消防水幕滅火系統(tǒng)對火焰抑制效果的研究

劉 虎

(天津市消防救援總隊西青支隊 天津300384)

消防水幕滅火系統(tǒng)是抑制火災(zāi)發(fā)生的有效工具之一，它是通過密集射水，對防火分隔物進(jìn)行冷卻降溫，阻止火焰蔓延。在無法設(shè)置防火分隔物的部位，可在該部位設(shè)置防火分隔水幕滅火系統(tǒng)，用來對較大空間進(jìn)行防火分隔，以阻止火勢蔓延擴(kuò)張，從而達(dá)到阻止火勢蔓延的目的。其冷卻和滅火的作用都是通過水幕噴頭來實現(xiàn)的，例如：在劇場主臺與觀眾廳、后臺、側(cè)臺以及觀眾廳到主舞臺間的舞臺口設(shè)降溫水幕保護(hù)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時可迅速降下防火水幕，以確保舞臺上人員逃生。防火水幕可有效隔斷火勢向觀眾廳蔓延，并阻擋觀眾視線，減輕觀眾恐慌心理，當(dāng)防火水幕降到底時，水幕與火幕連鎖啟動消防水泵向防火幕噴水，同時信號也傳遞至起火建筑的消防控制中心，利用幕狀水流吸收火災(zāi)產(chǎn)生的熱量，有效吸附煙氣中顆粒物以及一些有害氣體，幕狀水流對火舌卷流及煙氣能夠起到一定的阻隔作用，可以最大限度地降低起火建筑內(nèi)部的財產(chǎn)損失，為被困人員提供充足的緊急逃生時間[1]。

1 消防水幕滅火系統(tǒng)滅火機(jī)理

在水幕系統(tǒng)滅火過程中，燃燒物在一定空間內(nèi)釋放熱量所形成的溫度場是反沿空間，位置不同而且也隨時間變化，因此這是一種非穩(wěn)態(tài)溫度場。水幕滅火其實就是利用水導(dǎo)熱特性的過程，這種導(dǎo)熱稱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。滅火的機(jī)理就是運(yùn)用水吸收或傳導(dǎo)燃燒所放出的熱量。然而水的這種傳熱特性是通過熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射來完成的，因此為研究水幕的滅火機(jī)理，我們就有必要對這3 種傳熱方式進(jìn)行分析[2]。

2 熱傳導(dǎo)

熱的傳遞過程與溫度在物體內(nèi)部的分布-溫度場有密切關(guān)系，T＝F(X·Y·Z·R)，表示空間內(nèi)各點(diǎn)的溫度隨時間而變化，這種不穩(wěn)定溫度場內(nèi)各點(diǎn)的熱流必然隨時間變化，但是流體的導(dǎo)熱過程必須遵循著能量守恒定律。這就可以說明，在熱的傳導(dǎo)過程中，燃燒物質(zhì)所放出的熱量以一種多維不穩(wěn)定導(dǎo)熱的方式傳遞給水層，再通過水的流動把熱量傳遞走。而水從水幕噴頭射出后，是否能有效地起到這一作用，取決于流體的物理性質(zhì)，因為這是影響流體換熱的重要因素。影響流體運(yùn)動和換熱的物性參數(shù)有熱導(dǎo)系數(shù)、比熱、傳熱速率、動力粘性系數(shù)和密度[3]。

熱導(dǎo)系數(shù)和傳熱的速率對傳熱有很大的關(guān)系，水溶液的熱導(dǎo)系數(shù)在液體中最高，然而隨著熱量傳遞的加劇，水溶液的熱導(dǎo)系數(shù)隨著溫度的升高而降低。在水溶液中，分子的距離比氣體小得多，分子的運(yùn)動主要是彈性震動，震動的能量通過相鄰分子進(jìn)行傳遞，液體熱導(dǎo)系數(shù)對壓力不甚敏感，特別是當(dāng)壓力不太靠近臨近壓力時，這種情況更能表現(xiàn)出來。因此溫度的變化是通常要考慮的唯一影響因素，飽和狀態(tài)是測定熱導(dǎo)系數(shù)的條件，在這一狀態(tài)下具有單值性。參考飽和水的參數(shù)見表1。

表1 飽和水的參數(shù)Tab.1 Parameters of saturated water

氨、二氧化硫等一般性液體的熱導(dǎo)系數(shù)隨溫度升高而降低，而水例外，從表1 可以看出，水的熱擴(kuò)散系數(shù)由常溫下的0.005 2 英尺2/時，慢慢上升，至300 ℃時其擴(kuò)散系數(shù)升至0.006 7 英尺2/時，而后又隨溫度升高而下降，到600 ℃時，其下降到0.005 2 英尺2/時，如表所示，其比熱值在常溫范圍內(nèi)保持著一定的穩(wěn)定值，當(dāng)溫度上升時其比熱值也就隨之上升。而質(zhì)量密度，正好和比熱值相反，它是隨溫度升高慢慢下降的[4]。

為了能更好的利用水源，要把傳熱速度提高到最大，通過對公式傳熱速度＝傳熱溫差(推動力)/熱阻的分析我們可以看出，要想提高其性能，在滅火過程中更好的起到滅火作用，要求火災(zāi)發(fā)生后火災(zāi)探測系統(tǒng)最短時間探測到火情，水幕噴頭以最大壓力噴出水，以便在最短時間內(nèi)把溫度差升到最高。

3 熱對流

3.1 對流種類

對流是伴隨著流體運(yùn)動而發(fā)生的傳遞過程，工程上把流體和壁面形成的傳熱過程稱之為對流傳熱。因液體產(chǎn)生運(yùn)動的原因不同可分為強(qiáng)制對流和自然對流。強(qiáng)制對流由于受到某種外力的作用，在流體內(nèi)造成壓差，推動流體做受迫運(yùn)動時的換熱是受迫對流換熱，它是在外力推動下完成的；自然對流由于流體內(nèi)部各處溫度不同造成密度的差異，在浮力作用下發(fā)生運(yùn)動時的換熱稱為自然對流熱，它是受熱流體的浮力運(yùn)動引起的。對流給熱系數(shù)α反映對流給熱過程的強(qiáng)弱，但它不是介質(zhì)的性質(zhì)，它反映流速、液體性質(zhì)、流道尺寸和形狀等因素，對傳熱過程都有一定的影響[5]。

3.2 對流換熱原理

如圖1 所示，由于兩者之間有溫度差，就會有熱量的傳遞，這種流體和固體之間的表面換熱就是我們這里所介紹的對流換熱。由于粘性流體微團(tuán)粘附于壁面，其速度為零。沿壁面法向流速逐漸增加到Umax，溫度則由Tw變?yōu)門∞，若T∞＞Tw，則熱量自流體傳向壁面，反之若T∞＜Tw則熱量自壁面?zhèn)飨蛄黧w。對流換熱時，流體和壁面間傳遞的熱量是通過緊貼壁面的流體沿壁面層法向?qū)岫鴮崿F(xiàn)的，但和固體內(nèi)單純導(dǎo)熱不同。以Tw＞Tmax為例，當(dāng)熱能通過導(dǎo)熱自壁面?zhèn)魅肓黧w后，一部分是以焓的形式被運(yùn)動的流體帶向下游，這也就是熱對流；另一部分則以熱量形式通過導(dǎo)熱傳向離壁稍遠(yuǎn)的流體層。所以，對流換熱是導(dǎo)熱和熱對流共同作用的結(jié)果。

圖1 壁面附近流體中的速度和溫度分布Fig.1 Velocity and temperature distribution in fluid near wall

4 熱輻射

同水在滅火過程中類似，由于物質(zhì)的燃燒過程中也存在著一種不接觸傳熱方式，這樣兩個不接觸的物體表面，或者固體、液體與周圍氣體間的相互輻射和吸收，就構(gòu)成了輻射換熱和輻射傳熱過程，引起能量從溫度較高的一方朝著溫度較低的另一方轉(zhuǎn)移。當(dāng)輻射能落到物體表面上時，一部分能量可能被物體所吸收，另一部分可能被物體表面反射出去，還有一部分可能透過物體。吸收率、反射率和透過率直接影響了總?cè)肷漭椛洹⒖偡瓷漭椛浜涂偼干漭椛涞妮椛淞看笮?。一般來說，物體表面吸收率同入射輻射方向、入射輻射光譜分布、受輻射表面的成分與結(jié)構(gòu)以及表面溫度有關(guān)。對反射和透過率來說，其反射和透射能量同光譜和方向也有關(guān)系，故增加了輻射傳熱的復(fù)雜性，當(dāng)受輻射表面的成分與結(jié)構(gòu)有關(guān)，在氣體情況下，還與氣體的幾何尺寸與形狀有關(guān)。而在工程上，水幕的滅火理論其實并不是導(dǎo)熱、傳熱和輻射單獨(dú)存在，而是相互聯(lián)系，同時完成滅火的，其滅火過程實質(zhì)就是水幕噴頭射出的水在向下流動的過程中，通過低溫的水流和高溫的氣流相接觸，把高溫的氣流傳遞散發(fā)的過程。

5 結(jié) 語

消防水幕系統(tǒng)是火災(zāi)撲救中重要的工具之一，能很好地控制火勢蔓延，并能及時地?fù)錅缁馂?zāi)。在消防水幕滅火系統(tǒng)的滅火過程中，其滅火機(jī)理是直接運(yùn)用于滅火過程之中的。本文分析該系統(tǒng)是否能在火災(zāi)過程中有效發(fā)揮作用，對水幕系統(tǒng)的噴水點(diǎn)高度、噴水流量、入口供水壓力等一系列的水幕特性參數(shù)逐一進(jìn)行了分析，以更好地發(fā)揮其在滅火過程中的作用。■