洁净气体灭木垛火与细水雾的相互作用

洁净气体灭木垛火与细水雾的相互作用

随着社会的发展，木装饰变得越来越流行，但木材是一种轻燃料。加热过程中，其表面和内部会出现一些化学和物理反应，从而容易燃烧并引发火灾。据报道，世界每年发生大约520万个火灾，近10万人担心火灾。其中许多火灾是由简单的木材材料引起的。因此，有必要有效研究木材火的高效灭火方法。木材火灾是一种深位火灾,在灭火过程中即使表面明火被扑灭,但内部还有阴燃现象存在,有再次复燃的重大隐患,因此在灭木材火时需及时熄灭明火并有效地抑制阴燃火.水是扑救木材火灾最常用的灭火剂,特别是细水雾以其无污染、耗水量少、无破坏性在水系灭火剂中占有重要地位.余永刚、刘江虹等对细水雾与木垛火作用进行了实验研究,发现细水雾主要通过冷却和稀氧窒息等物理机理灭火,灭火效能有限,在灭木垛火时不仅需要长时间的喷洒,同时还需要较高的喷射压力使得雾滴具有一定的动量,以保证其穿透火羽流到达木垛表面及其内部.相比于以物理方式灭火的细水雾灭火剂,以中断燃烧链的化学作用灭火的洁净气体灭火剂灭火速度更快,但由于气体灭火剂易挥发,冷却和覆盖作用较弱,因此对于木材这种深位火灾灭火效果较差.考虑到细水雾和洁净化学气体灭火剂灭木材深位火灾的局限,设想将两者联合起来,用洁净化学气体灭火剂扑灭木垛明火,再用细水雾抑制阴燃火,实现两者的优势互补,提高各自的灭火效能.本文选择新型的哈龙替代灭火剂2-溴-3,3,3-三氟丙烯(bromofluoropropene,BTP)和细水雾联用,通过小尺度的模拟实验,研究了两者联用灭木垛火的效果,比较了BTP与细水雾联合灭木垛火的灭火时间、抗复燃时间、灭火剂用量等参数与各灭火介质单独作用时的差别,并进一步分析了先喷BTP再喷细水雾、BTP和细水雾同时喷这两种联合方式灭木垛火的效果差异.1实验介绍1.1火焰温度检测所有实验在10,m×5,m×3.5,m(长×宽×高)自然通风房间内进行,实验装置如图1所示.热电偶由A~G依次垂直向上排放,每根间距20,cm,用于测量木垛中心及木垛上方火焰温度;温度采集数据由计算机实时记录;用DV机录制整个实验过程.每组实验采用相同结构的木垛,每个木垛10层,每层10根,木条尺寸为2,cm×2,cm×30,cm.采用手持式灭火装置进行灭火,其喷头为雾化喷头,氮气驱动压力为0.4,MPa,雾滴粒径在150~200,µm范围内,流量约为3.6,L/min.水和BTP分别装在两个灭火器储罐中,经相同压力驱动,由同一喷头喷出.灭火剂用量采用精度为0.001,kg的天平测得.1.2木垛、火、火设置了4组灭火实验:实验1为细水雾与木垛火作用;实验2为BTP与木垛火作用;实验3为先喷BTP再喷细水雾;实验4为BTP与细水雾同时喷,并以木垛自由燃烧实验作为参照.木垛由其正下方的汽油引燃,引燃时间为60,s,然后撤掉引燃油盘,木垛继续自由燃烧210,s后开始喷洒灭火剂.单独灭火实验与同时喷灭火实验都是先喷洒灭火剂至明火消失,停止喷洒,待木垛复燃后再次喷洒灭火剂至明火消失;先后喷灭火实验即先喷BTP扑灭明火,待木垛复燃再喷细水雾至明火消失.灭火时间是指从开始喷洒灭火剂到扑灭明火所用时间;抗复燃时间指从明火消失到明火再次出现所用时间,这些时间数据通过DV机记录得到.2单用细水雾和btp当同时使用木块火时2.1木垛燃烧过程由图2可知,从270,s后木垛开始进入稳定燃烧时期,故选择270,s开始施加灭火剂.木垛在燃烧过程中,木垛中心温度与上方火焰温度变化规律不一致,中心处的温度一直处于上升状态,直至燃烧后期火焰减弱时依然逐渐上升,并达到1,000,℃以上.由此可知,在灭木垛火时,不仅要快速扑灭木垛表面明火,还应考虑到抑制木垛内部高温阴燃现象.2.2细水雾与btp作用对比表1给出了4种灭火工况下所测得的时间参数和灭火剂用量,表1中,Text,1为第1次灭火时间;Tburn,1为第1次抗复燃时间;Text,2为第2次灭火时间;Tburn,2为第2次抗复燃时间;m为灭火剂用量.从表1可知,细水雾和BTP均能扑灭木垛表面明火,但BTP的灭火效率明显高于细水雾,BTP只需9,s即可扑灭木垛表面火,而细水雾的灭火时间为50,s;但BTP灭火后,木垛仅8,s后立即复燃,而细水雾灭火后,木垛的抗复燃时间长达293,s,抗复燃能力明显高于BTP.明火复燃后第2次喷洒灭火剂进行灭火,BTP的灭火时间为5,s,细水雾第2次扑灭明火的时间为13,s,灭明火效率仍然低于BTP,说明细水雾扑灭木垛明火的效率远没有BTP的高.从抗复燃性来看,二次灭火之后,工况1中的木垛的二次抗复燃时间为30,s,而工况2中木垛的二次抗复燃时间为9,s,BTP两次抵抗复燃的时间均远小于细水雾,说明BTP抑制木垛阴燃火的能力远低于细水雾.图3给出了细水雾和BTP单独灭木垛火过程中热电偶所探测到的温度.从图3(a)木垛中心处的温度(曲线A)来看,首次喷洒细水雾之后,木垛中心处的温度从500,℃迅速下降到100,℃,在明火扑灭后的复燃期间,中心处的温度缓慢上升达到1,000,℃以上,明火出现之后再次喷洒细水雾,中心处的温度从1,000,℃迅速下降到800,℃,降温作用比较明显.在图3(b)中,两次喷洒BTP进行灭火时,木垛中心处的温度(曲线A)几乎不受影响,与木垛自由燃烧时中心处的温度相似,一直处于上升的状态,由此进一步说明,利用BTP扑灭木垛火时抑制阴燃的能力比较差.细水雾与BTP扑灭木垛火时的不同特点是由其灭火机理决定的.细水雾主要靠雾滴穿越火羽流进行汽化吸热和冷却降温等物理作用来抑制木垛表面及内部燃烧,扑灭明火效率不高,需较长的喷洒时间、消耗大量水;但细水雾冷却作用强,在扑灭明火时对木垛内部阴燃火抑制作用较强,木垛抗复燃时间长;而BTP与木垛火作用时,主要靠中断燃烧链反应的化学作用,可以迅速扑灭木垛表面明火,但其汽化吸热能力比较弱,且容易挥发,物理降温作用不明显,因此无法抑制木垛内部的阴燃燃烧.综上可知,BTP可以迅速地扑灭木垛表面明火,但是难以抑制其内部阴燃火;而细水雾可以有效地抑制木垛内部阴燃火,但灭木垛表面明火效率较低.因此,针对木材这种深位火,可考虑两者的联合,以期实现BTP快速扑灭木垛表面明火、细水雾可有效抑制木垛阴燃的优势互补,克服两者单独与木垛火作用的不足.3木垛阴燃和bp联合根据BTP、细水雾分别与木垛火作用时的特点,设计将两者联用,充分利用BTP快速扑灭木垛表面明火、细水雾可有效抑制木垛阴燃的优势互补.实验中设计了以下两种联合方式:先喷BTP,再喷细水雾;BTP与细水雾同时喷.3.1抗复燃时间和btp用量比较表1中列出了两者联用时的灭火时间和灭火剂用量等参数,图4给出了4种实验工况下的各项参数对比.从时间参数来看,在实验3中,先喷BTP、后喷细水雾时,首次灭火时间和抗复燃时间与实验2中BTP单独喷时接近,而第2次灭火时间较BTP第1次灭火时间长,但是其抗复燃时间却显著增加;与实验1中细水雾单独作用相比,第2次灭火时间稍有延长,但是抗复燃时间却显著延长,且总体灭火时间缩短.在实验4中,两种灭火剂同时作用时,第1次灭火时间为17,s,抗复燃时间为16,s,其灭火时间比BTP单独作用时(9,s)长,但抗复燃时间却相对增长了1倍,表明同时喷BTP和细水雾时,抑制阴燃的效果较BTP单独喷时好,但是其抗复燃时间仍较实验1中细水雾单独作用时短许多.相比之下,先后喷BTP和细水雾,不仅可以迅速扑灭明火而且具有良好的抗复燃能力,实现了BTP快速灭明火的特性与细水雾抑制阴燃火特性的优势结合.从灭火剂用量来看,两者联合作用时,灭火剂用量均比细水雾、BTP单独作用时少.先后喷BTP和细水雾时,消耗的BTP为1.115,kg,水为2.755,kg,灭火剂总用量为3.890,kg,而同时喷BTP和细水雾时,BTP的用量为1.875,kg;水为2.040,kg,总用量为3.915,kg.在先后喷与同时喷BTP和细水雾灭明火速度相当且抗复燃效果好的前提下,两种方式灭火剂的总用量相当,但是先后喷BTP和细水雾中,BTP的使用量比同时喷的情况少40.5%,故先后喷BTP和细水雾比同时喷BTP和细水雾的灭火成本低.3.2高压旋流机温度图5给出了两种联合灭火方式下热电偶的温度变化.从图中可以看出,第2次喷洒灭火剂后,先后喷和同时喷BTP和细水雾,木垛表面及上方火焰温度均下降到100,℃以下,而图6(a)中木垛中心处温度明显下降,而图6(b)木垛中心处温度稍有波动后又处于上升状态.这是由于:在相同的喷射压力下,先后喷BTP和细水雾时喷出的细水雾比同时喷BTP和细水雾时喷出的细水雾流量、动量大,对木垛的冷却效果更好;而同时喷BTP和细水雾时有BTP喷出,虽然可以较快地扑灭木垛表面明火,但是由于细水雾量相对较少,对木垛的冷却降温效果较弱.相应地,第2次复燃过程中,先后喷BTP和细水雾的木垛表面及上方火焰温度缓慢上升,明火出现后木垛中心、表面及上方火焰温度均逐渐下降;同时喷BTP和细水雾时,第2次复燃后木垛表面及中心温度恢复到灭火前的燃烧状态,即两次喷洒灭火剂后,先后喷BTP和细水雾要比同时喷BTP和细水雾对木垛火的抑制更彻底.由此可知,将BTP与细水雾灭木垛火的优势在时间上分开使用,可以更好地利用BTP快速扑灭木垛表面明火、细水雾冷却降低木垛表面温度抑制内部阴燃.3.3btp和细水雾产生烟图6给出了为DV机实时记录的联合灭火时灭火视频截图.对比发现,第1次喷灭火剂时,先后喷、同时喷BTP和细水雾对明火都具有瞬时抑制作用,可将2,m多高的火焰压制到木垛表面及四周,但先后喷BTP和细水雾比同时喷BTP和细水雾把火焰压得更低,可快速控制木垛明火;第1次明火消失时,先后喷BTP和细水雾产生烟雾要比同时喷BTP和细水雾时浓且呈白烟状,因为同时喷BTP和细水雾时喷出的BTP量较少且喷出的细水雾对烟雾有一定的稀释作用;第1次复燃瞬间,先后喷BTP和细水雾的实验中火焰比同时喷BTP和细水雾实验中的更大,这主要是因为先后喷BTP和细水雾时先施加的BTP很快挥发,对木垛的冷却作用较差,而同时喷BTP和细水雾的实验中施加的细水雾对木垛有一定的浸润冷却作用;第2次扑灭明火时,实验3中施加的细水雾比实验4中多,对木垛冷却作用更大,木垛碳化温度较低,阴燃产生的烟雾相对较少.由以上结果分析可知,在细水雾、BTP联合灭木垛火时,对应灭火剂用量比单独作用时少,且可实现两者优势的互补,将两者的优点在时间上分开利用,更有利于快速控制木垛火,有效抑制木垛内部阴燃,即先利用BTP的中断链反应的化学灭火机理、蒸发吸热物理灭火机理迅速扑灭木垛明火,再利用细水雾的蒸发汽化稀释氧气、冷却作用抑制木垛内部的阴燃火,可彻底扑灭木垛火,且灭火成本相对较低.4btp与细水雾联合作用下的btp与细水雾组合作用特点本文通过木垛自由燃烧、细水雾和BTP与木垛火相互作用3组实验分析了细水雾、BTP灭木垛火的特点,发现BTP可迅速扑灭明火,但是对抑制木垛阴燃效果却不佳;而细水雾的冷却作用可以十分有效地抑制阴燃火.在此基础上,研究了BTP与细水雾先后喷、同时喷两种联合方式灭木垛火的效果,结果表明,BTP与细水雾联合作用时,对应灭火剂的用量均比其单独作用时少,且可实现两者联合灭火的优势互补,但两种联合方式的灭火效果有所不同.(1)先后喷与同时喷BTP和细水雾两次灭明火的时间相同,但是先后喷BTP和细水雾比同时喷BTP和细水雾抗复燃时间长.(2)先后喷与同时喷BTP和细水雾所用灭火剂总量相当,但是先后喷时BTP的用量比同