消防水幕灭火系统对火焰抑制效果的研究

刘 虎

(天津市消防救援总队西青支队 天津300384)

消防水幕灭火系统是抑制火灾发生的有效工具之一，它是通过密集射水，对防火分隔物进行冷却降温，阻止火焰蔓延。在无法设置防火分隔物的部位，可在该部位设置防火分隔水幕灭火系统，用来对较大空间进行防火分隔，以阻止火势蔓延扩张，从而达到阻止火势蔓延的目的。其冷却和灭火的作用都是通过水幕喷头来实现的，例如：在剧场主台与观众厅、后台、侧台以及观众厅到主舞台间的舞台口设降温水幕保护，当发生火灾时可迅速降下防火水幕，以确保舞台上人员逃生。防火水幕可有效隔断火势向观众厅蔓延，并阻挡观众视线，减轻观众恐慌心理，当防火水幕降到底时，水幕与火幕连锁启动消防水泵向防火幕喷水，同时信号也传递至起火建筑的消防控制中心，利用幕状水流吸收火灾产生的热量，有效吸附烟气中颗粒物以及一些有害气体，幕状水流对火舌卷流及烟气能够起到一定的阻隔作用，可以最大限度地降低起火建筑内部的财产损失，为被困人员提供充足的紧急逃生时间[1]。

1 消防水幕灭火系统灭火机理

在水幕系统灭火过程中，燃烧物在一定空间内释放热量所形成的温度场是反沿空间，位置不同而且也随时间变化，因此这是一种非稳态温度场。水幕灭火其实就是利用水导热特性的过程，这种导热称为非稳态导热。灭火的机理就是运用水吸收或传导燃烧所放出的热量。然而水的这种传热特性是通过热传导、热对流和热辐射来完成的，因此为研究水幕的灭火机理，我们就有必要对这3 种传热方式进行分析[2]。

2 热传导

热的传递过程与温度在物体内部的分布-温度场有密切关系，T＝F(X·Y·Z·R)，表示空间内各点的温度随时间而变化，这种不稳定温度场内各点的热流必然随时间变化，但是流体的导热过程必须遵循着能量守恒定律。这就可以说明，在热的传导过程中，燃烧物质所放出的热量以一种多维不稳定导热的方式传递给水层，再通过水的流动把热量传递走。而水从水幕喷头射出后，是否能有效地起到这一作用，取决于流体的物理性质，因为这是影响流体换热的重要因素。影响流体运动和换热的物性参数有热导系数、比热、传热速率、动力粘性系数和密度[3]。

热导系数和传热的速率对传热有很大的关系，水溶液的热导系数在液体中最高，然而随着热量传递的加剧，水溶液的热导系数随着温度的升高而降低。在水溶液中，分子的距离比气体小得多，分子的运动主要是弹性震动，震动的能量通过相邻分子进行传递，液体热导系数对压力不甚敏感，特别是当压力不太靠近临近压力时，这种情况更能表现出来。因此温度的变化是通常要考虑的唯一影响因素，饱和状态是测定热导系数的条件，在这一状态下具有单值性。参考饱和水的参数见表1。

表1 饱和水的参数Tab.1 Parameters of saturated water

氨、二氧化硫等一般性液体的热导系数随温度升高而降低，而水例外，从表1 可以看出，水的热扩散系数由常温下的0.005 2 英尺2/时，慢慢上升，至300 ℃时其扩散系数升至0.006 7 英尺2/时，而后又随温度升高而下降，到600 ℃时，其下降到0.005 2 英尺2/时，如表所示，其比热值在常温范围内保持着一定的稳定值，当温度上升时其比热值也就随之上升。而质量密度，正好和比热值相反，它是随温度升高慢慢下降的[4]。

为了能更好的利用水源，要把传热速度提高到最大，通过对公式传热速度＝传热温差(推动力)/热阻的分析我们可以看出，要想提高其性能，在灭火过程中更好的起到灭火作用，要求火灾发生后火灾探测系统最短时间探测到火情，水幕喷头以最大压力喷出水，以便在最短时间内把温度差升到最高。

3 热对流

3.1 对流种类

对流是伴随着流体运动而发生的传递过程，工程上把流体和壁面形成的传热过程称之为对流传热。因液体产生运动的原因不同可分为强制对流和自然对流。强制对流由于受到某种外力的作用，在流体内造成压差，推动流体做受迫运动时的换热是受迫对流换热，它是在外力推动下完成的；自然对流由于流体内部各处温度不同造成密度的差异，在浮力作用下发生运动时的换热称为自然对流热，它是受热流体的浮力运动引起的。对流给热系数α反映对流给热过程的强弱，但它不是介质的性质，它反映流速、液体性质、流道尺寸和形状等因素，对传热过程都有一定的影响[5]。

3.2 对流换热原理

如图1 所示，由于两者之间有温度差，就会有热量的传递，这种流体和固体之间的表面换热就是我们这里所介绍的对流换热。由于粘性流体微团粘附于壁面，其速度为零。沿壁面法向流速逐渐增加到Umax，温度则由Tw变为T∞，若T∞＞Tw，则热量自流体传向壁面，反之若T∞＜Tw则热量自壁面传向流体。对流换热时，流体和壁面间传递的热量是通过紧贴壁面的流体沿壁面层法向导热而实现的，但和固体内单纯导热不同。以Tw＞Tmax为例，当热能通过导热自壁面传入流体后，一部分是以焓的形式被运动的流体带向下游，这也就是热对流；另一部分则以热量形式通过导热传向离壁稍远的流体层。所以，对流换热是导热和热对流共同作用的结果。

图1 壁面附近流体中的速度和温度分布Fig.1 Velocity and temperature distribution in fluid near wall

4 热辐射

同水在灭火过程中类似，由于物质的燃烧过程中也存在着一种不接触传热方式，这样两个不接触的物体表面，或者固体、液体与周围气体间的相互辐射和吸收，就构成了辐射换热和辐射传热过程，引起能量从温度较高的一方朝着温度较低的另一方转移。当辐射能落到物体表面上时，一部分能量可能被物体所吸收，另一部分可能被物体表面反射出去，还有一部分可能透过物体。吸收率、反射率和透过率直接影响了总入射辐射、总反射辐射和总透射辐射的辐射量大小。一般来说，物体表面吸收率同入射辐射方向、入射辐射光谱分布、受辐射表面的成分与结构以及表面温度有关。对反射和透过率来说，其反射和透射能量同光谱和方向也有关系，故增加了辐射传热的复杂性，当受辐射表面的成分与结构有关，在气体情况下，还与气体的几何尺寸与形状有关。而在工程上，水幕的灭火理论其实并不是导热、传热和辐射单独存在，而是相互联系，同时完成灭火的，其灭火过程实质就是水幕喷头射出的水在向下流动的过程中，通过低温的水流和高温的气流相接触，把高温的气流传递散发的过程。

5 结 语

消防水幕系统是火灾扑救中重要的工具之一，能很好地控制火势蔓延，并能及时地扑灭火灾。在消防水幕灭火系统的灭火过程中，其灭火机理是直接运用于灭火过程之中的。本文分析该系统是否能在火灾过程中有效发挥作用，对水幕系统的喷水点高度、喷水流量、入口供水压力等一系列的水幕特性参数逐一进行了分析，以更好地发挥其在灭火过程中的作用。■