細水霧與欠膨脹氫氣噴射火相互作用的實驗研究

章智慧, 王昌建, 劉 義, 李 冰, 周鵬剛

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中國石油大學(華東) 化學化工學院,山東 青島 266580; 3.兗礦國宏化工有限責任公司,山東 鄒城 273512)

氫氣作為一種潔凈無污染的二次能源,越來越受到人們的重視,并在工業領域得到了廣泛的應用[1]。然而,由于高壓氫氣的意外泄漏并被點燃所形成的欠膨脹氫氣噴射火通常會很長,并可能產生高溫和熱輻射危害,危及人們的生命和財產安全[2]。因此,為了減弱氫氣噴射火帶來的危害,迫切需要尋找一種行之有效的方法來撲滅或阻隔氫氣噴射火。文獻[3]研究表明,細水霧具有較高的熱容和汽化潛熱,可以有效地降低火焰的熱輻射。與此同時,細水霧還可以顯著降低局部的氧濃度,從而降低火焰的燃燒效率。文獻[4-5]對細水霧的研究和應用進行了較為全面的綜述,包括細水霧的發展趨勢、面臨的挑戰以及其在抑爆、滅火和除煙中的應用;文獻[6]研究了細水霧與大尺寸(1.10 MW)亞音速甲烷擴散火焰之間的相互作用,發現細水霧可以增加火焰的抬升距離,降低火焰的最高溫度和熱輻射。通過研究細水霧與甲烷氣體擴散火焰之間的相互作用,文獻[7]研究發現細水霧蒸發形成的水蒸氣在衰減熱輻射方面具有顯著作用,實驗測得的火焰輻射熱通量明顯小于沒有細水霧作用時的輻射熱通量,但細水霧作用前后火焰的高度和溫度沒有明顯變化;文獻[8]使用紅外攝像儀來評估細水霧對高速非預混甲烷噴射火的影響,實驗發現盡管細水霧無法撲滅火災,但細水霧與火焰之間的熱交換以及細水霧對氧氣的稀釋隔離作用對火焰燃燒效率的降低有顯著的影響。細水霧與火焰的相互作用是極為復雜的過程,并且與燃料的種類密切相關[9]。然而,關于細水霧與欠膨脹氫氣噴射火相互作用的研究較少。因此,本文通過一系列的實驗來探究細水霧對水平欠膨脹氫氣噴射火的影響,進而評估細水霧在削弱氫氣噴射火危害方面的有效性和合理性。

1 實驗部分

實驗裝置主要由氫氣噴射火系統、瓶組式細水霧發生系統、數據測量及采集系統組成,如圖1所示。

實驗選用瓶組式細水霧發生系統,通過調節高壓氮氣瓶上的減壓閥來調節耐高壓儲水罐中的壓力,儲水罐上配有數顯壓力表(型號為PUST.PLD.0201,測量范圍為0～6 MPa,精度為0.5%)來實時顯示細水霧壓力。采用單個實心錐形細水霧噴嘴垂直向下噴射,并與氫氣噴嘴軸線垂直正交,細水霧霧性參數見表1所列。

表1 不同壓力和高度下細水霧霧性參數

氫氣噴射火系統主要由高壓儲氫罐、減壓閥、緩沖罐、壓力傳感器、波紋管、噴嘴等組成,氫氣由儲氫罐上的減壓閥進行調節,通過波紋管流入緩沖罐進行降速穩壓,然后通過噴嘴噴出。

因為本文主要考察實心錐形細水霧在不同施加高度以及施加壓力下對欠膨脹氫氣噴射火的影響,所以在所有測試場景中,氫氣壓力始終保持在0.5 MPa,并使用直徑為3 mm的圓形噴嘴。

實驗將細水霧噴嘴水平設置在欠膨脹氫氣噴射火火焰水平長度的中間位置處,設置高度H分別為30、 50、 70 cm,分別記作實驗A、B、C,不同的細水霧壓力為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa,分別記為1、2、3、4,以此來描述實驗工況。實驗采用K型熱電偶來測量溫度,由于氫氣噴射火火焰溫度可能超過2 000 ℃[4],遠遠超出了所選熱電偶的測量范圍0～1 300 ℃。因此,本文通過測量火焰軸線末端羽流區域及周圍環境溫度,來反映噴射火對環境的熱危害。熱電偶在距離氫氣噴嘴80 cm的位置開始布置,之后相鄰熱電偶間隔10 cm布置,共計11根,如圖2所示。使用4個完全相同的TS-34C輻射熱流計(光譜響應為0.3～50 μm,輸入范圍為±200 kW/m2,靈敏度為優于2 μV/(W/m2),來采集細水霧施加前后不同位置處的熱輻射數據。

圖2 數據采集裝置位置示意圖

實驗過程中使用佳能ESO6D相機來記錄細水霧與噴射火相互作用過程中火焰的行為變化,由于氫氣火焰亮度相對較弱,同時為了減小火焰長度測量的誤差,所有測試均在夜間進行,并使用黑色遮光布來消除背景光。所有的測試均在長為30.2 m、寬為8.4 m、高為6.5 m的封閉房間內進行,有效地避免了環境條件對本實驗的影響。

2 結果與討論

2.1 火焰變化

實驗工況A-2中的火焰形態隨時間的變化情況如圖3所示。

圖3 實驗工況A-2中火焰形態隨時間的變化情況

細水霧施加前的自由噴射火階段記為t=0 ms,此時火焰顏色主要為淡黃色,由于浮力的作用,火焰末端略微向上傾斜,火焰整體為水平射流狀態。在t=20 ms時,細水霧閥門被打開,此時極少量的霧滴到達射流火表面,火焰整體形態未發生明顯變化。

在t=60 ms時,霧滴被高溫的氫氣噴射火加熱,霧滴迅速吸熱汽化,體積迅速膨脹,使得火焰受到強烈干擾,火焰形態發生劇烈波動[10]。此外,具有一定動量的細水霧對燃燒區周圍的空氣具有卷吸作用,將氧氣帶入火焰內部,從而使火焰燃燒更加充分。在t=80 ms時,細水霧的流動狀態已經穩定,其流量也幾乎保持不變,此時火焰的顏色發生了明顯的改變,變為明亮的黃色。在t=100 ms時,火焰形態發生改變,可以明顯看到火焰水平長度被細水霧所抑制。

在t=200 ms時,火焰的形態開始趨于穩定,在細水霧的巨大沖擊下,火焰被打折,在細水霧與火焰相互作用的地方開始形成一定的折角。隨著時間的進一步推移,在t=400 ms時,噴射火火焰偏折的角度幾乎保持不變,同樣的現象出現在其余實驗工況中。

2.2 火焰折角與水平長度

以細水霧噴嘴軸線與噴射火軸線垂直正交的點為原點,向下偏折的火焰部分與火焰射流軸線所形成的夾角定義為火焰折角。細水霧在不同施加高度和施加壓力下,火焰折角大小的變化情況如圖4所示。從圖4可以看出,隨著細水霧壓力的增大,火焰折角逐漸增大,這是由于細水霧壓力增大,使得細水霧流量隨之增大,細水霧的動能也隨著增大,進而在細水霧的沖擊作用下,火焰發生偏折。隨著細水霧施加高度的增加,火焰折角逐漸變小,這是由于細水霧施加高度的增大,使得其有效霧通量減小進而導致細水霧動量減小造成的。

圖4 火焰折角變化情況

不同實驗工況下施加細水霧后噴射火水平火焰長度的變化情況如圖5所示。

在細水霧壓力較小時(0.5 MPa),由于細水霧施加后而產生的火焰膨脹現象,使得火焰水平長度反而有所增大,最大變為原來的118%,并且隨著細水霧施加高度的增大而膨脹效果逐漸減小。隨著細水霧壓力的增大,火焰水平長度開始逐漸縮短,并且壓力越大長度越短,在細水霧壓力為2.0 MPa時,火焰水平長度最大縮短為原來的62%,而在細水霧施加高度為50、70 cm時,火焰水平長度分別縮短為原來的66%、69%。

從圖5可以看出,在相同的細水霧壓力下,細水霧的施加高度越低,水平火焰長度縮短得越顯著。綜上所述,細水霧的施加會導致火焰發生偏折,進而會對火焰下方區域造成潛在的危害,此外,不當地施加細水霧還可能會導致火焰出現膨脹現象,使得火焰長度有所增大,帶來更為嚴重的危害。因此,為了有效縮短火焰長度,細水霧的釋放位置應盡可能靠近火焰,除此之外,還應增大細水霧的施加壓力。

2.3 溫度

不同實驗工況下的溫度變化曲線如圖6所示。從圖6a可以看出,實驗工況A-1的細水霧施加前后溫度的變化情況。在自由噴射火階段,沿軸線方向上的溫度隨著遠離氫氣泄露噴嘴距離的增加而降低。細水霧施加后,距離氫氣噴嘴較近的熱電偶T1～T8所測量到的溫度開始降低,而后方的熱電偶T9～T11所測量到的溫度反而略有升高。在熱電偶T11處,測量溫度顯著升高,最高約210 ℃(比原來的溫度高出近110 ℃)。從圖6b、圖6c可以看出,在細水霧壓力為0.5 MPa的其他實驗工況B-1、C-1中,也出現了溫度升高的現象。一方面,低壓細水霧的施加導致射流火火焰燃燒強化和膨脹現象的出現[11];另一方面,由于此時的細水霧流量相對較小,冷卻效果相對較弱。因此,在這2個因素的共同作用下導致溫度升高。

圖6 不同實驗工況下溫度變化情況

隨著細水霧施加高度的增加,細水霧的冷卻效果逐漸降低,這是由于細水霧施加高度增加導致其平均有效霧通量開始逐漸減少,細水霧分布得更加分散進而導致細水霧的冷卻效果逐漸減弱。從圖6d可以看出,隨著細水霧壓力的增大,在細水霧壓力為1 MPa時,細水霧施加后,火焰軸線后方溫度快速下降,在較短的時間內,溫度不再趨于穩定,而是隨著時間推移在不斷降低,可以發現距離火焰越近的熱電偶,溫度降低的速率越快。這主要是細水霧的沖擊作用使得火焰發生偏折,進而導致火焰遠離熱電偶。此外,由于細水霧壓力的增大,使得其流量增大,細水霧的冷卻效果也起著重要影響。當細水霧的壓力大于等于1 MPa時,將不再出現溫度升高的情況,并且還可以發現,溫度的降低與細水霧的流量成正相關,類似的現象也出現在其他的實驗工況B、實驗工況C中。

2.4 輻射

細水霧施加前后,不同工況下輻射強度變化情況如圖7所示。從圖7a可以看出,細水霧壓力為2 MPa時,施加細水霧后輻射熱流計R1出現了輻射增大情況,細水霧施加高度為70 cm時,R1的輻射密度從原來的1.83 kW/m2增加到約2.52 kW/m2,并且隨著細水霧施加高度的降低,輻射密度增大的幅度越來越大。施加高度為50 、30 cm時,R1的輻射密度分別增大到約2.84 kW/m2和3.15 kW/m2。 在高壓細水霧的沖擊作用下,使得火焰發生偏折,而且隨著施加高度的降低,在相同的細水霧壓力下,火焰偏折的角度更大,使得火焰越發靠近輻射熱流計R1,進而采集到的輻射密度就越大。

因此,在實際的工程應用中,使用較高壓力的細水霧非但不會起到保護泄漏源安全的效果,相反可能會造成更為嚴重的二次危害。此外,在正對火焰軸線方向位置上的輻射密度,在施加細水霧后也出現了輻射增大的情況(圖7b)。

當細水霧的壓力為0.5 MPa時,細水霧的施加導致火焰膨脹現象的出現。此外,在細水霧壓力較低的情況下,其有效霧通量相對較低,進而導致細水霧隔絕和衰減輻射的能力也相對較弱,因此在這2個因素的共同影響下導致了輻射熱流計R4位置處的輻射出現增大的情況。這說明,當施加的細水霧壓力較低時,會帶來更為嚴重的熱輻射危害,對火焰軸線下游區域的設施設備以及人員帶來嚴重的威脅。而隨著細水霧壓力的增大,火焰下游區域輻射增大的情況開始消失,同樣的現象出現在其他實驗工況中。

比較在細水霧軸線位置左右各15 cm相同距離處輻射熱流計R2、R3所測得的輻射變化情況,如圖8所示。

圖8 不同實驗工況下R2和R3的輻射強度衰減情況

從圖8可以看出,隨著細水霧壓力的增大,細水霧對輻射熱流計R2、R3處的輻射強度的衰減效果逐漸顯著,當細水霧的壓力從 0.5 MPa提升至2.0 MPa,其對輻射熱流計R2、R3位置處的輻射衰減效果分別提升20.0%、32.8%。

此外,在相同的細水霧壓力下,細水霧對輻射熱流計R3位置處的輻射衰減效果要優于輻射熱流計R2位置處;因為欠膨脹氫氣噴射火在水平方向上具有很大的動量[12],所以使得垂直向下噴灑的細水霧流場發生偏移和改變,霧滴在火焰吹掃的作用下開始向R3位置處匯聚,進而使得此處的輻射衰減的效果更加顯著。

3 結 論

本文通過一系列的實驗對細水霧與欠膨脹氫氣噴射火之間的相互作用進行了研究。主要結論如下:

1) 雖然細水霧不能熄滅欠膨脹氫氣噴射火,但火焰的折角隨著細水霧壓力的增加而增加,與自由欠膨脹氫氣噴射火相比,火焰的水平長度最大縮減為原來的62%。這意味著細水霧雖然可以縮短火焰的水平長度,但會對噴射火下方區域帶來危害。

2) 細水霧的施加會導致輻射出現增大或者減小2種截然不同情況的發生。如細水霧壓力為0.5 MPa時,在火焰軸線后方位置,會出現輻射增大的情況,隨著細水霧壓力的增大,這種情況開始消失。但是在較高的細水霧壓力下,氫氣源位置處的輻射強度又會有所增大,進而可能產生意想不到的二次危害。

3) 細水霧對欠膨脹氫氣噴射火的影響不僅與細水霧的壓力有著密切關系,還與細水霧的施加高度密不可分。細水霧壓力較小時(0.5 MPa),其施加高度越高,火焰膨脹的效果就越弱,就越有利于安全。但在較高的細水霧壓力下,細水霧的施加高度越高,對火焰長度的縮減效果就越弱,這又是不利的一面。

4) 細水霧一方面可以降低射流火的溫度場和輻射場,另一方面又會導致射流火燃燒的強化和火焰的膨脹。這2種作用機理同時存在、共同作用,并且與細水霧的壓力和釋放高度密切相關。