楊滿江,陳呂義,汪 箭＊

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026;2.江西省公安消防總隊(duì),南昌 330009)

局部蒸汽系統(tǒng)抑制熄滅油池火的實(shí)驗(yàn)研究

楊滿江1,陳呂義2,汪 箭1＊

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026;2.江西省公安消防總隊(duì),南昌 330009)

選取乙醇為燃料試樣,進(jìn)行不同條件下蒸汽滅火的全尺寸實(shí)驗(yàn),研究了局部蒸汽系統(tǒng)抑制熄滅油池火的有效性及其影響因素,并探討其滅火機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:噴口直徑是影響蒸汽滅火的關(guān)鍵因素,中等直徑的噴口具有較好的滅火效率;噴口方位和燃料濃度也會(huì)影響滅火有效性;局部蒸汽系統(tǒng)的有效保護(hù)面積大于直接覆蓋面積,對(duì)可燃?xì)夂脱鯕獾南♂屩脫Q作用應(yīng)是蒸汽滅火的主導(dǎo)機(jī)理。

局部蒸汽系統(tǒng);油池火;滅火有效性

0 引言

蒸汽滅火系統(tǒng)是一種較為古老的滅火系統(tǒng),能夠廣泛應(yīng)用于蒸汽源充足的各類場(chǎng)所,特別是工礦生產(chǎn)企業(yè)。蒸汽滅火系統(tǒng)的顯著優(yōu)點(diǎn)是其經(jīng)濟(jì)性,它可以利用工業(yè)生產(chǎn)或日常生活用的蒸汽鍋爐作為蒸汽源,通過設(shè)置簡(jiǎn)單的管道、控制閥門等部件即可改造為滅火系統(tǒng),其滅火劑成本低廉、系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。其次,蒸汽是一種清潔且環(huán)境友好的滅火劑,滅火后不會(huì)殘留痕跡,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。當(dāng)前,蒸汽滅火系統(tǒng)已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用于石油化工、熱電站、酒廠等工礦企業(yè)[1,2]。

高溫蒸汽施加初期,大部分蒸汽遇冷空氣會(huì)迅速凝結(jié)為粒徑非常微小的水滴,可以將此視為一種特殊的細(xì)水霧,其滅火機(jī)理主要是:降溫冷卻,稀釋與置換燃燒區(qū)內(nèi)的可燃?xì)怏w和氧氣,動(dòng)力學(xué)作用[3]。前人通過較多的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬,對(duì)常規(guī)細(xì)水霧的滅火效力和機(jī)理,以及液滴與火焰相互作用的物理化學(xué)過程進(jìn)行了比較深入的研究[4-7]。近年來國(guó)際國(guó)內(nèi)的研究者對(duì)蒸汽抑制熄滅火焰展開了一定的研究:Suh[8]等通過實(shí)驗(yàn)和理論分析探討了水蒸汽抑制擴(kuò)散火焰的機(jī)理,Richard[9]等通過小尺寸實(shí)驗(yàn)研究了水蒸汽抑制擴(kuò)散火焰的物理化學(xué)效果,Adiga[10]等通過小尺寸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高壓蒸汽設(shè)備生成的超細(xì)水霧全淹沒滅火的可行性,李忠[11]以全尺寸實(shí)驗(yàn)分析了蒸汽全淹沒熄滅酒精火的有效性。

對(duì)于蒸汽滅火,前人的研究多集中在小尺寸實(shí)驗(yàn)和滅火機(jī)理分析方面,少量的全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果也主要關(guān)注于全淹沒蒸汽滅火系統(tǒng)。而對(duì)于應(yīng)用范圍更廣泛、更經(jīng)濟(jì)的局部蒸汽滅火系統(tǒng)[2]的研究相對(duì)缺乏。本文將針對(duì)局部蒸汽系統(tǒng)開展研究,選取乙醇為燃料,通過一系列全尺寸滅火實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析局部蒸汽系統(tǒng)滅火的有效性和效率,并探討其影響因素及滅火機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

局部蒸汽系統(tǒng)滅火實(shí)驗(yàn)在7m×7m×3m的受限空間內(nèi)進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用的蒸汽源壓力為0.3MPa,蒸汽流量為14.6L/s。實(shí)驗(yàn)中使用的油盤尺寸分為40cm×40cm×5cm和40cm×60cm×5cm兩種,布置在房間正中。實(shí)驗(yàn)燃料選擇乙醇,大小油盤的每次用量分別為2.4kg和1.6kg。沿油盤上方豎直方向布置了一列8個(gè)熱電偶,間距是10cm,用于監(jiān)控火焰區(qū)域的溫度,其中第一個(gè)熱電偶位于油盤上方10cm處。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)安置在實(shí)驗(yàn)間一角,距火源約3m遠(yuǎn),用于記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test setup and instrumentation

為研究局部蒸汽系統(tǒng)滅火的效率及影響因素,實(shí)驗(yàn)中通過改變噴口直徑、油盤尺寸、噴口方位及乙醇濃度等多種參量,設(shè)計(jì)了多組工況。每次進(jìn)行蒸汽滅火實(shí)驗(yàn)時(shí),首先使得燃料預(yù)燃約45s達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),然后開始施加蒸汽。滅火時(shí)間通過現(xiàn)場(chǎng)記錄、錄像和溫度測(cè)量共同判定,如果滅火時(shí)間大于30s,則判定滅火失效。各組工況的詳細(xì)參數(shù)設(shè)置及滅火結(jié)果見附表。

2 實(shí)驗(yàn)及其分析

2.1 蒸汽滅火過程分析

下面以實(shí)驗(yàn)A15為例,詳細(xì)分析局部蒸汽系統(tǒng)滅火過程。本次實(shí)驗(yàn)中,油盤尺寸為40cm×60cm×5cm,使用體積百分濃度95%的乙醇2.4kg,選取的噴口直徑是100mm。圖2顯示了典型工況下局部蒸汽系統(tǒng)的滅火過程。當(dāng)蒸汽初始施加時(shí),大部分蒸汽遇冷凝結(jié)成粒徑非常微小的水滴,同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中不斷卷吸周圍空氣,形成蒸汽流。蒸汽氣流到達(dá)火焰區(qū)域時(shí),會(huì)對(duì)火焰造成一定擾動(dòng);持續(xù)施加蒸汽,可以稀釋降低火焰區(qū)域的可燃?xì)夂脱鯕鉂舛?并形成一定范圍的蒸汽氛圍,從而窒熄火焰。局部蒸汽系統(tǒng)在滅火時(shí),蒸汽對(duì)可燃?xì)夂脱鯕獾南♂屩脫Q不是一個(gè)直接過程,而是通過冷凝的微小液滴瞬間汽化來間接達(dá)到稀釋和隔絕空氣的效果。

圖3所示是典型工況下蒸汽與火焰相互作用前后的溫度變化,可見當(dāng)成功應(yīng)用蒸汽滅火時(shí),火焰將逐漸窒熄,火焰區(qū)域溫度下降。由圖3還可以看出,由于蒸汽流的流量很小,冷凝形成的微小水滴再次氣化過程對(duì)火焰區(qū)域的冷卻效果較差,不會(huì)如同水噴淋、二氧化碳等冷卻型滅火劑一樣造成火焰溫度的瞬時(shí)下降[12]。

圖3 蒸汽與火焰相互作用的溫度變化曲線Fig.3 Variation of Flame and gas temperature before and after water vapor discharge

2.2 噴口直徑的影響

在蒸汽壓力和流量一定的情況下,噴口直徑的大小將影響蒸汽流的噴射速度和直接覆蓋范圍。簡(jiǎn)化蒸汽流為圓柱形自由射流,通過求解連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程,得到蒸汽流的軸向速度與射流半徑的理論解如下[13]:

式中,u是軸向最大速度,R是蒸汽流半徑,r是噴口半徑,z是噴口距離,c是經(jīng)驗(yàn)常數(shù),c=0.0128。

取z=1.5m,通過以上公式計(jì)算蒸汽流到達(dá)地面時(shí)的軸向最大速度與射流半徑。如圖4所示,當(dāng)噴口直徑較小,大約在10mm至30mm的范圍內(nèi),蒸汽流具有較大的速度,并隨噴口直徑的增大而快速減小;當(dāng)噴口直徑較大時(shí),蒸汽流的速度較小,噴口直徑對(duì)蒸汽流速度的影響也較弱。蒸汽射流的半徑隨噴口直徑的增大而線性增大。

A組工況中,油盤布置在房間中央,處于蒸汽噴口的正下方;實(shí)驗(yàn)中使用了兩種不同尺寸的油盤和6個(gè)不同直徑的噴口。圖5是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的各種工況下滅火時(shí)間。如圖可見,15mm和20mm噴口無法熄滅40cm×60cm的油池火。在成功滅火時(shí),滅火時(shí)間隨噴口直徑增大而延長(zhǎng),由此可以推斷噴口直徑增大到一定程度時(shí),可能出現(xiàn)滅火失效。這說明對(duì)于一定的油盤尺寸(或者說火災(zāi)規(guī)模),存在一定范圍的有效噴口直徑,在此范圍內(nèi),噴口直徑越小,滅火時(shí)間越短。

使用15mm和20mm兩種噴口抑制40cm×40cm的油池火時(shí),滅火時(shí)間僅為1s,施加的蒸汽量遠(yuǎn)不足以將火焰區(qū)域的氧氣濃度稀釋到可燃極限之下,此時(shí)的滅火機(jī)制應(yīng)是依靠較高速度蒸汽流的動(dòng)力學(xué)作用,擾動(dòng)拉伸火焰而至熄滅。

在B組工況中,移動(dòng)油盤使其稍偏離中央位置,甚至完全偏離蒸汽直接覆蓋區(qū)域,以便于進(jìn)一步分析不同噴口直徑的實(shí)際保護(hù)面積。綜合A、B兩組工況的滅火結(jié)果,可以估算每種噴口的有效保護(hù)面積。圖6是不同噴口直徑的有效保護(hù)面積和直徑覆蓋面積。由圖可見,在一定范圍內(nèi),當(dāng)噴口直徑增大時(shí),有效保護(hù)面積隨之增大;但當(dāng)噴口直徑過大時(shí),其有效保護(hù)面積反而減小。在本實(shí)驗(yàn)中,直徑100mm的噴口具有最大的保護(hù)面積,約為1.5m2。如圖6所示,蒸汽可以有效抑制非直徑覆蓋區(qū)域的火焰,其有效保護(hù)面積明顯大于直徑覆蓋面積,說明蒸汽滅火的主導(dǎo)機(jī)理是稀釋隔絕燃燒區(qū)內(nèi)的可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w,動(dòng)力學(xué)拉伸滅火起次要作用。

圖6 有效保護(hù)面積和直接覆蓋面積隨噴口直徑的變化Fig.6 Comparison of effective protection area and direct flooding area

對(duì)比分析圖4至圖6中蒸汽流的速度、滅火時(shí)間、有效保護(hù)面積和直接覆蓋面積隨噴口直徑變化的曲線,可將噴口直徑大致分成三個(gè)區(qū)間。當(dāng)噴口直徑較小時(shí),蒸汽流的速度大且非常集中,滅火時(shí)間短,有效保護(hù)面積僅略大于直徑覆蓋面積;當(dāng)噴口直徑適中時(shí),蒸汽流的速度較小,容易擴(kuò)散彌漫(如圖2c),滅火時(shí)間有所增加,有效保護(hù)面積顯著大于直徑覆蓋面積;當(dāng)噴口直徑過大時(shí),蒸汽流極易擴(kuò)散,滅火時(shí)間增長(zhǎng)且有效保護(hù)面積反而減少。

2.3 噴口方位和燃料濃度的影響

噴口的布置方向,也將影響蒸汽系統(tǒng)的滅火有效性。從表1可見,噴口豎直向下布置,蒸汽滅火效果最佳;噴口傾斜角度為45°時(shí),蒸汽滅火效果明顯減弱;噴口傾斜角度為90°(水平布置)時(shí),蒸汽滅火基本完全失敗。噴口方向傾斜布置時(shí),蒸汽流是從一側(cè)到達(dá)火焰區(qū)域,其稀釋窒熄作用減弱而動(dòng)力學(xué)作用相對(duì)增強(qiáng),蒸汽流通過對(duì)火焰的強(qiáng)烈擾動(dòng),造成火焰拉伸,使得燃燒區(qū)可燃?xì)怏w與空氣混和的速度大于紊流火焰?zhèn)鞑ニ俣扰R界值,從而“吹熄”火焰。

表2給出了局部蒸汽系統(tǒng)熄滅不同濃度乙醇池火的滅火時(shí)間。結(jié)果顯示,15mm和20mm的噴口無法熄滅95%的乙醇火,但可在1s內(nèi)熄滅50%的乙醇火。乙醇濃度降低至50%時(shí),各種噴口的滅火時(shí)間都極大的縮短,在3s內(nèi)都能成功滅火。這表明對(duì)于不同濃度的乙醇火,濃度越低,滅火時(shí)間越短,滅火效果越好。

表1 不同噴口方位時(shí)的滅火時(shí)間Table 1 Extinction time at different nozzle orientations

表2 不同燃料濃度時(shí)的滅火時(shí)間Table 2 extinction time at different fuel concentrations

3 結(jié)論

本文在7m×7m×3m的受限空間內(nèi)開展了一系列蒸汽滅火的全尺寸實(shí)驗(yàn),通過改變噴口直徑、油盤面積、噴口方位及燃料濃度等影響因素,研究了局部蒸汽系統(tǒng)的滅火有效性,并探討其滅火機(jī)理,得出如下結(jié)論:

(1)局部蒸汽系統(tǒng)可以抑制熄滅非直接覆蓋區(qū)域的火焰,其有效保護(hù)面積大于直徑覆蓋面積,蒸汽稀釋和隔絕火焰區(qū)域的可燃?xì)馀c氧氣是滅火的主導(dǎo)機(jī)理。

(2)在壓力和流量一定的情況下,噴口直徑是影響蒸汽滅火有效性的關(guān)鍵因素。對(duì)于一定的火災(zāi)規(guī)模,存在一定范圍的有效噴口直徑,在此范圍內(nèi),噴口直徑越小,滅火時(shí)間越短。同樣,噴口直徑也會(huì)影響有效保護(hù)面積的大小,在一定范圍內(nèi),有效保護(hù)面積隨噴口直徑增大而增加。本實(shí)驗(yàn)中,直徑100mm的噴口具有最大的有效保護(hù)面積。

(3)噴口方位的傾斜會(huì)減弱蒸汽滅火的效果,蒸汽的施加方向與豎直方向的夾角應(yīng)保持在45°內(nèi)為宜。

(4)對(duì)于不同濃度的乙醇火,其濃度越低,蒸汽滅火時(shí)間越短,滅火效果越好。

(5)在本文的實(shí)驗(yàn)條件下,直徑約為30mm～100mm的噴口具有較佳的滅火效率,其滅火時(shí)間適中,有效保護(hù)面積較大。在應(yīng)用局部蒸汽系統(tǒng)時(shí),應(yīng)根據(jù)蒸汽源、火災(zāi)載荷等實(shí)際情況,選取適當(dāng)?shù)膰娍?也可以通過合理增加噴口數(shù)目來擴(kuò)大保護(hù)面積。

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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

楊滿江(1982-),男,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。主要研究方向?yàn)榛馂?zāi)過程的計(jì)算機(jī)模擬與仿真,超細(xì)水霧滅火的實(shí)驗(yàn)研究。

汪箭,博導(dǎo),E-mail:wangj@ustc.edu.cn.

附表 各種工況的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置及其滅火時(shí)間

附表續(xù)