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细水雾灭火系统
摘要:本文介绍了细水雾的概念及灭火原理,扼要地说明了各种细水雾灭火系统的构成及其应用,并结合有关试验成果,对其灭火效果进行总结和分析。

关键词:细水雾

  细水雾的起源及发展
      所谓的“细水雾”,在英文里主要有water mist、water fog、fine water spray 几个词,water mist在文献中使用最多。细水雾在消防方面的应用始于四十年代,当时主要用于特殊的场所,如运输工具等。现在由于环保问题,卤代烷灭火剂被逐步淘汰,而细水雾作为灭火剂对于环境的潜在优势使其应用范围在不断的拓展,细水雾灭火系统用于居住建筑、可燃性液体储存设施及电器设备方面的研究,已经取得了令人鼓舞的成果。
  1993年,来自工程界和科研部门、细水雾系统的制造商、保险公司、行政管理部门和工业用户的代表,组成了美国消防联合会细水雾灭火系统技术委员会(NFPA Technical Committee on Water Mist Fire Suppression Systems),该委员会开始编制用于规范细水雾技术的NFPA标准,作为设计和安装的依据。
  1996年,在美国的马萨诸塞州波士顿市每年5月20-23日的年会上,细水雾灭火系统技术委员会提交了细水雾规范( NFPA 750, Standard on Water mist Fire Protection Systems),并获得了美国消防联合会的批准。该规范由国家标准协会于同年的7月18日颁布,生效日期为8月9日,同年的7月26日,96版NFPA 750被批准为美国国家规范。
  细水雾的定义
    “细水雾”(water mist)是相对于“水喷雾”(water spray)的概念,所谓的细水雾,是使用特殊喷嘴、通过高压喷水产生的水微粒。在NFPA 750中,细水雾的定义是:在最小设计工作压力下、距喷嘴1米处的平面上,测得水雾最粗部分的水微粒直径Dv0.99[1]不大于1000μ
  按水雾中水微粒的大小,细水雾分为3级,如图1所示。第1级细水雾为Dv0.1=100μ同Dv0.9=200μ连线的左侧部分,这些代表最细的水雾。
  第2级细水雾,是第1级细水雾的界限与Dv0.1=200μ同Dv0.9=400μ连线之间的部分。这种细水雾可由高压喷嘴、双流喷嘴或许多冲撞式喷嘴产生。由于有较大的水微粒存在,相对于1级细水雾,2级细水雾更容易产生较大的流量。
  第3级细水雾为Dv0.9大于400μ,或者第2级细水雾分界线右侧至Dv0.99=1000μ之间的部分。这种细水雾主要由中压、小孔喷淋头、各种冲击式喷嘴等产生。
  研究表明,扑灭 B类火灾水雾颗粒小于400μ是必需的,而较大的颗粒对于 A类火灾是有效的,这是由于燃料被浸湿。正因为如此,细水雾的定义包括了Dv0.99为1000μ。在NFPA 750中定义的细水雾,既包含了NFPA 15中定义的一部分水喷雾系统(Water Spray),又包含了在高压状态下普通喷淋系统(Sprinklers)产生的水雾。一般情况下,细水雾是指Dv0.9小于400μ的水雾。
  细水雾的灭火机理及应用
  细水雾灭火系统成功的关键,是增加单位体积水微粒的表面积。水微粒子化以后,即使同样体积的水,也可使总表面积增大。而表面积的增大,更容易进行热吸收,冷却燃烧反应。吸收热的水微粒容易汽化,体积增大约1700倍。由于水蒸汽的产生,既稀释了火焰附近氧气的浓度,窒息了燃烧反应,又有效地控制了热辐射。可以认为,细水雾灭火主要是通过高效率的冷却与缺氧窒息的双重作用。
  细水雾水微粒直径大小的分布与灭火能力的关系是个复杂的问题。一般来讲,第1级和第2级细水雾用于扑灭液体燃料池内的火灾效果较好,而且不会搅动池内的液面。通常情况下,用第1级水雾扑灭A类可燃物是比较困难的,这可能是该细水雾不能穿透碳化层而浸湿燃烧物质。然而,因为细水雾的喷射速度很高,在燃烧处于表面或封闭空间内,有利于氧气减少的情况下,还是可以扑灭A类可燃物的。这说明,对于一定的燃烧物,细水雾的颗粒直径不是决定灭火能力的唯一因素。系统的灭火效果还与细水雾相对于火焰的喷射方向、速度和喷水强度等有密切的关系。
  美国海军实验室(Naval Research Laboratory)曾对下列3种细水雾灭火系统的灭火效果做了一系列试验:单流低压系统(Single-Fluid Low-Pressure Systems)、 单流高压系统(Single-Fluid High-Pressure Systems)和双流系统(Twin-Fluid Systems)。上述各系统水微粒的分布如图2(略)所示。
  试验表明,单流低压系统产生较大的水微粒,在扑灭深层(安全急救网www.aqjj120.com)的A类火灾时,表现出良好的效果。这是由于其相对较大的流量(单流高压系统的3至4倍),产生了表面的浸湿作用,但减弱了系统扑灭受遮挡的火灾的能力。而单流高压系统的灭火效果则完全相反,由于较小的水微粒直径,提高了扑灭受遮挡火灾的能力,而减弱了扑灭深层的A类火灾时的效果。试验显示,大空间内受阻挡的火灾,当火灾处的氧气浓度降到18%以下时,火焰即可熄灭。
  细水雾灭火系统与卤代烷或其它气体灭火系统相比,灭火时间要长得多,前者约为100-200秒,后者约为10-20秒。另外,封闭空间开口大小对细水雾灭火效果的影响较小,在敞开空间内,细水雾系统比气体灭火系统具有非常明显的优势。
  火灾规模的大小,对细水雾灭火系统的灭火效果也有影响,燃烧猛烈的火灾较燃烧缓慢的火灾容易被扑灭。这是由于前者氧气消耗的快,并伴随有大量蒸气和紊流的产生。细水雾系统喷水的同时,火场的温度急剧下降,这有助于人工灭火并减少热量造成的财产损失。
  关于细水雾的电气绝缘性,国外某公司曾用Securipex Fire-Scope 2000 细水雾灭火系统做过试验,将该系统喷入设有电动机、发电机和配电盘的封闭房间内,上述设备内部的电压为220~440V。结果显示,在释放过程中,电阻读数明显下降,但和通常一样,设备运转正常。在一般情况下,随着设备变得干燥,电阻值会恢复到正常值。细水雾系统能否用于电器设备,关键在于水雾微粒的大小。某一种类的细水雾系统用于电器设备时,应通过有关部门的认证。
  笔者以为,细水雾系统可用于保护工厂贵重的生产设备、高层建筑内的油浸电力变压器室、自备柴油发电机房及其储油间和燃油、燃气锅炉房。高压及双流介质细水雾系统,可用于重要的高层建筑内的高、低压配电室,重要的电子通信设备机房,电厂的控制室,燃气涡轮机等场所。
  细水雾灭火系统的分类
      细水雾喷嘴,是含有一个或多个孔口,能够将水滴雾化的装置,它是系统中最为关键的部件。细水雾   喷嘴产生水微粒的原理为下列五种方式之一,液体以相对于周围的空气很高的速度被释放出来,由于液体与空气的速度差而被撕碎为水微粒子;液体流碰到固定的表面,因碰撞产生水微粒子;两股组成类似的水流相互碰撞,每股水流都形成水微粒子;液体振动或电子粉碎成水微粒子(超声波和静电雾化器);液体在压力容器中被加热到高于沸点,突然被释放到大气压力状态(突发液体喷雾器)。
  按不同的标准细水雾系统可分为下列系统:
  低压系统,工作压力小于12.1bar (175psi*);中压系统,工作压力为12.1bar (175psi)~ 34.5 bar(500 psi); 高压系统,工作压力大于34.5bar (500psi)。
  局部应用系统(Local Application Systems),如保护蒸气涡轮机组轴承,炼油厂的热油泵;全淹没系统(Total Flooding Application Systems),保护整个防护区,如燃气涡轮机组机房。
  预制系统(Preengineered Systems),如压缩气体钢瓶驱动的双流系统,钢瓶及水罐有若干种规格,都是在工厂加工好的,设计中根据防护区面积的大小来选择;工程系统(Engineered Systems),其构成和工作方式类似常规的雨淋系统(Deluge Systems)。
  单流介质系统(Single Fluid Media Systems) 和双流介质喷雾系统(Twin Fluid Media Systems)。单流介质系统,是仅以水为灭火剂,由一路管道供到喷嘴。系统由喷嘴,水泵雨淋阀,探测器及控制器组成。双流介质喷雾系统,水及雾化介质由不同的管路分别供给,并在喷嘴处混合、碰撞而产生水微粒子,该水雾喷嘴的外形见图3。雾化介质分为两路,一路用于推动储水罐内的水,另一路直接供到喷嘴。储水罐内的水处于常压,灭火时由高压气体推动而进入防护区。雾化介质是可以通过与水混合并产生细水雾的高压空气或其他气体。
实际工程中的细水雾灭火系统往往是上述几种分类的组合,现以应用较为广泛的Securipex Fire-Scope 2000细水雾灭火系统为例,该系统属于是低压、双流、预制式系统。喷嘴内气、水两种介质的工作压力5.5bar,产生水微粒尺寸为200μ,喷嘴的特性系数K=4.5L/min.bar1/2,推荐喷头间距为3.0m,相应喷水强度为0.95L/ min. m2。
  5、系统的设计
  水力计算,低压系统类似普通喷淋系统,按Hazen-Williams公式计算,中压、高压系统按Darcy-Weishach公式计算。由于流速、水温、粘滞系数及管道粗糙系数极大地影响水的紊流程度,从而影响管路的压力损失,而H-W公式不能对上述参数作出修正。一般情况下,特别是中、高压细水雾系统,比低压细水雾系统更容易出现较高的流速。由于D-W公式充分考虑了实际流体特性,即雷诺数和管壁粗糙度,所以中压、高压系统按D-W公式而不用H-W公式。又由于管径越小,管壁粗糙影响越大。当设计中为减小系统重量而选择很高的摩阻损失,以便安装在受限制的空间内,如飞机的货仓内,用H-W公式计算不精确,则应采用D-W公式。
  喷头设置,喷淋或普通水喷雾系统是按设计喷水强度设置喷头,细水雾喷头的设置的间距、与墙体的距离、距障碍物的距离以及与吊顶的距离是根据各种喷头的特性而定,不涉及喷水强度的概念。
  过滤器设置,固体颗粒物的累积有可能造成系统水头损失的增大或堵塞,在系统的供水干管或立管上设过滤器。滤网孔眼最大尺寸不应大于最小喷嘴孔口直径的百分之八十。某些时候,还需要在每个喷嘴前设过滤器。
  系统水源应保证系统喷雾时间不小于30分钟。当然这并非要求灭火时间一定是30分钟,如Securipex Fire-Scope 2000系统用于内燃机房、或可燃油事故储油池时的灭火时间是10分钟。
  系统的组成,预制系统前文已经介绍过了,其它系统一般为雨淋系统,由雨淋阀、水雾喷头、管路、探测器及控制器组成,雨淋阀是专门用于水喷雾系统的小规格雨淋阀。
  细水雾灭火系统的工作原理与水喷雾灭火系统类似,典型的系统工作原理是:自动启动状态,防护区设多个探测器,当火灾发生时,系统控制盘接受探测器探测的动作信号,向火灾区域喷水雾;手动启动状态,防护区设多个探测器,当火灾发生时,探测器发出报警信号或在现场人员确认火灾后,打开在设发生火灾区域最近处的手动启动装置(手动与自动切换型),动细水雾系统,向火灾区域喷水雾。
  6、结论
     细水雾灭火系统类似于自动喷淋,固定水喷雾,二氧化碳和哈龙灭火系统,在许多方面,可以看作是上述系统的综合。总的来说,细水雾灭火系统是利用水作为扑灭、压制和控制火灾的介质,只是以不同于传统的方式来实现的。
  细水雾灭火系统与气体灭火相比,具有廉价、对人和环境没有危害的优点,同时也避免了哈龙等气体在灭火时,因与燃烧物发生链式反应而产生对人有害的气体,有利于火灾现场人员的逃离。该系统即可局部应用,保护独立的设备或设备的某一部分,又可作为全淹没系统,保护整个空间。尤其可用水源匮乏地区及部分禁止用水的场所。
  细水雾系统也有它的局限性。如高压系统的管路、配件及水泵的工作压力很高,这是其缺点;为避免喷嘴堵塞,对水质要求很高;系统的专业性很强,设计及施工必须由专门资质的工程公司承担。
  在细水雾灭火系统的应用与研究方面,欧、美起步较早,已经生产出了一系列专利产品,并制定了相应的设计、施工及验收规范。据悉,我国有关消防科研部门已经把细水雾作为课题进行研究,相信不久会有国产的细水雾产品问世。
  水,作为最原始的灭火剂,因其本身的特性所致,在某些场所的应用受到限制,人们开始寻找哈龙、二氧化碳等灭火剂,但在环保日益受到重视的今天,水又重新受到重视。只要扬长避短,深入研究,水一定会在消防领域发挥更大的作用。
  注:
  Dvf的含义:Dvf是水微粒直径,它的微粒子直径从0至某一微粒直径的累计体积与相应的总累计体积之比,如Dv0.99。
  1 psi=0.0689 bar , 1 bar=105 Pa.
  参考文献
  NFPA 750,Standard on Water mist Fire Protection systems,1996Edition.
  NFPA 15,Standard for Water Spray Fixed Systems For Fire Protection,1996Edition.
  Full-Scale Testing of Water Mist Fire Extinguuishing Sestems for Machinery Spaces on U.S.Army Watercraft.Naval Research Laboratory,Washengton,DC 20375-5320,Febrary 12,1996.
  Evaluation of Water Mist Fire Extinguuishing Sestems for Flammable Liquid Storeroom Applications on U.S.Army Watercraft,Naval Research Laboratory, Washengton,DC 20375-5320.
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