用锥形量热仪研究细水雾抑制熄灭PVC火

摘要

利用锥形量热仪和单流体细水雾系统研究了细水雾抑制PVC火的过程，并观察了重燃现象的发生，测量了实验中热释放速率及O₂，CO₂，CO和烟气的浓度变化，并对不同细水雾工作压力及不同热辐射流量下的结果进行了比较。由实验可知细水雾能快速扑灭PVC火，且压力越大灭火越迅速，但是在灭火后停止施加细水雾会发生重燃现象，且重燃发生的时间长短与作用在燃料表面的水量有关。

正文

聚氯乙烯 (PVC) 在燃烧时会产生许多有害的气体, 例如氯化氢、氯气和二氧芑, 造成严重的环境污染 ^[1,2,3]。因此研究PVC在不同火灾场景下的燃烧特性以及如何降低PVC火灾的危险性就显得非常重要。此外, 为了能够更好地设计适合于扑灭PVC火灾的系统, 需要研究在施加灭火介质的状况下PVC的燃烧特性。

细水雾作为哈龙灭火剂的一种替代产品以其无环境污染、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小等特点展示出广阔的应用前景, 目前已成为国际火灾科学前沿研究热点之一 ^[4,5]。前人做了许多细水雾与油池火、木垛火以及PMMA火相互作用的研究 ^[6,7,8], 但是关于PVC火的研究则较少。且细水雾扑灭固体燃烧火的情况与液体燃烧火不同, 液体火在被扑灭后停止施加细水雾将不再产生重燃现象, 而固体火被扑灭后停止施加细水雾有重燃的可能 ^[9], 因此作者使用锥形量热仪研究了细水雾抑制PVC火以及PVC火被扑灭后的重燃现象。

《1 实验装置及实验方法》

1 实验装置及实验方法

实验中使用标准锥形量热仪 (ASTM E 1354) ^[10]和单流体细水雾系统, 如图1所示。细水雾由一个小流量的压力式雾化喷头产生, 雾化锥角为90°。喷头距离PVC试样的距离为80 mm, 产生的细水雾能够完全覆盖整个试样表面。实验中使用0.4 MPa和0.7 MPa两种不同的喷头工作压力, 保持喷头的工作压力稳定以恒定细水雾流量。在这两种工作压力下离喷口100 mm处细水雾粒径和速度的径向分布由三维激光多普勒粒子分析仪 (三维LDV/APV系统) 进行测量, 结果分别示于图2和图3 ^[11]。两种压力下对应的细水雾流量分别为103.5 mL/min和134 mL/min。

《图1 实验装置示意图》

图1 实验装置示意图

Fig.1 Experimental set-up

《图2 距喷口100 mm处细水雾粒径沿径向的分布》

图2 距喷口100 mm处细水雾粒径沿径向的分布

Fig.2 The radial distribution of the volume mean diameter of water mist

《图3 距喷口100 mm处细水雾轴向速度沿径向的分布》

图3 距喷口100 mm处细水雾轴向速度沿径向的分布

Fig.3 The radial distribution of the axial mean velocity of water mist

锥形量热仪的实验空间的几何尺寸为0.6 m×0.6 m×0.7 m, 它用于记录实验中PVC试样的热释放速率、燃烧产物CO₂和CO在空气中质量分数以及耗氧量随时间的变化曲线。实验前先将3 mm厚、面积为100 mm², 质量为41 g的PVC试样放置在垫有高岭棉的不锈钢盘中, 试样的表面与不锈钢盘的顶端齐平。试样四周用铝箔包好以降低边缘的影响, 可近似认为试样中是一维的热传递过程。当加热锥达到预定热辐射流量时把试样放置在正确位置, 利用热辐射使得PVC试样自发燃烧而不使用自动点火装置。当试样达到稳定燃烧状态后再维持燃烧一段时间直到试样质量减小到预先设定的值, 此时开启细水雾系统施加细水雾。当明火消失后立刻关上细水雾系统, 开始对重燃时间进行计时, 直到PVC试样重燃后再关闭加热锥, 实验结束。实验中的热辐射流量设定了30, 50和70 kW/m²三个值。

《2 实验结果与讨论》

2 实验结果与讨论

PVC材料的燃烧分为2个步骤:第一步 (240~340 ℃) 主要产物是HCl气体和含双键的多烯烃;第二步 (400~470 ℃) 是碳的燃烧 ^[12]。当热辐射流量为30 kW/m²时不能将PVC试样加热到340 ℃以上, 燃烧反应只进行到第一步, 因此不能够自发燃烧, 在这种工况下不进行灭火和重燃实验。

当热辐射流量为50 kW/m²时, PVC试样能够在不使用任何点火装置的情况下自燃, 图4是在该热辐射流量下, 细水雾压力为0.4 MPa时实验中热释放速率的变化曲线图。由图可见PVC试样在自燃后热辐射速率迅速上升, 大约30 s后达到稳定阶段, 稳定后再燃烧大约40 s试样质量达到预定值, 此时开启细水雾。细水雾施加后火焰立刻得到抑制, 热释放速率迅速下降, 17 s后就从210 kW/m²的峰值降到40 kW/m²。火焰熄灭后关闭细水雾系统, 利用加热锥对剩余的PVC试样继续加热观察重燃现象, 大约480 s后试样重新自发燃烧。

《图4 热辐射流量为50 kW/m2时热释放速率变化曲线图》

图4 热辐射流量为50 kW/m²时热释放速率变化曲线图

Fig.4 Heat release rate at 50 kW/m²

细水雾灭火的主要机理是吸热、置换氧气和隔绝热辐射 ^[4,5,6]。在该实验中PVC试样的火焰高度为80 mm左右, 可以认为细水雾在施加后, 雾滴直接进入了火焰区域。作者使用式 (1) 简单计算了雾滴在火焰区中的蒸发时间 ^[13]:

$t = \frac{D_{0}^{2}}{λ} (1)$ $t = \frac{D_{0}^{2}}{λ} (1)$

其中, D₀为雾滴的初始粒径, λ为蒸发系数, 可由式 (2) 求得:

$λ = \frac{8 k \ln (1 + B)}{C_{p} ρ} (2)$ $λ = \frac{8 k \ln (1 + B)}{C_{p} ρ} (2)$

其中k为水蒸气的导热系数;C_p为水蒸气的定压热容;ρ为水的密度;B为传热数, 其定义式为:

$B = \frac{C_{p} (Τ_{\infty} - Τ_{b})}{L} (3)$ $B = \frac{C_{p} (Τ_{\infty} - Τ_{b})}{L} (3)$

其中T_b为雾滴表面温度, 由于雾滴升温到100 ℃所需的时间小于0.01 s, 所以假设雾滴进入火焰区时温度已达沸点为373 K;T_∞为雾滴周围的气体温度, 取973 K, L为水的汽化潜热, 为2 257.1 kJ/kg。由计算得50 μm的雾滴完全蒸发所需的时间为0.06 s。取雾滴的初始速度为0.5 m/s, 匀速下落到达PVC试样表面的时间为0.16 s, 但因火羽流的作用, 且雾滴运行过程中直径逐渐减小, 所以雾滴实际到达试样表面的时间要超过0.16 s。因此, 可以认为刚开始施加的细水雾滴在没有到达燃料表面前就已经完全蒸发了。但由于雾滴在蒸发过程中从火焰区吸收大量的热降低了火焰温度和火焰高度, 所以后续细水雾能够穿透火羽流到达燃料表面, 起到冷却作用。此时会发生两种情况:a.如果固体燃料表面没有足够的水或者燃料表面的累积水量速率与表面水的蒸发速率保持平衡, 则不能将火扑灭。细水雾的连续施加最终将会导致一个新的稳态燃烧过程;b.如有足够的细水雾施加到燃料的表面, 同时有足够的时间, 则火焰最终将会被扑灭。而且PVC在稳定燃烧过程中主要是碳的燃烧, 此时会在燃料表面形成富碳的多孔区域, 必须有足够的细水雾穿透焦碳层, 到达已燃和未燃物料之间, 才能将火焰彻底扑灭并防止在停止施加细水雾后火焰立即重燃。在该实验中, 细水雾关闭后PVC试样没有立即重燃, 而是经过一段时间的水分蒸发和升温后才重新燃烧, 这说明对于所研究的工况而言用于灭火的细水雾的流量是足够的, 但是如果不能有效的消除或削弱外加的辐射源, 燃料有重燃的可能性。对于这种情况需要持续施加细水雾, 而不能在火焰被扑灭后就立刻关闭细水雾系统。

图5是燃烧产物中氧气质量分数的变化曲线, 可以看到细水雾施加后氧气质量分数迅速上升。这是因为火焰在此时立刻得到抑制, 燃烧强度减小而导致了耗氧量减小。虽然火焰外部空间的氧气质量分数上升了, 但是由于细水雾受热后很快蒸发成水蒸气, 其体积扩大了约1 700倍, 取代了雾滴周围的空气, 有效的稀释了火焰区中可燃气体和氧气的浓度, 因此在火焰内部存在对氧气的稀释作用, 它虽然不能使PVC火完全熄灭, 却可抑制火焰。此外在实验过程中加热锥是一直开启的, 这样细水雾不仅阻隔了火焰对燃料表面的辐射, 同时也阻隔了加热锥对燃料表面的辐射, 缩短了灭火时间。

《图5 热辐射流量为50 kW/m2时O2质量分数变化曲线图》

图5 热辐射流量为50 kW/m²时O₂质量分数变化曲线图

Fig.5 Oxygen concentration at 50 kW/m²

图6, 图7分别是燃烧产物中CO₂, CO质量分数的变化曲线, 图8是烟气的比长度消光系数 (对应于烟气质量分数) 的变化曲线。

《图6 热辐射流量为50 kW/m2时CO2质量分数变化曲线图》

图6 热辐射流量为50 kW/m²时CO₂质量分数变化曲线图

Fig.6 Carbon dioxide concentration at 50 kW/m²

《图7 热辐射流量为50 kW/m2时CO 质量分数变化曲线图》

图7 热辐射流量为50 kW/m²时CO 质量分数变化曲线图

Fig.7 Carbon monoxide concentration at 50 kW/m²

三者在燃烧产物中的质量分数在细水雾施加后都迅速降低。这主要是因为火焰受到了抑制, 燃烧强度减小, 另外生成水蒸气的稀释作用以及细水雾对烟气的冲刷作用降低了这些燃烧产物的质量分数。火焰在熄灭后CO₂的质量分数基本维持不变, 只是在重燃时才增加, CO的质量分数则是缓慢的逐渐上升, 这是因为PVC试样在加热锥的作用下处于阴燃的状态, 主要产物为CO和烟气, 而耗氧量和热释放速率非常小, 所以此时耗氧量和热释放速率基本维持不变。当阴燃转为明火重燃时, CO和烟气的质量分数都有所下降。

《图8 热辐射流量为50 kW/m2时烟气的比长度消光系数变化曲线图》

图8 热辐射流量为50 kW/m²时烟气的比长度消光系数变化曲线图

Fig.8 Smoke ratio at 50 kW/m²

《图9 热辐射流量为70 kW/m2时不同细水雾压力下热释放速率变化曲线图》

图9 热辐射流量为70 kW/m²时不同细水雾压力下热释放速率变化曲线图

Fig.9 Heat release rate under different operating pressure at 70 kW/m²

图9是热辐射流量为70 kW/m²时不同细水雾压力下的热释放速率变化曲线。由图可见细水雾压力增大时热释放速率加速下降, 在0.7 MPa时, 热释放速率15 s后就从210 kW/m²的峰值降到40 kW/m²;而在0.4MPa下, 此过程则用了21 s。这是因为压力为0.7 MPa时细水雾的雾滴粒径更小, 雾滴的速度更快, 流量更大, 粒径小细水雾蒸发更迅速, 速度快的雾滴更能克服火羽流的阻力进入火焰区, 流量大细水雾对火焰和燃料表面的吸热量大, 且粒径小浓度大的水雾能更好的阻隔加热锥对燃料的热辐射, 所以工作压力大时细水雾灭PVC火更迅速。由图9还可看出0.4 MPa下熄灭的火焰在经过大约220 s后重燃, 而0.7 MPa下熄灭的火焰经过了185 s后重燃, 这是因为0.4 MPa下灭火时间较长, 总用水量大于0.7 MPa下的用水量, 燃料表面积聚的水量多, 所以发生重燃的时间长。

图10是细水雾压力为0.4 MPa不同热辐射流量下热释放速率变化曲线的比较。由图可见热辐射流量大时热释放速率上升的更为迅速, 燃烧的强度更大, 施加细水雾后热释放速率下降得稍缓慢一些, 而发生重燃则要快得多。

《图10 细水雾压力为0.4 MPa时不同热辐射流量下热释放速率变化曲线图》

图10 细水雾压力为0.4 MPa时不同热辐射流量下热释放速率变化曲线图

Fig.10 Heat release rate under operating pressure of 0.4 MPa at different radiant heat fluxes

《3 结论》

3 结论

通过用锥形量热计对细水雾抑制熄灭PVC火的实验研究得到了以下结论:

1) 该实验设计的工况下, 细水雾主要通过对火焰和燃料表面的吸热达到灭火的目的, 置换氧气和阻隔热辐射的作用虽然不能直接扑灭PVC火, 但起到了很好的辅助作用;

2) 水雾施加后PVC火焰迅速得到抑制, 热释放速率、耗氧量以及CO₂、CO和烟气的质量分数迅速下降, 火焰熄灭后如果停止施加细水雾, PVC试样会发生重燃;

3) 细水雾系统的工作压力越大, 灭PVC火的速度越快, 但是如果明火消失后立即停止施加细水雾, 则压力大发生重燃的时间反而更短, 这是因为重燃时间与燃料表面积聚的水量有关, 灭火时间长用水量大, 则燃料表面积聚的水量会更多, 因此在实际应用中需要根据情况延长细水雾的施加时间甚至持续施加细水雾以防止PVC燃料的重燃。

《参考文献》

参考文献

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[13] Lefebvre A H.Atomization and Sprays[M].New York:Taylor&Francis, 1989

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1 实验装置及实验方法

2 实验结果与讨论

3 结论

参考文献