细水雾灭火影响因素研究进展

综 述　细水雾灭火影响因素研究进展刘秀云1,吴　超1,陈玉琼2(1.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083;2.中南大学化学化工学院,湖南长沙410083) 摘　要:总结了细水雾灭火特性的影响因素研究进展,着重阐述了不同压力下雾滴粒径分布、不同添加剂对细水雾灭火性能的影响、通风条件对细水雾灭火效果的影响、障碍物是否存在及其位置对细水雾灭火的影响以及喷雾动量的内容、意义及其确定方法等,进一步提出了未来在对细水雾灭火特性影响因素的研究中应关注的问题。

关键词:细水雾;灭火;水雾特性;影响因素中图分类号:X924.4,T U89 文献标志码:A文章编号:1009-0029(2010)04-0269-0420世纪40年代,细水雾灭火技术首先应用于轮船灭火,90年代,一些发达国家相继研究和开发了细水雾灭火系统,对水的利用方式进入一个全新的时期。

细水雾灭火技术具有耗水量低、对被保护物体的破坏小、造成的火灾损失小等优点,最主要的是它具有哈龙灭火剂不具有的绿色环保,其臭氧损失值和温室效应值都为零。

这些特点使细水雾灭火技术迅速发展,并受到越来越多的关注。

国外对细水雾灭火技术的应用已经比较成熟,澳大利亚在矿井坑道和卧室等方面应用较多,美国在柴油发电机组以及图书馆等场所应用较多,英国和印度在计算机和有易燃液体的场所应用较多。

我国目前对细水雾发生设备开发的研究较少,细水雾灭火技术与现实应用还存在差距。

但作为比较先进的水系灭火技术,可以预见细水雾灭火系统在我国的应用将越来越广泛。

笔者总结了细水雾灭火特性影响因素的国内外研究进展,以作为相关研究的参考。

1　细水雾灭火影响因素表1为细水雾灭火效果的主要影响因素。

表1　细水雾灭火的主要影响因素影响因素影响因素包括的几个方面喷雾特性雾滴粒径分布、喷雾流量、喷射压力、喷雾锥角等添加剂添加物质的物理性质和化学性质环境情况着火空间的通风条件、障碍物及其空间位置喷嘴位置喷嘴间距、安装高度及单位面积的安装数量其他因素燃料源、火源尺度、着火空间的体积和高度细水雾灭火系统的种类每一种细水雾灭火系统针对的火灾类型不同 笔者分别从雾滴粒径、添加剂、环境通风及障碍物等方面论述其对细水雾灭火效果的影响。

1.1　雾滴粒径分布粒径分布是指细水雾中具有代表性的水滴尺寸范围,细水雾灭火技术的关键不是水本身,而是将水变成细水雾的设备和细水雾粒径分布的重要参数,所有雾滴尺寸都相同的单分散水雾几乎没有,绝大多数是雾滴粒径分布很广的多分散水雾,它不是一个恒定值,随喷嘴的位置和时间不同而变化。

所以,单独研究“水滴尺寸的优化”意义不是很大,而研究“水滴尺寸分布的优化”对于改善细水雾灭火效果具有重要的意义。

杨震铭等人实验测量了水雾喷头及喷头的雾滴粒径,获得了不同压力下雾滴粒径的分布情况。

表2为笔者对不同压力下雾滴粒径分布的统计。

表2　不同压力下雾滴粒径分布喷头类型喷头压力P/M Pa雾滴粒径分布D v0.99/μm 高压细水雾喷头P≥3.50通常为100～200中压细水雾喷头1.20≤P<3.50通常为200～300低压细水雾喷头P<1.20通常为300～600 此外,杨震铭等人还建议雾滴粒径分布采用D v0.9而不是传统的D v0.99的特征参数进行表征和测量;细水雾喷头不应完全采用NFPA中规定的喷雾累积体积分布D v0.99小于1000μm的规定,建议取小于400μm。

1.2　添加剂普通细水雾的灭火原理主要有:冷却吸热、稀释氧浓度、衰减热辐射。

添加剂的使用可提高细水雾的灭火效果,含添加剂细水雾的灭火原理主要是,添加剂能破坏燃烧反应链或形成不溶于燃料的抗溶性物质覆盖在燃料表面,隔绝空气与燃料接触,从而达到灭火的目的。

其中,开发清洁、高效的添加剂成为当今国际火灾科学前沿的研究热点之一。

国外大多数研究者主要以温度变化、熄灭时间和燃烧气体浓度变化作为评价参数,而国内相关研究较少。

苏琳等人用含不同添加剂的三种细水雾与纯水细水雾进行了小尺寸模拟对比实验,研究了不同添加剂对细水雾灭火有效性的影响。

况凯骞等人用含有FeCl2添加剂的细水雾与纯水细水雾进行小尺度实验,研究了FeCl2对细水雾灭火有效性的影响。

目前关于在细水雾中添加化学物质的研究基本都停留在添加单一物质的层面上,对复合添加剂的研究比较基金项目:国家自然科学基金项目(50974132)少。

丛北华等人进行了复合添加剂增强细水雾灭火性能的研究,复合添加剂主要成分为二甲基甲酰胺、烷基酚聚氧乙烯醚、乳酸钠、尿素等。

结果表明,随着添加剂含量的不断增加,油池火的灭火时间呈现出先快速下降,而后略微增长的趋势;木垛火的灭火时间则表现为平缓下降,并趋于稳定,灭火时间最大也可缩短5倍。

笔者对国内外关于添加剂的相关研究进行了统计,结果见表3所示。

表3　细水雾添加剂的研究研究机构添加剂主要研究结果中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室NaCl、FeC l2细水雾灭火时间与加入NaCl的质量分数有关,最佳质量分数为0.83%美国国家技术标准局碱金属化合物相同条件下的灭火效率:KOH>NaCl>NaOH美国机械工程协会乳酸钠、NaBr 添加剂使水的冰点降低、粘滞性提高,雾滴平均蒸发速率下降 根据表3,笔者认为细水雾添加剂在选择时需遵守以下三个原则:(1)添加剂不构成对环境的污染和对人体健康的危害,最好能达到对大气臭氧层耗减潜能值ODP=0、温室效应潜能值G M P=0;(2)不破坏和影响设备机器的使用寿命;(3)添加剂的使用不会削减细水雾的灭火能力,而是更有效地增强其灭火能力。

1.3　通风条件由于细水雾雾滴的质量比较轻,在通风良好的空间,气流的运动影响细水雾分布,雾滴损失量比较大,使得细水雾的雾滴不能到达着火物体表面,进而影响细水雾的灭火效果。

对此,一些学者对门关闭/开启、自然通风和机械通风三种条件下细水雾的灭火性能进行了研究,研究情况见表4所示。

表4　通风条件对细水雾灭火效果影响研究研究者研究内容研究结果Liu等通过测定室温、CO2和O2浓度,研究门关闭、自然通风和机械通风三种条件下细水雾的性能通风情况是影响细水雾灭火效果的一个重要因素。

在较大的喷雾动力下,通风条件的影响减弱,同样能够取得较好的灭火效果Zh u等研究机械通风下细水雾的性能,在不同的机械通风条件下,分析了水的喷放模式和火灾熄灭时间机械通风影响细水雾的性能,在细水雾动作之前,通风系统应先行关闭,当实际需要时,应进行全尺寸的火灾实验王海燕等研究了防护空间的自然通风和机械通风对细水雾灭火效果的影响防护空间的自然通风和主动通风对细水雾灭火效果有一定的影响,但细水雾灭火系统可以承受一定程度的自然通风 由表4可知,通风情况对细水雾灭火效果有一定的影响,但是在现场灭火的情况下,风流的情况很不稳定,所以得到风流与细水雾工况的具体函数很难。

目前,对通风情况与细水雾灭火效果关系的研究大部分还停留在定性阶段,定量研究不多。

1.4　障碍物对于不同类型火源,在一定水雾特性条件下,细水雾不但不能抑制火势的发展,反而会使火焰加速膨胀,尤其对于有障碍物阻隔条件下的油池火,细水雾的灭火效果会受到很大程度的影响。

障碍物挡板的存在阻碍了直接作用于火源上方的水雾量,使得细水雾灭火性能受到很大程度的限制。

关于障碍物对细水雾灭火效果的影响,一些学者开展了相应的研究。

表5是笔者对国内外部分学者研究情况的统计。

表5　障碍物存在情况下细水雾的灭火效果研究者研究内容研究结果M aw hinn-ey实验研究了有障碍物存在时双流体细水雾喷头与液体油池火的相互作用细水雾从上方直接喷射于火焰面上,其灭火效果更明显;细水雾与火焰之间的障碍物会降低细水雾的灭火效果M arttila研究了2个细水雾喷头正下方有水平障碍物阻隔的细水雾对油池火的灭火效果当水雾不能直接作用于障碍火时,细水雾灭火主要依靠大量水雾颗粒蒸发使得火焰隔氧窒息崔正心通过模型实验研究水平喷射的细水雾对障碍物后部稳定火焰的影响障碍物的阻隔使得细水雾冷却降温作用减弱,降低了细水雾灭火效果房玉东细水雾抑制熄灭障碍物油池火的有效性存在障碍物时,灭火时间会延长,障碍物距离火焰越近,火焰的隐蔽性和稳定性越强,对灭火效率的影响越大 存在障碍物的火灾场景下,细水雾灭火技术应用存在不足,细水雾的灭火效果随着障碍物位置的变化而变化。

笔者对障碍物位置不同时的细水雾灭火情况进行了总结,见表6所示。

表6　障碍物位置对细水雾灭火的影响研究障碍物位置细水雾灭火情况对火焰无遮挡火源未充分发展时开启水雾可以有效抑制火源发展局部遮挡火焰较多细水雾进入火焰区域,增大细水雾工作压力、提高雾通量可以缩短灭火时间完全遮挡火焰普通细水雾很难快速有效熄灭火焰,增加细水雾压力和灭火时间可以熄灭火焰 无障碍物存在时细水雾的灭火效果最好;障碍物位置不同,细水雾的灭火效果也不一样。

障碍物挡板油池火的灭火效果与直接作用于油池火的水雾卷吸量及水雾特性有关,水雾喷头与水平障碍物挡板间的相对高度和水雾作用方向对细水雾灭火效果影响较大。

因此,研究确定障碍物与灭火时间的关系有助于扩大细水雾灭火系统的使用范围。

总结众多文献发现,关于障碍物对细水雾灭火效果影响的研究比较少。

在细水雾的发展成为一种时代趋势的情况下,研究细水雾在障碍物条件下的灭火效果,以及不同障碍物位置采用的细水雾技术标准对我国消防事业的发展有重要意义。

1.5　其他因素火灾熄灭成功与否往往也归于另外一个因素:喷雾动量的变化。

喷雾动量包括三方面:喷雾速度、相对火羽流的方向、传递到火焰或到达燃料表面的水滴质量。

更好地控制这些要素,就能得到更好的细水雾性能。

细水雾液滴的动量大小决定了其运动距离以及对火焰的穿透能力,特别是在运动途中有障碍物时,该参数对细水雾灭火性能影响较大。

在实际设计中,可以根据估算的保护对象着火后达到报警温度时的释热速率和火焰温度,利用细水雾一维瞬间模型计算火灾熄灭的临界雾通量,进而确定保护空间布置喷头的型号及数量,同时也可以对已安装的细水雾灭火系统进行有效性评价。

2　小　结由于细水雾灭火系统的灭火效率主要依赖于其特性参数(粒径分布、喷雾动量、添加剂等)和周围环境条件(通风条件、环境中的障碍物),所以,近几年学者对灭火影响因素的研究也更加深入。

由于某些影响因素的可变性比较强,灭火效率与影响因素之间的复杂关系未能确定,笔者认为应适当增强这方面的研究。

并在今后细水雾系统的研究中,应关注以下两个方面。

(1)细水雾与各类火灾相互作用时雾场特性参数变化规律的研究;(2)外在因素如障碍物、添加剂、通风条件等对细水雾灭火性能的影响。

此外,目前的细水雾产品还达不到实现细水雾雾滴带有一定冲量地均匀分布于整个被保护空间,所以,研究能满足各种要求的喷头也显得尤为重要。