带电细水雾的灭火实验研究

赵 枫，王 旭

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳，110136）

带电细水雾的灭火实验研究

赵 枫，王 旭＊

（沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳，110136）

利用静电感应原理，设计了使细水雾强制带电的感应荷电装置，进行了带电细水雾的灭火实验研究。为研究带电细水雾的灭火效率，在受限空间内，采用小尺度实验方法，通过改变电压的极性和大小、针－环状电极的半径及其距伞罩电极之间的距离，分析对灭火时间和热电偶温度变化的影响。结果表明：带电细水雾比普通细水雾能更迅速地降低火焰温度、熄灭火焰，荷负电的细水雾比荷正电的细水雾具有更好的抑制效果，随着电压的增大、针－环状电极半径及两电极间距的减小，灭火效能提高，熄灭时间减少。

静电感应；感应荷电；带电细水雾；灭火效率

0 引言

细水雾以其无环境污染（不会损耗臭氧层或产生温室效应）、灭火迅速、耗水量低、破坏性小以及适用于特殊火灾（如计算机房、航空器火灾）等特点，被看作卤代烷灭火系统的主要替代品［1］，已成为火灾科学研究领域的基本共识。美国、加拿大、英国等发达国家对细水雾与多种类型火灾的相互作用进行了模拟的或全尺寸的实验研究及数值模拟，取得了实质进展［2］。为了进一步提高细水雾的灭火效率，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室廖光煊等人对含添加剂的细水雾灭火技术进行了大量研究［3－7］。同时，Calcote在20世纪60年代指出化学电离是碳氢化合物火焰离子产生的主要机制，并且阳离子浓度远远超过电子浓度，而生成阴离子则需要大量的电子［8］；Kim等人又通过实验得出，火焰反应区域的电荷载体在电场的作用下可以影响火焰传播速率［9］。但是，目前针对带电细水雾的研究工作开展较少。

1 带电细水雾定义及灭火机理

在NFPA750中，细水雾的定义是：在最小设计工作压力下、距喷嘴1m处的平面上，测得水雾最粗部分的水微粒99%的体积直径（Dv99）不大于1000μm［10］。带电细水雾是指在细水雾喷射过程中采取物理学方法，使雾滴带上适量电荷，来提高雾化和灭火作用效果。

我们认为，带电细水雾在普通细水雾冷却、隔离、窒息、衰减热辐射的灭火机理上还应包括化学抑制和动力学效应。

根据火灾化学原理，燃烧的本质是氧化还原反应。在反应进行过程中必然有电子的得失，在火焰及烟气区形成带电的正、负离子与电子分布。因为这些粒子不能很快复合生成不带电分子，所以它们将以离子的形式在火焰中存留一段时间。一般情况下，由于火焰中电子运动速度较快，则火焰的外部区域多充满电子，内部大部分区域多充满阳离子。通过给细水雾荷电，具有明显电荷极性倾向的雾滴进入火焰反应区后，区域内的雾滴运动特征将发生改变，极性不同的粒子互相吸引直接中和，极性相同的粒子互相排斥；中性粒子可能由于捕获、吸附等作用带上电荷，或由于感应作用形成极化电荷；在极化力、引力等作用下更容易使火焰内阴、阳离子的浓度及梯度减小而导致火焰化学反应速率下降，抑制燃烧时自由基的链式反应，从而提高灭火效率。

如常见的烃类有机物（柴油、汽油），链式反应包括［11］：

带电细水雾的雾滴可以捕捉燃烧反应中生成的自由基H·、O·、·OH，发生中和反应，阻碍支链反应的进行，降低化学反应活性。

2 实验原理

高压水流在形成雾滴过程中，由于液体与管道、喷嘴之间的高速摩擦及液滴破碎而自然带电。但是，一般条件下其带电电量较小，无法满足灭火的要求。为进一步增强雾滴的带电量，实验中需要采取附加荷电的方法。

使雾滴荷电一般有三种方式：电晕荷电、接触荷电、感应荷电。从荷电效果、实用性等方面考虑，感应荷电具有耗电量小、荷电量大、电极绝缘性好、安全性强、结构简单等特点被应用于细水雾荷电技术中。

感应荷电法是根据静电感应原理使雾滴荷上与放电电极极性相反的电荷，它是将外加高压电源直接加在针－环状电极（或伞罩电极）上，当雾滴通过针－环状电极和接地伞罩电极（或伞罩电极和接地针－环状电极）之间的电场时，由于电场中有大量的运动离子，使得雾滴带上与针－环状电极极性相反的电荷。

3 实验装置与方法

3.1 实验装置

本实验由细水雾系统、荷电系统、温度测试系统三部分组成。其中，细水雾系统由电源控制柜、水箱、消防泵、稳压泵、压力表、电磁阀、流量计、细水雾喷头（共7个雾化喷嘴，喷雾扩散角度为120°）组成；荷电系统由高压电源、伞罩电极、针－环状电极组成；温度测试系统由5根K型热电偶（自下而上为1～5号，每只间隔30cm）、数据采集卡和计算机组成。

3.2 实验方法

在5m×5m×3m的受限空间内，每次选取300ml柴油，放在直径300mm、高50mm的油盘内，用5ml酒精引燃，预燃120s。实验时，油盘在细水雾喷头正下方2.5m处，热电偶支架距离油盘中心0.3m，在油盘上方0.1m处布置第一根热电偶，水泵压力始终保持7MPa，流量计读数范围1.716m3／h～1.723m3／h。选取两种半径分别为11cm 和5.5cm紫铜制成的针－环状电极，该电极距伞罩电极分别为4.5cm和1.5cm。荷电电压在0kV～5kV调节，电压的正负可以通过改变感应电极的不同接地方式来实现，细水雾荷正电时，采用伞罩电极接地，针－环状电极接高压电源，如图1；细水雾荷负电时，采用针－环状电极接地，伞罩电极接高压电源，如图2。实验过程中，伞罩电极、针－环状电极、电源线、接地线之间绝缘良好。

图1 荷正电装置Fig.1 Positively charged device

图2 荷负电装置Fig.2 Negatively charged device

4 结果与分析

表1为针－环状电极半径11cm和两电极间距4.5cm条件下，电压的极性及大小对灭火时间的影响。

表2为电压－5kV和两电极间距4.5cm条件下，将针－环状电极半径改为5.5cm对灭火时间的影响。

表3为电压－5kV和针－环状电极半径5.5cm条件下，将两电极间距调整为1.5cm对灭火时间的影响。

由表1～表3可知，荷负电的细水雾随着电压升高、针－环状电极半径和两电极间距的减小，所用的灭火时间越少。这是因为火焰内部充满阳离子，细水雾通过荷负电的静电场后，雾滴表面聚集了大量的负电荷，随着电压的升高，电场强度逐渐增大，空间电场电晕、电离增强，电子获得的能量增加，碰撞电离分子数变多，产生的电子、阴离子数也增多，同时，加快了电子、阴离子在竖直方向的匀加速运动，促进了与火焰中阳离子的中和反应，大量消耗了燃烧所需的自由基，中断燃烧的链式反应，熄灭火焰。

表1Table 1

表2Table 2

表3Table 3

4.1 荷电电压的影响

由于火焰内部的不完全燃烧及离子化过程，使其充满大量的阴、阳离子以及自由电子，Sugden和Tbxush通过实验证明了火焰中大约30%的碳颗粒带正电［12］，其中，存在的阳离子为CH＋3、H3O＋、CHO＋和C3H＋3，CHO＋是由化学电离产生的一级离子，H3O＋是一级离子与中性质点通过质子转移产生的二级离子［13］。在施加带电细水雾后，电场导致火焰中离子重新分布，雾滴中的阴离子沿着电场方向朝火焰中阳离子移动，正负离子中和干扰了燃烧的链式反应。在燃烧的众多中间组分中，·OH是重要的氧化自由基，静电场力迫使自由电子与自由基相互碰撞，形成大量激发态分子，引发电离生成OH－，大量的OH－离子捕捉维持燃烧所需的阳离子，破坏了燃烧化学反应链。同时，在电场的作用下，火焰中的中性粒子和电场猛烈加速的离子与自由电子相撞，使自由电子附着在中性粒子上，中性粒子得到电子带负电，加快了与火焰中阳离子的中和反应，在此过程中，大量消耗了火焰化学离子反应所需的电子，而对燃烧起主要强化作用的是电子［14］，因此，较大地降低了火焰化学反应速率。

4.2 电极环径的影响

针－环状电极半径越小，其均匀性不好，与喷雾产生的雾锥面间隔也越小，则感应效果越强（即电场强度增强），雾滴在电场中电离的效果越好，产生的离子数增多，荷电量也随之增大。这样，提高了带电细水雾中带电粒子捕捉火焰中与其极性相反的带电粒子的能力，促进了正负电荷的中和反应。

4.3 电极间距的影响

两电极间距对细水雾的荷电性能存在影响，在相同的荷电条件下，两电极间距越小，针－环状电极距喷雾产生的雾锥面越近，感应电荷就越强。由于针－环状电极距喷头较近，使得荷电雾滴的动量增加，在电场的作用下，极易破碎成细小的雾滴改善荷电效果，使其产生的离子数增多，荷电量增大，加快了正负离子的反应速率。

4.4 带电细水雾对温度的影响

由热电偶温度测试结果可以看出，带电细水雾比普通细水雾能更迅速降低火焰温度，并且荷负电的细水雾有更好的降温趋势，随着荷电电压的升高，灭火时间逐渐减少，如图3～图6。

图3 0kV温度变化曲线Fig.3 Temperature curve at 0kV

图4 3kV温度变化曲线Fig.4 Temperature curve at 3kV

图5 5kV温度变化曲线Fig.5 Temperature curve at 5kV

图6 －5kV温度变化曲线Fig.6 Temperature curve at－5kV

细水雾在电场的作用下，其表面张力和粘滞阻力减小，雾滴尺寸分布更为均匀，弥散程度加大，从而提高了细水雾与火羽流的空间吸收效果，大量雾滴到达火焰根部，将与火焰发生热量交换，降低火焰温度，致使维持火焰燃烧的离子产生速率下降。同时，给细水雾荷负电，能够直接捕获火焰中的阳离子生成中性分子，使火焰化学离子反应活性降低，导致火焰中离子浓度、能量梯度减小。而燃烧链式反应的链引发是高吸热过程，该过程需要较高的活化能，能量的减少阻碍了分子间碰撞产生活化分子，抑制了链传递及自由基的生成，链终止反应又是高放热过程，化学链的中断使得没有更多的热量去破坏旧的化学键进行新的化学反应，当链增长速率不及链终止速率时，燃烧将被终止，熄灭时间减少，如图6。普通细水雾是依靠自身的冷却慢慢地控制火焰温度，最终通过隔离、窒息、衰减热辐射将火焰熄灭，但熄灭时间较长，如图3。这就有效证明了带电细水雾能够迅速降低火焰温度，而不是单纯通过冷却将火焰温度降低。随着针－环状电极半径和两电极间

图7 环径5.5cm在－5kV下温度变化曲线Fig.7 Temperature curve at－5kV with ring size of 5.5cm

5 结论

本文通过改变电压的极性和大小、针－环状电极的半径及其距伞罩电极之间的距离等条件，进行了多种工况下带电细水雾的灭火实验研究，初步得出以下结论：

（1）带电细水雾比普通细水雾能够用较少的时间熄灭柴油火。虽然荷负电的细水雾有较好的灭火距的减小，降温效果更加明显，将用更少的时间熄灭火焰，如图7、图8。效果，但是荷正电的细水雾也能有效地抑制火焰发展，降低火焰温度及火焰高度，控制燃烧规模。随着荷电电压的增加，灭火效率显著增强。

图8 两极间距1.5cm在－5kV下温度变化曲Fig.8 Temperature curve at－5kV with poles spacing of 1.5cm

（2）针－环状电极的半径及其距伞罩电极之间的距离对细水雾的荷电效果影响很大。它们的减小，增强了电离程度，增加了火焰区域的细水雾通量，使雾滴更容易穿透火羽流到达火源，促进正负电荷的中和反应，抑制燃烧。

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Experimental study on extinguishment of fire by charged water mist

ZHAO Feng，WANG Xu

（School of safety engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

This paper presents a design of an induction charging device by the principle of electrostatic induction to make water mist be forced charged.By using this device，the extinguishment of fire by charged water mist was experimentally investigated.As for the fire extinguishing efficiency，we conducted the small-scale experiments in a limited space，by changing the voltage polarity and magnitude，radius of needle-ring electrode and the distance from the needle-ring electrode to umbrella cover electrode，whereby the fire extinguishing time and thermocouple temperature under different conditions were examined.The results show that compared to ordinary water mist，the charged water mist can reduce the flame temperature and extinguish the flame more quickly.The negatively charged water mist has a better inhibitory effect than the positively charged water mist.The fire extinguishing effectiveness could be improved and the extinguishment time could be reduced by increasing the voltage or decreasing of the radius of the needle-ring electrode and the distance between the two electrodes.

Electrostatic induction；Induction charging；Charged water mist；Fire extinguishing efficiency

X932；X915.5

A

2012-03-30；修改日期：2012-06-01

赵 枫（1986-），男，黑龙江大庆人，沈阳航空航天大学安全工程学院硕士研究生，安全技术及工程专业，研究方向是防火防爆工程与技术。

王 旭，E-mail：wangx1960＠126.com

1004-5309（2012）-0153-06

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.03.07