱儀研究細(xì)水霧抑制熄滅PVC火［J］.中國工程科學(xué)，2006，8(12) : 102-106.

［4］薛偉，王儲(chǔ).細(xì)水霧作用下原木楞堆燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2012，11(4) : 331-335.

［5］陸強(qiáng)，等.細(xì)水霧滅油池火時(shí)各種影響因素的相對(duì)重要度分析［J］.火災(zāi)科學(xué)，2002，11(3) : 164-169.

［6］李建委，等.細(xì)水霧熄滅煤油池火的最佳霧滴尺寸［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2014，33(4) : 414-416.

［7］Babrauskas V，Peacock RD.Heat release rate: the single most important variable in fire hazard［J］.Fire Safety Journal，1992，18(3) : 255-272.

［8］Babrauskas V.Development of the cone calorimeter-A benchs-cale heat release rate apparatus based on oxygen consumption［J］.Fire and Materials，1984，8(2) : 81-95.

［9］Cai N，Chow WK.Numerical studies on heat release rate in room fire on liquid fuel under different ventilation factors ［J］.International Journal of Chemical Engineering，2012.

［10］程遠(yuǎn)平，等.火災(zāi)過程中火源熱釋放速率模型及其實(shí)驗(yàn)測試方法［J］.火災(zāi)科學(xué)，2002，11(2) : 70-74.

［11］王慶國，等.錐形量熱儀的工作原理及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003，(6) : 36-39.

［12］楊昀，等.典型建筑裝飾材料熱釋放速率全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2003，12(4) : 191-196.

［13］Huggett C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption measurements［J］.Fire and Materials，1980，4(2) : 61-65.

［14］姚斌，等.細(xì)水霧作用下池火熱釋放速率研究［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2001，7(2) : 199-202.

［15］劉江虹，等.細(xì)水霧滅火技術(shù)及其應(yīng)用［J］.火災(zāi)科學(xué)，2001，10(1) : 34-38.

［16］劉江虹，等.細(xì)水霧滅火技術(shù)研究與進(jìn)展［J］.科學(xué)通報(bào)，2003，48(8) : 761-767.

［17］蘇海林，等.細(xì)水霧滅火機(jī)理探討［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2000，19(4) : 13-15.

［18］梁智勇，童琳.風(fēng)速對(duì)航空煤油池火熱釋放速率的影響［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31(7) : 667-669.

［19］牛國慶.細(xì)水霧抑制室內(nèi)火災(zāi)的理論與試驗(yàn)研究［D］.中南大學(xué)，2007.

Experimental study on heat release rate of pool fire interacted with water mist

TIAN Bing1，CHEN Mingyi2，LIU Jiahao2，DING Chao2，WANG Jian2
(1.Tibet fire Brigade，Lhasa 850000，China;
2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Abstract:The heat release rate is an important parameter to characterize the flammability of fuels and their consequent fire hazard.In this paper，a large-scale heat release rate measurement platform was employed to evaluate the efficiency of fire extinguishment of water mist when acting on three liquid fuel pool fires.The effect of water mist on the combustion product CO was also investigated.It was found that the heat release rate curve is a direct reflection of water mist influence.The three type pool fires can be effectively suppressed or weakened by the water mist.The extinguishing performance of water mist is mainly determined by water mist pressure.Carbon monoxide increases sharply at the moment of water mist releasing，indicating that the water mist can insulate oxygen and further result in incomplete combustion.

Keyword: Water mist; Pool fire; Heat release rate; CO; Extinguish efficiency

通訊作者:汪箭，E-mail: wangj@ustc.edu.cn

作者簡介:田兵(1975-)，男，四川自貢人，西藏自治區(qū)消防總隊(duì)高級(jí)工程師，主要從事消防監(jiān)督管理及火災(zāi)事故調(diào)查工作。

收稿日期:2015-04-11;修改日期: 2015-05-20

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.03

文章編號(hào):1004-5309(2015) -00136-06

中圖分類號(hào):X932; TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A