水可以滅火的原理分析

橙色救援

1 ? 引言

縱觀歷史，消防員早已開始利用水來滅火。上個世紀，人們逐漸形成了通過水桶接力的形式來撲滅火災這一固有方式，很顯然這種滅火方式效率非常低。

隨后，荷蘭人發明了消防水泵和消防水帶，滅火形式有了質的飛躍。消防員通過消防水泵和水帶可以將水輸送到更遠的距離，并將其噴射到燃燒物上。

這樣的話，水就能和可燃物充分接觸，滅火效率也會有所提升。隨著時代的發展，空氣呼吸器（BA）問世。在空氣呼吸器的協助下，消防員可以進入著火建筑內實施滅火救援，使得水能完全作用于火源表面，這意味著滅火效率的又一次提高。

最新的滅火形式是：煙氣冷卻滅火，該方法由瑞典學者發明，旨在為消防員進入火場內攻滅火創造一個更為安全的環境。

迄今為止，滅火方式經歷了幾次比較大的變革。目前，標準的滅火方式是進入火場內攻來實施滅火。在火場環境允許的條件下，內攻滅火是最有效的滅火形式。然而，很多消防員未能熟練掌握內攻滅火的機理，本文將嘗試解釋內攻滅火所涉及到的相關原理。

2 ? ?水如何吸收熱量的

水吸收熱量的方式有三種。一般情況下，消防員實施滅火時所用水的最高溫度為20℃左右。眾所周知，當水被加熱時，其溫度會升高，而將1L水的溫度升高1℃需要4186J的能量。同樣地，當水溫從20℃加熱到100℃時，1L水將吸收335kJ能量。

隨后，水將以第二種方式吸收熱量。通常來說，100℃液態水將會很快轉變為100℃水蒸氣，相較于液態水從20℃升溫至100℃所需要的能量，該狀態變化需要的能量更多。每升水蒸發轉化為水蒸氣需要2.260kJ能量，這意味著水蒸發所需能量大約是將水從20℃加熱至100℃所需能量的7倍多。

水繼續以第三種方式吸收熱量。一旦水在100℃下形成了水蒸氣，它將吸收周圍煙氣的熱量。當煙氣溫度高于100℃時，熱量將從煙氣轉移到水蒸氣中，直至達到溫度平衡。

假設水蒸氣最終溫度為300℃，這意味著水蒸氣被加熱了200℃。1L水蒸氣其溫度提高1℃所需要的平均熱能為2.080J，而1L水蒸氣溫度提高200℃的過程將吸收416kJ能量。

總而言之，水會在3個不同階段吸收熱量：

（1）水從20℃升溫至100℃ ? ? ? ? ? ? ?335kJ/L

（2）100℃水轉化為100℃水蒸氣 ? ? 2.260kJ/L

（3）水蒸氣從100℃升溫至300℃ ? ?416kJ/L

1L水經過一系列過程轉化成300℃水蒸氣會吸收大約3MJ能量，可通過Lambert&Baaij[2]所寫的Brandberloop找到對該過程更為詳細的解釋。

現在最有趣的是，要對水從可燃物表面流走，沒有發生蒸發這一情況進行分析。這種情況下，水源利用的最高效率僅為11%。然而，在滅火救援中，通常會有大量水從可燃物表面流走，火場實際所需水量往往是理想狀態下的10倍。

上述分析可以看出，滅火過程中確實需要高效利用水源。為了達到高效的滅火效果，滅火時，水槍射出的水至少要在火場內蒸發以此來吸收更多熱量，當水得以完全蒸發時，滅火效率會上升至86%。

常言道：一次成功有效的滅火救援行動，不應該出現水從樓梯間或房門流出的現象。

3 ? ?表面冷卻（直接滅火）

3.1 什么是火災

上述問題的答案很簡單。火災是可燃物和氧氣之間不受控制的化學反應過程，這個過程中伴隨著光和熱的產生。仔細看這個定義會產生以下疑問：我們討論的是哪種可燃物？每名消防員都應該知道，著火并不是固體物質本身的燃燒。

經過充分加熱，易燃固體會分解釋放出易燃氣體。在此過程中，固體物質分子被分解成更小的顆粒，且該過程是可見的。這種現象可通過CFBT集裝箱進行細致的觀察，這些煙氣就是所說的熱解氣體，此過程就是熱解。熱解氣體的輸出量是由可燃物表面溫度決定的，熱解過程中，固體物質會受熱分解產生氣體，這些氣體就會成為火災發生所需的可燃物。

消防員的基本課程會簡要介紹與氣相燃燒相關的主題，參訓人員都知道，撲滅這類火災最好的方式是切斷氣體供應（關閉閥門）。該原理同樣適用于撲救室內火災，即切斷火場中可燃氣體的供應。消防員可通過向火點位置射水來降低可燃物表面溫度，從而達到切斷氣體供應的目的。

這一過程中，水分會很快蒸發并吸收可燃物表面能量，可燃物溫度也會因此下降。當其溫度降低到一定程度時，熱解過程會減弱，可燃氣體的供應便會中止。

這種滅火機制就是直接滅火，直接滅火的實現是基于充分冷卻固體可燃物表面來切斷可燃氣體供應的這一原理。為了實現對火勢的控制，可能會使用其他滅火形式。然而滅火的本質在于降低火點位置的溫度，若不能有效降低火場溫度，很有可能會出現復燃的情況。

3.2 關于表面冷卻的幾個問題

對于可燃物表面的冷卻來說，必須考慮幾個重要的問題。當消防員射水滅火時，目的是讓水盡可能接觸到燃燒物表面。離開水槍的水滴首先必須要穿過熱煙氣層，其中一部分液滴會在到達可燃物之前蒸發掉。

如果水滴粒徑過小，其會在接觸明火前完全蒸發。這種情況下，可燃物表面溫度不會降低，且熱解也不會停止。因此，在進行表面冷卻滅火時，液滴粒徑應足夠大以確保大部分液滴在燃料表面蒸發吸熱。

其次，將水全面覆蓋整個可燃物表面也是滅火救援工作中一項重要內容。在滅火過程中，整個熱解可燃物表面都需要冷卻，否則會出現部分可燃物表面火焰被撲滅而相鄰位置仍存在明火的現象。

因為，這種情況下，輻射熱將導致已冷卻的燃燒物表面再次升溫，熱解再次開始;隨后，熱解釋放的可燃氣體受高溫作用會被點燃，使得火災撲救回到原點。同樣地，該現象可通過CFBT集裝箱進行觀察。

最后，冷卻燃燒表面所用水量的合理性選擇對于火災撲救來說至關重要。在空氣呼吸器問世之前，傳統的滅火方式是采用過量水來撲救火災。這是因為消防員在沒有任何防護裝備的前提下，無法靠近火點位置進行射水滅火。

當前，由于火場內不穩定性因素，我們仍面臨這類無法實施內攻的火災，譬如工業火災。然而，類似于住宅火災，則可通過內攻得到有效抑制，再使用過量水進行撲救顯然不太可取。

當消防員將水噴射到可燃物表面，大量液滴與可燃物接觸會導致其表面溫度下降，熱解不久便會停止。這之后，所有液滴會撞擊可燃物表面的相同位置，造成水漬損失。

相比于火災本身造成的損失，滅火過程中因水的過量使用，造成更大損失的火災場景時有發生。一把可調流量水槍可以起到控制水量的作用。

4 ? 蒸汽的產生（間接滅火）

消防員利用蒸汽滅火時，水是以氣體抑制劑形式應用于整個滅火過程。這種滅火機制取決于蒸汽擠壓空氣的原理，稱為間接滅火。當室內存在蒸汽時，房間內氧氣濃度會下降。一旦房間內一半空間充滿蒸汽時，明火將會消失。

但這并不意味著火已經被撲滅，只是暫時受到抑制。隨著蒸汽逐漸從室內排出，新鮮空氣會進入到房間內，出現復燃現象。為了完全撲滅火災，需要中止可燃物的熱解過程。

為了實現產生最大量的蒸汽，水要盡可能接觸到燃燒物表面。理想情況下，可通過使用開花水槍，將水噴射到墻壁和吊頂處來達成這一目標。

由于液滴接觸到墻壁前，要穿過火焰層，因此，火勢全面發展階段，會造成大量液滴蒸發。消防員采用間接形式滅火，需要關閉通往相鄰房間的防火門，以此來保證著火空間內一定的蒸汽濃度。

間接滅火形式應用到封閉空間內是最有效的，這種滅火機制也可應用在內攻滅火實施起來比較困難的情形下。在不進入室內情況下，可通過使用穿孔水槍來產生室內蒸汽。

針對可能發生回燃的火災現場，外部間接滅火的形式會是一種不錯的方案。

消防員通過水槍采用這種滅火技術時，需要注意的是，要留有一個開口將多余蒸汽排到外部空間。如若不然，消防員進入房間的門將成為多余蒸汽的出口。當多余的蒸汽沿門向外擴散時，熱蒸汽會不可避免地經過火場內消防員所在位置，這意味著消防員存在被嚴重燒傷的風險。

當然，當室內第二個開口（例如窗戶）打開時，火場內危險等級會降低，而且開口最好是火源下游方向。這種情況下，可以開創一條從門開始的空氣流向，并引導火焰朝向窗戶發展。這條空氣流動軌跡將攜帶蒸汽從窗口流出，而不會影響到內攻消防員。

在具有一個或多個開口的著火房間內采用間接滅火時，新鮮氧氣通過開口進入房間后，可能會出現復燃的現象。燃燒物表面溫度升高，發生熱解并釋放可燃氣體。

為防止熱解產物復燃，間接滅火后，需要對可燃物進行表面冷卻，使燃燒物表面熱解值降至熱解閾值以下。這種情況下，由于缺少足夠熱解產物，新鮮氧氣的補充不會造成復燃的發生。

下面的一系列照片，顯示了火災試驗中火災發展情況。該火災場景著火點位于客廳，火勢蔓延迅速并達到全面發展階段。

隨后，采用直接和間接滅火相結合的方式（重點放在間接滅火上）對火勢進行壓制，然后水槍開關調至直流射水來滅火。

5 ? 氣體冷卻

第三種水源利用方式是在消防員內攻推進滅火時，構建一個安全區域。起初，火災產生的熱煙氣會在天花板下方積聚，煙氣的溫度和密度逐漸增加，會對消防員人身安全造成一定威脅。某個時間點，煙氣層被點燃（滾燃），煙氣產生輻射熱會急劇增加，轟燃隨之而來。

這時，可采用氣體冷卻方法來避免這種情況的發生，即在煙氣層中射入適量的水。一方面，水會蒸發并吸收煙氣層熱量;另一方面，水蒸發形成的蒸汽（部分）會保留在煙氣層內，改變煙氣的燃燒極限，使其難以被點燃。

上文指出，液滴粒徑足夠大才能滿足到達可燃物表面的要求。但是，當利用氣體冷卻技術滅火時，目的是避免液滴撞擊到墻壁和天花板。相反地，氣體冷卻技術應該讓水在煙氣層內完全蒸發吸熱。

Paul Grimwood提出液滴最佳尺寸為300微米「4」「5」，該尺寸下液滴比較厚重足以進入到煙氣層內部。如果液滴尺寸過小，那它們重量太小可能無法進入到煙氣層內部;如果液滴過厚，則一部分液滴會在熱煙氣中蒸發，剩余部分將穿過煙氣層到達熱壁并在熱壁上蒸發，就無法達到構建安全區域的目的。

參考文獻：

[1] ? Fire Behaviour and Fire Suppression Course for instructors， MSB， augustus 2012，Revinge， Zweden

[2] ? Lambert Karel， Baaij Siemco， Brandverloop： technisch bekeken， tactisch toegepast， 2011

[3] ? Sardqvist Stefan， Water and other extinguishing agents， 2002

[4] ? Grimwood Paul， Eurofirefighter， 2008

[5] ? Grimwood Paul， Hartin Ed， Mcdonough John & Raffel Shan， 3D Firefighting， Training， Techniques & Tactics， 2005

[6] ? CFBT instructor’s course for the T-cell， CFBT-BE， september 2012