开门工况下工作压力对细水雾灭火效能的影响

卞成玉

(南京市公安消防支队，江苏 南京 210008)

细水雾灭火系统具有冷却效率高、水渍损失小和可以用于电气火灾等优点，因此一直被视为哈龙灭火剂的理想替代品[1]。细水雾灭火系统的灭火介质是水，灭火过程中既可以冷却火场温度又可以冲刷烟气颗粒，有利于人员疏散。目前细水雾灭火系统已在我国得到了广泛应用。

细水雾灭火机理主要有：(1)冷却作用。水的蒸发潜热约为2 280 kJ·kg-1，水蒸发能吸收火场释放的大部分热量[2]，细水雾液滴粒径小，液滴比表面积远大于传统喷淋系统产生的液滴，细水雾液滴在火场中会迅速蒸发吸热。细水雾能直接对火羽流进行冷却，细水雾液滴穿越火羽流后还可以冷却可燃物表面，从而降低火源的燃烧速率[3]。(2)窒息作用。细水雾汽化后体积可膨胀约1 700倍，大量的水蒸气使燃料与氧气隔离，降低燃烧反应速率。在较为密闭的空间中，细水雾的窒息作用能在较快时间内灭火。(3)热辐射衰减作用。细水雾蒸发生成的水蒸气阻碍了火源、烟气向周围环境热辐射的传播，能有效抑制火场轰燃的发生[4]。此外，一些次级灭火机理也是细水雾快速灭火的原因，如细水雾向下喷射过程中会卷吸携带大量烟气和水蒸气，降低着火区域燃料和空气的浓度[5]；细水雾向下的动量可以直接将火焰吹离燃料表面[6]，实现灭火。细水雾灭火机理的多样性使得其在不同火灾场景中的效能有着较大的差异性。本文通过开门工况下细水雾的灭火试验，探究细水雾工作压力对扑灭油盘火效能的影响。

1 试验设计

试验在长宽高分别为3.6,2.7,2.7 m的小室内进行，小室侧墙上的门尺寸为0.8 m宽2.0 m高，试验中始终保持开门状态，以满足补风等要求。喷头布置在小室中央，设置高度为2.6 m。正方形油盘边长为40 cm，高10 cm，布置在喷头正下方。在小室中央布置一热电偶树，热电偶设置高度分别为0.3,0.6,0.9,1.2,1.5,1.8,2.1,2.4,2.7 m。采用德图TESTO 320烟气成分分析仪，其探枪设置高度为1.5 m，如图1所示。小室正前方设置一台摄像机，用于拍摄不同时刻的火焰形态。试验系统采用单流体细水雾系统，主要由高压水泵组、压力表、压力调节阀、净水器、水箱、细水雾喷头、耐高压软管和固定管网组成。泵组功率4 kW，转速1 415，压力范围0～12 MPa，流量范围0～21 L·min-1，水箱容量40 L，通过调节泵组频率实现细水雾压力的改变。

图1 小室俯视图

试验选用93#汽油作为燃料，每次试验燃料用量为1 L,水垫层距油盘上沿3 cm。开启摄像机、数据采集系统和烟气分析仪后点火并开始计时，30 s后开启细水雾灭火系统，火焰被扑灭后细水雾系统继续喷射1 min，关闭细水雾，测量系统停止数据采集。表1给出了不同工作压力下细水雾灭火试验工况和灭火时间。

表1 细水雾灭火试验工况和灭火时间

2 试验数据处理与分析

2.1 典型试验现象分析

图2为工况4试验中火源位置的温度分布。汽油沸点较低，未点火前已经开始在空气中弥散，试验开始后油盘上方迅速形成明火并释放出热量，油盘上方形成了温度较高的火羽流，火羽流在热力学作用向上运动过程中卷吸了大量空气，高温羽流在空气的“稀释”下温度逐渐降低。因此表现出同一时刻随着距地面高度的增加温度不断降低。开启细水雾灭火系统前火羽流已经达到了最高温度，细水雾喷射初期火羽流温度基本未发生变化，表明此时细水雾并不能进入火羽流实施有效降温，1.5,1.8,2.1,2.4 m处的温度则在开启细水雾后逐渐下降，2.7 m顶棚处的温度在试验过程中基本未发生变化。53 s时0.3,0.6,0.9 m位于火羽流内的温度开始降低，细水雾持续冷却降低了羽流浮力，细水雾液滴得以进入火羽流区域直接对火羽进行冷却。油盘火被扑灭时0.3,0.6,0.9 m处的温度约为405,236,54 ℃，其余位置的温度均在40 ℃左右。随着细水雾的继续喷射，各点温度逐渐恢复至环境温度。

图2 工况4温度分布曲线

图3为工况4试验中烟气组分浓度变化，试验开始后氧气浓度在汽油火的消耗下逐渐下降，开启细水雾后氧气浓度停止下降并在14 s后开始上升，氧气浓度在63 s时出现降低趋势，并在油盘火被扑灭后逐渐恢复至环境水平。一氧化碳浓度则在细水雾开启后降低并在52 s开始上升，一氧化碳浓度在油盘火被扑灭后达到峰值。烟气组分浓度变化表明开门工况下试验的排烟、补风条件良好，因而在下面的论述中不再赘述。

图3 工况4氧气和一氧化碳浓度变化曲线

图4为工况4试验中不同时刻火焰状态。试验现象表明油盘在点燃后能迅速进入稳定燃烧，细水雾喷下瞬间，细水雾强烈的动量使火焰体积迅速增加，出现了火焰强化现象，原因是在细水雾及其卷吸气流的冲击下加速了燃料蒸气与氧气的混合，提高了燃烧反应速率，油盘火的体积和亮度全面增加，56 s后火焰高度降低，火焰根部向油盘左侧倾斜并不断出现不连续火焰(火焰变细、变长)。油盘火被细水雾扑灭时火焰从油盘底部向上消失。

2.2 工作压力对油盘火温度的影响

图5为各工况试验中0.3 m处的温度对比曲线，4组试验中预燃阶段温度上升趋势相似。油盘燃烧形成的火羽流温度较高，羽流具有较大浮力，细水雾首先作用于油盘火生成的热羽流，当液滴携带的动量不足以克服热羽流的浮力时将无法进入火羽流对火羽进行直接冷却。这种状态下细水雾的冷却效率较低。各组试验的温度在约38 s时出现上升，细水雾虽然不能穿越火羽进行冷却但细水雾卷吸的气流对下部油盘的燃烧产生了扰动，提高了燃烧反应速率，使火源处温度发生短时间的提高。细水雾在持续喷射一定时间后使温度开始降低，随着细水雾压力的增加，这一时间相应下降。增大细水雾工作压力后细水雾流量提高，单位时间产生的细水雾液滴数量增多，作用于火羽的表面积增大，强化了细水雾的蒸发冷却能力，同时细水雾的增加也使细水雾液滴携带的动量变大，在两者共同作用下，增强了细水雾穿越火羽流的能力，缩短了细水雾直接冷却火源的时间。

图4 工况4试验中不同时刻火焰形态

图5 试验中0.3 m处温度对比曲线

2.3 工作压力对火焰形态的影响

图6、图7、图8和图4分别为4组试验中不同时刻的火焰形态。试验中开启细水雾后油盘火火焰开始向左侧倾斜，并出现了火焰强化现象(火焰的体积、高度和亮度都迅速提升)，工况1火焰形态在约80 s开始转变，火焰高度逐渐降低，103 s后火焰仅存在于油盘边缘，火焰大小随着时间逐渐减小。工况2火焰形态在66 s时开始转变，在火焰缩小到油盘边缘后逐渐熄灭。随着细水雾压力的增加，工况3火焰形态转变的时间进一步缩短，86 s后火焰缩小到油盘左侧边缘，135 s时细水雾成功将油盘火“吹熄”。试验现象显示油盘火存在两种燃烧形态：细水雾压力较低时对油盘火的蒸发冷却作用和对火源的冲击作用都较弱，喷射初期火焰强化现象并不明显，灭火主要是通过细水雾的喷射对火源进行持续冷却，逐渐控制火源的热释放速率，从而实现灭火目的；随着压力的逐渐增大，试验中出现的火焰强化现象也更加明显，这表明细水雾的动量及其携带的气流对火焰的冲击力随着压力的增大而增强。工况3和工况4中，火焰熄灭时的形态都是火焰逐渐脱离油盘，火焰变的细长由下至上消失，这表明油盘火是在细水雾的冷却和冲击共同作用下“吹熄”的，随着细水雾压力的增加这一时间随之缩短。

图6 工况1试验中不同时刻火焰形态

图7 工况2试验中不同时刻火焰形态

图8 工况3试验中不同时刻火焰形态

3 结论

细水雾是通过不同灭火机理协同作用灭火的，通常是吸热、氧置换、隔绝热辐射，稀释燃料、空气浓度和吹熄效应这几个灭火机理中一种或几种的组合。在本文试验条件下，增大工作压力细水雾的灭火时间随之缩短，通过对试验现象进行分析，证明开门工况下细水雾主要通过蒸发冷却作用和吹熄作用实现灭火。工作压力的增加增强了细水雾蒸发冷却能力和吹熄作用，两者共同作用下使细水雾能更快地进入燃料表面进行冷却和直接吹熄火焰，有效提高了细水雾的灭火效能。

[1] 孙传杰.细水雾灭火技术研究进展及展望[J].武警学院学报,2012,28(10):13-15.

[2] 王鹏峰.水雾粒径对灭火效果影响的模拟研究[J].武警学院学报,2010,26(12):11-13.

[3] 杜文锋,尹桂旭.细水雾灭室内池火实验研究[J].武警学院学报,2013,29(6):5-7.

[4] 陈爱平,王超.细水雾抑制室内轰燃的试验研究[J].武警学院学报,2017,33(8):5-9.

[5] 苏海林,蔡小舒,许德毓,等.细水雾灭火机理探讨[J].消防科学与技术,2000(4):13-16.

[6] 杜文锋,陈洁.细水雾吹熄灭火机理分析[J].消防科学与技术,2012,31(9):919-922.