消防水幕滅火系統對火焰抑制效果的研究

劉 虎

(天津市消防救援總隊西青支隊 天津300384)

消防水幕滅火系統是抑制火災發生的有效工具之一，它是通過密集射水，對防火分隔物進行冷卻降溫，阻止火焰蔓延。在無法設置防火分隔物的部位，可在該部位設置防火分隔水幕滅火系統，用來對較大空間進行防火分隔，以阻止火勢蔓延擴張，從而達到阻止火勢蔓延的目的。其冷卻和滅火的作用都是通過水幕噴頭來實現的，例如：在劇場主臺與觀眾廳、后臺、側臺以及觀眾廳到主舞臺間的舞臺口設降溫水幕保護，當發生火災時可迅速降下防火水幕，以確保舞臺上人員逃生。防火水幕可有效隔斷火勢向觀眾廳蔓延，并阻擋觀眾視線，減輕觀眾恐慌心理，當防火水幕降到底時，水幕與火幕連鎖啟動消防水泵向防火幕噴水，同時信號也傳遞至起火建筑的消防控制中心，利用幕狀水流吸收火災產生的熱量，有效吸附煙氣中顆粒物以及一些有害氣體，幕狀水流對火舌卷流及煙氣能夠起到一定的阻隔作用，可以最大限度地降低起火建筑內部的財產損失，為被困人員提供充足的緊急逃生時間[1]。

1 消防水幕滅火系統滅火機理

在水幕系統滅火過程中，燃燒物在一定空間內釋放熱量所形成的溫度場是反沿空間，位置不同而且也隨時間變化，因此這是一種非穩態溫度場。水幕滅火其實就是利用水導熱特性的過程，這種導熱稱為非穩態導熱。滅火的機理就是運用水吸收或傳導燃燒所放出的熱量。然而水的這種傳熱特性是通過熱傳導、熱對流和熱輻射來完成的，因此為研究水幕的滅火機理，我們就有必要對這3 種傳熱方式進行分析[2]。

2 熱傳導

熱的傳遞過程與溫度在物體內部的分布-溫度場有密切關系，T＝F(X·Y·Z·R)，表示空間內各點的溫度隨時間而變化，這種不穩定溫度場內各點的熱流必然隨時間變化，但是流體的導熱過程必須遵循著能量守恒定律。這就可以說明，在熱的傳導過程中，燃燒物質所放出的熱量以一種多維不穩定導熱的方式傳遞給水層，再通過水的流動把熱量傳遞走。而水從水幕噴頭射出后，是否能有效地起到這一作用，取決于流體的物理性質，因為這是影響流體換熱的重要因素。影響流體運動和換熱的物性參數有熱導系數、比熱、傳熱速率、動力粘性系數和密度[3]。

熱導系數和傳熱的速率對傳熱有很大的關系，水溶液的熱導系數在液體中最高，然而隨著熱量傳遞的加劇，水溶液的熱導系數隨著溫度的升高而降低。在水溶液中，分子的距離比氣體小得多，分子的運動主要是彈性震動，震動的能量通過相鄰分子進行傳遞，液體熱導系數對壓力不甚敏感，特別是當壓力不太靠近臨近壓力時，這種情況更能表現出來。因此溫度的變化是通常要考慮的唯一影響因素，飽和狀態是測定熱導系數的條件，在這一狀態下具有單值性。參考飽和水的參數見表1。

表1 飽和水的參數Tab.1 Parameters of saturated water

氨、二氧化硫等一般性液體的熱導系數隨溫度升高而降低，而水例外，從表1 可以看出，水的熱擴散系數由常溫下的0.005 2 英尺2/時，慢慢上升，至300 ℃時其擴散系數升至0.006 7 英尺2/時，而后又隨溫度升高而下降，到600 ℃時，其下降到0.005 2 英尺2/時，如表所示，其比熱值在常溫范圍內保持著一定的穩定值，當溫度上升時其比熱值也就隨之上升。而質量密度，正好和比熱值相反，它是隨溫度升高慢慢下降的[4]。

為了能更好的利用水源，要把傳熱速度提高到最大，通過對公式傳熱速度＝傳熱溫差(推動力)/熱阻的分析我們可以看出，要想提高其性能，在滅火過程中更好的起到滅火作用，要求火災發生后火災探測系統最短時間探測到火情，水幕噴頭以最大壓力噴出水，以便在最短時間內把溫度差升到最高。

3 熱對流

3.1 對流種類

對流是伴隨著流體運動而發生的傳遞過程，工程上把流體和壁面形成的傳熱過程稱之為對流傳熱。因液體產生運動的原因不同可分為強制對流和自然對流。強制對流由于受到某種外力的作用，在流體內造成壓差，推動流體做受迫運動時的換熱是受迫對流換熱，它是在外力推動下完成的；自然對流由于流體內部各處溫度不同造成密度的差異，在浮力作用下發生運動時的換熱稱為自然對流熱，它是受熱流體的浮力運動引起的。對流給熱系數α反映對流給熱過程的強弱，但它不是介質的性質，它反映流速、液體性質、流道尺寸和形狀等因素，對傳熱過程都有一定的影響[5]。

3.2 對流換熱原理

如圖1 所示，由于兩者之間有溫度差，就會有熱量的傳遞，這種流體和固體之間的表面換熱就是我們這里所介紹的對流換熱。由于粘性流體微團粘附于壁面，其速度為零。沿壁面法向流速逐漸增加到Umax，溫度則由Tw變為T∞，若T∞＞Tw，則熱量自流體傳向壁面，反之若T∞＜Tw則熱量自壁面傳向流體。對流換熱時，流體和壁面間傳遞的熱量是通過緊貼壁面的流體沿壁面層法向導熱而實現的，但和固體內單純導熱不同。以Tw＞Tmax為例，當熱能通過導熱自壁面傳入流體后，一部分是以焓的形式被運動的流體帶向下游，這也就是熱對流；另一部分則以熱量形式通過導熱傳向離壁稍遠的流體層。所以，對流換熱是導熱和熱對流共同作用的結果。

圖1 壁面附近流體中的速度和溫度分布Fig.1 Velocity and temperature distribution in fluid near wall

4 熱輻射

同水在滅火過程中類似，由于物質的燃燒過程中也存在著一種不接觸傳熱方式，這樣兩個不接觸的物體表面，或者固體、液體與周圍氣體間的相互輻射和吸收，就構成了輻射換熱和輻射傳熱過程，引起能量從溫度較高的一方朝著溫度較低的另一方轉移。當輻射能落到物體表面上時，一部分能量可能被物體所吸收，另一部分可能被物體表面反射出去，還有一部分可能透過物體。吸收率、反射率和透過率直接影響了總入射輻射、總反射輻射和總透射輻射的輻射量大小。一般來說，物體表面吸收率同入射輻射方向、入射輻射光譜分布、受輻射表面的成分與結構以及表面溫度有關。對反射和透過率來說，其反射和透射能量同光譜和方向也有關系，故增加了輻射傳熱的復雜性，當受輻射表面的成分與結構有關，在氣體情況下，還與氣體的幾何尺寸與形狀有關。而在工程上，水幕的滅火理論其實并不是導熱、傳熱和輻射單獨存在，而是相互聯系，同時完成滅火的，其滅火過程實質就是水幕噴頭射出的水在向下流動的過程中，通過低溫的水流和高溫的氣流相接觸，把高溫的氣流傳遞散發的過程。

5 結 語

消防水幕系統是火災撲救中重要的工具之一，能很好地控制火勢蔓延，并能及時地撲滅火災。在消防水幕滅火系統的滅火過程中，其滅火機理是直接運用于滅火過程之中的。本文分析該系統是否能在火災過程中有效發揮作用，對水幕系統的噴水點高度、噴水流量、入口供水壓力等一系列的水幕特性參數逐一進行了分析，以更好地發揮其在滅火過程中的作用。■