细水雾灭火技术在舰艇封舱灭火过程中的应用

细水雾灭火技术在舰艇封舱灭火过程中的应用

这艘船不同于水面上的船舶。如果发生火灾，它们将面临崩溃的灾难。在狭窄的舱室内,火灾一般是很难扑灭的。所以对于比较严重的火灾,舰员通常直接采用“封舱灭火”的措施来扑灭火灾。“封舱灭火”是指停止一切非关键设备或者系统,利用船舶密闭性的结构特点,关闭全部通风口并释放灭火剂(目前主要是泡沫灭火剂或者1301),抑制扑灭火灾。由于普通灭火剂在灭火后会剩余大量残留物(气态和固态),甚至会分解产生大量有害气体而破坏环境,在潜艇上使用具有很大局限性,尤其1301已经禁止生产。而细水雾具有灭火高效、无污染的特点,甚至可以用来扑灭油火、电火。更为重要的是,火灾扑灭后,遗留下来的只有液态水,不会对艇员安全形成二次危害,而且该液态水可以通过舱底的排水系统处理掉,这是其他灭火剂所无法比拟的。所以细水雾灭火技术在潜艇上具有很大发展前景。近年来,人们对细水雾灭火机理和船舶机舱内使用设计细水雾等方面进行了比较系统的研究,并取得了丰硕的成果。许多成果已经应用到实践中,但各国潜艇使用细水雾进行灭火的非常少,因为许多关键技术仍没有得到彻底解决,严重影响其推广和普及,例如电气设备的防水问题等。本文将从理论上对潜艇封舱灭火过程中使用细水雾灭火技术的可行性进行论证研究,为其将来取代1301灭火系统提供依据。1雾水处理1.1细水雾灭火系统在细水雾灭火系统设计及标准NFPA750中,对细水雾做了如下定义:在喷头最小设计压力下,以距喷头1m处的平面上,测得水雾最粗部位的雾滴直径DV0.99不超过1mm(按照体积测量时,99%是直径小于1mm的雾滴)。在一般情况下,细水雾是指DV0.9小于400μm的水雾。传统的水喷淋系统中包含大量的水滴,这些水滴能够穿透火焰从而打湿整个燃料的表面,因此其灭火机理主要是通过直接冷却效应来灭火。然而,细水雾灭火系统随着雾滴平均直径的下降,起主导作用的灭火机理也发生变化,除了表面冷却外,还有气相冷却作用、隔氧窒息作用、减弱辐射热、冲击火焰作用。此外,当扑救油类火灾时,水雾冲击油品的表面,形成乳化层,该乳化层也会起到阻燃作用。尽管细水雾灭火机理发生了变化,但细水雾灭火效率高的主要原因是雾滴的平均直径小,蒸发吸热效率远远高于传统水喷淋系统。1.2细水雾蒸发量和最佳生存时间(1)喷头流量mi=k10P√6×104‚(1)系统喷水量m=∑i=1nmi。(2)(2)系统的吸热量与雾滴的表面积(直径)、自身温度以及环境温度有关,能量传递方程为CwmdTdt=6mdρwh(T∞−Tw)−ΔQ‚(3)式中:mi为t时刻喷头i的流量,kg/s;m为t时刻系统喷水量,kg/s;P为喷嘴工作压力,MPa;k为喷嘴流量系数;ρw为雾滴密度,kg/m3;d为雾滴平均直径,m;Cw为水的比热容,kJ/(kg·K);Tw为雾滴温度,K;T∞为t时刻的环境温度,K;h为换热系数;ΔQ为t时刻细水雾系统的吸热量,kJ/s。从式(3)可以看出,下落水滴的蒸发量与水滴的尺寸和温度有密切关系。雾滴直径越小,环境温度越高,其生存时间越小,蒸发效率越高。通过对能量传递方程积分计算,得出几种典型直径的雾滴生存时间如表1所示,T为环境温度,D为雾滴初始直径。从表1数据可以看出,火场中细水雾的雾滴的生存时间非常小。此外,火灾过程中会伴随着烟气羽流效应,并且在迅猛的潜艇火灾中,羽流效果更加明显,这将大大增加雾滴在高温烟气中的暴露时间,增加水滴的蒸发量,提高灭火过程中的吸热能量。从雾滴的生存时间和在烟气中暴露时间考虑,可以忽略雾滴没有蒸发的部分,所以本文假定细水雾系统喷出的雾滴全部蒸发了。此外,细水雾灭火具有“自动调节”功能,环境温度越高,细水雾蒸发效率、灭火能量越强。所以该功能决定其正好适应扑灭快速的、危险的火灾。这也是细水雾灭火高效的原因所在。细水雾系统t时刻的吸热量可简化为ΔQ=Cw(Tf−Tg)m+Hgm‚(4)式中:Tf为水的沸腾温度,K;Tg为水雾的初始温度,K;Hg为水的汽化潜热,kJ/kg。2常微分控制方程火灾双层区域模拟方法是比较经典的模拟方法,如图1所示。它把研究空间分为上方烟气层和下层空气层2个区域,且每个区域内的物理参数均匀一致,区域之间没有直接的能量传递,能量以及质量的传递主要通过火焰的羽流效应,然后结合质量守恒原理、能量守恒原理、气体状态方程、热力学定律等原理得到一组常微分控制方程。为了方便火灾数理模型的建立,作如下假设:(1)空气及烟气都视为分子量相同的理想气体,同时ρuTu=ρ0T0。(2)火灾的热释放速率采用人们普遍使用的“α～t2”经验公式,即Q=αt2,α为火焰增长系数。(3)引用McCaffrey经验关联公式计算烟气的生成量:mp/Qc=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪0.011(z/Q2/5c)0.566‚0.026(z/Q2/5c)0.909‚0.124(z/Q2/5c)1.895‚0≤z/Q2/5c＜0.08；0.08≤z/Q2/5c＜0.20；0.20≤z/Q2/5c。(5)式中:mp为t时刻烟气的生成量,kg/s;Qc为t时刻热释放速率中对流换热部分,kJ/s;z为t时刻烟气层的高度,m。(4)从空气支持燃烧的角度考虑,认定当烟气沉降到地板时,火灾就会熄灭。(5)细水雾只作用于高温烟气层,忽略其对下方空气层的作用。2.1烟气层的高度由于潜艇舱室固壳的横界面近似于圆,可以假定潜艇舱室横截面轮廓为圆形,如图2所示。阴影部分代表烟气,地板距中心的距离为h。如果t时刻烟气层的高度为z,那么存在如下的几何关系:式中:A为t时刻烟气层与空气的接触面积,m2;V为t时刻烟气层的体积,m3;l为舱室纵向长度,m。2.2在封闭的环境下火灾模型(1)通过在舱室内通风的负荷率即(2)烟气层内压比热kj/sΔm=mp+m‚(11)−ρ0T0ATudzdt=mp+m‚(12)即dzdt=−(mp+m)Tu2ρ0T0lR2−(z−h)2√‚(13)式中:Qdl为t时刻火灾释放能量的对流换热部分,kJ/s,通常取0.7Q;ΔQ1为t时刻烟气层增加的能量,kJ/s;Δm为t时刻烟气层增加的质量,kg/s;Cp为空气的定压比热容,kJ/(kg·K);ρu、ρ0分别为t时刻烟气层与空气层的密度,kg/m3;Tu、T0分别为t时刻烟气层与空气层的温度,K。(注:如细水雾系统未工作,则ΔQ=0,m=0)。3封舱细水雾系统设某假定型潜艇舱室的固壳半径r=3m,h=0.7m,室长l=6m。潜艇内发生的火灾大多是油火或者电火等快速火灾,其增长系数α取0.0469kJ/s3。一般情况下,艇员封舱准备完毕后撤离时的舱内温度都达到100℃左右,本算例中设定当烟气层温度达到120℃时,细水雾系统开始工作。舱室顶部中间两侧1.5m处分别布置1个细水雾喷头,其工作压力p=1MPa,流量特征系数k=3.0,雾滴直径d=100μm。舱室的初始温度为300K,水雾的初始温度为293K。本文利用四阶Runge-Kutta方法,结合matlab7.0编程软件,计算出在无灭火器材的封舱措施下和有细水雾系统的封舱措施下烟气层的温度和高度H随时间变化规律如下:(1)烟气层带空气能量的形成图3表示在封闭条件下,舱室内烟气层温度和高度随时间变化的规律。火灾发展到80多秒的时候,整个舱室内就弥漫了520K的高温烟气。这充分说明潜艇舱室内火灾发展的猛烈性。同时,从前面火灾熄灭假设条件出发,在83s左右,烟气层沉降到了地板,没有了空气的助燃作用,火灾熄灭了。此时由于火灾的熄灭,烟气层接收到的能量也将迅速减少,同时封闭环境导致烟气层的能量也无法消散,所以此后烟气层温度变化将非常缓慢,可以近似认为在很长时间内将保持不变(这也是采取封舱措施之后,潜艇艇员严禁盲目打开舱门的原因所在)。这也说明了舱室封闭的条件下,其内部空气只能支撑火灾燃烧80多秒。可见,从潜艇结构角度出发,“封舱灭火”是一项十分有效的灭火措施。(2)封舱过程细水雾灭火图4中曲线表明,细水雾具有快速扑灭潜艇火灾的能力。在火灾发展65s之前(细水雾工作之前),烟气层的温度和高度变化曲线平滑,这和没有细水雾设置的封舱条件下的火灾模拟是一致的。但在65s,烟气层的温度达到了393K,此时细水雾开始工作,烟气层的温度马上停止升高,在3s之内接近到室温附近。所以从灭火能力角度看,其能快速扑灭潜艇快速火灾,完全可以取代其他灭火剂。从图4(b)中笔者发现烟气层高度没有沉降到地板。这是因为在烟气层的能量被细水雾吸收之后,水雾的吸热功率远远大于火灾的热释放功率,这意味着细水雾直接扑灭火源。由前文假设可知,没有火源就没有了烟气生成量mp,此后烟气层做自由扩散运动,这并不是本文研究重点。综合图3、4可以得出,封舱过程中使用细水雾,火灾熄灭时间由83s减少到68s,缩短了20%左右,大大加速了火灾熄灭进程。所以从加速火灾熄灭角度看,潜艇封舱灭火过程中使用细水雾是可行的。4细水雾灭火系统设计的总体思路本文在火灾区域模拟方法之上对潜艇封舱过程中使用细水雾进行了分析研究,得出了细水雾在扑灭潜艇火灾方面的高效性和可行性。然而由于区域模拟自身的局限性,造成了烟气层温度上升比实际情况略快。因为区域模拟是建立在下方空气层参数不变的假设条件下的,而在实际火灾中,火焰释放的一部分能量会被下方空气层所吸收,烟气层携带的能量会相应减少,造成实际温度升高速度会比本文中的低一些。但这并不影响本文理论的正确。根据潜艇实际情况和细水雾特点,本文提出以下几点建议:(1)尽管细水雾灭火效率非常高,但也不可能达到本文理想条件下的100%蒸发,所以在实际设计中要考虑设置余量,不必担心过多的舱底积水会影响潜艇安全,因为这些积水可以随时通过舱底的主水管系统排掉。(2)在细水雾灭火过程中,不要过早关闭细水雾系统。因为在高温环境中,火灾有复燃的可能性,必须持续喷淋一段