细水雾与k类火相互作用的实验研究

细水雾与k类火相互作用的实验研究

据统计，50%的酒店、餐厅和餐厅火灾发生在厨房。winayasighe和yari检查了加拿大1988年至1992年的厨房火灾。因此，油茶火灾发生在每年约8000起，40多人死亡，50多人受伤，直接经济损失超过600万元。一般来说，植物油的平均燃烧速度高于其他类型的燃料。与其他类型的液体火灾相比，食用油火很难完全消除。这是因为烹饪过程中的食用油在高温下被加热，接近燃烧点。因此，当食用油燃烧时，很难将其表面温度降至最低。因为烹饪过程中的食用油火灾与船只火灾不同，因此很难将其分解为火灾。常温下,食用油难以蒸发,油层上方的蒸汽浓度远低于可燃下限,难以被点燃.当给食用油持续加温,油层温度达到310℃左右时,油脂的蒸发速率加快,油层上方的蒸汽浓度很快就位于可燃界限之内,只要有明火出现,油脂就很容易被点燃.如果继续加热,当油层温度达到360～370℃时将发生自燃.食用油燃烧时表面温度较高,根据种类的不同,表面温度维持在340～380℃之间.实验发现当食用油起火后,在8s内就达到充分燃烧状态,发烟量大,且具有较强的热辐射能力.由于其燃烧时表面温度较高,因此在扑救时,如不能有效降低油层表面温度,则容易发生复燃.研究表明,二氧化碳扑救K类火存在严重的复燃现象,泡沫和干粉灭火剂可以快速扑救K类火,但是不能快速地降低其表面温度至燃点以下,因此也存在复燃的问题.目前国内外的商用厨房多采用湿式灭火剂扑救K类火,湿式灭火剂可以有效地扑救K类火,但对人有很大的伤害,灾后的清理工作相当繁重,且价格昂贵.1987年签订的《蒙特利尔公约》明确提出要在21世纪初取代卤代烷系列灭火剂,目前世界各国科学家均在积极寻找卤代烷系列灭火剂的替代品.细水雾灭火技术具有无环境污染、清洁高效及无毒害作用等特点,已被看作是卤代烷系列灭火剂的主要替代品之一,备受世界各国的重视,成为当今国际火灾科学前沿研究的热点之一.最近国际上一些火灾研究机构开展了细水雾灭K类火的工程模拟实验研究,但关于细水雾与K类火相互作用的机理研究还较少.因此有必要深入研究细水雾与K类火之间的相互作用,揭示细水雾抑制熄灭K类火的基本规律,为细水雾用于厨房环境的火灾防护提供科学的参考依据.1试验设备和雾特性的测量1.1实验方法和过程实验装置由细水雾发生系统、温度测量系统、激光多普勒分析仪、ISO9705全尺寸热释放速率测试仪及燃烧装置构成,实验系统如图1所示.实验中选取食用油作为可燃物,油盘直径为0.35m,深0.02m位于喷头正下方1.3m处,利用酒精对其加热引燃选取7孔压力雾化喷头发生细水雾,利用激光多普勒分析仪测量细水雾的粒径和速度.利用IS09705测量食用油火及酒精加热源的热释放速率,利用K型热电偶测量食用油及火焰温度,热电偶沿油池表面中心线每隔0.2m布置1个,共布设4个热电偶,热电偶测量的温度经数据采集卡交由计算机处理.实验环境温度为25℃.实验工况如表1所示.在实验中,每种工况进行3次实验取平均测量结果.每次实验加酒精400ml,加大豆油500ml.实验开始后首先点燃酒精对食用油加热,185s后食用油被引燃,预燃8s左右,达到充分燃烧状态,开始施加细水雾,记录灭火所需时间.火被扑灭后,进行通风排烟,清理实验环境,准备下一工况实验.1.2细水雾特性测量条件选择实验中固定喷头与火源的垂直距离为1.3m,火源与细水雾发生直接作用的主要区域在喷头下方1.2～0.8m之间,因此选择喷头下方1m的平面作为细水雾特性测量采样平面,该喷头雾化锥角为50°.通过计算可知,喷头下方1m处细水雾的覆盖面近似为一个直径0.6m的圆.从圆心开始,沿半径向外每隔0.1m取一个点进行测量.从图2可以看出随着压力的增大雾滴垂直方向的速度明显增大,从图3中可以看出随着压力的增大雾滴粒径有减小的趋势.2结果与讨论2.1细水雾作用下火焰灭制火效果研究工况1灭火失败,因此不作讨论分析.图4给出了工况2,3和4的火焰温度变化曲线.对于工况2细水雾施加初期火焰温度没有快速下降,而是呈现跳动变化,在细水雾作用30s之后,火焰温度开始快速下降,45s后火焰被熄灭,油池表面温度在细水雾的作用下不断下降,火焰熄灭时,食用油温度下降到210℃以下.对于工况3,细水雾施加初期火焰温度的跳动时间缩短至15s左右,随后火焰温度快速下降,30s后火焰被熄灭.工况4中火焰的跳动现象已经很不明显,细水雾施加10s后火焰被熄灭,同工况2和3的食用油温度相比,在2.0MPa细水雾作用下食用油温度下降速度明显加快.上述实验结果表明,随着压力的升高,细水雾抑制熄灭食用油火的能力明显增强,细水雾对食用油的降温冷却作用也显著提高.这是由于当压力较高时,细水雾滴有足够的动量克服火羽流的阻力到达火焰区,且局部雾通量大.因此雾滴蒸发吸热速率较大,火焰的温度下降很快.当火焰反馈的热量不足以继续燃烧时,火焰就会逐渐缩小,直至熄灭.当压力较低时,雾滴依靠自己的初始动量无法克服阻力的作用直接进入火焰区,只能通过火羽流的卷吸或者外界力的作用进入火焰区吸收热量.同时火羽流的运动同样也会带走火源区域的雾滴,减小局部雾通量.因此细水雾施加的初始阶段,火羽流的温度下降较小,卷吸和上升的能力较强.卷吸进入燃烧区的雾滴基本上都被上升的羽流带出火焰区,无法有效发挥气相冷却的灭火机制,燃烧可以维持.直到细水雾冷却了火源周围,火羽流的上升能力减弱,卷吸进入火焰区的雾滴能够较长时间滞留在燃烧区内,才能吸收足够的热量使得燃烧难以继续,达到抑制熄灭火焰的效果.从上述分析可知,细水雾的覆盖面积、雾通量及雾动量是熄灭K类火时最重要的3个特性参数.首先细水雾要有足够的覆盖面积扑灭全部火焰,否则没有被扑灭的火焰将不断为食用油补充热量.其次,细水雾灭火系统要保证足够的雾通量来冷却火焰和食用油的温度,使食用油的温度降到复燃点以下.最后细水雾的雾滴要有足够的动量保证雾滴能够穿透火羽流到达食用油的表面.2.2液体可燃物燃烧过程食用油燃烧时,火焰通过对流和辐射的方式向油盘中的食用油传热.当细水雾进入燃烧区域时,火焰的热量还因为雾滴的蒸发而大量损耗.其能量平衡方程可表示为其中∆Hc是食用油燃烧热值(40MJ/kg),fc是食用油燃烧热值反馈给食用油的百分比(15%),Lfv是食用油的蒸发潜热(0.4MJ/kg),mf是食用油的燃烧速率(0.01kg·s-1·m-2),QE是酒精燃烧传给食用油的热量,利用ISO9705测定酒精加热源的热释放速率为0.018MJ/s.QL是食用油表面的热量损失,包括对外界的热辐射、传给水的热量和传给油盘深处的食用油热量,即其中ε为食用油的发射率,通常液体可燃物的发射率较高,一般在0.8～1范围内,计算中我们取ε=0.9.σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,σ=5.67×10-8W/(m2·K4).Tfs是食用油表面温度,根据液体可燃物燃烧过程分析可知,在液体可燃物火焰熄灭瞬间,液体表面温度维持在燃点左右,食用油的燃点在380℃左右,因此计算中可以取Tfs=380℃.Tfo是食用油表面下方0.015m处的温度,δ是食用油的厚度(0.03m),Kf是食用油的热传导系数(0.145×106MJ·s-1·m-1·℃-1),mw是细水雾的流量(0.2kg/s),Cpw为水的热值(4.18×10-3MJ·kg-1·℃-1),Lvw是水的蒸发潜热(2.5×10-3MJ/kg).将(2)式代入(1)式,得到如下能量平衡方程:当S≥0时,火焰就可以提供足够的热量使燃烧继续进行下去;否则火焰就不能够提供足够的热量维持燃烧,火焰就会熄灭.将上述参数值代入(3)式计算可得,当Tfo≤205℃,S≤0,火焰将会熄灭.从图4可以看出,在不同工况下火焰熄灭时,食用油的温度基本维持在200℃左右,由此看见,理论计算值与实验测量数据吻合.通过实验测量及理论计算,我们可以得出这样的结论,在细水雾的作用下,当食用油内部温度降低至200℃左右时,火焰将会熄灭.2.3大速度vfv细水雾在灭火过程中,为了使雾滴不被火羽流吹走,喷出的雾滴必须要有足够的动量.雾滴必须要在与火羽流相反的方向上有至少与火羽流相等的动量才能够进入火焰内部,从而有效地冷却火焰及燃料表面.通常火羽流的动量主要为燃烧产物向上运动的动量.下式是细水雾熄灭火焰的一个必要条件:其中Mwy代表细水雾滴垂直方向的动量,Mfy代表燃烧产物垂直方向的动量.通常火羽流垂直方向的最大速度vfv可由下式计算得到:其中QC为可燃物的热释放速率.在连续火焰区域0.9<k<1.6,在间歇火焰区域1.6<k<1.9,在浮力羽流区域1.4<k<1.9.实验中测得食用油火源热释放速率约为169kW.利用(5)式计算可得连续火焰区域羽流的速度范围是2.5m/s<vfy<4.3m/s.食用油燃烧产物的重量基本等于其燃烧速率,本文中食用油的燃烧速率为0.01kg/s,因此可计算得到单位时间火羽流的垂直方向的动量范围是0.025kg·m/s<mfy<0.043kg·m/s.实验中细水雾喷雾直径为1.6m,流量为0.2kg/s,油盆尺寸为0.3m×0.3m,单位时间内在油盆正上方0.3m×0.3m区域喷射的细水雾质量为0.2kg/s×=0.0093kg/s,根据(4)式可知,当满足如下条件时,细水雾可以顺利穿过火羽流区域,到达可燃物表面.0.0093kg×vwy>0.043kg·m/s,即vwy>4.6m/s.(6)由图1可知当压力达到2MPa之后,位于连续火焰区域的细水雾滴速度约为4.8m/s,此时细水雾的动量大于该区域火羽流的动量,因此细水雾可以穿越连续火焰区域到达油池表面,从而快速有效地扑灭火焰.2.4物理作用及加强实验发现细水雾在施加瞬间具有助燃火焰的作用,表现为细水雾施加初期食用油火会发生短暂的猛烈燃烧,火焰尺寸迅速增大至细水雾施加之前的两倍左右.由图4可知,细水雾施加瞬间火焰温度也有所上升并不断跳动,随着细水雾的持续作用,助燃现象开始弱化,火焰高度及温度快速下降直至被熄灭上述现象的原因要从细水雾与扩散火焰的相互作用的物理和化学机理出发进行分析.细水雾对火的物理作用主要有4方面:(ⅰ)通过蒸发吸热来降低火焰温度;(ⅱ)通过稀释氧气达到窒息灭火作用(ⅲ)阻隔热辐射;(ⅳ)通过水蒸气的膨胀来加强氧气和燃料的混合从而加强燃烧.当细水雾与火焰相互作用时,前3种作用因素可能会导致火焰的熄灭最后一种因素可能会加强火焰的燃烧.另外,在燃烧过程中产生一部分CO,干态CO很难被氧化,但当施加细水雾之后,其氧化变得容易得多,因为下列反应会产生大量的OH自由基:同时会伴随发生下列链反应:当燃烧强度迅速增大时,火焰和烟气的温度也将迅速增大,将会发生下面的反应:反应产生的H2通过下列反应产生更多的H和OH自由基:H和OH都是非常活泼的自由基,通过下列反应,每消耗一个H自由基能产生两个H自由基,同时每消耗一个OH自由基能产生两个OH自由基:很明显,在燃烧过程中,细水雾及反应中产生的H2在燃烧中起到了催化作用,当细水雾超过一定的浓度时,其物理熄灭作用强化,化学催化作用弱化因此应存在一个转折点,在这个点上,细水雾对化学反应的增强作用达到最大.以前的研究结果表明转折点的水蒸汽浓度约是30%,低于这个数值,细水雾对火焰的促进作用较大.高于这个数值时,细水雾对火焰的化学加强作用就不太明显了,火焰温度就开始下降.3细水雾对火焰的影响本文通过上述实验研究及理论分析得出如下结论:(ⅰ)细水雾的雾化锥角、雾通量和雾动量是决定其灭K类火有效性最重要的特性参数,随着压力的升高灭火时间明显缩短.(ⅱ)细水雾主要通过表面冷却的机理抑制熄灭K类火,细水雾还通过冲击火焰根部来破坏燃