高壓單流體細水霧對木垛火滅火效果影響試驗研究

徐 暉，陳愛平，梁 強，孫楠楠，李 玉

(中國人民警察大學，河北 廊坊 065000)

0 引言

細水霧滅火技術是一種以水為介質的新型滅火技術，細水霧作為哈龍滅火劑的有效替代產(chǎn)品具有滅火效率高、環(huán)境污染小、水漬損失低、對保護對象破壞小的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，在當前的消防滅火工作中作用日益凸顯[1-4]。根據(jù)細水霧產(chǎn)生壓力的不同，可分為低壓細水霧和高壓細水霧。其中高壓單流體細水霧依靠高壓柱塞泵提高水壓，使水以較高的速度從細水霧噴頭噴射到大氣當中，液流由于受到空氣阻力而破碎成細水霧液滴，具有霧化效果好、性能穩(wěn)定、易于操作、滅火效率高、安全可靠等優(yōu)點[5]。目前，國內外細水霧滅火研究主要集中在低壓細水霧滅火效果、細水霧滅油池火及細水霧添加劑等方面，而針對高壓單流體細水霧滅火效果的研究較少[6]。本文通過搭建高壓單流體細水霧系統(tǒng)火災試驗平臺，研究高壓單流體細水霧對木垛火的控滅火效果，并分析系統(tǒng)壓力、火源功率對滅火和降溫效果的影響，為高壓單流體細水霧滅火系統(tǒng)的進一步開發(fā)和應用提供基礎數(shù)據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗平臺

試驗平臺分為試驗間和細水霧裝置兩部分。試驗間由鋼架結構搭建，尺寸為3.6 m×2.8 m×2.8 m(長×寬×高)，為便于觀測，試驗平臺的正面使用兩塊面積為1.8 m×2.8 m的防爆玻璃作為墻體。細水霧裝置由移動式細水霧泵組、高壓軟管、高壓管路和細水霧噴頭等組成，系統(tǒng)壓力范圍為0～12 MPa[7]。細水霧噴頭在試驗間內安裝高度為2.7 m，細水霧噴頭正下方布置一根熱電偶樹，用于測量火場溫度，熱電偶樹上布置3個熱電偶，由下至上分別命名為A1、A2、A3，其中A1、A2、A3距離試驗平臺地面分別為90 cm、180 cm、270 cm。試驗平臺示意圖如圖1所示。

1.2 試驗材料

本試驗的細水霧噴頭采用五嘴噴頭，噴頭型號2.87-5P，其中單個噴嘴的流量系數(shù)為2.87，每個噴頭含有5個噴嘴,試驗用噴頭如圖2所示。試驗燃料選用木垛，木垛由數(shù)根木條組成，木條尺寸600 mm×30 mm×25 mm(長×寬×高)，每層木條根數(shù)為7根(均勻排列)，木條層數(shù)選取6層、8層、10層三種規(guī)格。木垛實物如圖3所示。

圖2 試驗用細水霧噴頭

圖3 試驗用木垛

1.3 試驗過程及監(jiān)測指標

將木垛置于火災試驗間的中心位置(噴頭正下方)，在木垛支架下放置尺寸為40 cm×40 cm×12 cm(長×寬×高)的油盤，油盤中放入4 L水、200 mL汽油，作用為引燃木垛；然后點燃木垛下方油盤，點火時記為0 s，點火60 s后打開高壓細水霧系統(tǒng)；火焰熄滅后持續(xù)噴射細水霧60 s，之后停止試驗。

試驗過程中主要監(jiān)測滅火時間、火場溫度兩個指標；另外，為分析高壓單流體細水霧系統(tǒng)的降溫冷卻效果，本文定義了冷卻速率指標，即：

(1)

式中，v為冷卻速率，℃·s-1；Ta為熱電偶某點的溫度峰值，℃；Tb為熱電偶某點火焰熄滅時的溫度，℃；ta和tb分別為Ta和Tb對應的時刻，s。

1.4 試驗工況

試驗共進行8組，見表1。試驗過程中試驗間關門、關窗，維持封閉環(huán)境。第1組為空白試驗，分析不開啟細水霧系統(tǒng)時，火場的溫度變化、火焰熄滅時間。第2～6組試驗主要探討系統(tǒng)壓力對細水霧系統(tǒng)滅木垛火的影響，第4、7、8組試驗主要探討火源功率對細水霧系統(tǒng)滅木垛火的影響。

表1 試驗工況

2 試驗結果分析

2.1 高壓單流體細水霧滅火效果分析

圖4為細水霧滅木垛火的試驗現(xiàn)象，其中圖4(a)和圖4(b)分別對應工況1和工況4。圖4(a)為無細水霧作用時空白木垛火燃燒試驗現(xiàn)象，圖4(b)為細水霧作用時木垛火試驗現(xiàn)象?？瞻自囼烖c火30 s后木垛開始猛烈燃燒，火焰達到最大火焰高度，之后形成穩(wěn)定燃燒，170 s后火焰開始減弱，同時試驗間內煙氣完全填充，540 s后火焰逐漸熄滅。而細水霧系統(tǒng)作用時，點火30 s時由于此時細水霧還未開啟，試驗現(xiàn)象與空白試驗相同，即木垛燃燒火焰達到最大高度，60 s時細水霧開始工作，受到細水霧作用80 s時木垛火焰高度顯著降低，此時火焰高度與空白試驗170 s時火焰高度基本相同，96 s時火焰完全熄滅。

(a)木垛火空白試驗現(xiàn)象

(b)木垛火細水霧試驗現(xiàn)象圖4 木垛火滅火試驗現(xiàn)象

通過圖4(a)和圖4(b)比較可以看出，細水霧開啟20 s后木垛火就得到很好的控制，細水霧開啟36 s后火焰完全熄滅，且沒有復燃現(xiàn)象發(fā)生，細水霧系統(tǒng)成功撲滅木垛火?？梢姡邏杭毸F對木垛火的滅火效果顯著，可以在短時間內壓制火勢，實現(xiàn)滅火。

另外，對工況1和工況4的溫度變化情況進行分析，結果發(fā)現(xiàn)：空白試驗中木垛點火后，100 s時溫度能夠達到峰值900 ℃左右，之后開始穩(wěn)定燃燒，400 s后進入熄滅階段，溫度逐漸下降。而細水霧滅火試驗中，點火后60 s溫度達到800 ℃，之后隨著細水霧的開啟，細水霧在壓力作用下接觸到火焰，細水霧氣化吸熱，吸收火場中的熱量，隨著細水霧濃度的不斷增加，火場溫度迅速降低，80 s后溫度降低到700 ℃左右，100 s后降到400 ℃左右，高壓細水霧可以起到對木垛火快速降溫的作用。

2.2 系統(tǒng)壓力對滅火效果的影響

為探討高壓細水霧系統(tǒng)壓力對木垛火滅火效果的影響，調節(jié)改變細水霧裝置的壓力范圍2～10 MPa，分別對應工況2～工況6。

表2為不同系統(tǒng)壓力下，細水霧系統(tǒng)滅木垛火的滅火時間。由表2可知，隨著細水霧系統(tǒng)壓力的增加，細水霧系統(tǒng)滅木垛火的時間逐漸縮短。系統(tǒng)壓力為2 MPa時滅火時間為101 s；4 MPa時滅火時間為42 s；10 MPa時滅火時間為23 s。這是由于隨著細水霧壓力增加，細水霧的霧滴粒徑會相應地減小，細水霧更容易氣化吸熱，同時細水霧的流量也會增加，單位體積內細水霧的數(shù)量增加，并且壓力的增加也會增加細水霧的動量，增強細水霧的穿透力。從數(shù)據(jù)上分析，在2 MPa到4 MPa變化時，滅火時間減少最為顯著，時間縮短了58.4%；而4 MPa之后隨著壓力的持續(xù)增加雖然滅火時間逐漸減少，但是減少幅度較為緩慢，時間縮短范圍在20%左右。

表2 不同系統(tǒng)壓力下的滅火時間

圖5為不同系統(tǒng)壓力下，細水霧系統(tǒng)滅火的溫度變化曲線。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別選取A1、A2、A3高度處熱電偶的溫度數(shù)據(jù)。從圖中可見，試驗平臺內的溫度峰值從下至上依次降低；從降溫效果看A1>A2>A3，隨著高度的降低降溫效果增強，即高度越低降溫效果越好。

(a)A1處

(b)A2處

(c)A3處圖5 不同系統(tǒng)壓力下溫度變化曲線

由圖5(a)可見，在A1熱電偶即距離地面90 cm處，細水霧對木垛火的平均冷卻速率為12.02 ℃·s-1，冷卻效果較好；且隨著系統(tǒng)壓力的增加冷卻速率逐漸增大，壓力為10 MPa時冷卻速率能夠達到15.2 ℃·s-1。這是因為A1熱電偶處的細水霧直接作用于火焰，細水霧氣化程度高，氣化速度快，吸收熱量較多，并且隨著壓力增大，細水霧的動量增加，霧滴粒徑減小，壓力的增加間接導致細水霧系統(tǒng)的冷卻效果增強。在A2熱電偶即距離地面180 cm處，細水霧對木垛火的平均冷卻速率為9.44 ℃·s-1，冷卻效果較A1處有所降低；且隨著壓力的增加，冷卻速率先增大后減小，8 MPa時降溫效率最高能達到13.7 ℃·s-1，之后10 MPa時冷卻效率降低到9.1 ℃·s-1。這可能是由于系統(tǒng)壓力繼續(xù)增大到10 MPa后，細水霧的動量增大，大量高壓的細水霧直接作用于火焰及木垛，而在A2測溫點附近細水霧的氣化量反而減少，導致在A2處細水霧的平均冷卻速率有所降低。在A3熱電偶即距離地面270 cm處，細水霧對木垛火的平均冷卻速率為4.54 ℃·s-1，與A1和A2相比冷卻速率值最小；且隨著系統(tǒng)壓力的增加，冷卻速率先增大后降低，6 MPa時冷卻速率最高為9 ℃·s-1，之后8 MPa和10 MPa均為3.8 ℃·s-1。這表明，在靠近頂棚處，細水霧噴頭與A3點處于同一水平位置，此處接收到的細水霧液滴數(shù)量較少，降溫效果差。

2.3 火源功率對滅火效果的影響

通過改變木垛的層數(shù)分析木垛火源功率對滅火效果的影響，試驗工況對應第4、7、8組，壓力設為6 MPa。

表3為不同木垛層數(shù)下細水霧系統(tǒng)的滅火時間。從表中可見，隨著木垛層數(shù)的減小，火源功率逐漸降低，木垛火的滅火時間也逐漸減少，但是與系統(tǒng)壓力變化影響相比，火源功率的變化對滅火時間的影響較小。

表3 不同火源功率下木垛火滅火時間

圖6為不同木垛層數(shù)下，A1、A2、A3處細水霧系統(tǒng)滅火的溫度變化曲線。細水霧對木垛火的平均冷卻速率在A1、A2和A3處分別為11.27 ℃·s-1、8.7 ℃·s-1、4.3 ℃·s-1，可見細水霧對木垛火的降溫效果在下部優(yōu)于上部。

在A1和A2熱電偶位置處，溫度變化的規(guī)律基本相同，即隨著木垛層數(shù)的增加，細水霧的冷卻速率逐漸減小，降溫效果降低，尤其是木垛規(guī)格從7×8層增加到7×10層時，降溫速率顯著降低。這是由于在一定系統(tǒng)壓力下，隨著木垛層數(shù)的增加，火源功率不斷增大，相同動量和數(shù)量的細水霧液滴對于木垛火的冷卻效果會降低，降溫效果也逐漸降低。在A3熱電偶位置處，隨著木垛層數(shù)的增加，冷卻速率較低，且基本維持不變，數(shù)值在4.3 ℃·s-1左右。

(a)A1處

(b)A2處

(c)A3處圖6 不同木垛層數(shù)下溫度變化曲線

這是由該測點的特殊位置決定的，該測點位于與噴頭平行的位置，此處細水霧液滴的覆蓋量不多，因此降溫效果不好。

3 結論

本文主要研究了高壓單流體細水霧系統(tǒng)滅木垛火的滅火效果，以及細水霧系統(tǒng)壓力、火源功率對滅火時間和降溫效果的影響，得到以下結論：

3.1 高壓單流體細水霧系統(tǒng)滅木垛火效果明顯，可以在短時間內壓制火勢，實現(xiàn)成功滅火，同時對火場環(huán)境的降溫效果明顯，能夠起到快速降溫滅火的作用。

3.2 隨著細水霧滅火系統(tǒng)壓力的增加，木垛火的滅火時間逐漸縮短，且在2 MPa到4 MPa變化時，滅火時間減少最為顯著。隨著木垛層數(shù)的減小，火源功率逐漸降低，木垛火的滅火時間也逐漸減少，但是與系統(tǒng)壓力變化影響相比，火源功率的減少對滅火時間的影響較小。

3.3 高壓單流體細水霧系統(tǒng)對木垛火的降溫效果較好，下部的降溫效果要優(yōu)于上部空間。隨著系統(tǒng)壓力的增加和火源功率的降低，細水霧系統(tǒng)對下部空間的降溫效果逐漸增強；但是對上部空間頂棚處的降溫效果不顯著。