劉 娟,何明禮*,王 成,方月梅,王 勇

(1.湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 黃石 435003;2.湖北謀創(chuàng)環(huán)境技術(shù)咨詢有限公司,湖北 武漢 430062)

隨著氟氯烷滅火劑逐步退出市場,以水為滅火劑的替代技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。細水霧因具有良好的冷卻、稀釋、抑爆、洗消性能成為了最具潛力的一種滅火劑[1-2]。噴霧強度過小的細水霧滅火系統(tǒng)能夠帶走較少的熱量,難以熄滅火焰;而噴霧強度過大則會增大耗水量,形成較多的水漬殘留,甚至破壞被保護對象。因此,合理的噴霧強度可以使細水霧滅火更加清潔、高效。Arvidson等[4]指出,10 mm/min的水量能熄滅重型貨運車輛火災(zāi)。Gupta等[5]開展了小尺寸非直接接觸滅火實驗,發(fā)現(xiàn)對于6.5 kW的火源,最佳噴霧流量是210 mL/min。Back等[6]認(rèn)為,最佳細水霧的粒徑應(yīng)滿足DV50≈100 μm,熄火濃度為150～200 g/m3。從研究結(jié)果可以看出,不同研究者對噴霧強度的表述方式并不相同,認(rèn)為其大小受火災(zāi)場景的影響較大。

鑒于此,本文主要分析火焰區(qū)的熱質(zhì)交換規(guī)律,旨在建立一種快速計算局部應(yīng)用細水霧滅火系統(tǒng)最小有效噴霧強度的方法,以期為相關(guān)理論和實驗研究以及工程應(yīng)用提供參考。

1 最小有效噴霧強度的理論計算

對于局部應(yīng)用的細水霧滅火系統(tǒng),有效噴霧強度是指直接參與滅火的細水霧噴霧強度。細水霧與火焰相互作用的示意圖如圖1所示。離開噴頭的細水霧一部分懸浮在熱煙氣和火焰中,另一部分穿透煙氣和火焰,到達燃料表面。高溫氣流中細水霧蒸發(fā)汽化過程所經(jīng)歷的時間很短[7-8],忽略這一過程后,煙氣和火焰區(qū)的能量守恒方程可寫為:

圖1 細水霧與火焰相互作用的示意圖

ImfΔHc=Imfcpf(Tf-Tfs)+φImfcpa(Tf-Ta)+xuImlcpwl(Tboil-Tw)+ηvlImlLvw+ηvlImlcpwv(Tf-Tboil)+(1-xu)Iml(Tws-Tw)

(1)

式(1)中,Imf為燃燒速率,kg/(m2·s);ΔHc為燃燒熱,J/kg;cpf為燃料比熱,J/(kg·K);Tf為火焰溫度,K;Tfs為燃料表面溫度,K;φ是空氣與燃料的質(zhì)量比;cpa為空氣比熱,J/(kg·K);Ta為空氣溫度,K;xu為未到達燃料表面的液滴比例;Iml為噴霧強度,kg/(m2·s);cpwl為水的比熱,J/(kg·K);Tboil為水沸點,K;Tw為水初始溫度,K;ηv1為未到達燃料表面液滴的汽化率;Lvw為水沸點條件下的汽化潛熱,J/kg;cpwv為水蒸汽的比熱,J/(kg·K);Tws為水到達燃料表面時的溫度,K。

式(1)中,左邊表示燃料燃燒的熱釋放速率,右邊的第1項為燃料吸熱速率,第2項為空氣吸熱速率,第3項為未到達燃料表面的水霧的顯熱吸熱速率,第4項為液滴潛熱吸熱速率,第5項為水蒸氣吸熱速率,第6項為到達燃料表面的水霧的顯熱吸熱速率。

對于池火災(zāi),細水霧到達燃料表面后將冷卻燃料,從而使燃料的汽化減弱。穩(wěn)定燃燒階段燃料表面的能量守恒關(guān)系為[6]:

Sf=(feΔHc-Lvf)Imf+QE-QL

(2)

式(2)中,Sf為燃料表面蓄熱速率,W;fc為由火焰反饋到燃料表面的燃燒熱占總?cè)紵裏岬谋壤?Lvf為燃料的汽化潛熱,J/kg;QE為外界向燃料表面的傳熱功率,W;QL為燃料表面熱損失功率,W。

對于局部應(yīng)用細水霧系統(tǒng),QE很小,可以忽略,QL包含向外界的輻射熱損失與燃料和液滴的對流換熱熱損失。

(3)

式(3)中,Iml為燃料表面向燃料內(nèi)部的散熱功率,W;ηv2為到達燃料表面的液滴汽化率。

將式(3)代入式(2),則表面冷卻熄火的能量平衡方程可寫為:

(4)

高閃點燃料燃燒時的表面溫度高達400～500 ℃,燃料表面的輻射熱損失非常明顯[9]。當(dāng)液滴接觸到燃料表面時,能量可以迅速傳遞給液滴,使液滴升溫或汽化,并使燃料表面迅速冷卻。由于燃料表面溫度遠低于火焰羽流溫度,通過燃料表面冷卻熄火的耗水量一般小于通過火焰冷卻熄火的耗水量。然而,實際滅火中,細水霧難以全部穿過火焰,基于燃料表面冷卻機理來計算噴霧強度可能導(dǎo)致噴霧強度不足。

低閃點液體燃燒時,表面溫度略低于其沸點。也就是說,這類燃料燃燒時表面溫度可能低于水沸點,如庚烷池火熄滅時的液面溫度約為29 ℃[6],其輻射熱損失和使液滴汽化的熱損失幾乎可以忽略不計,燃料表面的熱損失可簡化為:

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，合理利用信息技術(shù)可以幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)知識，將抽象的概念形象化，加深學(xué)生的記憶，提升課堂效率。而動手實踐能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，使他們能通過自身感悟來更好的了解科學(xué)知識。對教師而言，應(yīng)處理好信息技術(shù)和動手實踐的相互關(guān)系，從而進一步提升小學(xué)科學(xué)教學(xué)的成效。

QL=qn+(1-x)Imlcpwl(Tfs-Tws)

(5)

上述工況下,燃料表面的熱平衡關(guān)系可簡化為:

Sf=(feΔHc-Lvf)Imf-qn-(1-x)Imlcpwl(Tfs-Tws)

(6)

從上式可以看出,如果燃料表面溫度較低,可能導(dǎo)致Tfs

對于高、低閃點的液體火災(zāi),液滴能否進入火焰區(qū),甚至到達燃料表面關(guān)系到滅火成敗。由于細水霧動量小,只有火焰溫度下降到某一特定值時才能進入火焰。因此,火焰冷卻對細水霧的穿透性有較大影響,是高、低閃點液體火災(zāi)熄滅的關(guān)鍵。協(xié)流細水霧系統(tǒng)熄滅這類火災(zāi)具有一定的優(yōu)越性[10-11],能夠顯著減弱液滴運動過程中的動量衰減。

對于液體火災(zāi),當(dāng)燃燒產(chǎn)生的熱量有30%～60%被帶走時,就可能通過火焰冷卻熄火[12]。假設(shè)到達燃料表面的水霧為0,由式(1)可得熄火的噴霧強度為:

(7)

對于面積為S的池火,總熱釋放速度為:

Q=ImfΔHcS

(8)

式(8)中的Q還可以根據(jù)以下公式計算:

(9)

用火焰高度1/2處的平均溫度表示火焰溫度,則火焰平均溫度為[13]:

(10)

(11)

Qc=0.7Q

(12)

將公式(8)和(12)代入式(7),假設(shè)噴霧初始溫度和環(huán)境溫度為20 ℃,水沸點為100 ℃,則噴霧質(zhì)量流量為:

(13)

2 理論計算公式驗證

幾種典型低閃點燃料油池火災(zāi)功率的估算參數(shù)見表1[6]。

由公式(9)可知,油池火總熱釋放速率與燃料種類、油盤尺寸相關(guān),通過火焰冷卻作用熄滅上述典型低閃點燃料油池火災(zāi)的理論最小噴霧強度和噴霧質(zhì)量流量可根據(jù)公式(7)～(13)計算,計算結(jié)果見表2。

表2 熄滅幾種典型低閃點燃料油池火災(zāi)的理論最小噴霧強度

Liang等[14]研究了細水霧熄滅汽油、柴油、酒精等易燃液體池火的概率分布,當(dāng)油盤直徑為0.32 m時,認(rèn)為火焰冷卻是首要的滅火機理。在噴霧強度相同情況下,熄火時間從大到小排序為汽油、柴油、酒精。根據(jù)公式(7)～(12)可得,熄滅直徑為0.32 m的上述油盤火災(zāi)的理論最小噴霧強度分別為0.122～0.243、0.064～0.128、0.0409～0.0818 kg/(s·m2)。冷卻火焰滅火的理論最小噴霧強度值大小與相同噴霧強度條件下滅火時間長短變化趨勢相同。因此,上述公式預(yù)測的理論最小噴霧強度值具有一定合理性。需要指出的是,細水霧滅火時,往往不是單一滅火機理在發(fā)揮作用,在多種滅火機理耦合作用下,實際滅火所用噴霧強度可能小于上述理論值,實驗中當(dāng)噴霧強度為0.05～0.070 8 kg/(s·m2)時,依然可以熄滅汽油油盤火,但滅火時間為40 s左右,明顯大于熄滅柴油火(15 s)和酒精火(11 s)的時間。

Liu等[15]研究了噴霧角、噴霧流量、噴霧壓力對細水霧熄滅柴油池火的影響,噴頭距離油池表面1.8 m,油池直徑為0.2 m,當(dāng)噴霧壓力為10 MPa、噴霧質(zhì)量流量為2 L/min時,噴霧角分別為60°、90°、120°條件下的滅火時間分別為2.7、3.6、9.6 s,滅火時間隨噴霧角增大而增大,3種噴霧角下的噴霧強度分別為0.472、0.118、0.066 3 kg/(s·m2)。前2個噴霧角所對應(yīng)的噴霧強度大于表2中熄滅0.2 m柴油池火所需的噴霧強度,第3個噴霧角所對應(yīng)的噴霧強度在所需噴霧強度之內(nèi),3種噴霧角均能滿足滅火噴霧強度要求。但需要注意,細水霧必須進入火焰區(qū)才能發(fā)揮火焰冷卻作用。文獻中將噴頭工作壓力降到6 MPa時,120°噴霧角條件下不能滅火,噴霧壓力降低,進入火焰區(qū)的液滴減少,細水霧不能實現(xiàn)火焰冷卻滅火。

Shrigondekar等[16]研究了一種單流體噴頭熄滅柴油池火的性能,噴頭與油池相距2 m,噴霧強度為0.040～0.060 kg/(s·m2),細水霧熄滅0.1、0.2 m油盤火的時間分別為2.27、23.46 s。表2中熄滅0.1、0.2 m柴油油盤火的理論最小噴霧強度分別為0.023 7～0.047 4、0.043 9～0.087 8 kg/(s·m2),實驗中所用的噴霧強度滿足最小噴霧強度要求,能熄滅火焰。

對于尺寸為0.47 m×0.47 m的庚烷池火,Liu等[6]的熄火理論噴霧強度為0.106 kg/(s·m2)。該理論值的準(zhǔn)確性通過采用兩種噴霧強度的滅火器進行驗證(如圖2所示)。

圖2 2種滅火器噴霧強度對比

由圖2可知,滅火器2的噴霧強度分布不均勻,且油盤上方大部分區(qū)域的噴霧強度小于理論值,未能熄滅火焰。按本文預(yù)測公式以油池當(dāng)量直徑計算的理論最小噴霧強度為0.118～0.236 kg/(s·m2)。本文預(yù)測值下限與Liu等[6]的理論值相當(dāng)。由上述4組實驗數(shù)據(jù)對比可以看出,本文所提公式能夠較好估算最小噴霧強度。但實際應(yīng)用時,必須考慮液滴穿透性的影響,因為只有火焰區(qū)噴霧強度達到要求才能實現(xiàn)有效滅火。

3 結(jié)論

細水霧滅火時的噴霧強度一方面影響滅火效果,另一方面影響滅火后的水漬殘留。因此,合理確定噴霧強度有助于更加高效、清潔地熄滅火災(zāi)。細水霧滅火受多種機理共同作用,最小噴霧強度與燃料類型、火源面積、液滴穿透性和汽化性能相關(guān),而基于火焰冷卻機理實現(xiàn)滅火能最大程度減小水漬殘留,保證滅火有效性。以火焰冷卻為主導(dǎo)滅火機理推導(dǎo)出的預(yù)測公式能夠較準(zhǔn)確預(yù)測熄火所需最小噴霧強度。