局部蒸汽系统抑制熄灭油池火的实验研究

杨满江,陈吕义,汪 箭＊

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥 230026;2.江西省公安消防总队,南昌 330009)

局部蒸汽系统抑制熄灭油池火的实验研究

杨满江1,陈吕义2,汪 箭1＊

(1.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥 230026;2.江西省公安消防总队,南昌 330009)

选取乙醇为燃料试样,进行不同条件下蒸汽灭火的全尺寸实验,研究了局部蒸汽系统抑制熄灭油池火的有效性及其影响因素,并探讨其灭火机理。实验结果表明:喷口直径是影响蒸汽灭火的关键因素,中等直径的喷口具有较好的灭火效率;喷口方位和燃料浓度也会影响灭火有效性;局部蒸汽系统的有效保护面积大于直接覆盖面积,对可燃气和氧气的稀释置换作用应是蒸汽灭火的主导机理。

局部蒸汽系统;油池火;灭火有效性

0 引言

蒸汽灭火系统是一种较为古老的灭火系统,能够广泛应用于蒸汽源充足的各类场所,特别是工矿生产企业。蒸汽灭火系统的显著优点是其经济性,它可以利用工业生产或日常生活用的蒸汽锅炉作为蒸汽源,通过设置简单的管道、控制阀门等部件即可改造为灭火系统,其灭火剂成本低廉、系统设备简单、维护方便。其次,蒸汽是一种清洁且环境友好的灭火剂,灭火后不会残留痕迹,不会对环境造成污染。当前,蒸汽灭火系统已经较广泛的应用于石油化工、热电站、酒厂等工矿企业[1,2]。

高温蒸汽施加初期,大部分蒸汽遇冷空气会迅速凝结为粒径非常微小的水滴,可以将此视为一种特殊的细水雾,其灭火机理主要是:降温冷却,稀释与置换燃烧区内的可燃气体和氧气,动力学作用[3]。前人通过较多的实验和计算机模拟,对常规细水雾的灭火效力和机理,以及液滴与火焰相互作用的物理化学过程进行了比较深入的研究[4-7]。近年来国际国内的研究者对蒸汽抑制熄灭火焰展开了一定的研究:Suh[8]等通过实验和理论分析探讨了水蒸汽抑制扩散火焰的机理,Richard[9]等通过小尺寸实验研究了水蒸汽抑制扩散火焰的物理化学效果,Adiga[10]等通过小尺寸实验验证了高压蒸汽设备生成的超细水雾全淹没灭火的可行性,李忠[11]以全尺寸实验分析了蒸汽全淹没熄灭酒精火的有效性。

对于蒸汽灭火,前人的研究多集中在小尺寸实验和灭火机理分析方面,少量的全尺寸实验结果也主要关注于全淹没蒸汽灭火系统。而对于应用范围更广泛、更经济的局部蒸汽灭火系统[2]的研究相对缺乏。本文将针对局部蒸汽系统开展研究,选取乙醇为燃料,通过一系列全尺寸灭火实验,对比分析局部蒸汽系统灭火的有效性和效率,并探讨其影响因素及灭火机理。

1 实验设计

局部蒸汽系统灭火实验在7m×7m×3m的受限空间内进行,实验装置示意图如图1所示。实验采用的蒸汽源压力为0.3MPa,蒸汽流量为14.6L/s。实验中使用的油盘尺寸分为40cm×40cm×5cm和40cm×60cm×5cm两种,布置在房间正中。实验燃料选择乙醇,大小油盘的每次用量分别为2.4kg和1.6kg。沿油盘上方竖直方向布置了一列8个热电偶,间距是10cm,用于监控火焰区域的温度,其中第一个热电偶位于油盘上方10cm处。数字摄像机安置在实验间一角,距火源约3m远,用于记录整个实验过程。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test setup and instrumentation

为研究局部蒸汽系统灭火的效率及影响因素,实验中通过改变喷口直径、油盘尺寸、喷口方位及乙醇浓度等多种参量,设计了多组工况。每次进行蒸汽灭火实验时,首先使得燃料预燃约45s达到准稳态,然后开始施加蒸汽。灭火时间通过现场记录、录像和温度测量共同判定,如果灭火时间大于30s,则判定灭火失效。各组工况的详细参数设置及灭火结果见附表。

2 实验及其分析

2.1 蒸汽灭火过程分析

下面以实验A15为例,详细分析局部蒸汽系统灭火过程。本次实验中,油盘尺寸为40cm×60cm×5cm,使用体积百分浓度95%的乙醇2.4kg,选取的喷口直径是100mm。图2显示了典型工况下局部蒸汽系统的灭火过程。当蒸汽初始施加时,大部分蒸汽遇冷凝结成粒径非常微小的水滴,同时在运动过程中不断卷吸周围空气,形成蒸汽流。蒸汽气流到达火焰区域时,会对火焰造成一定扰动;持续施加蒸汽,可以稀释降低火焰区域的可燃气和氧气浓度,并形成一定范围的蒸汽氛围,从而窒熄火焰。局部蒸汽系统在灭火时,蒸汽对可燃气和氧气的稀释置换不是一个直接过程,而是通过冷凝的微小液滴瞬间汽化来间接达到稀释和隔绝空气的效果。

图3所示是典型工况下蒸汽与火焰相互作用前后的温度变化,可见当成功应用蒸汽灭火时,火焰将逐渐窒熄,火焰区域温度下降。由图3还可以看出,由于蒸汽流的流量很小,冷凝形成的微小水滴再次气化过程对火焰区域的冷却效果较差,不会如同水喷淋、二氧化碳等冷却型灭火剂一样造成火焰温度的瞬时下降[12]。

图3 蒸汽与火焰相互作用的温度变化曲线Fig.3 Variation of Flame and gas temperature before and after water vapor discharge

2.2 喷口直径的影响

在蒸汽压力和流量一定的情况下,喷口直径的大小将影响蒸汽流的喷射速度和直接覆盖范围。简化蒸汽流为圆柱形自由射流,通过求解连续性方程和动量守恒方程,得到蒸汽流的轴向速度与射流半径的理论解如下[13]:

式中,u是轴向最大速度,R是蒸汽流半径,r是喷口半径,z是喷口距离,c是经验常数,c=0.0128。

取z=1.5m,通过以上公式计算蒸汽流到达地面时的轴向最大速度与射流半径。如图4所示,当喷口直径较小,大约在10mm至30mm的范围内,蒸汽流具有较大的速度,并随喷口直径的增大而快速减小;当喷口直径较大时,蒸汽流的速度较小,喷口直径对蒸汽流速度的影响也较弱。蒸汽射流的半径随喷口直径的增大而线性增大。

A组工况中,油盘布置在房间中央,处于蒸汽喷口的正下方;实验中使用了两种不同尺寸的油盘和6个不同直径的喷口。图5是实验测量的各种工况下灭火时间。如图可见,15mm和20mm喷口无法熄灭40cm×60cm的油池火。在成功灭火时,灭火时间随喷口直径增大而延长,由此可以推断喷口直径增大到一定程度时,可能出现灭火失效。这说明对于一定的油盘尺寸(或者说火灾规模),存在一定范围的有效喷口直径,在此范围内,喷口直径越小,灭火时间越短。

使用15mm和20mm两种喷口抑制40cm×40cm的油池火时,灭火时间仅为1s,施加的蒸汽量远不足以将火焰区域的氧气浓度稀释到可燃极限之下,此时的灭火机制应是依靠较高速度蒸汽流的动力学作用,扰动拉伸火焰而至熄灭。

在B组工况中,移动油盘使其稍偏离中央位置,甚至完全偏离蒸汽直接覆盖区域,以便于进一步分析不同喷口直径的实际保护面积。综合A、B两组工况的灭火结果,可以估算每种喷口的有效保护面积。图6是不同喷口直径的有效保护面积和直径覆盖面积。由图可见,在一定范围内,当喷口直径增大时,有效保护面积随之增大;但当喷口直径过大时,其有效保护面积反而减小。在本实验中,直径100mm的喷口具有最大的保护面积,约为1.5m2。如图6所示,蒸汽可以有效抑制非直径覆盖区域的火焰,其有效保护面积明显大于直径覆盖面积,说明蒸汽灭火的主导机理是稀释隔绝燃烧区内的可燃气体和助燃气体,动力学拉伸灭火起次要作用。

图6 有效保护面积和直接覆盖面积随喷口直径的变化Fig.6 Comparison of effective protection area and direct flooding area

对比分析图4至图6中蒸汽流的速度、灭火时间、有效保护面积和直接覆盖面积随喷口直径变化的曲线,可将喷口直径大致分成三个区间。当喷口直径较小时,蒸汽流的速度大且非常集中,灭火时间短,有效保护面积仅略大于直径覆盖面积;当喷口直径适中时,蒸汽流的速度较小,容易扩散弥漫(如图2c),灭火时间有所增加,有效保护面积显著大于直径覆盖面积;当喷口直径过大时,蒸汽流极易扩散,灭火时间增长且有效保护面积反而减少。

2.3 喷口方位和燃料浓度的影响

喷口的布置方向,也将影响蒸汽系统的灭火有效性。从表1可见,喷口竖直向下布置,蒸汽灭火效果最佳;喷口倾斜角度为45°时,蒸汽灭火效果明显减弱;喷口倾斜角度为90°(水平布置)时,蒸汽灭火基本完全失败。喷口方向倾斜布置时,蒸汽流是从一侧到达火焰区域,其稀释窒熄作用减弱而动力学作用相对增强,蒸汽流通过对火焰的强烈扰动,造成火焰拉伸,使得燃烧区可燃气体与空气混和的速度大于紊流火焰传播速度临界值,从而“吹熄”火焰。

表2给出了局部蒸汽系统熄灭不同浓度乙醇池火的灭火时间。结果显示,15mm和20mm的喷口无法熄灭95%的乙醇火,但可在1s内熄灭50%的乙醇火。乙醇浓度降低至50%时,各种喷口的灭火时间都极大的缩短,在3s内都能成功灭火。这表明对于不同浓度的乙醇火,浓度越低,灭火时间越短,灭火效果越好。

表1 不同喷口方位时的灭火时间Table 1 Extinction time at different nozzle orientations

表2 不同燃料浓度时的灭火时间Table 2 extinction time at different fuel concentrations

3 结论

本文在7m×7m×3m的受限空间内开展了一系列蒸汽灭火的全尺寸实验,通过改变喷口直径、油盘面积、喷口方位及燃料浓度等影响因素,研究了局部蒸汽系统的灭火有效性,并探讨其灭火机理,得出如下结论:

(1)局部蒸汽系统可以抑制熄灭非直接覆盖区域的火焰,其有效保护面积大于直径覆盖面积,蒸汽稀释和隔绝火焰区域的可燃气与氧气是灭火的主导机理。

(2)在压力和流量一定的情况下,喷口直径是影响蒸汽灭火有效性的关键因素。对于一定的火灾规模,存在一定范围的有效喷口直径,在此范围内,喷口直径越小,灭火时间越短。同样,喷口直径也会影响有效保护面积的大小,在一定范围内,有效保护面积随喷口直径增大而增加。本实验中,直径100mm的喷口具有最大的有效保护面积。

(3)喷口方位的倾斜会减弱蒸汽灭火的效果,蒸汽的施加方向与竖直方向的夹角应保持在45°内为宜。

(4)对于不同浓度的乙醇火,其浓度越低,蒸汽灭火时间越短,灭火效果越好。

(5)在本文的实验条件下,直径约为30mm～100mm的喷口具有较佳的灭火效率,其灭火时间适中,有效保护面积较大。在应用局部蒸汽系统时,应根据蒸汽源、火灾载荷等实际情况,选取适当的喷口,也可以通过合理增加喷口数目来扩大保护面积。

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Experimental study on the suppression of pool fire with local water vapor system

YANG Man-jiang1,CHEN Lv-yi2,WANGJian1

(1.State Key Lab.of Fire Science,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China;2.Fire Protection Department of Jiangxi Province,Nanchang 330009,China)

Water vapor is favored in fire suppression for its economy and environmental friendliness.In order to study the effectiveness and influencing factors of pool fire extinction by local water vapor system,a series of full-scale experiments were conducted under various conditions.Ethanol was used as the fuel in the experiments.The results indicate that nozzle diameter is the key factor affecting fire suppression,and the medium-diameter nozzle has better suppression efficiency.Besides nozzle radius,nozzle orientation and fuel concentration also affect the fire suppression effectiveness.The effective protection area of local water vapor system is larger than its direct flooding area.It is suggested that fuel vapor and oxygen displacement should be the major mechanism of fire suppression.

Local water vapor system;Pool fire;Fire suppression effectiveness

X932

A

1004-5309(2011)-0068-07

2010-11-12;修改日期:2010-12-01

杨满江(1982-),男,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室博士研究生。主要研究方向为火灾过程的计算机模拟与仿真,超细水雾灭火的实验研究。

汪箭,博导,E-mail:wangj@ustc.edu.cn.

附表 各种工况的详细实验设置及其灭火时间

附表续