刘 娟,何明礼*,王 成,方月梅,王 勇

(1.湖北理工学院 环境科学与工程学院,湖北 黄石 435003;2.湖北谋创环境技术咨询有限公司,湖北 武汉 430062)

随着氟氯烷灭火剂逐步退出市场,以水为灭火剂的替代技术受到了越来越多的关注。细水雾因具有良好的冷却、稀释、抑爆、洗消性能成为了最具潜力的一种灭火剂[1-2]。喷雾强度过小的细水雾灭火系统能够带走较少的热量,难以熄灭火焰;而喷雾强度过大则会增大耗水量,形成较多的水渍残留,甚至破坏被保护对象。因此,合理的喷雾强度可以使细水雾灭火更加清洁、高效。Arvidson等[4]指出,10 mm/min的水量能熄灭重型货运车辆火灾。Gupta等[5]开展了小尺寸非直接接触灭火实验,发现对于6.5 kW的火源,最佳喷雾流量是210 mL/min。Back等[6]认为,最佳细水雾的粒径应满足DV50≈100 μm,熄火浓度为150～200 g/m3。从研究结果可以看出,不同研究者对喷雾强度的表述方式并不相同,认为其大小受火灾场景的影响较大。

鉴于此,本文主要分析火焰区的热质交换规律,旨在建立一种快速计算局部应用细水雾灭火系统最小有效喷雾强度的方法,以期为相关理论和实验研究以及工程应用提供参考。

1 最小有效喷雾强度的理论计算

对于局部应用的细水雾灭火系统,有效喷雾强度是指直接参与灭火的细水雾喷雾强度。细水雾与火焰相互作用的示意图如图1所示。离开喷头的细水雾一部分悬浮在热烟气和火焰中,另一部分穿透烟气和火焰,到达燃料表面。高温气流中细水雾蒸发汽化过程所经历的时间很短[7-8],忽略这一过程后,烟气和火焰区的能量守恒方程可写为:

图1 细水雾与火焰相互作用的示意图

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

(1)

式(1)中,Imf为燃烧速率,kg/(m2·s);ΔHc为燃烧热,J/kg;cpf为燃料比热,J/(kg·K);Tf为火焰温度,K;Tfs为燃料表面温度,K;φ是空气与燃料的质量比;cpa为空气比热,J/(kg·K);Ta为空气温度,K;xu为未到达燃料表面的液滴比例;Iml为喷雾强度,kg/(m2·s);cpwl为水的比热,J/(kg·K);Tboil为水沸点,K;Tw为水初始温度,K;ηv1为未到达燃料表面液滴的汽化率;Lvw为水沸点条件下的汽化潜热,J/kg;cpwv为水蒸汽的比热,J/(kg·K);Tws为水到达燃料表面时的温度,K。

式(1)中,左边表示燃料燃烧的热释放速率,右边的第1项为燃料吸热速率,第2项为空气吸热速率,第3项为未到达燃料表面的水雾的显热吸热速率,第4项为液滴潜热吸热速率,第5项为水蒸气吸热速率,第6项为到达燃料表面的水雾的显热吸热速率。

对于池火灾,细水雾到达燃料表面后将冷却燃料,从而使燃料的汽化减弱。稳定燃烧阶段燃料表面的能量守恒关系为[6]:

Sf=(feΔHc-Lvf)Imf+QE-QL

(2)

式(2)中,Sf为燃料表面蓄热速率,W;fc为由火焰反馈到燃料表面的燃烧热占总燃烧热的比例;Lvf为燃料的汽化潜热,J/kg;QE为外界向燃料表面的传热功率,W;QL为燃料表面热损失功率,W。

对于局部应用细水雾系统,QE很小,可以忽略,QL包含向外界的辐射热损失与燃料和液滴的对流换热热损失。

(3)

式(3)中,Iml为燃料表面向燃料内部的散热功率,W;ηv2为到达燃料表面的液滴汽化率。

将式(3)代入式(2),则表面冷却熄火的能量平衡方程可写为:

(4)

高闪点燃料燃烧时的表面温度高达400～500 ℃,燃料表面的辐射热损失非常明显[9]。当液滴接触到燃料表面时,能量可以迅速传递给液滴,使液滴升温或汽化,并使燃料表面迅速冷却。由于燃料表面温度远低于火焰羽流温度,通过燃料表面冷却熄火的耗水量一般小于通过火焰冷却熄火的耗水量。然而,实际灭火中,细水雾难以全部穿过火焰,基于燃料表面冷却机理来计算喷雾强度可能导致喷雾强度不足。

低闪点液体燃烧时,表面温度略低于其沸点。也就是说,这类燃料燃烧时表面温度可能低于水沸点,如庚烷池火熄灭时的液面温度约为29 ℃[6],其辐射热损失和使液滴汽化的热损失几乎可以忽略不计,燃料表面的热损失可简化为:

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

(5)

上述工况下,燃料表面的热平衡关系可简化为:

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

(6)

从上式可以看出,如果燃料表面温度较低,可能导致Tfs

对于高、低闪点的液体火灾,液滴能否进入火焰区,甚至到达燃料表面关系到灭火成败。由于细水雾动量小,只有火焰温度下降到某一特定值时才能进入火焰。因此,火焰冷却对细水雾的穿透性有较大影响,是高、低闪点液体火灾熄灭的关键。协流细水雾系统熄灭这类火灾具有一定的优越性[10-11],能够显著减弱液滴运动过程中的动量衰减。

对于液体火灾,当燃烧产生的热量有30%～60%被带走时,就可能通过火焰冷却熄火[12]。假设到达燃料表面的水雾为0,由式(1)可得熄火的喷雾强度为:

(7)

对于面积为S的池火,总热释放速度为:

Q=ImfΔHcS

(8)

式(8)中的Q还可以根据以下公式计算:

(9)

用火焰高度1/2处的平均温度表示火焰温度,则火焰平均温度为[13]:

(10)

(11)

Qc=0.7Q

(12)

将公式(8)和(12)代入式(7),假设喷雾初始温度和环境温度为20 ℃,水沸点为100 ℃,则喷雾质量流量为:

(13)

2 理论计算公式验证

几种典型低闪点燃料油池火灾功率的估算参数见表1[6]。

由公式(9)可知,油池火总热释放速率与燃料种类、油盘尺寸相关,通过火焰冷却作用熄灭上述典型低闪点燃料油池火灾的理论最小喷雾强度和喷雾质量流量可根据公式(7)～(13)计算,计算结果见表2。

表2 熄灭几种典型低闪点燃料油池火灾的理论最小喷雾强度

Liang等[14]研究了细水雾熄灭汽油、柴油、酒精等易燃液体池火的概率分布,当油盘直径为0.32 m时,认为火焰冷却是首要的灭火机理。在喷雾强度相同情况下,熄火时间从大到小排序为汽油、柴油、酒精。根据公式(7)～(12)可得,熄灭直径为0.32 m的上述油盘火灾的理论最小喷雾强度分别为0.122～0.243、0.064～0.128、0.0409～0.0818 kg/(s·m2)。冷却火焰灭火的理论最小喷雾强度值大小与相同喷雾强度条件下灭火时间长短变化趋势相同。因此,上述公式预测的理论最小喷雾强度值具有一定合理性。需要指出的是,细水雾灭火时,往往不是单一灭火机理在发挥作用,在多种灭火机理耦合作用下,实际灭火所用喷雾强度可能小于上述理论值,实验中当喷雾强度为0.05～0.070 8 kg/(s·m2)时,依然可以熄灭汽油油盘火,但灭火时间为40 s左右,明显大于熄灭柴油火(15 s)和酒精火(11 s)的时间。

Liu等[15]研究了喷雾角、喷雾流量、喷雾压力对细水雾熄灭柴油池火的影响,喷头距离油池表面1.8 m,油池直径为0.2 m,当喷雾压力为10 MPa、喷雾质量流量为2 L/min时,喷雾角分别为60°、90°、120°条件下的灭火时间分别为2.7、3.6、9.6 s,灭火时间随喷雾角增大而增大,3种喷雾角下的喷雾强度分别为0.472、0.118、0.066 3 kg/(s·m2)。前2个喷雾角所对应的喷雾强度大于表2中熄灭0.2 m柴油池火所需的喷雾强度,第3个喷雾角所对应的喷雾强度在所需喷雾强度之内,3种喷雾角均能满足灭火喷雾强度要求。但需要注意,细水雾必须进入火焰区才能发挥火焰冷却作用。文献中将喷头工作压力降到6 MPa时,120°喷雾角条件下不能灭火,喷雾压力降低,进入火焰区的液滴减少,细水雾不能实现火焰冷却灭火。

Shrigondekar等[16]研究了一种单流体喷头熄灭柴油池火的性能,喷头与油池相距2 m,喷雾强度为0.040～0.060 kg/(s·m2),细水雾熄灭0.1、0.2 m油盘火的时间分别为2.27、23.46 s。表2中熄灭0.1、0.2 m柴油油盘火的理论最小喷雾强度分别为0.023 7～0.047 4、0.043 9～0.087 8 kg/(s·m2),实验中所用的喷雾强度满足最小喷雾强度要求,能熄灭火焰。

对于尺寸为0.47 m×0.47 m的庚烷池火,Liu等[6]的熄火理论喷雾强度为0.106 kg/(s·m2)。该理论值的准确性通过采用两种喷雾强度的灭火器进行验证(如图2所示)。

图2 2种灭火器喷雾强度对比

由图2可知,灭火器2的喷雾强度分布不均匀,且油盘上方大部分区域的喷雾强度小于理论值,未能熄灭火焰。按本文预测公式以油池当量直径计算的理论最小喷雾强度为0.118～0.236 kg/(s·m2)。本文预测值下限与Liu等[6]的理论值相当。由上述4组实验数据对比可以看出,本文所提公式能够较好估算最小喷雾强度。但实际应用时,必须考虑液滴穿透性的影响,因为只有火焰区喷雾强度达到要求才能实现有效灭火。

3 结论

细水雾灭火时的喷雾强度一方面影响灭火效果,另一方面影响灭火后的水渍残留。因此,合理确定喷雾强度有助于更加高效、清洁地熄灭火灾。细水雾灭火受多种机理共同作用,最小喷雾强度与燃料类型、火源面积、液滴穿透性和汽化性能相关,而基于火焰冷却机理实现灭火能最大程度减小水渍残留,保证灭火有效性。以火焰冷却为主导灭火机理推导出的预测公式能够较准确预测熄火所需最小喷雾强度。