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复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究图文精

第36卷第1期中国科学技术大学学报

Vol.36,No.12006年1月

JOURNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA

Jan.2006

文章编号:

025322778（20060120020206

复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究

3

丛北华,周晓猛,廖光煊

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽合肥230027

摘要:

.效性随添加剂浓度的变化规律.结果表明:

最大可缩短灭火时间5～8倍.下降,尔后略微增长的趋势;,并趋于饱和.对应最短灭火时间,（CMC的2～3倍,木垛火的最佳添加剂灭火（～10倍.含添加剂细水雾扑灭火焰是物理化学复合作用机制,但主.并且对于油池火,添加剂灭火关键是表面活性剂在油面快速成膜.而对于木垛火,添加剂灭火关键是在表面覆盖较厚泡沫层.关键词:

细水雾;添加剂;灭火性能;最佳灭火浓度中图分类号:

X932　　　文献标识码:

A

Improvementofwatermistfiresuppressionperformance

withcompositeadditives

CONGBei2hua,ZHOUXiao2meng,LIAOGuang2xuan

（StateKeyLaboratoryofFireScience,USTC,Hefei230027,China

Abstract:

Theeffectivenessofusingcompositeadditivesinwatermistwasinvestigated.Theadditivesusedinthestudyweretwonew2developedadditivesnamedF1andF2byourresearchgroup.Testswereconductedusingcribfires,ethanolanddieselpoolfireswithvariedadditiveconcentration.Resultsshowthatthesuppressionperformancevariesgreatlydependingonthequantityoftheadditivesinthewatermist.Forthehydrocarbonfuel,theoptimumconcentrationisalmosttwiceofCMC,whenathinlayeroffilmformedbyfluorinatedsurfactantonthepoolsurfacereducestheamountoftheradiantenergythatisabsorbedbythefuel.Whileforthewoodcribs,theoptimumconcentrationisalmost8～10timestheCMCatnormaltemperatureforbothagents,whenathickfoamblanketonthecribsurfaceisformedtostoptheburning.Thefiresuppressionmechanismofwatermistwithadditivesiscombinedwithphysicalandchemicaleffect.

However,thesurfacecoolingandfuelisolationareconsideredtobethecrucial

suppressionmechanism.

Keywords:

watermist;additives;firesuppressioneffectiveness;optimumconcentration

3收稿日期:

2005211203;修回日期:

2005212215

基金项目:

国家重点基础研究发展规划项目（2001CB409600和高等学校博士学科点专项科研基金（20020358044资助.作者简介:

丛北华,1978生,男,博士生.研究方向:

火灾动力学演化及其防治技术研究.通讯作者:

廖光煊,教授,博士生导师.E2mail:

gxliao@ustc.edu.cn

0　引言

普通细水雾主要通过下列三个方面进行灭火[1],即冷却吸热,稀释氧浓度与衰减热辐射.因此,细水雾属于物理灭火方法,在某些特殊火灾场景下的应用存在不足.已有研究发现:

细水雾难以有效扑救位于障碍物保护下的火焰[2];对于通风良好的空间,由于雾滴的大量损失,降低了常规细水雾的灭火性能[3];在扑救木垛火等深位火灾时,细水雾灭火效率低下,容易复燃[4];当环境温度位于0℃以下时,水会结成冰,限制了低温条件下细水雾的应用[5].因此进一步提高细水雾的灭火性能、,备受各国重视.其中发展清洁[5～9].础上,发展了一种复合型细水雾添加剂,并通过模拟实验研究了添加剂浓度、燃料类型对细水雾灭火有效性的影响,为实际工程应用提供科学依据

.

图2　细水雾特性参数在测量平面上的分布

Fig.2　Distributionofwatermistcharacteristicsonthemeasurementplane

1　实验方法

1.1　实验装置

实验在3m×3m×3m的受限空间内进行,如图1所示.在受限空间的顶部安装可控硅无级调速控制器和两台功率为0.75kW电磁调速电机,采用双烟道进行抽排风风机排烟,新鲜空气从底部进入.细水雾由恒压供水的压力型雾化喷头产生,位于火源正上方,工作压力015～112MPa,竖直向下距离火源2.5m.在距离火源上表面中心0102m处布置第一个热电偶,然后沿着表面中心线向上每隔20cm布置一只热电偶,共布置6对热电偶,用于测量

灭火前后火焰温度的变化.在离火源中心线2m处

放置CCD摄像机,用于观察与记录细水雾与火焰相互作用过程,并计算灭火时间.

火源选用具有代表性的酒精池火、煤油池火与木垛火.液体燃料用直径为33cm,深度2cm的油盘盛装,保持液面距离油盘上边缘9mm.木垛体积为014m×014m×013m,由截面为0104m×0104m的松木条组成,木条间距215cm,10%.,014m×01414,1酒精用于引燃.当,手动开启阀门,施加细.实验时环境温度为21℃,相对湿度为30

%.

图1　实验装置示意图

Fig.1　Schematicoftheexperimentalapparatus

1.2　细水雾

实验中细水雾由压力型雾化喷头产生,单个喷头上集聚七个雾化喷嘴,形成的细水雾雾化张角约为120°.细水雾粒径与速度分布利用三维LDV/APV系统进行测量[10].测量平面位于喷头下方110

m,雾化压力分别为0.8、1.0、112MPa.图2（a、（b给出了典型雾场测量结果.从图中可以看出,压力越

高,雾滴粒径越小,下落速度越大.从中心线到雾场

1

2第1期复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究

边缘,雾滴粒径不断增加,边缘处达到最大值,这与大粒子具有较大的惯性有关;雾滴的下落速度则是中心线附近保持较大值,远离中心线后开始下降,在边缘处趋于稳定.这是因为中心线附近的雾滴具有较大的动量,离开中心线后雾滴与空气相互作用增大,空气阻力减小了雾滴的下落速度,而到达雾场边缘处液滴受到阻力与重力已基本平衡,雾滴下落速度趋于稳定.根据NFPA750标准[11],本实验中细水雾的平均粒径200～300μm,属于第二类细水雾.

图2（c给出了利用收集法得到的不同压力下细水雾雾通量沿径向的分布.从图中可以看出,场范围内,雾通量的分布是不均匀的滴密度大,步减小,1/1/增大压力,雾通量随之增加,显著.1.3　添加剂

添加剂配方组成如表1所示.其中:

碳氢表面活性剂与氟表面活性剂可以大幅度降低水的表面张力,提高雾化效果,增强水在燃料表面的润湿作用;乳酸钠为碱金属盐,可以增加细水雾的化学灭火作用;尿素一方面作为抗冻剂,降低了水的冰点,另一方面受热易分解,吸收大量的热并释放出惰性气体,增强了细水雾的物理灭火作用;N,N-二甲基甲酰胺是溶剂,作用是把上述三类物质和水均匀混合,形成均相溶液.表1给出了添加剂浓缩液,用于细水雾灭火时,一般需把上述添加剂浓缩液加水稀释10～30倍.

表1　细水雾添加剂配方组成

Tab.1　Formulationoftheadditives组分名称

作用

质量分数/%

F1添加剂F2添加剂N,N-二甲基甲酰胺溶剂

15.010.0烷基酚聚氧乙烯醚

碳氢表面活性剂3.01.5FC24

氟表面活性剂6.03.0乳酸钠化学灭火盐类1.51.5尿素热敏性物质、抗冻剂

6.56.5蒸馏水

68.0

77.5

2　实验结果与分析

为了全面分析、评价上述新型添加剂对细水雾

灭火性能的影响,针对不同燃料类型,改变添加剂浓度,共进行了27组灭火实验.其中三组未加入添加

剂,作为比较基准.每组实验均重复进行三次,取灭

火时间的平均值作为细水雾灭火性能衡量值.2.1　添加剂对细水雾扑灭煤油火性能的影响图3给出了细水雾施加前后煤油火温度的变化.从图中可以看出,在3.33%F1添加剂细水雾作用下,煤油火温度下降十分迅速,火焰几乎是即刻熄灭,灭火时间不足2s.相比之下,油火需10s,.,细水雾启动之后,,,;随后,,降低火区温,火焰逐步被细水雾,并被挤压向油盘表面;最后,雾滴穿透火焰区,到达燃料表面,不断降低燃料温度,减少可燃气体的蒸发,最终导致火焰熄灭.上述三个阶段中,第三阶段耗时最多,约占总灭火时间的80%.而在添加剂作用下,雾滴掉落到油面上后,会迅速铺展开来,形成一层致密覆盖膜,直接阻止燃料蒸发,因此大大缩短了灭火时间

.

图3　添加剂对细水雾作用下煤油火

温度分布变化的影响

Fig.3　Flametemperatureprofilesofkerosenefiressuppressedbywatermistwithandwithoutadditive

图4给出了添加剂浓度对细水雾扑灭煤油火时

间的影响.从图中可以看出,随着细水雾中添加剂含量的不断增加,灭火时间呈现出先下降,而后略微增长的趋势.对应着最短灭火时间,添加剂浓度分别为3.33%（F1和6.67%（F2.

2.2　添加剂对细水雾扑灭酒精火性能的影响

图5给出了细水雾施加前后酒精火温度的变化.从图中可以看出,在细水雾作用下,相对于煤油火,酒精火温度下降更为平缓.同时实验中也观察

22中国科学技术大学学报第36卷

图4　添加剂浓度对细水雾扑灭煤油火时间的影响

Fig.4　Extinguishmenttimeofkerosenepercentageof

图5　添加剂对细水雾作用下酒精火温度分布变化的影响

Fig.5　Flametemperatureprofilesofethanolfiressuppressedbywatermistwithandwithoutadditive

到,细水雾开启后,酒精火并无瞬时增大过程,火焰在熄灭过程中,均被吹向了油盘一侧.这一点与煤油火有着较大区别.这主要是因为酒精属于极性溶剂,与水互溶,因此当雾滴掉落到燃料表面后,会直接稀释液体燃料,降低蒸发速率,导致局部熄火.加入添加剂后,雾滴掉落到燃料表面后,不仅稀释液体燃料,更主要的是在燃料表面快速扑上一层覆盖膜,大大缩短灭火时间,这与扑灭煤油火类似.

图6给出了添加剂浓度对细水雾扑灭酒精火时间的影响.从图中可以看出,随着细水雾中添加剂含量的不断增加,灭火时间同样呈现出先下降,而后略微增长的趋势.对应着最短灭火时间,添加剂浓度也分别为3.33%（F1和6.67%（F2.但是由于酒精燃料闪点远低于煤油,常温下也保持较大蒸发速度,因此扑灭酒精火比扑灭煤油火更加困难.

加入添加

6Fig.6　Extinguishmenttimeofethanolfiresversusmass

percentageofadditivesinwatermist

剂虽能缩小二者的差距,但未改变二者之间的灭火相对难易程度.

2.3　添加剂对细水雾扑灭木垛火性能的影响

图7比较了添加剂对细水雾施加前后木垛火温度变化的影响.从图中可以看出,

木垛火大约需要图7　添加剂对细水雾作用下木垛火火焰

温度分布变化的影响

Fig.7　Flametemperatureprofilesofcribfiressuppressed

bywatermistwithandwithoutadditive

150s达到完全燃烧.细水雾开启后,火焰温度并未立刻下降,完全燃烧仍将继续维持10～15s.此后的燃烧则得到有效抑制,木垛外表面火焰首先熄灭,随后内部逐步被冷却、窒息直至火焰完全熄灭.添加剂对木垛外表面火焰熄灭影响较小,但加速了其内部火焰熄灭过程,缩短了整体灭火时间.与油池火不

同,添加剂对细水雾扑灭木垛火性能提高幅度较小,

并且随着细水雾中添加剂含量的不断增加,灭火时间逐步下降,并趋于饱和,如图8所示.对应着饱和

3

2第1期复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究

灭火时间,添加剂最佳浓度分别为13.33%（F1和26.67%（F2,并且实验可观察到木垛被一层泡沫覆盖

.图8　Fig.8　Extinguishmenttimeofcribfiresversusmass

percentageofadditivesinwatermist

2.4　含添加剂细水雾的灭火机理

研究表明,细水雾的灭火机理主要为冷却吸热,包括气相冷却吸热与表面冷却吸热,稀释氧浓度以及衰减热辐射.对于不同灭火场景,上述细水雾的三种灭火机理均同时发挥作用,但主导灭火机理却不尽相同.加入添加剂后,由于改变了水的物理化学性质,必将导致不同机理对灭火的相对贡献发生变化.

本实验中添加剂为复合型物质,其中多种组分均对细水雾的灭火机理产生影响.添加剂中乳酸钠属于碱金属盐,在火焰中高温分解出的Na以蒸气或失去电子的阳离子形式存在.它可与火焰中的活性自由基H・、O・和・OH发生链式反应[12],大量消耗燃烧所需的活性基团,抑制自由基之间的放热反应,从而将燃烧的链式反应中断,使燃烧得到抑制.因此乳酸钠增加了细水雾的化学灭火作用.根据阿仑尼乌兹反应定律,化学灭火作用的强弱决定于Na的摩尔浓度.本实验中细水雾所含乳酸钠不超过5‰（w/w,远低于金属钠盐5%（w/w的最佳浓度

值[13],因此乳酸钠化学灭火作用仅起到辅助细水雾灭火.

添加剂中尿素属于受热易分解物质,温度高于130℃,即发生分解.分解产生CO2、NH3起到惰性

气体灭火作用,并且吸收大量热,降低了火焰温度.因此尿素增强了细水雾的物理灭火作用.与乳酸钠类似,细水雾中尿素含量较少,因此其对物理灭火作用的提高幅度也很有限.

而向细水雾中加入少量的氟表面活性剂,则可以大幅度降低水的表面张力,如图9所示,使得水溶液能够迅速在燃料表面铺展开来,并形成保护膜,不仅减少了火焰对燃料表面的热反馈,更为重要的是直接阻止可燃气体的挥发,将燃料与氧气隔离开来,达到快速灭火作用.因此本实验中,含添加剂细水雾,但其主导灭从图9中进的2～3倍;对于（CMC.这是因为,对于液体池火,表面水溶液膜

主导细水雾灭火过程.当细水雾中氟表面活性剂达

到临界胶束浓度后,表面即已形成较为稳定保护膜,

继续增加表面活性剂的浓度,只表现在水溶液内部胶束浓度的增加,表面性质变化不大[14].而对于木垛火,由表面活性剂形成的保护膜则难以做到完全覆盖木垛表面,发挥隔离灭火作用.只有当表面活性剂足够多时,将木垛覆盖较厚泡沫层后,添加剂才能有效发挥隔离灭火作用

.

图9　细水雾中氟表面活性剂含量与表面张力

及灭火时间之间的关系

Fig.9　RelationshipbetweenFluorinatedsurfactantconcentration,surfacetensionandextinguishmenttime

3　结论

我们通过模拟实验,针对三种不同火源类型,改

变添加剂浓度,研究了自制新型添加剂对细水雾灭火有效性的影响,得到以下结论:

（Ⅰ本次制备的新型复合添加剂有效增强了细水雾的灭火性能.随着细水雾中添加剂含量的不断增加,油池火的灭火时间呈现出先快速下降,而后略

42中国科学技术大学学报第36卷

第1期复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究[D].合肥:

中国科学技术大学,2001.25微增长的趋势,最短灭火时间仅为普通细水雾灭火时间的1/6～1/8;而木垛火的灭火时间则表现为平缓下降,并趋于饱和,灭火时间最大也可缩短5倍.对应最短灭火时间,油池火的最佳添加剂灭火浓度约为临界胶束浓度（CMC的2～3倍,而木垛火的最佳添加剂灭火浓度需为临界胶束浓度的（CMC8～10倍.（Ⅱ本实验中的添加剂为复合型物质,多种组分对细水雾的灭火机理产生影响.其中,乳酸钠增加了细水雾的化学灭火作用,尿素和表面活性剂增强了细水雾的物理灭火作用.因此火焰是在物理化学复合作用下熄灭,但主导灭火机理是燃料表面的冷却与隔离作用.（Ⅲ燃料性质不仅影响普通细水雾的灭火性能,也同样对添加剂的增强作用产生重要影响.对于油池火,添加剂灭火关键是表面活性剂在油面快速成膜.而对于木垛火,仅表面成膜还难以有效发挥添加剂的隔离灭火作用.只有当细水雾中表面活性剂含量足够多时,并用较厚泡沫层将木垛覆盖后,添加剂才能有效发挥隔离灭火作用.参考文献（References[1]　NdubizuCC,AnanthR.Onwatermistfiresuppres2sionmechanismsinagaseousdiffusionflame[J].FireSafetyJournal,1998,31:

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