劉燁明 孫舒 畢勝奕

（1.天津保泰安全技術服務有限公司，天津 300450；2.湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068）

0 引言

針對傳統(tǒng)滅火技術的種種不足，經過各國科學家共同攻關和研究，已經提出了一系列新型滅火技術，新一代滅火技術在滅火材料選擇和滅火性能優(yōu)化方面進行很大改進，新一代滅火技術包括潔凈氣體滅火技術、高倍數泡沫滅火技術、細水霧滅火技術[1-2]。因此，深入研究細水霧滅火性能，尤其增加表面活性劑的細水霧滅火性能，可以有效提高滅火能力，并對拓寬細水霧使用范圍有著至關重要的作用。

1 細水霧滅火機理分析

細水霧滅火過程相對復雜，經過廣大學者的多年研究，基本上得到了以下幾個方面的共識[3-5]：

1.1 細水霧對火焰中心區(qū)冷卻作用

細水霧的冷卻降溫作用集中體現在燃燒物表面和氣相火焰部分，水霧吸熱方式表現為沸騰傳熱，這主要依靠液滴的高強霧動量穿透高溫煙氣場，最終順利進入火焰區(qū)和燃燒表面。

1.2 細水霧對氣相產物降溫作用

火蔓延過程將產生大量的熱煙氣流，細水霧液滴經過熱對流作用和熱傳導作用實現對氣相高溫煙氣流的降溫冷卻。細水霧粒徑大小與液滴蒸發(fā)速率對吸熱性能均有影響，表1[6]為超細水霧和一級細水霧的吸熱性能對比表。

表1 細水霧吸熱性能對比表

由表1 可知，細水霧霧滴在高溫氣流作用下，迅速汽化，降低高溫氣流溫度，減少了高溫氣流對燃料表面熱反饋，使火蔓延得到有效控制。細水霧粒徑越大，吸熱蒸發(fā)速率越慢，但其吸熱量增加，吸熱速率與吸熱量成反比趨勢，所以細水霧的粒徑研究十分有必要。

1.3 衰減熱輻射作用

細水霧滅火過程中，水蒸氣、二氧化碳在火焰周圍形成蒸氣幕，可降低火羽流熱輻射，Korobeinichev等[7]研究結果表明，細水霧衰減熱輻射是吸熱與散射共同作用的結果。

1.4 細水霧火焰窒息作用

細水霧液滴吸熱蒸發(fā)過程中吸收大量熱量，體積劇烈膨脹，擴大至原體積的1 700 多倍。這引起火焰區(qū)周圍氧氣濃度迅速降低，燃燒因缺氧而受到抑制或終止。當火焰溫度達到1 000 K 時，不同粒徑細水霧的霧滴蒸發(fā)時間如下表2 所示[8]，表2 中數據可以得出50 μm 的霧滴僅需0.003 s 即可汽化，對火區(qū)進行有效覆蓋，對滅火有著重大意義。

表2 液滴蒸發(fā)時間表

1.5 細水霧對液體燃料的乳化作用

當細水霧用于撲滅可燃液體類火災時，細水霧液滴沖擊液體燃料表面，形成難燃乳化層。一方面燃料表面乳化層可降低液體燃料的蒸發(fā)速度；另一方面乳化層起到阻燃隔氧作用。

1.6 細水霧施加的動力學作用

細水霧施加導致火焰周圍氣流擾動增強且空氣卷吸作用加強，火焰被拉伸、撕裂而失穩(wěn)熄滅，火災規(guī)模極小的情況下可以直接實現滅火的目的。

2 細水霧滅火實驗

2.1 實驗系統(tǒng)介紹

根據細水霧的滅火機理，本次實驗設計了多種工況下的油池火滅火實驗。細水霧滅火系統(tǒng)由細水霧發(fā)生系統(tǒng)、數據測量系統(tǒng)、火焰發(fā)生系統(tǒng)組成。

圖2 細水霧滅火系統(tǒng)實物圖

細水霧噴頭選用霧化效果較好的旋芯式噴頭，霧滴粒徑分布分別為200 μm、400 μm?；鹧鏈囟炔杉褂梦⒓殶犭娕冀M成熱電偶樹，測量火焰軸向溫度及火焰底部溫度，溫度數據經過數據采集儀（DataTaker）輸入電腦，分析普通細水霧、含表面活性劑細水霧與庚烷火相互作用過程中溫度變化規(guī)律。攝像機置于距離油池50 cm 處，拍攝細水霧與火焰相互作用過程中火焰形態(tài)，將采集到的細水霧抑制火焰發(fā)展過程輸入計算機進行分析，得到火焰受到抑制情況下的典型火焰形態(tài)。

2.2 實驗過程概述

在實驗過程中，量取50 mL 正庚烷倒入油池中，為了使油池火穩(wěn)定燃燒，點燃后60 s 開始啟動細水霧。實驗中使用普通細水霧與含表面活性劑細水霧的細水霧噴頭，選取的噴頭型號有兩種，兩種分別標記為噴頭1（平均粒徑200 μm）和噴頭2（平均粒徑400 μm），實驗壓力分別設定為0.2、0.4、0.6 MPa。本次實驗需要測量的數據有滅火時間、溫度場分布、火焰形態(tài)，來分析普通細水霧與含表面活性劑細水霧對油池火的滅火時間影響。依據細水霧施加時間、火焰熄滅時間，分析細水霧與火焰相互作用過程中火焰軸向溫度、火焰底部溫度變化，總結不同工況下表面活性劑對細水霧滅火性能的影響。

圖3 細水霧滅火系統(tǒng)簡圖

3 實驗結果及分析

3.1 粒徑200 μm 噴頭實驗結果及分析

在不同工作壓力下，1 號噴頭（平均粒徑200 μm）普通細水霧、含添加劑細水霧與庚烷火相互作用過程火焰底部溫度曲線如圖4、5、6 所示。

圖4 0.2 MPa 1 號噴頭—火焰底部溫度曲線

根據圖4，將1 號噴頭（平均粒徑200 μm）在0.2 MPa 下的實驗結果對比情況匯總于表3 中。結合細水霧霧場特性參數分析可得，表面活性劑作用下，水溶液表面張力降低，水霧平均霧滴粒徑減小，則含表面活性劑細水霧施加會加速液滴在火焰區(qū)蒸發(fā)，降低庚烷火焰溫度，火羽流對燃料表面熱反饋減少，火焰底部溫度降低。

從結果可以發(fā)現，粒徑過小的細水霧霧滴的穿透能力相對弱，不能完全穿透火焰區(qū)，降低了細水霧的表面冷卻能力，進而導致了火焰抑制能力下降，相反使得在細水霧擾動下的火焰增大，延長了燃燒時間。

含十二烷基硫酸鈉細水霧降溫效果與含十二烷基苯磺酸鈉細水霧相比，效果略差。其原因主要是十二烷基硫酸鈉作用下表面張力降低值大于十二烷基苯磺酸鈉，細水霧霧滴粒徑縮減明顯，導致了含十二烷基硫酸鈉細水霧霧滴在外界環(huán)境影響下損失較大，降低了其火災抑制能力。

根據圖5，將1 號噴頭（平均粒徑200 μm）在0.4 MPa 下的實驗結果對比情況匯總于表4 中。

圖5 0.4 MPa 1 號噴頭—火焰底部溫度曲線

表4 細水霧作用下池火燃燒參數表（0.4 MPa）

由表4 可知，對比庚烷自由燃燒狀態(tài)下火焰持續(xù)時間，普通細水霧、含表面活性劑細水霧作用下庚烷火仍為得到有效控制。與0.2 MPa 的工作壓力進行對比，受細水霧作用下的庚烷燃燒持續(xù)時間有一定程度上減小，但仍高于庚烷自由燃燒狀態(tài)，細水霧火焰滅火作用相對不明顯。含十二烷基硫酸鈉細水霧與含十二烷基苯磺酸鈉細水霧滅火時間相差較小，火焰底部溫度波動幅度較小，細水霧僅起到抑制火焰發(fā)展作用，并沒有達到火焰熄滅的目的。

根據圖6，將1 號噴頭（平均粒徑200 μm）在0.6 MPa 下的實驗結果對比情況匯總于表5 中。

圖6 0.6 MPa 1 號噴頭—火焰底部溫度曲線

表5 細水霧作用下池火燃燒參數表（0.6 MPa）

從實驗結果可以得到，隨著系統(tǒng)工作壓力增大，細水霧霧滴霧動量增大，可有效降低火焰高度，火焰底部溫度隨之降低。

從1 號細水霧噴頭細水霧與庚烷火相互作用實驗可知，普通細水霧作用下，隨著壓力升高，庚烷火燃燒持續(xù)時間逐漸縮短，火焰底部溫度逐漸降低。在對比工作壓力對細水霧對庚烷火的抑制效果時，發(fā)現在工作壓力為0.6 MPa 時，含十二烷基硫酸鈉細水霧與庚烷火作用過程中出現火焰強化現象，證明表面活性劑添加有利于改善細水霧粒徑分布，但是對于平均粒徑分布為200 μm 細水霧噴頭來講，該粒徑范圍僅僅對火焰發(fā)展起到一定抑制作用，不能滿足滅火需求，甚至會出現火焰增大現象。

3.2 粒徑400 μm 噴頭實驗結果及分析

為進一步研究表面活性劑對細水霧滅火性能的影響，用2 號噴頭（平均粒徑400 μm）進行同樣工況下的三組實驗。細水霧作用下庚烷火焰底部溫度曲線如圖7、8、9 所示。

圖7 0.2 MPa 2 號噴頭—火焰底部溫度曲線

由圖7 可知，普通細水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為638 ℃，滅火所需時間50 s；含十二烷基硫酸鈉細水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為697 ℃，滅火所需時間35 s；含十二烷基苯磺酸鈉細水霧作用下，庚烷火焰底部溫度峰值為692 ℃，滅火所需時間為35 s。對比3 種細水霧，普通細水霧作用下，表面溫度峰值低于含表面活性劑細水霧，但滅火時間大于含表面活性細水霧。由于0.2 MPa 工作壓力條件下，普通細水霧霧化效果較差，霧流密度分布不均勻，大量霧滴分布在霧場中心區(qū)域集中作用于火焰區(qū)，抑制火焰發(fā)展，因此普通細水霧作用下，火焰底部溫度峰值大于含表面活性劑細水霧。表面活性劑作用使霧場霧流密度降低，液滴粒徑和分布更均勻，有利于細水霧多種滅火機理同時作用，因此含表面活性劑細水霧作用下，庚烷火熄滅用時較少。

由圖8 可知，普通細水霧作用下，火焰底部溫度峰值為682 ℃，滅火所需時間60 s；含十二烷基硫酸鈉細水霧作用下，火焰底部溫度峰值為722 ℃，滅火所需時間30 s；含十二烷基苯磺酸鈉細水霧作用下，火焰底部溫度峰值為702 ℃，滅火所需時間為30 s。隨著細水霧持續(xù)作用，氣相火焰溫度降低，部分大粒徑霧滴到達燃料表面實現液體表面冷卻。含表面活性劑細水霧作用下庚烷火勢得到快速控制，火焰溫度與火焰高度明顯下降，表面活性劑有效降低表面張力，霧滴粒徑分布均勻有利于細水霧霧滴快速蒸發(fā)，有效降低燃燒產生高溫煙氣流溫度。同時火焰溫度降低也有利于更多細水霧霧滴穿過火焰區(qū)對油池表面降溫，熄滅殘余火焰。

由圖9 可知，3 種細水霧滅火所需時間明顯減少，普通細水霧滅火時間40 s，含表面活性劑細水霧平均滅火時間為20 s，細水霧滅火性能得到有效改善。當工作壓力為0.6 MPa 時，表面活性劑作用下，霧滴尺寸均勻，細水霧霧動量大，細水霧霧滴具有足夠的霧動量穿透火焰區(qū)到達燃料表面冷卻，快速降低火焰底部溫度，降低液體燃料燃燒速率，實現高效、可靠滅火。綜上所述，含表面活性劑細水霧粒徑分布均勻，擴散效果較好，有利于細水霧對火焰區(qū)的有效覆蓋，加強細水霧對氣相火焰冷卻作用以及液滴對燃料表面降溫作用，提高細水霧滅火性能。

圖9 0.6 MPa 2 號噴頭—火焰底部溫度曲線

對比兩組細水霧與庚烷火相互作用實驗數據可知，細水霧滅火性能提高與細水霧平均粒徑減小并非正相關，細水霧粒徑減小雖然有利于實現霧滴快速蒸發(fā)達到冷卻氣相火焰目的，但也加劇細水霧對火焰擾動造成火焰卷吸作用增強，造成火焰區(qū)氧氣濃度增大，加強火焰燃燒。細水霧霧滴粒徑減小，導致液滴霧動量及液滴吸熱量減小，不利于細水霧液滴穿過火焰區(qū)實現對燃料表面液相冷卻作用。因此細水霧滅火應用過程中，在改善細水霧霧化性能同時應保證細水霧霧滴足夠霧動量穿過火焰區(qū)實現表面冷卻，從根本上控制火焰發(fā)展。

由含表面活性劑細水霧滅火實驗可知，工作壓力變化對細水霧滅火性能產生一定影響，為更為準確分析細水霧與庚烷火相互作用機理。不同工作壓力條件下，普通細水霧與池火相互作用火焰底部溫度曲線如圖10 所示。在工作壓力為0.2 MPa（細水霧平均粒徑400 μm）時，當其與火焰相互作用初期，霧流密度較大，對火羽流發(fā)展起到很好抑制作用，同時由于細水霧擾動以及水蒸氣蒸發(fā)影響火焰湍流加劇，溫度震蕩劇烈。在系統(tǒng)工作壓力較高時，一方面細水霧粒徑擴散分布更均勻，可以對火焰區(qū)有較好覆蓋，衰減火焰熱輻射及對高溫煙氣流進行冷卻，另一方面較高工作壓力可提供霧滴較大的霧動量，使霧滴可以穿透火焰區(qū)對燃料表面冷卻，降低可燃蒸氣蒸發(fā)速率，對抑制火焰發(fā)展有重要作用。

圖1 細水霧滅火實驗系統(tǒng)圖

圖10 普通細水霧作用下火焰底部溫度曲線

通過不同工作壓力條件下細水霧滅火實驗可得，細水霧滅火性能與工作壓力正相關，工作壓力增大有利于細水霧滅火有效性改善及霧滴動量提高，強化細水霧液面降溫機理及氣相火焰冷卻作用，提高細水霧滅火性能。

5 結論

本文通過油池火實驗對含表面活性劑細水霧與庚烷火相互作用進行了研究，研究表明，表面活性劑能降低液體表面張力，有利于霧滴在保護半徑內有效擴散，實現火焰區(qū)覆蓋，增強細水霧氣相火焰冷卻和燃料表面冷卻作用。通過優(yōu)化細水霧系統(tǒng)的工作壓力、噴頭型號、表面活性劑種類，均可以進一步優(yōu)化表面活性劑細水霧對油池火抑制效果。