高压单流体细水雾对木垛火灭火效果影响试验研究

徐 晖，陈爱平，梁 强，孙楠楠，李 玉

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

细水雾灭火技术是一种以水为介质的新型灭火技术，细水雾作为哈龙灭火剂的有效替代产品具有灭火效率高、环境污染小、水渍损失低、对保护对象破坏小的优点，具有广阔的应用前景，在当前的消防灭火工作中作用日益凸显[1-4]。根据细水雾产生压力的不同，可分为低压细水雾和高压细水雾。其中高压单流体细水雾依靠高压柱塞泵提高水压，使水以较高的速度从细水雾喷头喷射到大气当中，液流由于受到空气阻力而破碎成细水雾液滴，具有雾化效果好、性能稳定、易于操作、灭火效率高、安全可靠等优点[5]。目前，国内外细水雾灭火研究主要集中在低压细水雾灭火效果、细水雾灭油池火及细水雾添加剂等方面，而针对高压单流体细水雾灭火效果的研究较少[6]。本文通过搭建高压单流体细水雾系统火灾试验平台，研究高压单流体细水雾对木垛火的控灭火效果，并分析系统压力、火源功率对灭火和降温效果的影响，为高压单流体细水雾灭火系统的进一步开发和应用提供基础数据。

1 试验设计

1.1 试验平台

试验平台分为试验间和细水雾装置两部分。试验间由钢架结构搭建，尺寸为3.6 m×2.8 m×2.8 m(长×宽×高)，为便于观测，试验平台的正面使用两块面积为1.8 m×2.8 m的防爆玻璃作为墙体。细水雾装置由移动式细水雾泵组、高压软管、高压管路和细水雾喷头等组成，系统压力范围为0～12 MPa[7]。细水雾喷头在试验间内安装高度为2.7 m，细水雾喷头正下方布置一根热电偶树，用于测量火场温度，热电偶树上布置3个热电偶，由下至上分别命名为A1、A2、A3，其中A1、A2、A3距离试验平台地面分别为90 cm、180 cm、270 cm。试验平台示意图如图1所示。

1.2 试验材料

本试验的细水雾喷头采用五嘴喷头，喷头型号2.87-5P，其中单个喷嘴的流量系数为2.87，每个喷头含有5个喷嘴,试验用喷头如图2所示。试验燃料选用木垛，木垛由数根木条组成，木条尺寸600 mm×30 mm×25 mm(长×宽×高)，每层木条根数为7根(均匀排列)，木条层数选取6层、8层、10层三种规格。木垛实物如图3所示。

图2 试验用细水雾喷头

图3 试验用木垛

1.3 试验过程及监测指标

将木垛置于火灾试验间的中心位置(喷头正下方)，在木垛支架下放置尺寸为40 cm×40 cm×12 cm(长×宽×高)的油盘，油盘中放入4 L水、200 mL汽油，作用为引燃木垛；然后点燃木垛下方油盘，点火时记为0 s，点火60 s后打开高压细水雾系统；火焰熄灭后持续喷射细水雾60 s，之后停止试验。

试验过程中主要监测灭火时间、火场温度两个指标；另外，为分析高压单流体细水雾系统的降温冷却效果，本文定义了冷却速率指标，即：

(1)

式中，v为冷却速率，℃·s-1；Ta为热电偶某点的温度峰值，℃；Tb为热电偶某点火焰熄灭时的温度，℃；ta和tb分别为Ta和Tb对应的时刻，s。

1.4 试验工况

试验共进行8组，见表1。试验过程中试验间关门、关窗，维持封闭环境。第1组为空白试验，分析不开启细水雾系统时，火场的温度变化、火焰熄灭时间。第2～6组试验主要探讨系统压力对细水雾系统灭木垛火的影响，第4、7、8组试验主要探讨火源功率对细水雾系统灭木垛火的影响。

表1 试验工况

2 试验结果分析

2.1 高压单流体细水雾灭火效果分析

图4为细水雾灭木垛火的试验现象，其中图4(a)和图4(b)分别对应工况1和工况4。图4(a)为无细水雾作用时空白木垛火燃烧试验现象，图4(b)为细水雾作用时木垛火试验现象。空白试验点火30 s后木垛开始猛烈燃烧，火焰达到最大火焰高度，之后形成稳定燃烧，170 s后火焰开始减弱，同时试验间内烟气完全填充，540 s后火焰逐渐熄灭。而细水雾系统作用时，点火30 s时由于此时细水雾还未开启，试验现象与空白试验相同，即木垛燃烧火焰达到最大高度，60 s时细水雾开始工作，受到细水雾作用80 s时木垛火焰高度显著降低，此时火焰高度与空白试验170 s时火焰高度基本相同，96 s时火焰完全熄灭。

(a)木垛火空白试验现象

(b)木垛火细水雾试验现象图4 木垛火灭火试验现象

通过图4(a)和图4(b)比较可以看出，细水雾开启20 s后木垛火就得到很好的控制，细水雾开启36 s后火焰完全熄灭，且没有复燃现象发生，细水雾系统成功扑灭木垛火。可见，高压细水雾对木垛火的灭火效果显著，可以在短时间内压制火势，实现灭火。

另外，对工况1和工况4的温度变化情况进行分析，结果发现：空白试验中木垛点火后，100 s时温度能够达到峰值900 ℃左右，之后开始稳定燃烧，400 s后进入熄灭阶段，温度逐渐下降。而细水雾灭火试验中，点火后60 s温度达到800 ℃，之后随着细水雾的开启，细水雾在压力作用下接触到火焰，细水雾气化吸热，吸收火场中的热量，随着细水雾浓度的不断增加，火场温度迅速降低，80 s后温度降低到700 ℃左右，100 s后降到400 ℃左右，高压细水雾可以起到对木垛火快速降温的作用。

2.2 系统压力对灭火效果的影响

为探讨高压细水雾系统压力对木垛火灭火效果的影响，调节改变细水雾装置的压力范围2～10 MPa，分别对应工况2～工况6。

表2为不同系统压力下，细水雾系统灭木垛火的灭火时间。由表2可知，随着细水雾系统压力的增加，细水雾系统灭木垛火的时间逐渐缩短。系统压力为2 MPa时灭火时间为101 s；4 MPa时灭火时间为42 s；10 MPa时灭火时间为23 s。这是由于随着细水雾压力增加，细水雾的雾滴粒径会相应地减小，细水雾更容易气化吸热，同时细水雾的流量也会增加，单位体积内细水雾的数量增加，并且压力的增加也会增加细水雾的动量，增强细水雾的穿透力。从数据上分析，在2 MPa到4 MPa变化时，灭火时间减少最为显著，时间缩短了58.4%；而4 MPa之后随着压力的持续增加虽然灭火时间逐渐减少，但是减少幅度较为缓慢，时间缩短范围在20%左右。

表2 不同系统压力下的灭火时间

图5为不同系统压力下，细水雾系统灭火的温度变化曲线。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别选取A1、A2、A3高度处热电偶的温度数据。从图中可见，试验平台内的温度峰值从下至上依次降低；从降温效果看A1>A2>A3，随着高度的降低降温效果增强，即高度越低降温效果越好。

(a)A1处

(b)A2处

(c)A3处图5 不同系统压力下温度变化曲线

由图5(a)可见，在A1热电偶即距离地面90 cm处，细水雾对木垛火的平均冷却速率为12.02 ℃·s-1，冷却效果较好；且随着系统压力的增加冷却速率逐渐增大，压力为10 MPa时冷却速率能够达到15.2 ℃·s-1。这是因为A1热电偶处的细水雾直接作用于火焰，细水雾气化程度高，气化速度快，吸收热量较多，并且随着压力增大，细水雾的动量增加，雾滴粒径减小，压力的增加间接导致细水雾系统的冷却效果增强。在A2热电偶即距离地面180 cm处，细水雾对木垛火的平均冷却速率为9.44 ℃·s-1，冷却效果较A1处有所降低；且随着压力的增加，冷却速率先增大后减小，8 MPa时降温效率最高能达到13.7 ℃·s-1，之后10 MPa时冷却效率降低到9.1 ℃·s-1。这可能是由于系统压力继续增大到10 MPa后，细水雾的动量增大，大量高压的细水雾直接作用于火焰及木垛，而在A2测温点附近细水雾的气化量反而减少，导致在A2处细水雾的平均冷却速率有所降低。在A3热电偶即距离地面270 cm处，细水雾对木垛火的平均冷却速率为4.54 ℃·s-1，与A1和A2相比冷却速率值最小；且随着系统压力的增加，冷却速率先增大后降低，6 MPa时冷却速率最高为9 ℃·s-1，之后8 MPa和10 MPa均为3.8 ℃·s-1。这表明，在靠近顶棚处，细水雾喷头与A3点处于同一水平位置，此处接收到的细水雾液滴数量较少，降温效果差。

2.3 火源功率对灭火效果的影响

通过改变木垛的层数分析木垛火源功率对灭火效果的影响，试验工况对应第4、7、8组，压力设为6 MPa。

表3为不同木垛层数下细水雾系统的灭火时间。从表中可见，随着木垛层数的减小，火源功率逐渐降低，木垛火的灭火时间也逐渐减少，但是与系统压力变化影响相比，火源功率的变化对灭火时间的影响较小。

表3 不同火源功率下木垛火灭火时间

图6为不同木垛层数下，A1、A2、A3处细水雾系统灭火的温度变化曲线。细水雾对木垛火的平均冷却速率在A1、A2和A3处分别为11.27 ℃·s-1、8.7 ℃·s-1、4.3 ℃·s-1，可见细水雾对木垛火的降温效果在下部优于上部。

在A1和A2热电偶位置处，温度变化的规律基本相同，即随着木垛层数的增加，细水雾的冷却速率逐渐减小，降温效果降低，尤其是木垛规格从7×8层增加到7×10层时，降温速率显著降低。这是由于在一定系统压力下，随着木垛层数的增加，火源功率不断增大，相同动量和数量的细水雾液滴对于木垛火的冷却效果会降低，降温效果也逐渐降低。在A3热电偶位置处，随着木垛层数的增加，冷却速率较低，且基本维持不变，数值在4.3 ℃·s-1左右。

(a)A1处

(b)A2处

(c)A3处图6 不同木垛层数下温度变化曲线

这是由该测点的特殊位置决定的，该测点位于与喷头平行的位置，此处细水雾液滴的覆盖量不多，因此降温效果不好。

3 结论

本文主要研究了高压单流体细水雾系统灭木垛火的灭火效果，以及细水雾系统压力、火源功率对灭火时间和降温效果的影响，得到以下结论：

3.1 高压单流体细水雾系统灭木垛火效果明显，可以在短时间内压制火势，实现成功灭火，同时对火场环境的降温效果明显，能够起到快速降温灭火的作用。

3.2 随着细水雾灭火系统压力的增加，木垛火的灭火时间逐渐缩短，且在2 MPa到4 MPa变化时，灭火时间减少最为显著。随着木垛层数的减小，火源功率逐渐降低，木垛火的灭火时间也逐渐减少，但是与系统压力变化影响相比，火源功率的减少对灭火时间的影响较小。

3.3 高压单流体细水雾系统对木垛火的降温效果较好，下部的降温效果要优于上部空间。随着系统压力的增加和火源功率的降低，细水雾系统对下部空间的降温效果逐渐增强；但是对上部空间顶棚处的降温效果不显著。