馬鴻雁,余明高,安 安

(1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003;

2.河南理工大學河南省煤礦瓦斯與火災防治重點實驗室,河南焦作 454003)

超細水霧抑制酒精火有效性實驗研究

馬鴻雁1,2,余明高1,2,安 安1,2

(1.河南理工大學安全科學與工程學院,河南焦作 454003;

2.河南理工大學河南省煤礦瓦斯與火災防治重點實驗室,河南焦作 454003)

為了研究超細水霧對酒精火的抑制效果,通過搭建超細水霧抑制受限空間酒清火燃燒的小尺寸實驗平臺,利用基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率計算方法,研究超細水霧與酒精火焰相互作用時,酒精火火焰的變化規(guī)律及酒精火的熱釋放速率,與此同時,采用高速攝像儀對火焰進行拍攝,利用Matlab圖像處理程序?qū)Σ杉幕鹧鎴D片剖面進行處理。研究發(fā)現(xiàn):施加超細水霧后,不同霧通量,不同酒精預燃時間都對超細水霧抑制酒精火的有效性產(chǎn)生影響。另外,200ml/min霧通量的超細水霧要比150ml/min超細水霧抑制效果要明顯,滅火時間提前52s。

超細水霧;熱釋放速率;抑制;有效性

0 引言

自1987年加拿大蒙特利爾公約簽訂以來,國際火災安全領(lǐng)域一直在尋找鹵代烷滅火劑的替代產(chǎn)品。細水霧滅火技術(shù)具有無污染、滅火迅速、用水量少,對防護對象破壞性小等優(yōu)點,被認為是鹵代皖滅火劑的主要替代品之一[1]。自上世紀80年代開始,世界各國對細水霧滅火技術(shù)開展了廣泛深入的研究,取得了一系列重要成果。

近幾年來,第二代細水霧滅火技術(shù)——超細水霧[2-5],因其自身的特性,在抑制熄滅火災方面越來越受到各國研究者的關(guān)注。Zegers等人[6]對超細水霧抑制熄滅丙烷逆流擴散火焰進行了實驗研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)超細水霧的霧滴粒徑在14μm～30μm之間時,超細水霧熄滅火焰的霧滴濃度保持一固定值,隨著霧滴粒徑增加到30μm～42μm之間時,超細水霧熄滅火焰的霧滴濃度也隨之增高。Adiga等人[7]對超細水霧抑制熄滅受限空間電纜火展開實驗研究,表明超細水霧可以熄滅固體電纜火。林霖[8]用小型風洞研究了超聲霧化細水霧對固體可燃物火焰蔓延速度的影響,結(jié)果表明超細水霧可以有效抑制固體火焰蔓延,并且抑制作用隨著超細水霧速度的增大而增強。陳曉坤等人[9]進行了超細水霧抑制瓦斯爆炸的實驗研究。陳呂義等人[10]進行了超細水霧抑制受限空間轟燃的有效性研究,結(jié)果指出霧通量,施加時間,施加位置是影響超細水霧抑制轟然效果的三個重要影響因素。

本文研究常溫常壓條件下超細水霧抑制受限空間酒精火的燃燒,通過測量計算超細水霧作用前后熱釋放速率的變化來表征水霧的作用效果,并利用Matlab數(shù)字圖像處理程序?qū)υ囼瀳D片進行溫度場定性分析。依據(jù)此基本思想,通過構(gòu)建模擬實驗平臺,對超細水霧抑制受限空間內(nèi)酒精火的有效性進行實驗研究,總結(jié)其影響因素,為超細水霧滅火系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展提供相應的試驗依據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)及實驗方法

1.1 實驗裝置

圖1給出了超細水霧抑制酒清火的模擬實驗系統(tǒng)圖。實驗系統(tǒng)共分為五個部分:超細水霧滅火系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng)、數(shù)字溫度采集儀、高速攝像儀、微機工作站等設(shè)備組成。

(1)受限空間。本實驗采用小尺度受限空間(0.53m×0.53m×0.6m)。受限空間的框架采用鋼制結(jié)構(gòu),四面全部采用鋼化玻璃封裝,以保證一定的隔熱效果和密封性;受限空間上部由集煙罩和煙囪兩部分組成。集煙罩是錐形的,下表面的尺寸為0.53m×0.53m,上表面的尺寸為0.13m×0.13m,高為0.3m,它是用來收集在實驗過程中生成的所有燃燒產(chǎn)物。煙囪尺寸0.13m×0.13m×1m,在它的側(cè)面打一個孔,用來采集煙氣成分;

(2)超細水霧發(fā)生系統(tǒng)。超細水霧發(fā)生系統(tǒng)如圖2所示,霧化池由0.6m×0.32m×0.4m的不銹鋼板制成。底部安裝4只超聲波霧化片,每只霧化片流量為50ml/min,超聲波霧化片通過超聲波振蕩器,使水產(chǎn)生超聲波振蕩,將水轉(zhuǎn)化為5μm～40μm的微粒。內(nèi)壁右端距離底面15CM處安裝風扇,實驗過程中打開霧化器的電源,超細水霧發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)部的超細水霧通過內(nèi)徑為0.12m,長度為0.5m的塑料排氣管,從受限空間上部的管道口處,從而進入受限空間。

(3)電子稱重系統(tǒng)。受限空間的幾何中心處放置一個電子天平,其測量范圍為0g～500g,測量精度為0.001kg,主要用于測量可燃物在燃燒過程中的質(zhì)量損失;

(4)燃燒器。燃燒平臺為直徑為0.14m,深度為0.025m的鐵質(zhì)燃料盤;

(5)熱電偶測溫系統(tǒng)。使用鎳鉻-鎳硅熱電偶,在受限空間的燃料盤中央正上方安裝上表面中心0.05m處布置一個,并沿著表面中心線向上每隔0.07m布置一個熱電偶,各個熱電偶依次編為1,2,3號。這些熱電偶主要用來觀察通水霧前后火焰溫度分布及其變化情況;

(6)煙氣分析系統(tǒng)。本實驗采用PG-250A型燃燒分析儀對煙氣成分進行動態(tài)測量,可以采集氧氣、二氧化碳、一氧化碳等多種氣體成分;

(7)數(shù)字圖像采集系統(tǒng)。在受限空間正前方0.5m處放置德國尼康公司生產(chǎn)的Davis-D72高速攝像機,此高速攝像機的最高拍攝速度為10萬fps,最小曝光時間20萬分之一秒,根據(jù)實驗需要設(shè)置拍攝速度為1000fps,曝光時間1500分之一秒。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 System of experiment

圖2超細水霧發(fā)生系統(tǒng)示意圖Fig.2 G eneration system of ultra-fine water mist

表1 實驗工況Table 1 Cases studied

1.2 實驗方法

1.2.1 試驗工況

實驗過程中燃料試樣均為20g的分析純酒精,通過改變超細水霧施加與否、預燃時間、流量、及施加時間得到實驗工況,如表1所示。

1.2.2 實驗內(nèi)容

實驗之前,首先依次檢查電路、管路的連接狀況和實驗設(shè)備的工況,以確保儀器正常運轉(zhuǎn)。在實驗時,將液體可燃物引燃后,放入受限空間燃燒器中央,立即啟動煙氣分析儀,溫度采集儀及其相關(guān)工作站,按照相應工況的預燃時間要求開啟霧化器電源,產(chǎn)生超細水霧,伴隨超細水霧的施加過程,同時測得受限空間內(nèi)部溫度和煙氣組分的濃度的狀況,并自動對數(shù)據(jù)進行保存。

實驗結(jié)束后,關(guān)閉所有儀器的電源,清理實驗環(huán)境,敞開受限空間30min左右,使實驗系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài),再開始第二次實驗,這期間整理相關(guān)實驗記錄,做好存儲以便分析。

2 熱釋放速率測量原理

2.1 熱釋放速率測量方法的確定

熱釋放速率是衡量火災危害程度的一個重要參數(shù),其重要性在于它控制和影響了其他燃燒性能參數(shù)[11]。測量熱釋放速率的方法主要有基于氧消耗原理的熱釋放速率測試方法和基于質(zhì)量損失速率的熱釋放速率測試方法?；竞难踉淼臏y量方法是目前較為常用的測量方法,但在測量時必須將全部燃燒產(chǎn)物收集起來并移走,經(jīng)過充分混合后在排氣管下流測量氣體的流量和成份,本文的設(shè)計試驗裝置顯然并不適合使用這種測量方法計算熱釋放速率。

基本質(zhì)量損失速率的測量方法相對計算簡單。實驗時將裝有可燃物的油盤放置在電子天平上,通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接測定可燃物質(zhì)量隨時間的變化,并換算為可燃物的質(zhì)量損失速率m,可燃物的燃燒效率可以利用煙氣分析儀直接測量出來,這樣就可以根據(jù)式(1)計算滅火過程中可燃物的熱釋放速率。因為超細水霧霧滴直徑小于50μm,沉降速率慢,更易懸浮于空中,所以實驗過程中落于電子天平上的水霧質(zhì)量可以忽略不計。所以在本文中采用基于質(zhì)量損失速率的測量方法來計算熱釋放速率。

2.2 基于質(zhì)量損失速率的測量方法

運用下式計算基于質(zhì)量損失速率的測試方法計算可燃物的熱釋放速率:

式中:Q為可燃物的熱釋放速率,kW;m為可燃物的質(zhì)量損失速率,kg/s;Hu為可燃物的平均熱值,kJ/kg(酒精平均熱值為3.0×104kJ/kg);χ為可燃物的燃燒效率,%(因?qū)嶒炛羞x用分析純酒精,則χ近似值為1[12])。

3 超細水霧抑制受限空間酒清火實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗現(xiàn)象描述

圖3至圖6為4組用Matlab處理過的不同工況下酒精火焰的灰度圖片:

圖6 工況5Fig.6 Case NO.5

從以上幾幅圖片可以看出,各個工況下的火焰高速火焰面積都有很大的差別。其中,在無超細水霧和超細水霧的情況差別較明顯,從工況2與工況1的圖片對比可以看出,火焰高度與面積的變化,超細水霧下火焰高度明顯較低,火焰面積明顯縮小。從工況2與工況3的對比可以看出,預燃時間越長火焰面積反而會更大,酒精燃燒更加劇烈。從工況3與工況5的對比可以看出,霧通量大的時候圖片火焰光線的折射明顯加強,實驗場的亮度明顯要略高于前者。

實驗發(fā)現(xiàn):施加超細水霧瞬間具有助燃火焰的作用,表現(xiàn)為火焰尺寸快速增大為至為施加超細水霧前的1～2倍,火焰不斷跳躍,隨著超細水霧的繼續(xù)施加,助燃現(xiàn)象弱化,火焰高度及溫度快速下降,直至火焰被熄滅。

3.2 超細水霧抑制受限空間酒精火熱釋放速率分析

圖7 超細水霧施加與否熱釋放速率隨時間的變化Fig.7 Heat release rate variation curve with or not ultra-fine w ater mist

3.2.1 超細水霧施加與否對酒精火熱釋放速率影響

圖7為酒精自由燃燒和施加超細水霧后火源熱釋放速率隨時間的變化曲線圖,從工況1可以看出酒精自由燃燒時熱釋放速率曲線可以分成三個階段。第一個階段是從點燃后到40s,這個階段酒精火的熱釋放速率升高速率急劇增大;第二個階段是從40s～110s,這個階段酒精火的熱釋放速率變化較小,熱釋放速率的最大值5.2kW出現(xiàn)在這個階段;第三個階段是110s后的衰減階段,酒精的熱釋放速率呈現(xiàn)快速下降的狀態(tài)。

對于工況2來說,當預燃20s時施加超細水霧,火源熱釋放速率開始下降,這是因為超細水霧霧滴粒徑為5μm～40μm,在施加超細水霧初期受限空間溫度較高,霧滴不能穿過熱煙氣層和高溫火焰區(qū)達到液體表面,被上升的火羽流帶出火焰區(qū),同時吸收高溫煙氣和火焰的熱輻射形成高溫水蒸氣層,冷卻火源周圍空間;后期,由于燃燒蒸發(fā)率的降低,酒精火釋放的熱量減少,火羽流的上升浮力減弱,卷吸進入火焰區(qū)的霧滴穿過熱煙氣層和火焰時不完全蒸發(fā),到達燃燒表面,起到表面冷卻的作用,最終達到抑制酒精火火焰的效果。

圖8 不同預燃時間熱釋放速率隨時間的變化Fig.8 Heat release rate variation curve at different pre-ignition time

3.2.2 預燃時間對酒精火熱釋放速率影響

以工況2和工況3為例,預燃時間為20s和50s條件下對火源熱釋放速率進行對比如圖8所示。實驗中,工況2預燃20s時,開始施加超細水霧,酒精火火源熱釋放速率在起初的35s內(nèi)迅速下降,隨后55s內(nèi)酒精火火源熱釋放速率基本保持平穩(wěn)狀態(tài),最后60s內(nèi)酒精火火源熱釋放速率逐漸下降。在施加超細水霧的整個過程中,酒精火火源熱釋放速率的峰值比自由燃燒時消減了42%;工況3為,預燃50s時施加超細水霧,酒精火火源熱釋放速率呈現(xiàn)逐漸下降的態(tài)勢,因酒精在點燃40s后已達到穩(wěn)定狀態(tài),所以熱釋放速率的峰值比自由燃燒時酒精火的峰值僅消減了1%。實驗表明,酒精火未充分燃燒時,施加超水霧可以更為有效的抑制酒精燃燒。

圖9 不同耗水流量火源熱釋放速率變化曲線Fig.9 H ear release rate variation curve at different w ater flux

3.2.3 不同耗水流量對酒精火熱釋放速率影響

實驗中發(fā)現(xiàn)單位時間內(nèi)消耗水的多少對于抑制熄滅酒精火焰起到關(guān)鍵作用。施加超細水霧時耗水流量的不同對于抑制火源功率、預燃時間、施加時間相同的酒精火的燃燒也有不同的效果。以工況3和5為例,預燃時間均為50s的條件下,在第50s時開始施加超細水霧,實驗得出的熱釋放速率曲線對比如圖9所示,工況4為施加耗水流量為150ml/min的超細水霧70s后,火源熱釋放速率呈現(xiàn)緩慢下降狀態(tài);而工況5施加耗水流量為200ml/min的超細水霧,火源熱釋放速率下降速率明顯高于工況3,在實驗中觀察到酒精火焰高度明顯下降。實驗表明耗水量的大小是影響超細水霧抑制酒精燃燒的重要因素之一。

3.3 超細水霧對酒精火溫度場分布的影響

利用Matlab數(shù)字圖像處理程序中的improfile指令可以處理圖像的剖面像素分布,針對火焰圖像而言,可以間接定性的分析火焰的溫度場的分布情況,從而為為定性的描述火焰特性提供可信的參考和依據(jù)。本文針對酒精火在不同工況下的圖片,利用improfile指令,沿圖片中軸線分析火焰在縱向上的溫度場分布。所選圖片均為各工況下燃燒最為劇烈是的圖片。圖10至圖12為各工況下,像素對比圖,縱坐標為像素值0～255,橫坐標為火焰縱向高度。

從以上三幅圖,可以得出以下三個結(jié)論:

(1)從工況1和工況2的縱向像素對比可以得出:超細水霧施加后火焰高度明顯降低,高溫區(qū)面積縮小,兩種工況下火焰外圍溫度要高于內(nèi)焰溫度,說明超細水霧在施加后被迅速蒸發(fā),沒有對火焰形成包裹和隔離空氣的作用,但只是暫時的起到了抑制的作用,只要酒精火焰繼續(xù)燃燒,150ml/min霧通量的超細水霧是很難起到抑制作用的。

(2)從工況2和工況3的縱向像素對比可以得出,超細水霧作用下,預燃50s的酒精火的高溫區(qū)要比預燃20s的酒精火的大很多,至少是預燃20s的酒精火的2倍;另外預燃50秒的酒精火在超細水霧的作用下的火焰高度比預燃20s的酒精火高許多。從以上兩點分析得出,超細水霧施加的早晚直接影響了滅火效能,施加越早抑制效果越好,施加的較晚則有可能對酒精火起到助燃的作用,與前面圖片現(xiàn)象和熱釋放速率分析一致。

(3)從工況3和工況5的縱向像素對比可以得出:在其他條件不變的情況下,霧通量為200ml/min的超細水霧比霧通量為150ml/min的超細水霧抑制酒精火的效能要高許多,主要從以下兩個方體現(xiàn):①工況5的火焰溫度場分布于工況3的火焰溫度場分布相反,前者是外圍火焰溫度低,內(nèi)焰高,后者則與其相反,說明當霧通量充足時,超細水霧能起到很好的包裹作用,其外圍的高溫水蒸氣能帶走大量的熱量,能較有效的抑制酒精火的發(fā)展,能逐漸將酒精火熄滅;②霧通量200ml/min的超細水霧比霧通量為150ml/min的抑制效果還可以通過控制的火焰面積上進行對比,前者控制的火焰面積明顯要小于后者,而且從前面的圖片分析可以得出,霧通量大的情況下,酒精火焰能出現(xiàn)駐留的現(xiàn)象,這更證明了霧通量的大小對抑制效果的影響是很重要的。

4 結(jié)論

(1)不同霧通量下,霧通量越大則抑制效果越好,相比工況3和工況5兩種霧通量下火焰熄滅時間至少相差50s。

(2)酒精火在沒有達到穩(wěn)定燃燒之前,熱釋放速率隨預燃時間的增加而迅速增大,使滅火所需的時間也相應的增長,在施加150ml/min的超細水霧下,兩種預燃工況的抑制效能相差41%。

(3)Matlab所處理的灰度圖片顯示,超細水霧施加前火焰的外圍火焰溫度高于內(nèi)部,而施加后溫度分布相反,超細水霧對酒精火的抑制作用起到了水霧包裹火焰冷卻降溫和隔絕氧氣的作用。

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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

國家自然科學基金(50974055);教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”(IRT0618);河南省高校新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(2005HANCET-05)。

馬鴻雁(1978-),女,河南焦作人,在讀碩士研究生,助理工程師,主要研究方向為火災防治理論及技術(shù)。