细水雾对油池火热释放速率影响规律的实验研究

田　兵，陈明毅，刘家豪，丁　超，汪　箭*

(1.西藏消防总队，拉萨，850000; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)



细水雾对油池火热释放速率影响规律的实验研究

田兵1，陈明毅2，刘家豪2，丁超2，汪箭2*

(1.西藏消防总队，拉萨，850000; 2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

摘要:热释放速率是描述火灾现象的重要参数，可以表征火灾发展的强烈程度。利用大尺寸的热释放速率实验测量平台开展细水雾对不同种类油池火灭火效率的实验研究，同时分析细水雾对燃烧产物一氧化碳含量的影响。结果表明，热释放速率曲线能直接反映出细水雾对火源的作用，细水雾作用下三种燃料的热释放速率均被有效抑制，且细水雾的流量越大，对油池火的灭火效果越好。燃烧产物一氧化碳在施加细水雾时出现陡增，表明细水雾隔绝氧气，造成不完全燃烧或者燃烧熄灭。

关键词:细水雾;油池火，热释放速率，一氧化碳，灭火效率

0　引言

细水雾已经成为哈龙灭火剂的一种有效替代产品，其以无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点展示出广阔的应用前景。目前细水雾灭火作用的研究已成为国内外火灾科学前沿研究热点之一［1，2］。黄［3］等人利用锥形量热仪研究了细水雾抑制PVC火的过程，实验发现细水雾能快速扑灭PVC火，且流量越大灭火越迅速。薛［4］等人研究了细水雾作用下原木楞堆燃烧特性，研究发现雾通量大的细水雾灭楞堆火更迅速。陆［5］等人对细水雾对于灭油池火时的各种影响因素进行了研究，发现在扑灭燃料闪点较高的油池火时，雾滴的动量分布对细水雾的灭火有效性影响更大。李［6］等人针对细水雾体系中颗粒大小不明确的问题，研究了细水雾抑制煤油火的最佳雾滴大小。

热释放速率作为研究火灾时的重要参数［7，8］，在大量的实验研究中得到广泛关注［9，10］。基于燃烧耗氧原理及相应技术的锥形量热仪(ISO5660)［11］和全尺寸热释放速率测试(ISO9705)［12］被广泛用于测量材料燃烧热释放速率。

本文利用大尺寸热释放速率测试平台开展了细水雾对不同种类油池火灭火有效性的实验研究，分析了不同雾通量下油池火的灭火效率，为今后细水雾灭油池火提供了相应的理论及实验依据。

1　实验装置及测试方法

本次实验的热释放速率测试平台和细水雾系统如图1所示。热释放速率测试平台是根据ISO9705实体房间火试验平台和ISO5660锥形量热仪平台搭建的大尺寸燃烧热释放速率测试平台。该实验平台尺寸是1.2 m×1.2 m×1.2 m，四周是钢板，底部四周通风口高度为0.15 m。实验中燃烧的气体产物通过排烟管道排出，在排烟管道中部采集气体样本，通过气体分析仪分析气体成分，通过计算得出热释放速率。热释放速率的测量方法是基于氧耗法原理，氧耗法由于其简单易于操作和高精度，是应用最广泛的测量热释放速率的方法。它的原理是燃料完全燃烧时消耗单位质量氧气所释放的净热为一定值E=13.1 MJ/kg［13］，且该值误差不超过±5%。因此热释放速率用公式表示为:

细水雾系统由细水雾喷头、储水罐、水泵、流量计和管路组成，其中水泵的工作压力为0 MPa～6 MPa。细水雾喷头选用的是多喷嘴形两相流细水雾喷头，雾化锥角为120°，雾化产生的细水雾能完全覆盖整个实验腔体。实验分别采用5 L/min，6 L/min，7 L/min和8 L/min四种工作喷头流量，保持喷头的工作压力稳定以恒定细水雾流量。实验燃料分别选用无水乙醇、正庚烷和航空煤油，油盆为直径30 cm的圆形钢盆，每组试验样品量均为400 ml，细水雾喷头位于油盆正上方100 cm处。开始实验时，从点火开始计时，当燃料稳定燃烧一段时间后，开启细水雾，火焰熄灭后关上细水雾系统，过程中记录开启细水雾时间和灭火结束时间。

图1　实验装置示意图Fig.1 Experimental apparatus for measuring the heat release rate of pool fires interacted with water mist

2　实验结果与讨论

细水雾灭火的主要机理是吸热、置换氧气和隔绝热辐射。向火焰施加细水雾后，水雾主要通过三种途径吸热:从高温气体和火焰、燃料和火焰附近的物体。同时雾滴周围的空气将被水蒸气取代，如果用于燃烧的氧气浓度降至临界值以下，燃烧的效率会降低，火焰很容易被扑灭。衰减辐射主要是阻止火焰向未燃的燃料表面蔓延，并降低燃料表面的蒸发或热解速率。从宏观的角度来说，不管是否能扑灭火焰，细水雾对辐射的衰减作用都可以保护目标和人员免受热辐射的损害［15-17］。

图2是5组无水乙醇燃烧-细水雾实验的热释放速率曲线，包括不施加细水雾和施加细水雾两种情况，施加细水雾时细水雾流量分别为5 L/min，6 L/min，7 L/min，8 L/min。在不施加细水雾时无水乙醇能稳定燃烧200 s，热释放速率峰值大约在11.2 kW左右，之后热释放速率降低的过程很缓慢。在稳定燃烧一段时间后(约100 s)，对无水乙醇池火施加细水雾。实验发现，在对无水乙醇施加细水雾后，其热释放速率能很快降低。对5 L/min和6 L/min两种雾通量较小的情况，最高峰值变为5 kW左右，主要的作用机理是微小的雾滴能迅速到达火焰的表面，吸收大量热量汽化蒸发，迅速降低燃料的热释放速率。随后，无水乙醇在5 kW左右稳定燃烧一段时间后逐渐熄灭。当施加细水雾到7 L/min时，细水雾基本能迅速的熄灭火焰。这是因为流量增大时细水雾的压力更大，雾滴粒径更小，雾滴的速度更快，粒径小的细水雾蒸发更迅速，速度快的雾滴更能克服火羽流的阻力进入火焰区，流量大的细水雾对火焰和燃料表面的吸热量大，同时也能隔绝更多的空气。对于比较大型的火灾情况，如果燃料表面没有足够的水或者燃料表面的累积水量速率与表面水的蒸发速率保持平衡，则不能将火扑灭。同时，图2中可以明显看出，流量越大，稳定燃烧的时间越短，也就是说如果有足够的细水雾施加到燃料的表面，同时有足够的时间，则火焰最终将会被扑灭，这个量决定了灭火的时间。

图2　无水乙醇燃烧-细水雾实验热释放速率曲线图Fig.2 Heat release rate variation curve of alcohol fires with or without water mist

图3　正庚烷燃烧-细水雾实验热释放速率曲线图Fig.3 Heat release rate variation curve of n-heptane fires with or without water mist

图3是正庚烷燃烧-细水雾实验的热释放速率曲线，从没有施加细水雾的热释放速率曲线上来看，正庚烷的燃烧是开始一段时间缓慢燃烧，热释放速率逐渐增大，在100 s时达到峰值，然后保持稳定燃烧。它在稳定燃烧时热释放速率峰值达到20 kW，比无水乙醇高很多。本次实验在正庚烷燃烧达到峰值20 kW，即100 s时施加细水雾，可以看出细水雾的施加对正庚烷的燃烧同样起到了抑制作用。与无水乙醇不同的是，在施加细水雾后，正庚烷热释放速率降低的速度更慢。在细水雾流量为5 L/min时，热释放速率从峰值20 kW降到7 kW左右稳定燃烧的时间是180 s，而无水乙醇在150 s左右。另外在细水雾流量达到6 L/min时，正庚烷不会再稳定燃烧，而是逐渐熄灭。这也和无水乙醇不同，无水乙醇在细水雾流量达到6 L/min时还能稳定燃烧80 s才逐渐熄灭。在细水雾流量达到7 L/min和8 L/min时，正庚烷火焰能快速熄灭。

图4　航空煤油燃烧-细水雾实验热释放速率曲线图Fig.4 Heat release rate variation curve of Jet-A fires with or without water mist

图4是航空煤油燃烧-细水雾实验的热释放速率曲线，从没有施加细水雾的热释放速率曲线上来看，航空煤油的燃烧在120 s达到峰值18 kW左右，并稳定燃烧一段时间，在200 s时热释放速率突然快速增大，并达到峰值53 kW，这和梁［18］等人的研究成果相似，即航空煤油的燃烧分为4个过程:初步增长、稳态燃烧、快速燃烧和逐渐熄灭。在这个过程中，快速燃烧阶段燃烧非常剧烈，热释放速率达到了其他时间段的3倍。所以抑制航空煤油的快速燃烧阶段对控制其导致的火灾具有重要意义。实验中在130 s施加细水雾，可以看出细水雾的施加很好地抑制了航空煤油发生快速燃烧的可能性。在流量为5 L/min时，热释放速率降至14 kW，并稳定燃烧，不会再发生剧烈的快速燃烧。和正庚烷类似，航空煤油在细水雾流量达到6 L/min时就不能够形成稳定燃烧。当流量再增大时，火势同样能够在很短时间内得到抑制并且熄灭。

表1给出了不同实验工况下，灭火时间、热释放速率峰值以及燃烧释放的能量，图5给出了对应的曲线图。灭火时间通常作为评价细水雾灭火效率的主要技术指标，灭火时间定义为细水雾施加时刻与可见火焰消失时刻这段时间间隔。实验数据表明:细水雾的通量越大，细水雾灭火的时间越短，同时燃烧的热释放速率峰值变小，燃烧释放的能量有很大的减少。相同较小的流量下细水雾对于无水乙醇的灭火效果要弱于正庚烷和航空煤油。当细水雾施加到7 L/min时，细水雾基本能迅速的熄灭火焰，三种燃料灭火时间相差不多，对于燃烧能量的抑制比例也差不多。从图5的曲线趋势来看，大量的细水雾往往能够在很短的时间内冷却火焰并隔绝氧气，从而使得火能够迅速熄灭。但是细水雾抑制油池火的效果在随着雾通量的增大，灭火效果的增量越来越小。所以说将多少通量的水应用到实际火灾中，即能够保证尽快扑灭火灾，又能提高灭火效果是之后研究工作的重点。

表1　不同工况下实验主要参数Table 1 Main parameters of experimental conditions

图5　灭火时间和燃烧能量随细水雾流量变化图Fig.5 The extinguishment time and combustion energy vs water mist flow rate

图6分别给出了无细水雾作用和有细水雾作用下无水乙醇、正庚烷和航空煤油燃烧产物一氧化碳的浓度变化。可以看出燃料在无施加细水雾时，一氧化碳浓度逐渐升高，然后随着火焰慢慢熄灭逐渐减少，其中航空煤油在快速燃烧阶段时燃烧剧烈使得一氧化碳浓度有一定增加。在施加细水雾时，一氧化碳浓度急剧增大，说明使用细水雾灭火时，燃料周围的空气将部分被快速喷出的水蒸气取代，在降低温度的同时减少了空气中氧气的浓度，使得燃料燃烧不充分，从而生成更多的一氧化碳。大量灭火实验证实，在使用细水雾抑制熄灭受限空间内的火焰或开放空间的油池火时，置换氧气(蒸汽惰性)为重要的灭火机理。一般而言，当氧气浓度低于13%时，碳氢化合物类气体和蒸气即会终止燃烧［19］。实验发现三种燃料都是在细水雾流量在6 L/min时，一氧化碳浓度出现最大值。也就是说一氧化碳浓度和细水雾流量增大的关系是先增大后减小，主要原因是:起初细水雾流量增大，隔绝氧气的效果增强，使得抑制燃烧效果增强，不完全燃烧增多，而之后细水雾流量继续增大时，燃烧已经很难维持，这时候一氧化碳浓度也就会降低。同时发现生成一氧化碳的含量，航空煤油高于正庚烷，正庚烷高于无水乙醇。航空煤油燃烧产生的高含量的一氧化碳，在施加细水雾的过程中氧化量比其他两种燃料高得多，从5 L/min细水雾的热释放速率来看，施加细水雾后，无水乙醇热释放速率降低6.2 kW，正庚烷降低13 kW，而航空煤油只降低了4 kW。在本文的研究中，不同流量细水雾都对三种燃烧产生了抑制效果，同时三种燃料都产生了一氧化碳，但是含量不同，其热释放速率降低的水平也不一样。所以细水雾对于油池火灭火中复杂的化学反应还需要进一步研究。

图6　一氧化碳气体含量曲线图Fig.6 CO production in experiments

3　结论

通过热释放速率实验平台研究细水雾对无水乙醇、正庚烷和航空煤油池火燃烧的影响规律，可以得到以下结论:

(1)在进行的三种燃料的细水雾灭火实验中，细水雾主要通过吸收火焰和燃料表面热量和隔绝空气中的氧气两种机理来达到降低热释放速率乃至灭火的目的。

(2)施加细水雾后，无水乙醇、正庚烷和航空煤油的热释放速率都迅速下降。同时，细水雾会隔绝空气，增大其不完全燃烧，使得一氧化碳浓度增大，在6 L/min时一氧化碳浓度达到最大，之后细水雾通量的增大会使得燃烧很难维持，直至熄灭，一氧化碳含量又会降低。

(3)细水雾系统的工作流量越大，灭油池火的速度越快，对于小流量的细水雾来说，正庚烷和航空煤油的火焰更容易被细水雾抑制，对于大流量细水雾，三种燃料都能迅速熄灭。

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Experimental study on heat release rate of pool fire interacted with water mist

TIAN Bing1，CHEN Mingyi2，LIU Jiahao2，DING Chao2，WANG Jian2
(1.Tibet fire Brigade，Lhasa 850000，China;
2.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)

Abstract:The heat release rate is an important parameter to characterize the flammability of fuels and their consequent fire hazard.In this paper，a large-scale heat release rate measurement platform was employed to evaluate the efficiency of fire extinguishment of water mist when acting on three liquid fuel pool fires.The effect of water mist on the combustion product CO was also investigated.It was found that the heat release rate curve is a direct reflection of water mist influence.The three type pool fires can be effectively suppressed or weakened by the water mist.The extinguishing performance of water mist is mainly determined by water mist pressure.Carbon monoxide increases sharply at the moment of water mist releasing，indicating that the water mist can insulate oxygen and further result in incomplete combustion.

Keyword: Water mist; Pool fire; Heat release rate; CO; Extinguish efficiency

通讯作者:汪箭，E-mail: wangj@ustc.edu.cn

作者简介:田兵(1975-)，男，四川自贡人，西藏自治区消防总队高级工程师，主要从事消防监督管理及火灾事故调查工作。

收稿日期:2015-04-11;修改日期: 2015-05-20

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2015.03.03

文章编号:1004-5309(2015) -00136-06

中图分类号:X932; TK16

文献标识码:A