超细水雾抑制酒精火有效性实验研究

马鸿雁,余明高,安 安

(1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;

2.河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室,河南焦作 454003)

超细水雾抑制酒精火有效性实验研究

马鸿雁1,2,余明高1,2,安 安1,2

(1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作 454003;

2.河南理工大学河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验室,河南焦作 454003)

为了研究超细水雾对酒精火的抑制效果,通过搭建超细水雾抑制受限空间酒清火燃烧的小尺寸实验平台,利用基于质量损失速率的热释放速率计算方法,研究超细水雾与酒精火焰相互作用时,酒精火火焰的变化规律及酒精火的热释放速率,与此同时,采用高速摄像仪对火焰进行拍摄,利用Matlab图像处理程序对采集的火焰图片剖面进行处理。研究发现:施加超细水雾后,不同雾通量,不同酒精预燃时间都对超细水雾抑制酒精火的有效性产生影响。另外,200ml/min雾通量的超细水雾要比150ml/min超细水雾抑制效果要明显,灭火时间提前52s。

超细水雾;热释放速率;抑制;有效性

0 引言

自1987年加拿大蒙特利尔公约签订以来,国际火灾安全领域一直在寻找卤代烷灭火剂的替代产品。细水雾灭火技术具有无污染、灭火迅速、用水量少,对防护对象破坏性小等优点,被认为是卤代皖灭火剂的主要替代品之一[1]。自上世纪80年代开始,世界各国对细水雾灭火技术开展了广泛深入的研究,取得了一系列重要成果。

近几年来,第二代细水雾灭火技术——超细水雾[2-5],因其自身的特性,在抑制熄灭火灾方面越来越受到各国研究者的关注。Zegers等人[6]对超细水雾抑制熄灭丙烷逆流扩散火焰进行了实验研究,结果发现超细水雾的雾滴粒径在14μm～30μm之间时,超细水雾熄灭火焰的雾滴浓度保持一固定值,随着雾滴粒径增加到30μm～42μm之间时,超细水雾熄灭火焰的雾滴浓度也随之增高。Adiga等人[7]对超细水雾抑制熄灭受限空间电缆火展开实验研究,表明超细水雾可以熄灭固体电缆火。林霖[8]用小型风洞研究了超声雾化细水雾对固体可燃物火焰蔓延速度的影响,结果表明超细水雾可以有效抑制固体火焰蔓延,并且抑制作用随着超细水雾速度的增大而增强。陈晓坤等人[9]进行了超细水雾抑制瓦斯爆炸的实验研究。陈吕义等人[10]进行了超细水雾抑制受限空间轰燃的有效性研究,结果指出雾通量,施加时间,施加位置是影响超细水雾抑制轰然效果的三个重要影响因素。

本文研究常温常压条件下超细水雾抑制受限空间酒精火的燃烧,通过测量计算超细水雾作用前后热释放速率的变化来表征水雾的作用效果,并利用Matlab数字图像处理程序对试验图片进行温度场定性分析。依据此基本思想,通过构建模拟实验平台,对超细水雾抑制受限空间内酒精火的有效性进行实验研究,总结其影响因素,为超细水雾灭火系统的优化发展提供相应的试验依据。

1 实验系统及实验方法

1.1 实验装置

图1给出了超细水雾抑制酒清火的模拟实验系统图。实验系统共分为五个部分:超细水雾灭火系统、烟气分析系统、数字温度采集仪、高速摄像仪、微机工作站等设备组成。

(1)受限空间。本实验采用小尺度受限空间(0.53m×0.53m×0.6m)。受限空间的框架采用钢制结构,四面全部采用钢化玻璃封装,以保证一定的隔热效果和密封性;受限空间上部由集烟罩和烟囱两部分组成。集烟罩是锥形的,下表面的尺寸为0.53m×0.53m,上表面的尺寸为0.13m×0.13m,高为0.3m,它是用来收集在实验过程中生成的所有燃烧产物。烟囱尺寸0.13m×0.13m×1m,在它的侧面打一个孔,用来采集烟气成分;

(2)超细水雾发生系统。超细水雾发生系统如图2所示,雾化池由0.6m×0.32m×0.4m的不锈钢板制成。底部安装4只超声波雾化片,每只雾化片流量为50ml/min,超声波雾化片通过超声波振荡器,使水产生超声波振荡,将水转化为5μm～40μm的微粒。内壁右端距离底面15CM处安装风扇,实验过程中打开雾化器的电源,超细水雾发生系统内部的超细水雾通过内径为0.12m,长度为0.5m的塑料排气管,从受限空间上部的管道口处,从而进入受限空间。

(3)电子称重系统。受限空间的几何中心处放置一个电子天平,其测量范围为0g～500g,测量精度为0.001kg,主要用于测量可燃物在燃烧过程中的质量损失;

(4)燃烧器。燃烧平台为直径为0.14m,深度为0.025m的铁质燃料盘;

(5)热电偶测温系统。使用镍铬-镍硅热电偶,在受限空间的燃料盘中央正上方安装上表面中心0.05m处布置一个,并沿着表面中心线向上每隔0.07m布置一个热电偶,各个热电偶依次编为1,2,3号。这些热电偶主要用来观察通水雾前后火焰温度分布及其变化情况;

(6)烟气分析系统。本实验采用PG-250A型燃烧分析仪对烟气成分进行动态测量,可以采集氧气、二氧化碳、一氧化碳等多种气体成分;

(7)数字图像采集系统。在受限空间正前方0.5m处放置德国尼康公司生产的Davis-D72高速摄像机,此高速摄像机的最高拍摄速度为10万fps,最小曝光时间20万分之一秒,根据实验需要设置拍摄速度为1000fps,曝光时间1500分之一秒。

图1 实验系统图Fig.1 System of experiment

图2超细水雾发生系统示意图Fig.2 G eneration system of ultra-fine water mist

表1 实验工况Table 1 Cases studied

1.2 实验方法

1.2.1 试验工况

实验过程中燃料试样均为20g的分析纯酒精,通过改变超细水雾施加与否、预燃时间、流量、及施加时间得到实验工况,如表1所示。

1.2.2 实验内容

实验之前,首先依次检查电路、管路的连接状况和实验设备的工况,以确保仪器正常运转。在实验时,将液体可燃物引燃后,放入受限空间燃烧器中央,立即启动烟气分析仪,温度采集仪及其相关工作站,按照相应工况的预燃时间要求开启雾化器电源,产生超细水雾,伴随超细水雾的施加过程,同时测得受限空间内部温度和烟气组分的浓度的状况,并自动对数据进行保存。

实验结束后,关闭所有仪器的电源,清理实验环境,敞开受限空间30min左右,使实验系统恢复到初始状态,再开始第二次实验,这期间整理相关实验记录,做好存储以便分析。

2 热释放速率测量原理

2.1 热释放速率测量方法的确定

热释放速率是衡量火灾危害程度的一个重要参数,其重要性在于它控制和影响了其他燃烧性能参数[11]。测量热释放速率的方法主要有基于氧消耗原理的热释放速率测试方法和基于质量损失速率的热释放速率测试方法。基本耗氧原理的测量方法是目前较为常用的测量方法,但在测量时必须将全部燃烧产物收集起来并移走,经过充分混合后在排气管下流测量气体的流量和成份,本文的设计试验装置显然并不适合使用这种测量方法计算热释放速率。

基本质量损失速率的测量方法相对计算简单。实验时将装有可燃物的油盘放置在电子天平上,通过数据采集系统直接测定可燃物质量随时间的变化,并换算为可燃物的质量损失速率m,可燃物的燃烧效率可以利用烟气分析仪直接测量出来,这样就可以根据式(1)计算灭火过程中可燃物的热释放速率。因为超细水雾雾滴直径小于50μm,沉降速率慢,更易悬浮于空中,所以实验过程中落于电子天平上的水雾质量可以忽略不计。所以在本文中采用基于质量损失速率的测量方法来计算热释放速率。

2.2 基于质量损失速率的测量方法

运用下式计算基于质量损失速率的测试方法计算可燃物的热释放速率:

式中:Q为可燃物的热释放速率,kW;m为可燃物的质量损失速率,kg/s;Hu为可燃物的平均热值,kJ/kg(酒精平均热值为3.0×104kJ/kg);χ为可燃物的燃烧效率,%(因实验中选用分析纯酒精,则χ近似值为1[12])。

3 超细水雾抑制受限空间酒清火实验结果与分析

3.1 实验现象描述

图3至图6为4组用Matlab处理过的不同工况下酒精火焰的灰度图片:

图6 工况5Fig.6 Case NO.5

从以上几幅图片可以看出,各个工况下的火焰高速火焰面积都有很大的差别。其中,在无超细水雾和超细水雾的情况差别较明显,从工况2与工况1的图片对比可以看出,火焰高度与面积的变化,超细水雾下火焰高度明显较低,火焰面积明显缩小。从工况2与工况3的对比可以看出,预燃时间越长火焰面积反而会更大,酒精燃烧更加剧烈。从工况3与工况5的对比可以看出,雾通量大的时候图片火焰光线的折射明显加强,实验场的亮度明显要略高于前者。

实验发现:施加超细水雾瞬间具有助燃火焰的作用,表现为火焰尺寸快速增大为至为施加超细水雾前的1～2倍,火焰不断跳跃,随着超细水雾的继续施加,助燃现象弱化,火焰高度及温度快速下降,直至火焰被熄灭。

3.2 超细水雾抑制受限空间酒精火热释放速率分析

图7 超细水雾施加与否热释放速率随时间的变化Fig.7 Heat release rate variation curve with or not ultra-fine w ater mist

3.2.1 超细水雾施加与否对酒精火热释放速率影响

图7为酒精自由燃烧和施加超细水雾后火源热释放速率随时间的变化曲线图,从工况1可以看出酒精自由燃烧时热释放速率曲线可以分成三个阶段。第一个阶段是从点燃后到40s,这个阶段酒精火的热释放速率升高速率急剧增大;第二个阶段是从40s～110s,这个阶段酒精火的热释放速率变化较小,热释放速率的最大值5.2kW出现在这个阶段;第三个阶段是110s后的衰减阶段,酒精的热释放速率呈现快速下降的状态。

对于工况2来说,当预燃20s时施加超细水雾,火源热释放速率开始下降,这是因为超细水雾雾滴粒径为5μm～40μm,在施加超细水雾初期受限空间温度较高,雾滴不能穿过热烟气层和高温火焰区达到液体表面,被上升的火羽流带出火焰区,同时吸收高温烟气和火焰的热辐射形成高温水蒸气层,冷却火源周围空间;后期,由于燃烧蒸发率的降低,酒精火释放的热量减少,火羽流的上升浮力减弱,卷吸进入火焰区的雾滴穿过热烟气层和火焰时不完全蒸发,到达燃烧表面,起到表面冷却的作用,最终达到抑制酒精火火焰的效果。

图8 不同预燃时间热释放速率随时间的变化Fig.8 Heat release rate variation curve at different pre-ignition time

3.2.2 预燃时间对酒精火热释放速率影响

以工况2和工况3为例,预燃时间为20s和50s条件下对火源热释放速率进行对比如图8所示。实验中,工况2预燃20s时,开始施加超细水雾,酒精火火源热释放速率在起初的35s内迅速下降,随后55s内酒精火火源热释放速率基本保持平稳状态,最后60s内酒精火火源热释放速率逐渐下降。在施加超细水雾的整个过程中,酒精火火源热释放速率的峰值比自由燃烧时消减了42%;工况3为,预燃50s时施加超细水雾,酒精火火源热释放速率呈现逐渐下降的态势,因酒精在点燃40s后已达到稳定状态,所以热释放速率的峰值比自由燃烧时酒精火的峰值仅消减了1%。实验表明,酒精火未充分燃烧时,施加超水雾可以更为有效的抑制酒精燃烧。

图9 不同耗水流量火源热释放速率变化曲线Fig.9 H ear release rate variation curve at different w ater flux

3.2.3 不同耗水流量对酒精火热释放速率影响

实验中发现单位时间内消耗水的多少对于抑制熄灭酒精火焰起到关键作用。施加超细水雾时耗水流量的不同对于抑制火源功率、预燃时间、施加时间相同的酒精火的燃烧也有不同的效果。以工况3和5为例,预燃时间均为50s的条件下,在第50s时开始施加超细水雾,实验得出的热释放速率曲线对比如图9所示,工况4为施加耗水流量为150ml/min的超细水雾70s后,火源热释放速率呈现缓慢下降状态;而工况5施加耗水流量为200ml/min的超细水雾,火源热释放速率下降速率明显高于工况3,在实验中观察到酒精火焰高度明显下降。实验表明耗水量的大小是影响超细水雾抑制酒精燃烧的重要因素之一。

3.3 超细水雾对酒精火温度场分布的影响

利用Matlab数字图像处理程序中的improfile指令可以处理图像的剖面像素分布,针对火焰图像而言,可以间接定性的分析火焰的温度场的分布情况,从而为为定性的描述火焰特性提供可信的参考和依据。本文针对酒精火在不同工况下的图片,利用improfile指令,沿图片中轴线分析火焰在纵向上的温度场分布。所选图片均为各工况下燃烧最为剧烈是的图片。图10至图12为各工况下,像素对比图,纵坐标为像素值0～255,横坐标为火焰纵向高度。

从以上三幅图,可以得出以下三个结论:

(1)从工况1和工况2的纵向像素对比可以得出:超细水雾施加后火焰高度明显降低,高温区面积缩小,两种工况下火焰外围温度要高于内焰温度,说明超细水雾在施加后被迅速蒸发,没有对火焰形成包裹和隔离空气的作用,但只是暂时的起到了抑制的作用,只要酒精火焰继续燃烧,150ml/min雾通量的超细水雾是很难起到抑制作用的。

(2)从工况2和工况3的纵向像素对比可以得出,超细水雾作用下,预燃50s的酒精火的高温区要比预燃20s的酒精火的大很多,至少是预燃20s的酒精火的2倍;另外预燃50秒的酒精火在超细水雾的作用下的火焰高度比预燃20s的酒精火高许多。从以上两点分析得出,超细水雾施加的早晚直接影响了灭火效能,施加越早抑制效果越好,施加的较晚则有可能对酒精火起到助燃的作用,与前面图片现象和热释放速率分析一致。

(3)从工况3和工况5的纵向像素对比可以得出:在其他条件不变的情况下,雾通量为200ml/min的超细水雾比雾通量为150ml/min的超细水雾抑制酒精火的效能要高许多,主要从以下两个方体现:①工况5的火焰温度场分布于工况3的火焰温度场分布相反,前者是外围火焰温度低,内焰高,后者则与其相反,说明当雾通量充足时,超细水雾能起到很好的包裹作用,其外围的高温水蒸气能带走大量的热量,能较有效的抑制酒精火的发展,能逐渐将酒精火熄灭;②雾通量200ml/min的超细水雾比雾通量为150ml/min的抑制效果还可以通过控制的火焰面积上进行对比,前者控制的火焰面积明显要小于后者,而且从前面的图片分析可以得出,雾通量大的情况下,酒精火焰能出现驻留的现象,这更证明了雾通量的大小对抑制效果的影响是很重要的。

4 结论

(1)不同雾通量下,雾通量越大则抑制效果越好,相比工况3和工况5两种雾通量下火焰熄灭时间至少相差50s。

(2)酒精火在没有达到稳定燃烧之前,热释放速率随预燃时间的增加而迅速增大,使灭火所需的时间也相应的增长,在施加150ml/min的超细水雾下,两种预燃工况的抑制效能相差41%。

(3)Matlab所处理的灰度图片显示,超细水雾施加前火焰的外围火焰温度高于内部,而施加后温度分布相反,超细水雾对酒精火的抑制作用起到了水雾包裹火焰冷却降温和隔绝氧气的作用。

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Experimental study on the effctiveness of inhibiting alcohol fires by ultra-fine water mist

MA Hong-yan1,2,YU Ming-gao1,2,AN An1,2

(1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China;2.Henna Province Key Laboratory of Prevention and Cure of Mine Methane and Fire,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan,454003,China)

A small scale compartment was built in a confined space in order to study the validity of suppressing alcohol fires by ultra fine water mist.The flame profiles and heat release rates of alcohol fires were examined to study the interaction between ultra fine water mist and alcohol flame.At the same time,the photos of the flame were extracted by high speed camera,and then the Matlab image processing method was used to study the collected fire flame profiles.It was shown that both the mist flux and pre-ignition time may affect the validity of the fire suppression process.In addition,the suppression effect of 200ml/min ultra fine water mist was better than that of 150ml/min ultra fine water mist.

Ultra-fine water mist;Heat release rate;Fire suppression;Alcohol fire

X932

A

1004-5309(2011)-0021-08

2010-10-12;修改日期:2010-12-07

国家自然科学基金(50974055);教育部“长江学者和创新团队发展计划”(IRT0618);河南省高校新世纪优秀人才支持计划项目(2005HANCET-05)。

马鸿雁(1978-),女,河南焦作人,在读硕士研究生,助理工程师,主要研究方向为火灾防治理论及技术。