細(xì)水霧抑制受限空間原木火和紙板火的試驗(yàn)研究

楊 克，張 平，邢志祥，曹傳先，紀(jì) 虹

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213106)

火災(zāi)是各類人為和自然災(zāi)害中發(fā)生頻率最高的一種災(zāi)難，其危害極大，具體表現(xiàn)為嚴(yán)重威脅人類的生命安全、導(dǎo)致巨大的財(cái)產(chǎn)損失、破壞生態(tài)平衡、污染環(huán)境等[1-4]。近些年，細(xì)水霧滅火技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，這是因?yàn)橄鄬?duì)于其他滅火劑來說，細(xì)水霧滅火技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢：不會(huì)破壞臭氧層，是一種清潔無害的滅火方式；滅火時(shí)對(duì)水量的消耗較少；滅火效率較高；對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場物資設(shè)備破壞性小；可撲滅某些特殊類型火災(zāi)，如動(dòng)力機(jī)房、電子設(shè)備機(jī)房等[5-9]。

近年來許多學(xué)者對(duì)細(xì)水霧滅火技術(shù)的滅火效果進(jìn)行了大量研究。如Liu等[10]首次對(duì)脈沖細(xì)水霧和連續(xù)細(xì)水霧的滅火效果進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)脈沖細(xì)水霧提升了滅火效果，減少了滅火時(shí)間和用水量，可以熄滅一些連續(xù)水霧難滅的火；劉江虹等[11]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧主要通過冷卻和稀氧窒息等物理機(jī)理滅火，它需要較高的噴射壓力使得霧滴具有一定的動(dòng)量，以保證其穿透火羽流到達(dá)木垛表面及其內(nèi)部；姚斌等[12]對(duì)細(xì)水霧作用下池火熱釋放速率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明對(duì)于無水乙醇，細(xì)水霧具有較好的抑制作用；叢北華等[13-14]對(duì)細(xì)水霧抑制熄滅固體火的機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固體表面燃燒特性以及通量是影響細(xì)水霧撲滅固體火效率的主要因素；張笑男等[15]對(duì)機(jī)械通風(fēng)條件下細(xì)水霧抑制酒精火進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明機(jī)械通風(fēng)不影響細(xì)水霧控火效果，并有助于和細(xì)水霧滅火系統(tǒng)共同保障火場的安全；余明高等[16]對(duì)荷電細(xì)水霧熄滅受限空間煤油火進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明荷電細(xì)水霧能有效縮短滅火時(shí)間；周洋等[17]對(duì)不同噴射方式細(xì)水霧滅火效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧對(duì)于相對(duì)密閉空間內(nèi)閃點(diǎn)較高的可燃液體的滅火效果較好，但對(duì)于較為敞開空間內(nèi)閃點(diǎn)較低的可燃液體，連續(xù)噴霧的滅火效果不及脈沖噴霧;Ananth等[18]對(duì)Ndubizu等人的試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為燃燒物的熱釋放速率(或反應(yīng)率)伴隨著火焰的熄滅有明顯的下降，當(dāng)燃燒物的熱釋放速率降低到一定臨界值時(shí)，超細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制過程也隨之結(jié)束;Adiga等[19-20]對(duì)超細(xì)水霧抑制熄滅受限空間庚烷火和電纜火進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明超細(xì)水霧是完全可以熄滅液態(tài)池火和固體電纜火的。

基于上述研究可知，大多研究采用油火或酒精為研究對(duì)象，但在實(shí)際生活中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)摧毀的大多是家具、建筑物以及固體堆積物等固體物資，它們在燃燒過程中的現(xiàn)象及其燃燒性能與液態(tài)火會(huì)有很大的差別，因此盲目地用細(xì)水霧撲滅液體火災(zāi)的原理來解釋固體火災(zāi)顯然是不合適的。為此，本文針對(duì)細(xì)水霧抑制原木火和紙板火的燃燒展開試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得的受限空間內(nèi)不同火源溫度的變化以及細(xì)水霧與不同材料火焰熱成像的變化等，來揭示細(xì)水霧對(duì)于原木火和紙板火的抑燃特性，并利用均勻分析法探討了細(xì)水霧抑制受限空間原木火和紙板火的滅火機(jī)理，分析了影響細(xì)水霧抑制原木火和紙火板的主要因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)主要是由煙氣分析儀、數(shù)據(jù)采集儀、受限空間、噴頭、熱電偶(J型)測溫系統(tǒng)、燃燒皿、玻璃門、熱成像儀構(gòu)成，如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)中受限空間尺寸為1.8 m×1.8 m×3.3 m，結(jié)構(gòu)為不銹鋼框架，底面為瓷磚，其余5個(gè)面為鋼化玻璃，正面設(shè)置一個(gè)出口(寬度為0.6 m，高度為1.8 m)以供試驗(yàn)時(shí)放入或取出燃燒皿；試驗(yàn)用噴頭的末端與底面的垂直距離為3.1 m；燃燒皿為直徑250 mm、高度80 mm的不銹鋼圓盤，其被置于噴頭正下方的底面中心處。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system 1.煙氣分析儀；2.數(shù)據(jù)采集儀；3.受限空間；4.噴頭；5.熱 電偶(J型)測溫系統(tǒng)；6.燃燒皿；7.玻璃門；8.熱成像儀

1.2 試驗(yàn)工況

本次采用均勻分析法設(shè)計(jì)5因素8水平試驗(yàn)，具體詳見表1和表2。

試驗(yàn)將50 g的紙板放在燃燒皿中燃燒，等到不同的預(yù)燃時(shí)間采用不同壓力的細(xì)水霧將其撲滅。由此可見，本試驗(yàn)可變的關(guān)鍵因素為噴霧壓力和預(yù)燃時(shí)間(從點(diǎn)火到噴淋的時(shí)間)兩個(gè)因素，而這兩個(gè)因素又各選定8個(gè)水平，按照從小到大的順序?qū)@8個(gè)水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行排列(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為對(duì)應(yīng)水平的序列號(hào))，預(yù)燃時(shí)間(s)為：20(1)、25(2)、30(3)、35(4)、40(5)、45(6)、50(7)、55 (8)；噴霧壓力(MPa)為：0.6(1)、0.8(2)、1.0(3)、1.2(4)、1.4(5)、1.6(6)、1.8(7)、2.0(8)。

表1 5因素8水平均勻設(shè)計(jì)表[U8*(85)]

表2 U8*(85)的使用表

本試驗(yàn)采用2因素8水平的均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它屬于均勻設(shè)計(jì)表 U8*(85)的使用范圍，由表2可知，當(dāng)因素?cái)?shù)S=2 時(shí)，應(yīng)該使用第1列和第3列，即按表1中第1列和第3列的序列號(hào)安排試驗(yàn)。設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)燃時(shí)間作為因素1，放在第1列，噴霧壓力作為因素2，放在第2列，將8個(gè)水平的數(shù)據(jù)按照表1序列號(hào)在相應(yīng)位置對(duì)應(yīng)排列。經(jīng)組合后，每一個(gè)橫行都可以代表一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，總共有8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，詳見表3。

表3 原木火和紙板火試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

通過上述試驗(yàn)可得，原木火和紙板火最優(yōu)組的火焰熄滅時(shí)間分別為145 s和85 s，對(duì)應(yīng)的最佳水平分別為2 MPa、25 s和1.2 MPa、20 s。由于紙板與原木存在以下差異：紙板不需要引燃，原木需要酒精引燃；原木因含碳量高的緣故，其熱釋放速率遠(yuǎn)大于紙板。因此，本試驗(yàn)對(duì)比原木火和紙板火的最優(yōu)滅火組，分析該兩組材料的火源熱成像和空間溫度的變化差異，并通過計(jì)算說明原木火和紙板火的滅火效果。

2.1 原木火和紙板火的火源熱成像分析

原木火和紙板火在噴淋條件下火源熱成像的變化情況見圖2和圖3。

圖2 第一組原木火在噴淋條件下火源熱成像的變化圖Fig.2 Thermal imaging variation diagram of the fire source of the first group of logs fires under spray conditions

圖3 第二組紙板火在噴淋條件下火源熱成像的變化圖Fig.3 Thermal imaging variation diagram of the fire source of the second group of cardboard fires under spray conditions

由圖2和圖3可見，原木和紙板燃燒比較劇烈，火焰充滿整個(gè)燃燒器皿，在火源表面上方的火焰形態(tài)比較連續(xù)，但是相比較而言，原木火的火焰形態(tài)要比紙板火的大，且原木的燃點(diǎn)要比紙板高得多，主要是因?yàn)樵竞剂看螅紵荡?；?0 s和25 s時(shí)分別開啟噴淋，火焰形態(tài)在細(xì)水霧的沖擊下發(fā)生了不規(guī)則變化，紙板火的火焰比較矮小，而原木火的火焰不斷漂浮振蕩，并伴有分叉現(xiàn)象；開啟噴淋一段時(shí)間后，細(xì)水霧不斷扼制熱輻射的散播，水蒸氣不斷吸熱同時(shí)對(duì)火源表面進(jìn)行冷卻，火源燃燒殆盡，噴霧壓力不變，溫度迅速降低直至熄滅[4-5]。

2.2 原木火和紙板火的空間溫度變化分析

圖4 原木火和紙板火在最佳滅火效果下的溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation chart of logs fire and cardboard fire under the optimal fire extinguishing effect

試驗(yàn)選擇最佳水平下原木火和紙板火溫度變化的兩組數(shù)據(jù)曲線(見圖4)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：在初始階段，原木火和紙板火的空間溫度都在上升，但是原木火的溫度曲線始終處于紙板火溫度曲線的上方且溫度上升幅度相對(duì)較大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：一是因?yàn)樵救紵龝r(shí)的熱釋放速率較大，二是因?yàn)樵竞图埌宥际怯?0 mL酒精引燃且原木含碳量較高，所以在外部條件相同的情況下，原木的燃燒熱值更大；在25 s和20 s這兩個(gè)時(shí)刻時(shí)，原木火和紙板火的溫度都分別達(dá)到了最大值43.3℃和32.2℃；在25 s和20 s時(shí)分別開啟噴淋，由于細(xì)水霧在抑制原木火的過程中噴霧壓力比紙板火大，所以水霧蒸發(fā)速率更快，因此原木火溫度下降的速率及幅度都比紙板火要大。

2.3 滅火效果二元線性回歸分析

2.3.1 二元線性回歸模型

二元線性回歸模型為具有一個(gè)被解釋變量和兩個(gè)解釋變量的線性回歸模型，可表示為

Yi=β0+β1X1i+β2X2i+μi(i=1,2,…,n)

(1)

對(duì)于二元線性回歸模型中的偏回歸系數(shù)(β1，β2)，是指多元線性回歸模型中解釋變量前的系數(shù)，其定義為當(dāng)其余解釋變量保持不變時(shí)，某一解釋變量變化一個(gè)單位而使被解釋變量Y同時(shí)改變的數(shù)值，即表示某一解釋變量對(duì)被解釋變量Y的影響程度[8]。

要估計(jì)二元線性回歸模型中的參數(shù)，本文使用普通最小二乘法。假設(shè)給定一組樣本數(shù)據(jù)(Yi,X1i,X2i)(i=1,2,…,n)，樣本回歸模型可以通過最小二乘法獲得，具體表達(dá)式為

Yi=β0+β1X1i+β2X2i

(2)

(3)

(4)

2.3.2 原木火二元線性回歸模型參數(shù)估計(jì)及計(jì)算

原木火二元線性回歸模型的計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 原木火二元線性回歸模型的計(jì)算參數(shù)

Y=2.946+3.32X1-1.031X2

2.3.3 紙板火二元線性回歸模型的參數(shù)估計(jì)及計(jì)算

根據(jù)以上二元線性回歸模型，確定以紙板火火焰熄滅時(shí)間為因變量Y，以預(yù)燃時(shí)間X1和噴霧壓力X2為兩個(gè)自變量，將時(shí)間單位全部轉(zhuǎn)化為分鐘以方便計(jì)算，具體紙板火二元線性回歸模型的計(jì)算參數(shù)見表5。

表5 紙板火二元線性回歸模型的計(jì)算參數(shù)

Y=1.831+1.417X1-0.469X2

2.3.4 滅火效果對(duì)比分析

原木和紙板從引燃到熄滅整個(gè)試驗(yàn)過程的原始數(shù)據(jù)，見表6。

表6 原木火和紙板火試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)表

注：細(xì)水霧與原木火作用時(shí)始終使用10 mL酒精作為助燃劑，且火源功率始終保持50 g。

由表6可知，原木火和紙板火試驗(yàn)的最優(yōu)滅火工況分別為25 s、2 MPa和20 s、1.2 MPa，并且各自的火焰熄滅時(shí)間分別為145 s和85 s。原木火試驗(yàn)的最優(yōu)滅火工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論公式計(jì)算及推導(dǎo)的結(jié)果相一致，但紙板火最優(yōu)滅火工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論公式計(jì)算結(jié)果有些許出入，理論上的最優(yōu)滅火工況也應(yīng)與原木火一樣為最大噴霧壓力2 MPa時(shí)。分析原因主要是由于紙板在20～25 s時(shí)已充分燃燒，而原木在60 s之前仍處于不完全燃燒階段，所以說次要因素預(yù)燃時(shí)間在一定條件下也會(huì)起到主導(dǎo)作用。在相同的條件下，細(xì)水霧撲滅原木火的時(shí)間要比紙板火相對(duì)要長，這是因?yàn)椋涸镜臒嶂递^大且熱釋放速率相對(duì)紙板較快，此外原木的含碳量較大，因此空間內(nèi)溫度增加相對(duì)快速；當(dāng)按下噴淋按鈕后，細(xì)水霧在與紙板火焰接觸時(shí)受熱蒸發(fā)，由于燃燒溫度本身不高，但是釋放的水蒸氣仍然較多足以擠壓氧氣生存空間達(dá)到窒息效果，導(dǎo)致火源火焰的熄滅時(shí)間相對(duì)較短。

2.4 細(xì)水霧抑制原木火和紙板火的主要影響因素分析

通過對(duì)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的二元線性回歸分析可知，影響原木火和紙板火試驗(yàn)的主要因素為噴霧壓力，次要因素為預(yù)燃時(shí)間，且次要因素只有在噴霧壓力足夠大且火源燃燒不充分的情況下才會(huì)起一定的主導(dǎo)作用，存在這種差異的主要原因是原木的含碳量較高，且與紙板相比更加難燃，但是一旦燃燒其熱釋放速率更大，在同等的外部條件下原木火自然就比紙板火所需的滅火條件更加苛刻。

2.5 細(xì)水霧抑制原木火和紙板火的滅火機(jī)理

細(xì)水霧滅火技術(shù)機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，除了基本的窒息以及冷卻兩個(gè)滅火原理之外，還涉及熱輻射在火場中受到削弱和阻隔、氧氣等可燃?xì)怏w濃度降低以及水蒸氣等非可燃?xì)怏w濃度不斷升高的次要原理。

3 結(jié) 論

本文通過細(xì)水霧抑制受限空間原木火和紙板火的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在噴灑細(xì)水霧后，在酒精引燃的情況下，原木能夠很快就進(jìn)入充分燃燒階段，因此溫度急劇上升，給滅火增加了阻礙，滅火時(shí)間更長;且在外部條件相同的情況下，試驗(yàn)表明最佳滅火工況為最大噴霧壓力為2 MPa時(shí)，這一試驗(yàn)結(jié)果與二元線性回歸分析的理論計(jì)算結(jié)果相一致，此時(shí)所需的滅火時(shí)間最短且滅火效果更佳。

(2) 通過對(duì)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的二元線性回歸分析可知，影響原木火和紙板火試驗(yàn)的主要因素為噴霧壓力，次要因素為預(yù)燃時(shí)間，且次要因素只有在噴霧壓力足夠大且火源燃燒不充分的情況下才會(huì)起一定的主導(dǎo)作用，存在這種差異的主要原因是原木的含碳量較高，且與紙板相比更加難燃，但是一旦燃燒其熱釋放速率更大，在同等的外部條件下原木火比紙板火所需的滅火條件更加苛刻。