两相射流促进水雾灭火技术发展.docx

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两相射流促进水雾灭火技术发展

涡喷消防车的高效灭火原理

两相射流促进水雾灭火技术发展

摘要：

压缩气体射流与水射流混合所产生的气—水两相射流，可获得得连续，高速喷射的细水雾，水滴粒径小，穿入火焰的能力强，可沿水平方向射入火焰中，比喷淋方式水雾灭火可节省90%的用水量，缩短了灭火时间，发挥了细水雾的灭火优势，是细水雾灭火技术的最新发展，所制成的使携式、车载式、固定式的两相射流细水雾灭火装置，可扑灭多种类型的火灾，尤其适合用于扑灭有人存在的空间的火灾，以涡喷发动机为喷射动力的气—水两相射流喷射系统，制成了超大功率的喷射雾状水的消防装备，大幅度提高了控制油、气大火火势的能力和灭火功率。

气—水两相射流还稀释，吹散泄漏出的可燃性气体，防止其点燃的功能，适合于在天然气和有毒有害气体泄漏事故抢险救援中使用。

将压缩气体和泡沫液按比例混和后喷射的压缩空气泡沫喷射系统，产生了喷射“干泡沫“的消防车，使灭火用水的利用率提高了8倍，被称为是世界最先进的泡沫灭火技术。

气—水两相射流促进了灭火技术革命性的发展，新型的气—水两相射流消防装备不断涌现，展示出了广阔的应用前景。

1、引言

细水雾有优异的灭火性能。

1千克瓶装水的表面积约为0.06平方米。

1千克粒径为0.1平方米平方米的雾水滴的表面积之和为60平方，细水雾中水滴的表面积之和比直流水增大了上百倍，这使它的灭火能力大幅度提高，射入火焰中的直流水90%以上流失掉了，而射入火焰中的雾状水滴95%以上气化了，1千克水在火焰中气化时吸收2253KJ的蒸发潜热，可使火焰的温度迅速下降，1升水在常压下气化时生成1630L的水蒸气，稀释了火焰周围空气中的氧含量，窒息了燃烧反应。

同时细水雾射流有极好的阻挡热幅射的吸收有毒烟雾的保护作用。

因此，细水雾大幅度提高了水的灭火效率，是清洁、廉价、高效而又对人友好的灭火剂。

但是，细水雾喷射不远成为在消防中制约细水雾使用的瓶颈。

自1841年世界上诞生第一台以蒸汽机为动力的射水消防车以来的150多年间，单纯喷射细水雾射流的消防车一直没有出现，原因就在于细水雾喷射距离太近，穿透能力太弱，无法用于扑灭大火。

直到气体—水雾两相射流技术在消防领域内的成熟应用，才产生了功率巨大的喷射雾状水射流的涡喷消防车。

2、气体—水雾两相射流的灭火机理

水具有不可压缩的特性。

高压水喷射时，在水枪出口处水的体积并不产生膨胀，因而水射流在水枪出口处也不产生因体积膨胀而增速。

为了提高细水雾的喷射速度和降低水滴粒径，有些喷淋设备将水的压力提高到30MPa，但其产生的效果仍然有限。

相反，气体具有优良的可压缩特性，在气体射流喷枪中，压缩气体因释压膨胀而迅速，生成喷射速度相当高的气体射流，直至产生超音速射流。

人们利用高压气体释压时爆发力强的特性，发明了高速射出弹丸的枪械和火炮，也诞生了喷气发动机和火箭发动机。

在消防领域里，一旦将气体射流与水射流二者混合起来（称之为“两相射流”），就赋予了气体—水雾混合射流许多新的特性：

利用压缩气体释压时迅速膨胀增速的性能，使水滴被气体介质射流进一步切割、粉碎，成为细水雾和超细水雾射流，细水雾射流在气体介质射流加速中进一步获取动能，使其喷射距离大幅度增加，气体—水雾混合射流的高速喷射性能，克服了细小水滴射入不到火焰中心的固有弱点，可将大流量的细水雾沿水平方向快速射入火焰之中，也使混合射流对火焰的冲击能量增大，破坏火焰稳定燃烧的作用增强，大幅度增强了雾状水的灭火优势。

另一方面，从泡沫喷枪中喷射出的压缩气体和泡沫液混和后的两相射流，可获得不含液体水的“干泡沫”，由此制成的消防车，与普通泡沫消防车喷射出的含有大量未发泡的泡沫液的“湿泡沫”相比，使灭火用水的利用率和泡沫液的灭火效能提高了许多倍。

以德国IFEX公司研制IFEX3000型肩背式脉冲式灭火装置为例，该装置利用2.5MPa压缩空气释压时产生的爆发力，驱动储水室中的水（约1L）高速喷出，形成气体—水雾两相射流，在高速气体射流冲击下，水滴微粒被撞击下，水滴微粒被撞击成粒径为20—200微米的细水雾，其出口流速达120m/s，具有极大动能。

高流速的水滴射入火焰中，对火焰产生强烈切割破坏作用，细水雾在火焰中迅速吸热汽化，有极好的灭火能力。

该装置受到国际消防技术委员会的重视，于1997年10月和1999年8月分别在挪威和瑞典的海岸公路隧道内对其进行了灭火试验。

结果表时，IFEX3000型脉冲式灭火技术能够迅速扑灭火灾，用水量与常规水喷淋相比，可省水95%，并能迅速净化空气和保护环境。

1990年，在海湾战争期间为扑灭科威科727口油井大火，来自10多个国家的27支灭火队在遍地冲天大火和遮天蔽日的烟幕中使同各种先进的灭火装备与火魔展开了搏斗。

其中匈牙利人首先使用了将2台航空涡轮喷气发动机并列安装在坦克上的灭火装置（其喷射功率大于20000KW），涡喷发动机产生的高速气体射流将注入的海水切割成雾状水，气—水两相射流向油井大火，扑灭每口油井大火从12秒—20秒不等，比其他国家灭火队运用的其他所有方法快得多，受到各国灭火队的交口称赞。

自从开始，以涡轮喷气发动机为动喷射气—水两相射流的灭火装置名闻天下。

由美国大力、德国施密茨、奥地利卢森宝亚等公司生产的“压缩空气泡沫喷射系统”消防车，也是利用了气—水混合射流。

它是将7—9个大气压的压缩空气和同样压力的水、泡沫液注入混和器中，使1000体积的水、3体积的泡沫液和7000体积的空气混和，产生出8000体积的泡沫，由喷枪射出，形成两相射流。

由于压缩空气在喷枪出口处膨胀增速，使泡沫涂的喷射距离增大，加之喷射出的泡沫属于无液态水的“干泡沫”，使灭火用水利用率提高了8倍，在扑灭可能有人存在的坍塌的建筑物废墟火灾时，不必担心大量水渗入废墟内而使人窒息。

在美国遭受“9。

11”恐怖袭击而坍塌的“双塔楼”的救援工作中，大量使用“压缩空气泡沫喷射系统”消防车，在扑灭火灾、消除烟雾、保护废墟下的生命、抢救珍贵档案资料和计算机存贮器等方面都发挥了很好的作用。

3．涡喷消防装置显著提高了两相射流的喷射功率

受海湾战争的启示，我国发明的涡喷消防车于1991年由空军某所研制，1993年通过技术鉴定，1996年涡喷消防车由国家消防装备质量监督检验中心完成定型检验，1998年公布“目录”文件编号，将涡喷消防车正式列入国家消防装备序列。

至今已在油、气大火消防中发挥出巨大威力，是世界上喷射功率最大的雾状水消防车之一。

涡喷消防车是将航空涡轮喷气发动机作为灭火剂的喷射动力，安装在消防汽车上，配置常规消防车的水箱、水泵。

涡喷发动机产生的高速尾气射流与注入的直流水发生撞击、切割，产生大流量的雾状水，高速尾气携带大流量的雾状水形成“尾气—水雾”射流，实现了雾状水的远距离，高强度的喷射。

涡喷消防车具有传统消防车不具备的如下3大灭火优势:

喷射功率大，水的灭火效率大幅度提高，创造了喷射泡沫灭火剂的新方法。

3、1喷射功率巨大

通常认为，常规消防车发动机的功率和整车的质量比达到30KW/T后就无法再增大了，否则其扭矩的增大使得传动机构的加强和底盘重量的增加，会抵消功率增大带来的好处。

美国的T-6消防车满裁质量为19.2T，发动机功率367KW，功率质量比为19.1KW/T。

机场快速反应消防车所载灭火剂较少，其功率质量比可达26KW/T左右。

例如，法国的SD2000快速反应机场消防车最大功率138KW仅载有1200L水和100千克干粉，满裁重量为5.3T，功率质量比达26KW/T，为增大储备功率，有些型号的机场消防车使用两台发动机，分别用于驱动和喷射，但其总的功率质量比仍未突破30KW/T。

因此，全世界至今没有1台发动机功率超过1000KW的常规消防车出现。

国内功率最小的涡喷消防车的喷射功率也超过4000KW，满载时的质量为24.6T，其功率质量比为160KW/T，突破了30KW/T的限制，因而也突破了现有消防车的动力无法实现雾状水的远距离喷射的问题，成为喷射功率巨大的雾状水消防车，也是当前世界上安装在汽车底盘上的喷射功率最大的消防车。

3．2水的灭火效率大幅度提高

将流量为60千克/秒的直流水注入涡喷消防车的雾化装置中，喷射出的高速雾状水射流瞬时覆盖面积大于200平米，最远喷射距离可达100米，在30—70米距离间形成最佳水雾喷射强度。

涡喷消防车实现了大流量雾状水的远距离，高强度，大覆盖面积的喷射。

高速尾气—水雾射流对火焰稳定燃烧有强劲的切割破坏作用，大流量雾状水在高速尾气的携带下切入火焰，有迅速窒息燃烧的作用。

60千克/秒流量的雾状水全部气化时每秒可吸收1350000KJ的热量，生成100立方米/秒体积的水蒸气，其对火焰的冷却降温和稀释氧气，窒息燃烧的作用相当显著。

经试验,涡喷消防车扑灭80平方米3吨燃油的油池大火仅需9秒。

涡喷消防车控制火势的能力和灭火效率比常规消防车提高了十多倍。

同时尾气—水雾射流还有很强的驱散有毒有害气体，阻隔大火幅射热的作用，可在水雾射流掩护下救助被火灾围困的人员，避免或减少被火灾围困的人员的伤亡。

3．3创造了喷射泡沫灭火剂的新方法

涡喷消防车生成泡沫的机理和常规消防车的泡沫炮生成泡沫的机理有显著的不同。

常规消防车的泡沫炮是靠水射流的引射作用将空气吸入炮管，空气与混和液搅拌混合产生泡沫。

但此时空气的体积流量和液体的体积流量相差无几，空气处于负压状态，未能使所有液体都形成泡沫，喷射出的泡沫和未生成泡沫的液体混和在一起，使泡沫富于流动性，需经流淌才能形成相对稳定的泡沫层。

喷射在油罐油面上的泡沫液，其中的液体沉入油面之下，只有泡沫覆盖在油面之上。

涡喷消防车是由高速气体射流冲击，剪切泡沫混和液，形成粒径为2—3毫米的大流量泡沫珠，此时空气的体积流量是液体体积流量的几十倍，在强气流作用下所有的混和液均生成了泡沫珠，没有液态水的存在。

泡沫珠射流瞬时覆盖的面积达200平米，喷射1分钟时，在200平米面积上形成的泡沫层平均厚度为5厘米。

泡沫珠坠地后没有流动性，但却有很好的附着力，直接形成均匀厚度泡沫覆盖层，良好的附着力使其在形状复杂的物体表面上形成稳定的泡沫覆盖层，免除了泡沫射流经流淌才能形成均匀覆盖层所需的时间。

泡沫覆盖于油面之上，没有液体沉入油面之下。

因此，喷射同样质量的泡沫，涡喷消防车比常规消防车获得更大的泡沫覆盖面积，更好地发挥了泡沫灭火剂的性能，创造了喷射泡沫灭火剂的一种新方式。

1993年，涡喷消防车参加了上海金山化工总厂的大型灭火演习，单台涡喷消防车扑灭520平米油池大火仅用77S，耗水2.8T，平均扑灭每平方米油池消耗的水和轻水泡沫混和液为5.7千克。

灭火效率远远超过多台协同作战的进口的（包括美国的大力和奥地利的美洲豹）常规重型消防车，创造了金山化工总厂历次举办的灭火演习的多项新纪录。

涡喷消防车已多次扑灭燃油大火引发的火灾。

涡喷消防车在扑灭油、气大火时特别省水和泡沫，是传统的1/20,因此成为在缺水的沙漠油田中扑灭油、气大火的最适用的大功率消防装备。

涡喷消防车在扑灭油、气大火时不会造成水渍损失，也基本上不造成化学污染。

由于涡喷消防车是当前对付油、气大火的最强有力的消防装备，也是消防车家族中的新成员，因此其逐渐进入相关的消防领域,发挥着绝对重要作用。

4．两相射流促进细水雾灭火技术的发展

4、1气体射流技术有丰富的开发应用成果

翱翔于天空的的飞机，其飞行中的动力和阻力均可视做是来源于气体射流，其研究促进了航空科学的发展，有十分丰富的研究成果。

举例来说，制造一台300KW的可移动的水射流装置，在工程技术和使用场所方面有不小的难度。

但是，制造一台3000KW的可车载的喷射高速气体射流的发动机，在工程技术上早已不成问题。

将气体射流技术与水射流技术结合起来开发两相射流消防装备，可以解决消防工程面临的许多难题。

我国已建成7400余座铁路隧道，1970余座公路隧道，隧道总长度达5200千米，北京、上海、广州、南京、武汉等城市已建成和正在兴建多条地铁，过江遂道。

我国首条海底隧道已在厦门开建。

至今，我国已成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。

与此同时，令世人关注的隧道火灾事故的风险也在不断增加。

隧道火灾呈现出如下特点

1）大火产生的有毒烟雾扩散困难，使现场未逃离的人员窒息而死，也多次使顺风撤离的人员难逃被烟雾窒息的厄运。

2）烟雾导致能见度极差，加之燃烧产生的高温，使救援人员难以进入隧道和展开灭火作业。

3）火灾产生的大部分热能被用于加热隧道内的空气，形成了“烧砖窑效应”。

4）集聚的高温热气流使下游的易燃物分解和气化，着火点能从一个燃烧源跳跃到下一个燃烧源，会接连发生爆轰和爆炸。

5）爆轰产生的高温高压气体沿着隧道急剧膨胀而形成“枪管效应”对处于隧道内的人员的生命构成重大威胁。

6）高温会使隧道顶部的混凝土丧失强度而塌陷，地面的沥青熔融粘化，为消防、救援工作造成很大困难。

1971年3月法国克洛次隧道内油罐列车爆炸起火，1996年11月英法两国之间的海底隧道大火、1999年3月法意两国之间的勃郎峰隧道大火，1999年5月奥地利阿尔卑斯山的陶恩大隧道大火，2000年11月奥地利基茨施坦霍恩山隧道大火，2001年10月瑞士圣哥达隧道大火，均造成了人员伤亡和隧道损坏的重大损失，修复工作持续了数十天至数个月。

我国隧道的消防，如能使用由航空涡轮风扇喷气发动机（功率10000KW以上）改装成的气—水两相射流消防装置，通过喷射和引射，可使大流量细水雾射流贯穿隧道，形成“人工风暴”，成为隧道火灾的“杀手锏”使排烟、降温、灭火、救人工作得以顺利进行，大幅度减少隧道火灾造成的损失。

1970—1984年，美国发生天然气管线失效事故5872起，平均每年发生404起，1985—1992年，平均每年238起。

我国四川输气管网13条管线，1970—1994年发生事故造成停输61次，年平均事故率为2.608次/103K平方米。

我国已有“西气东输”等数万千米的天然气管道。

地面沉降、地震、泥石流灾害、不当施工、管道腐蚀和材质缺陷等都会引起管道破裂。

天然气泄漏时，使用大功率气—水两相射流消防装置可在泄漏的可燃性气体未点燃时予以吹散、释稀、掩护救援人员对泄漏的管道进行抢修作业。

在发生火灾时能很快将大火扑灭。

5．结论

综上所述，通过气—水两相射流灭火研究试验和实践，可以得出如下结论：

1）由航空涡喷发动机作为喷射动力的气—水两相射充水雾灭火装置，根据选用的喷气发动机功率的大小不同，其气体—水雾射流的喷射能量达几十千瓦至上万千瓦，成为扑灭油、气大火的威力巨大的水雾射流消防装备，在大量生产，存贮，运输，使用油气资源和化工产品的场所，该消防装备能发挥迅速控制火势和扑灭大火的重要作用。

2）气—水两相细水雾射流不仅可用于灭火，还有稀释，吹散泄漏出的可燃性气体的功能，防止其点燃。

特别是大流量的气—水两相射流可吹除，稀释因管道破裂而泄漏出的可燃性气体，为现场应急处置和抢险救援提供宝贵的时间。

3）两相射流灭火装置不只限于气—水两相射流，当使用气体—超细干粉两相射流灭火时，同样会获得很高的灭火效率，缩短灭火时间，扑灭同样强度的火灾，可节省大量的灭火剂。

总之，两相射流灭火技术是利用气体射流的高流速、高扩散性特性，将灭火剂以气溶胶状态迅速地喷射入火焰中的技术，大幅度提高了灭火装置的灭火效率，其喷射装置从手提式到上万千瓦喷射功率的车载式容易生产制造，可用于扑灭不同规模的火灾。

因此，两相射流灭火技术有很大的开发利用空间，有广阔的应用前景，会得到迅速发展。