氮氣-高壓細(xì)水霧抑制汽油火的特性研究

陳 勇

(連云港市消防支隊，江蘇 連云港 222000)

●消防理論研究

氮氣-高壓細(xì)水霧抑制汽油火的特性研究

陳 勇

(連云港市消防支隊，江蘇 連云港 222000)

通過搭建ISO 9705標(biāo)準(zhǔn)滅火間，研究氮氣-高壓細(xì)水霧抑制汽油火的過程，分析受限空間內(nèi)滅火前后的煙氣溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及一氧化碳濃度變化規(guī)律。采用FDS模擬氮氣-高壓細(xì)水霧滅火過程溫度變化并與實驗結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，氮氣-高壓細(xì)水霧的滅火效果優(yōu)于普通高壓細(xì)水霧，同時，氧氣、一氧化碳濃度下降速率明顯低于汽油自由燃燒狀態(tài)與單獨施加高壓細(xì)水霧狀態(tài)。FDS模擬結(jié)果得出氮氣-高壓細(xì)水霧對汽油火有較好的抑制作用，煙氣溫度變化規(guī)律與實驗結(jié)果基本相符。

氮氣-高壓細(xì)水霧；汽油火；滅火效果；FDS

0 引言

高壓細(xì)水霧是指在工作壓力大于8 MPa時，水在距噴嘴1 m處的平面上經(jīng)充分霧化所形成的水霧，其霧滴累積分布DV0.99<200μm[1]。由于這種特殊狀態(tài)的霧滴能穿透熱氣流及火焰達到燃燒核心區(qū)，在充分吸收燃燒所產(chǎn)生熱能的前提下，能夠快速而有效地將火焰熄滅[2]。氮氣-高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)則是對高壓細(xì)水霧的優(yōu)化方案，該方案通過在高壓細(xì)水霧中通入氮氣來提高細(xì)水霧的滅火范圍，同時增大了霧滴的比表面積，大大提升了滅火效果[3]。由于這項技術(shù)起源于歐洲，我國尚處于起步探索階段，因此，本文通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了氮氣-高壓細(xì)水霧抑制汽油火的特性，希望能夠?qū)M一步優(yōu)化高壓細(xì)水霧技術(shù)提供依據(jù)。

1 實驗裝置介紹

為了最大限度地降低外界環(huán)境對滅火過程的影響，本次滅火實驗將在3.6m×2.4m×2.4m的受限空間內(nèi)進行。實驗系統(tǒng)如圖1所示，裝有汽油的油盤放置于滅火間正中部，油盤直徑為20cm。在油盤正上方0.5m、0.3m、0.1m處各布置一根熱電偶，分別記作TC1、TC2、TC3。三根熱電偶通過數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)并連接至電腦進行數(shù)據(jù)分析。距地面高度1m處布置有煙氣分析儀探頭，探頭將實時采集到的氧氣及一氧化碳濃度傳輸至煙氣分析儀上。噴頭布置于油盤正上方，距地面高度為1.8m。高壓細(xì)水霧與氮氣經(jīng)三通連接至噴頭進行滅火，管路上裝有防回流裝置。為了更好地采集煙氣數(shù)據(jù)，受限空間內(nèi)采用底部送風(fēng)的方式補充新鮮空氣，同時在受限空間的上方設(shè)有通風(fēng)口進行排風(fēng)。

為了分析高壓細(xì)水霧對汽油火的抑制作用，探究氮氣-高壓細(xì)水霧與普通高壓細(xì)水霧的區(qū)別，設(shè)計了三種工況進行實驗，見表1。

圖1 實驗裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 實驗工況

進行工況一實驗時，將油盤擺放至滅火間中部，油盤底部加入少量水，倒入200mL汽油，引燃汽油火的同時打開煙氣分析儀并實時監(jiān)測受限空間內(nèi)煙氣溫度。待汽油火自由燃燒約160s后將其熄滅并保存實驗數(shù)據(jù)。進行工況二及工況三實驗時，調(diào)整高壓細(xì)水霧發(fā)生裝置及氮氣瓶為預(yù)定壓力及流量，調(diào)節(jié)噴頭與地面距離為預(yù)定值。引燃汽油火的同時打開煙氣分析儀并實時監(jiān)測受限空間內(nèi)煙氣溫度。待汽油火預(yù)燃65s左右達到穩(wěn)定狀態(tài)時，根據(jù)工況要求施加高壓細(xì)水霧至火焰完全熄滅后停止，保存實驗數(shù)據(jù)。每一工況實驗結(jié)束后將油盤內(nèi)剩余水及汽油倒掉，并按工況一要求重新裝入，隨后對受限空間通風(fēng)，待煙氣排盡后再進行下一工況實驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 溫度變化情況

圖2為工況一的溫度變化曲線圖，從圖中可以看出，汽油火自由燃燒初期為火焰充分發(fā)展階段，火焰溫度也會迅速攀升至700 ℃；在50s后進入穩(wěn)定燃燒階段，此階段溫度呈緩慢上升趨勢。圖3為工況二的溫度變化曲線圖，由圖可知當(dāng)對汽油火施加高壓細(xì)水霧后，火焰溫度會持續(xù)升高數(shù)秒，隨后會迅速降低直至火焰熄滅，滅火過程持續(xù)40s左右。對比自由燃燒過程的溫度變化可看出細(xì)水霧對火焰的抑制過程包含兩個階段，分別是火焰初步抑制階段和燃料表面冷卻及濕潤階段[4]。在火焰初步抑制階段霧滴抑制了火場熱輻射，使得火焰溫度不會繼續(xù)高速攀升。而在燃料表面冷卻及濕潤階段，由于霧滴蒸發(fā)成水蒸氣吸收了大量的熱量，導(dǎo)致火焰溫度持續(xù)下降且速率較快，當(dāng)其降低至一定程度時，由于不能持續(xù)提供更多的熱量來維持燃燒，就會使汽油跟氧氣的化學(xué)反應(yīng)中斷，最終使得火焰熄滅[5]。

圖2 工況一溫度變化曲線圖

圖3 工況二溫度變化曲線圖

圖4是工況三的溫度變化曲線圖，圖中明顯可以看出氮氣-高壓細(xì)水霧能在更短的時間內(nèi)將汽油火熄滅，這是由于氮氣的加入使同比條件下單位時間內(nèi)霧化的水量加大，同時增加了高壓細(xì)水霧滅火的穩(wěn)定性和強度，可以更快地破壞火焰結(jié)構(gòu)。由于氮氣惰化了火場區(qū)域內(nèi)的空氣，使氧氣濃度快速降低，又?jǐn)U展了細(xì)水霧的滅火區(qū)域范圍，從而抑制霧滴之間的碰撞聚合，減少霧滴沉降，最終實現(xiàn)了迅速窒息滅火[6]。滅火過程持續(xù)20s左右，遠遠低于普通高壓細(xì)水霧。

圖4 工況三溫度變化曲線圖

2.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)變化情況

圖5為三種工況下氧氣體積分?jǐn)?shù)變化圖。由圖可知，汽油火在自由燃燒的過程中，受限空間內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)從最初的21%，經(jīng)過140s左右下降至17%，這是由于燃燒過程不斷消耗氧氣所致。伴隨著汽油不斷地燃燒、消耗，曲線在140s之后趨于平穩(wěn)。對于工況二，在開啟高壓細(xì)水霧初期，由于高壓細(xì)水霧吸收火場熱量后迅速氣化為水蒸氣，體積急速擴張，使得密閉空間內(nèi)氧氣濃度被稀釋，因此，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降速率高于汽油火自由燃燒狀態(tài)。而在高壓細(xì)水霧施放后期，由于火焰逐漸被水霧抑制，在底部進風(fēng)的作用下，氧氣進入量大于消耗量，這時氧氣濃度會呈緩慢上升趨勢。對于工況三，在氮氣-高壓細(xì)水霧施放初期，由于氮氣的通入，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降速率略高于普通高壓細(xì)水霧，因此能夠更好地抑制汽油火的燃燒，而在施放約20s后，隨著火焰的熄滅，氧氣體積分?jǐn)?shù)呈緩慢上升趨勢。

圖5 氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線

2.3 一氧化碳濃度變化情況

一氧化碳的濃度變化可以反映出燃燒的充分與否，因此是燃燒特性的一個重要參考標(biāo)準(zhǔn)，圖6顯示了三種不同工況下的一氧化碳濃度變化趨勢。從圖中可以看出，在汽油火自由燃燒狀態(tài)下，一氧化碳濃度在燃燒20s后呈迅速上升趨勢，從0ppm增至600ppm；而在100s后隨著汽油不斷消耗，一氧化碳濃度也逐漸趨于平穩(wěn)。對于工況二，在汽油火自由燃燒約64s后，施加高壓細(xì)水霧，由于高壓細(xì)水霧粒徑較小，能夠迅速霧化，快速產(chǎn)生的水蒸氣對火焰周圍氣體產(chǎn)生很好的稀釋作用。同時，燃料表面形成的可燃蒸氣層也會被水蒸氣稀釋。隨著燃燒逐漸被抑制[7-8]，一氧化碳濃度呈迅速下降趨勢。工況三通過在高壓細(xì)水霧中注入氮氣，大大稀釋了空氣中氧氣濃度，從而抑制了汽油火的燃燒，從圖中也可以明顯看出，該工況開啟水霧后一氧化碳濃度下降速率略高于普通高壓細(xì)水霧。

圖6 一氧化碳濃度變化曲線

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

FDS幾何模型根據(jù)ISO9705標(biāo)準(zhǔn)間尺寸構(gòu)建，模擬采用薄火焰面模型中基于氧指數(shù)的Hugget傳播機理[9]模擬火焰?zhèn)鞑ミ^程。輻射模型中灰塵顆粒的輻射吸收因子k由RadCal的窄波段模型計算得出，火源熱釋放功率設(shè)置為190kW[10]。另外，模型中采用底部進風(fēng)，頂部出風(fēng)的通風(fēng)設(shè)計，從而最大限度地降低風(fēng)速對實驗結(jié)果的影響。圖7～圖12為工況三滅火過程不同時刻的等溫線圖。

如圖7所示，汽油火預(yù)燃初期，火焰溫度極速上升，在自由燃燒20s時，火焰中心溫度可達600 ℃。隨著時間的推移，密閉空間內(nèi)上方溫度開始逐漸攀升，由圖9可知，當(dāng)汽油火預(yù)燃60s左右時，整個密閉空間上部溫度已達100 ℃。此時開啟氮氣-高壓細(xì)水霧開始滅火。由圖10可以看出，施加細(xì)水霧初期，火焰區(qū)逐漸被水霧沖散，隨著氮氣-高壓細(xì)水霧的持續(xù)作用，火焰逐步被壓制，滅火間溫度迅速降低[11]。這是由于水霧遇到高溫火焰后氣化吸熱，火源周圍會形成大量的水蒸氣層，對周圍的空氣起到隔絕作用。同時，由于高壓細(xì)水霧里通入了氮氣，稀釋了可燃區(qū)空氣濃度，進一步擴大了滅火范圍，從而快速冷卻周圍的環(huán)境，最終逐步將火焰熄滅。從以上等溫線圖可以看出，整個燃燒過程與實驗結(jié)果相匹配。

圖13是工況三條件下，TC1溫度變化曲線實驗值與模擬值的對比圖。由圖可知，汽油火自由燃燒階段，實驗值與模擬值變化規(guī)律基本一致。而在開啟氮氣-高壓細(xì)水霧之后，由于實驗過程中為了采集煙氣濃度采取了適當(dāng)?shù)耐L(fēng)措施，導(dǎo)致模擬結(jié)果溫度略高于實驗結(jié)果，但整體變化規(guī)律基本一致。

圖7 自由燃燒20 s等溫線圖

圖8 自由燃燒40 s等溫線圖

圖9 自由燃燒60 s等溫線圖

圖10 噴霧開啟5 s等溫線圖

圖11 噴霧開啟10 s等溫線圖

圖12 噴霧開啟15 s等溫線圖

圖13 工況三TC1溫度變化實驗值

4 結(jié)論

4.1 對比三種工況下溫度變化規(guī)律可以看出，高壓細(xì)水霧可在40s左右將汽油火熄滅，而氮氣-高壓細(xì)水霧可在20s左右將火焰熄滅，說明氮氣-高壓細(xì)水霧滅火效果優(yōu)于普通高壓細(xì)水霧。

4.2 對比三種工況下受限空間內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化可以看出，施加高壓細(xì)水霧可快速降低受限空間內(nèi)氧氣濃度，從而抑制汽油火的燃燒。而施加氮氣-高壓細(xì)水霧時，受限空間內(nèi)氧氣濃度下降速率略高于普通高壓細(xì)水霧。

4.3 對比三種工況下受限空間內(nèi)一氧化碳濃度變化規(guī)律表明，高壓細(xì)水霧可有效地抑制汽油火燃燒，一氧化碳濃度呈明顯下降趨勢。而施加氮氣-高壓細(xì)水霧后，一氧化碳濃度下降速率高于普通高壓細(xì)水霧。

4.4FDS模擬結(jié)果表明，氮氣-高壓細(xì)水霧可以有效地抑制汽油火的燃燒，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。

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(責(zé)任編輯 馬 龍)

Study on the Characteristics of Using High-pressure Nitrogen Gas Water Mist to Suppress Gasoline Fires

CHEN Yong

(LianyungangMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince222000,China)

A series of analyses were carried out in an ISO 9705 fire room to study the suppression process of gasoline fires with high-pressure nitrogen gas water mist. The analysis included the variations of the flue gas temperature, oxygen volume fraction and carbon monoxide concentration before and after the fire was extinguished in a confined space. And a comparison of the temperature variations was made between the experiment results and the data got from the suppression process with high-pressure nitrogen gas water mist in fire dynamics simulator (FDS). The research results show that high-pressure nitrogen gas water mist has better fire extinguishing efficiency than normal high-pressure water mist, that the levels of oxygen and carbon monoxide concentration drops much slower than those of the natural combustion of gasoline when only high pressure water mist is used. The FDS simulation results show that high-pressure nitrogen gas water mist has fairly good inhibitory effect for gasoline fires, and that the varying pattern of the flue gas temperature is in agreement with the experimental results.

high-pressure nitrogen gas water mist; gasoline fire; extinguishing effect; FDS

2016-09-22

陳勇(1977— )，男，江蘇連云港人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)02-0005-05