直流水在全蒸汽泵浦消防中的應(yīng)用

直流水在全蒸汽泵浦消防中的應(yīng)用

水是最便宜的滅火劑。它可以在現(xiàn)代化城市中使用，安全方便。水是對環(huán)境沒有任何化學(xué)污染的物質(zhì),用水滅火后無需進行二次性污染治理。因此,水仍然是未來城市消防中最主要的滅火劑。水也可以用來撲滅油火,1991年科威特720口油井大火主要是靠水來撲滅的。中國滅火隊撲滅的其中10口油井的大火,則完全是靠射水來撲滅的。自1841年美國的波爾·霍奇試制出第一臺全蒸汽泵浦消防車以來,此后的150多年間,射水滅火仍然是世界各國的主要滅火手段。在世界進入2000年的時候,射水消防車仍占全部消防車的90%以上,而干粉等化學(xué)消防車只占總量的不到10%。一、直重式水滅火技術(shù)人們早已注意到:大量使用直流水來滅火時,往往會帶來許多問題。用于滅火的90%以上的直流水在滅火時流淌了,對滅火真正起作用的只占其中的很小一部分;密集水的流淌、浸泡還會造成水漬損失等次生災(zāi)害,有時,水漬造成的損失竟相當(dāng)或超過了火災(zāi)的損失;在人員密集、逃逸通道不暢的火災(zāi)現(xiàn)場,直流水的控火、冷卻、驅(qū)煙能力也均有限,許多受害者就是吸入有害氣體窒息致死的。在大型飛機、客車、劇院、舞廳、賓館、宿舍樓房等場所失火時,使用直流射水控火、救人的效果均不甚佳;用直流水撲滅油火時,易加速燃油的流淌,增大控火難度;直流水也不宜用于撲滅電氣火災(zāi)、計算機網(wǎng)站火災(zāi);在水源緊缺的區(qū)域,供消防車使用的大流量直流水的供給保障也十分困難?？朔鲜鰡栴}的關(guān)鍵技術(shù)在于:提高水的滅火效率。人們發(fā)現(xiàn),在用機械動力射水滅火的150多年來的實踐中,水的滅火潛力并未得到充分發(fā)掘:1升水在火焰中汽化時可吸收539千卡的熱量,比直流水吸熱作用高出一個數(shù)量級可迫使火焰迅速降溫;同時,1升水在火焰中汽化時可生成1700升(100℃)水蒸汽,可促使火焰及其周圍空氣中的氧得以大幅度稀釋,進而迫使火焰窒息。在一般情況下,當(dāng)空氣中含有35%體積的水蒸汽時,燃燒就會停止;水在熾然的含碳可燃物火焰中還會發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng),并吸收大量的熱。在上述反應(yīng)過程中,兩個摩爾的水,可以吸收162.3千焦的熱量,迫使火焰繼續(xù)降溫。因此,一旦霧狀水參與了大火的燃燒過程,即可降低火焰的燃燒化學(xué)反應(yīng)速率,減小火焰的熱傳播速度,從而大幅度地提高水的滅火效率。由上可見,提高水的滅火效率的主要途徑,在于大幅度地提高水在火焰中的汽化率。其方法是噴射霧狀水滅火,或噴射有水成膜添加劑的泡沫狀水滅火,使同等重量的水形成更大的表面積,在火焰中迅速吸熱蒸發(fā)。因此,在城市消防工作中,使用大流量高強度的能夠射入火焰中心區(qū)的霧狀水,或泡沫狀的水,能夠大幅度提高水的滅火效率,并同時在很大程度上克服了直流水滅火時存在的諸多缺點。二、藥劑粒徑和粒度對滅火效率的影響水滴在火焰中的運動軌跡決定著霧狀水的滅火效率。射入火焰中的水滴由于迅速吸熱蒸發(fā),故隨運動距離增加其粒徑將迅速縮小。因此,水滴在火焰中的穿行距離不長生命很短暫在強烈的熱對流作用下,沿水平方向射入火焰中的較小粒徑的水滴,在強烈的上升氣流作用下會被迫改為向上運動并很快消逝。只有較大粒徑的水滴才會有一定的水平穿行距離,這些水滴在其粒徑迅速減小時,也將被上升氣流帶動而最終消逝在火焰的上升氣流中(封底圖1)。實驗室內(nèi)的滅火檢測證實,當(dāng)水滴的粒徑在1~10微米時,其滅火效率很低。因為細小的霧狀水滴的動能小、傳熱系數(shù)大、吸熱能力強、汽化時間短,在細小水滴尚未進入火焰內(nèi)部時已經(jīng)汽化消逝了,它很難影響火焰的燃燒過程。粒度太大的水滴,雖然其動能增大,使其穿入火焰中的行程增大,但其表面積率小、汽化速度慢,在進入火區(qū)時在其重力作用下容易跌落地面,因而影響火焰燃燒過程的能力也降低了。只有粒度適宜的霧狀水的滅火效率最高。綜上所述,在大火強烈的熱輻射和熱對流條件下,以粒度較大(水滴直徑為1~1.2毫米)的高強度霧狀水滅火,可以取得很高的滅火效率。但是,對于不同燃燒強度的大火,究竟多大粒度的霧狀水的滅火效率最高?至今沒有共識的權(quán)威數(shù)據(jù),這仍是一個值得繼續(xù)通過試驗研究確定的問題。三、多次滅火油池火的特性霧狀水滅火有多種噴射方式。在一些固定滅火系統(tǒng)中多采用灑水噴頭和噴霧噴頭自上而下地噴射水霧來撲滅固定設(shè)施內(nèi)的失火。英國一家公司發(fā)明了供民航客機用的客艙水霧噴灑裝置,在波音737飛機客艙內(nèi)使用時,以59.1升/分的水霧噴流量,可使失火飛機上的乘客獲得3分鐘左右的應(yīng)急離機時間。自上而下的水霧噴灑系統(tǒng)對于初期火災(zāi)和小規(guī)?；馂?zāi)具有很好的控火、滅火、消煙、降溫作用。大火中的空氣對流十分強烈,有時會發(fā)出震耳的呼嘯聲,而且自上而下噴射的水霧會被強烈上升的高溫氣流攜帶,無法進入火焰的中心區(qū),水滴也很快汽化消逝,對火焰的燃燒過程幾乎不發(fā)生影響。據(jù)渦噴消防車多次撲滅油池火的演示實驗,當(dāng)霧狀水沿水平方向向火焰的中部噴射時,可以迅速將火焰切斷、使火區(qū)縮小,顯示出有很好的控火能力,但油面上的余火卻難撲滅;當(dāng)霧狀水沿水平方向向油面噴射時,火區(qū)迅速縮小,滅火時間很短。據(jù)撲滅80平方米的油池火試驗,渦噴消防車以同樣的水霧噴流強度滅火,滅火時間在9秒(沿水平方向向油面噴射)至25秒(沿水平方向,噴射位置較高)之間。從中可以看出,即使是以水平方向噴射,在同樣的水霧噴射強度下,水霧的滅火效率仍有差異。大火伴生強烈的空氣對流現(xiàn)象,周圍有大量空氣沿水平方向向火焰中心區(qū)內(nèi)流動補充,因此,沿水平方向貼近油面噴射霧狀水,使霧狀水進入油面上燃油蒸汽與空氣混合的湍流區(qū),水霧直接參與和影響火焰中心區(qū)的燃燒過程,可迫使火焰中心區(qū)迅速冷卻、燃燒化學(xué)反應(yīng)的速率降低,充分發(fā)揮霧狀水的滅火威力。四、氧水應(yīng)如何確定水霧的噴流強度是指在單位面積上、單位時間內(nèi)霧狀水的射入量,通常以升/平方米·分鐘為計量單位。當(dāng)水霧的噴流強度太低時,對火焰燃燒的化學(xué)反應(yīng)過程阻滯不大,無力控制火勢和迅速撲滅大火。因此,霧狀水的噴流強度應(yīng)符合霧狀水滅火時耗水的最低標(biāo)準(zhǔn)。用最佳粒度的霧狀水滅火時的最低耗水標(biāo)準(zhǔn)是多少?德國的《滅火劑》一書指出:“水滴直徑為0.4~0.6毫米,供水強度為20~40升/平方米·分鐘,滅火是最有效的”?！冬F(xiàn)代滅火設(shè)施》一書(朱呂通、賀占奎編,1984年出版)指出:霧狀水的供給強度不應(yīng)小于10升/平方米·分鐘。美國消防協(xié)會提出的標(biāo)準(zhǔn)是:控制飛機火勢需5升/平方米·分鐘的水霧噴射強度。我們認為,美國消防協(xié)會提出的霧狀水的最低耗水標(biāo)準(zhǔn)在水霧粒度適宜的條件下是比較符合實際的。渦噴消防車撲滅520平方米的油池火,耗水2.9噸(含3%的清水泡沫滅火劑),歷時77秒,其耗水率為5.5升/平方米·分鐘,與美國消防協(xié)會提出的控制火勢的標(biāo)準(zhǔn)很接近。但是,應(yīng)當(dāng)強調(diào)說明,這是一個滅火的最低耗水標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)霧狀水的噴流強度高于這一標(biāo)準(zhǔn)時,能夠更為迅速地撲滅火災(zāi)。低于這一標(biāo)準(zhǔn)時,雖然有可能控制火勢,但無法將火撲滅。一切使用霧狀水滅火的裝置,在組織滅火戰(zhàn)術(shù)時,都必須使霧狀水的噴射強度高于最低耗水標(biāo)準(zhǔn)。五、空氣壓縮噴系統(tǒng)的工作原理霧狀水滴的表面積率大、動能小,在空氣中運動時的阻力大、噴射不遠,是其突出缺點。一支流量為6.8升/秒的雙級離心式噴霧水槍,其霧狀水的最遠噴射距離只有11米。這是霧狀水長期以來在撲滅大火時未能得到廣泛使用的主要原因。必須找到一種能攜帶霧狀水高速流動的載體,籍以實現(xiàn)霧狀水的大流量、高強度、遠距離的噴射,使霧狀水滅火具有更加廣泛的使用前景,成為城市中撲滅油、氣大火的最重要的滅火手段。渦噴發(fā)動機的高速尾氣流適合于承擔(dān)這一任務(wù)。渦噴發(fā)動機的尾氣流具有巨大的能量,發(fā)動機噴口的尾氣噴射速度達500~600米/秒,尾氣的流量達40~50千克/秒,連續(xù)工作時間可達1~2小時。只需在渦噴發(fā)動機的尾噴口后設(shè)計、安裝一個能量交換器,將大流量的直流水以斜切方向射入換能器內(nèi)的高速氣流中,直流水就會被高速尾氣切割、碰撞并獲取動能,成為在尾氣流中均勻分布并被高速尾氣流攜帶的大流量的霧狀水,以較小的擴散角噴向火場(封底圖6)。以渦噴5發(fā)動機為例,其尾氣的流速可達550米/秒,流量為48.2千克/秒,向換能器中注入40升/秒的直流水時,獲能后的霧狀水的粒度以1~1.2毫米為主,霧狀水的瞬時覆蓋面積達200平方米,噴流強度為8~12升/平方米·分鐘,在有效噴流強度內(nèi)的最遠噴射距離為65米。按照渦噴5發(fā)動機的功率,在供水量充足時,其尾氣可攜帶150~200升/秒的霧狀水進行滅火。被霧狀水撲滅的油火很容易復(fù)燃,為增強滅火效果,阻止油火復(fù)燃,通常在渦噴消防車注入換能器的直流水中添加3%的清水泡沫滅火劑,直流水被高速氣流切割、碰撞后形成粒徑為2毫米左右的大流量泡沫珠,高速氣流攜帶這些泡沫珠噴入火區(qū),就能夠起到極好的控火、滅火作用。未蒸發(fā)的泡沫珠均勻地墜落在油面上,瞬時形成約200平方米的泡沫層,能極好地起到阻止油火復(fù)燃的作用。渦噴發(fā)動機是空軍退役裝備,其可靠性高、體積小、重量輕、功率大、價格便宜,易于維護,型號多、可選余地大,是一種可供重新開發(fā)利用的重要物質(zhì)資源。由渦噴發(fā)動機改裝的渦噴消防車(已獲國家發(fā)明獎),其撲滅油、氣大火的性能高出美國T—6、T—12消防車的3~4倍,而價格僅為其1/3,現(xiàn)已用于機場、油庫消防。渦噴消防車應(yīng)用成功的示范作用在于:利用有巨大能量的強氣流攜帶霧狀水滅火,可以克服霧狀水噴射不遠的突出缺點,獲得粒度適宜的大流量、高噴流強度的霧狀水(或泡沫狀的水),有極好的滅火效果和極廣闊的應(yīng)用前景。六、霧狀水滅火未來的展望大流量、高強度的霧狀水(或泡沫珠狀態(tài)的水)在迅速控制火勢,撲滅油、氣大火和噴溢式火災(zāi)、電氣火災(zāi),防止粉塵爆炸,以及用于火場阻隔熱輻射和冷卻降溫、搶救生命等方面有其突出優(yōu)點,已受到國內(nèi)外消防界廣泛重視。許多外國公司正在組織研究水霧滅火技術(shù),一些研究成果已轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。有代表性的產(chǎn)品如美國大力公司研制的“壓縮空氣泡沫系統(tǒng)”,英國塞夫公司研制的飛機客艙內(nèi)的噴霧滅火系統(tǒng),瑞典人費朗茨·斯托爾發(fā)明的肩背式壓縮空氣噴射水霧滅火器,挪威的為海上油田設(shè)計的海水加壓噴霧滅火系統(tǒng),法國的“宙斯”水炮遠射距水霧滅火車,德國的利用裝水長塑料管爆炸形成霧狀“水云”的森林滅火裝置等,目的都在于運用霧狀水滅火效率高的突出優(yōu)點,創(chuàng)造出適合于不同場合使用的霧狀水滅火裝置,拓展霧狀水滅火的應(yīng)用范圍。由于霧狀水滅火效率高、成本低、無二次污染,適合于撲救油、氣大火,也適合于在迅速控制火勢和搶救生命的場合使用,因此它在城市消防中有很高的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,用傳統(tǒng)的直流水撲救電氣火災(zāi)、計算機網(wǎng)站火災(zāi)、管道可燃氣體泄漏火災(zāi)等越來越不合算,而霧狀水這一高效滅火劑的應(yīng)用范圍將日益擴大,預(yù)期不遠的將來會有越來越多的霧狀水噴射裝置加入消防器材的行列,發(fā)揮其優(yōu)越的滅火效能,有關(guān)霧狀水滅火的最佳粒徑等技術(shù)問題也將很快獲得解決。將1升水分割為直徑為1毫米粒度的霧狀水時,其表面積將增大到6平方米;分割為直徑為0.1毫米粒度的霧狀水時,其表面積將增大到60平方米。從表面上看,似乎水的粒度越小,其在火焰中的吸收熱量的能力越強,汽化速度越快,能更好地參與影響火焰的燃燒過程,取得很好的滅火效果。但是,實際情況不完全如此。究竟多大粒度的水滴的滅火效率最高?這是個有爭議的問題。在實驗室內(nèi)進行的霧狀水的滅火試驗,可以精確地測定水霧的粒徑、噴流強度、滅火時間等。但是,實驗室中用以形成燃燒火焰的油盤口徑太小(有的只有20厘米),形不成大規(guī)模的火焰、強烈的熱輻射和熱對流。在這種條件下用較小粒徑的霧狀水就可以穿入火焰將其撲滅,而較大粒經(jīng)的水滴則往往穿過火而不能完全蒸發(fā)。由于實驗條件不一致,對滅火效率最高的水滴的粒徑測取