消防燃燒學chapter42.ppt

1、第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,根據(jù)液體可燃物所處的狀態(tài)，其火災蔓延可能有以下幾種情況：油池（油罐）火災、油面火災、含油的固面火災及液霧火災等。下面對它們分別進行介紹。,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,描述油池（油罐）火災最重要的特征參數(shù)是液面下降速度，即單位時間里油品燃料的消耗量。大量的實驗結(jié)果表明：液面下降速度與容器直徑有關(guān)，如圖4-5所示。 圖4-5 油池火中液面下降速度與容器直徑的關(guān)系 油池火中液面的下降速度應當?shù)扔诨鹧嫦蛞后w傳入熱量引起液體蒸發(fā)而導致液面下降的速度。液面上方液體蒸氣的擴散速度決定了燃燒速度，而這種燃燒的形式顯然應為擴散火焰。這樣就明確

2、了整個過程中，傳熱、傳質(zhì)、流動與化學反應的關(guān)系，為進一步分析問題打下了基礎(chǔ)。,一、油池（油罐） 火災蔓延* 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,從火焰?zhèn)魅胍后w的熱量主要包括： 從容器器壁向液體的傳熱； 液面上方高溫氣體向液體的對流傳熱； 火焰及高溫氣體向液體的輻射傳熱等。油池器壁與火焰根部距離很近，故器壁溫度可取為液體溫度（Tl）。器壁附近氣體的溫差為TF-Tl，這里TF為火焰溫度。從器壁向液體的傳熱量為： (4-12) 式中，d為油池直徑；為氣體導熱系數(shù)。 油池上方高溫氣體向液體的對流傳熱量為： (4-13) 式中，h為對流傳熱系數(shù)。 假設(shè)高溫氣體的

3、溫度等于火焰的溫度，火焰及高溫氣體向液體的輻射傳熱量為： (4-14),一、油池（油罐） 火災蔓延* 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,式中，F(xiàn)為火焰及高溫氣體對液面形態(tài)系數(shù)；F為火焰及高溫氣體輻射率；為液體輻射率。 傳入液體的熱量起到兩中作用，一是使液體的溫度升高；二是使液體蒸發(fā)。使液體升溫的熱流量為： (4-15) 這里，Cpl、l和To分別為液體熱容、密度和初溫。 使液體蒸發(fā)的熱流量為： (4-16) 式中，Vl為液面下降速度；Lv為室溫條件下液體蒸發(fā)潛熱。 將式（4-12）（4-15）代入（4-16）中，可得： (4-17),一、油池（油罐）

4、 火災蔓延* 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,當油池直徑d很小時，式（4-17）中右端第1項相對較大，忽略其他各項后得到：Vl與d近似成反比關(guān)系；當d很大時，式（4-17）中右端第1項相對較小，可以忽略不計，所以有Vl與d無關(guān)的結(jié)論。這些進一步證明了圖4-5中實驗結(jié)果的正確，這也說明在油池火災中，蒸發(fā)過程是火災蔓延的控制過程。要控制蒸發(fā)過程，必須控制液體與外界環(huán)境的換熱過程。因此，采用泡沫滅火劑在液面上生成一層泡沫層，既能減少向液體的傳熱量，又能阻止液體的燕發(fā)，是一種防治油池火災的好方法。 如果在油池中有積水，水一般沉在油池的底部，但水的沸點（10

5、0oC）遠低于油的沸點。根據(jù)上述討論，火焰向液體油傳熱的同時，油必然也向水傳熱，所以沉積在油池底部的水會不斷生高。當水溫上升到水的沸點時，水就會沸騰。而水面以上有一層油，這層油的最上層又處于蒸發(fā)、燃燒狀態(tài)。,一、油池（油罐） 火災蔓延* 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,因此，沸騰的水蒸汽將帶著蒸發(fā)、燃燒的油一起沸騰。這樣就可能發(fā)生極其危險的揚沸現(xiàn)象，即沸騰的水蒸汽帶著燃燒著的油向空中飛濺。一般飛濺的油滴在飛濺過程中和散落后將繼續(xù)燃燒，造成火災的迅速擴大。研究結(jié)果表明，飛濺高度和散落面積與油層厚度、油池直徑等有關(guān)，一般散落面積的直徑（D）與油池直徑（

6、d）之比均在10以上，即D/d10。 由于揚沸帶出的燃油原來呈池火燃燒狀態(tài)，噴出之后呈液滴燃燒狀態(tài)，改善了燃燒條件，燃燒強度大大提高，危險性隨著增加。如果油池周圍還有其他可燃物，這些可燃物將被點燃；如果油池周圍還有從事滅火工作的人員和設(shè)備，必然造成很大的傷亡和損失。因此，對油池火災而言，一定要避免揚沸現(xiàn)象的發(fā)生，針對這一要求，目前正對揚沸現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件、沸前現(xiàn)象等進行研究，為防火對策提供依據(jù)。,一、油池（油罐） 火災蔓延* 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,油面火指的是在大面積的水面上，有一層較薄的浮油，這種浮油燃燒時引起的火災稱為油面火。油面火與

7、油池火的區(qū)別在于：油面火有一個不斷的擴大過程。一旦著火，很快就在整個油面上形成火焰。由于燃燒情況不同，蔓延規(guī)律也不同，描述該過程的參數(shù)也不相同。 在靜止環(huán)境中，油的初溫對火焰蔓延速度有顯著影響。開始時油面火蔓延速度隨著初溫的升高而變大；當初溫達到某個值之后，油面火蔓延速度趨于某個常數(shù)。對于甲醇液面火來講，因甲醇的閃點為11oC，當溫度達到20oC之后，在甲醇液面上方便形成了一定濃度的甲醇蒸氣，該蒸氣與空氣混合后形成具有一定混合比的預混可燃氣。這個預混可燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣仁且欢ǖ?，所以甲醇液面火的蔓延速度就趨于某個常數(shù)。這個常數(shù)就是最大甲醇濃度與空氣混合后的預混可燃氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取２煌娜?/p>

8、料火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂胁煌闹怠?一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延* 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,實驗結(jié)果表明，當油的初溫低于閃點溫度時，液面上形成的是擴散火焰為主的燃燒形式。要維持燃燒，就要保證液體具有一定的蒸發(fā)速度，也就是說火焰必須向火焰面前方的液體傳送足夠的熱量，使該部分的液體升溫。這樣，在火焰面前方的液體與火焰面正下方的液體之間就產(chǎn)生了溫度差，由溫度差而引起了表面張力差，在表面張力差的作用下，便產(chǎn)生了表面流，使得溫度較高的液體不斷流向火焰面的前方以保證液體的蒸發(fā)速度與火焰蔓延速度的平衡。圖4-6所示為油面火中，初溫高于或低于閃點溫度時，對傳熱過程

9、的影響。上述分析說明了從火焰現(xiàn)象入手，分析油面火蔓延機理的方法，為制訂滅火對策打下了基礎(chǔ)。 圖4-6 油面火中初溫對傳熱過程的影響,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延* 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,相對風速對油面火蔓延影響的實驗結(jié)果表明：在逆風條件下，液體的初溫對火蔓延速度有顯著影響；順風條件下，液體的初溫幾乎對火蔓延速度沒有影響，火蔓延速度主要受風速的影響。這主要是因為火焰在風的作用下，傾斜角增大，強化了火焰對液面的輻射傳熱和對流傳熱。順風時，火焰向未燃燒的油面方向傾斜，所以作用顯著；甚至具有主導作用；逆風時，火焰向已燃燒的區(qū)域傾斜，起不到強化作用，

10、效果當然不明顯。這個結(jié)果提示我們：在滅油面火時，最好采用逆向滅火方式。 在有相對風速環(huán)境中，液面一般也有波動，所以應當進一步研究液面波動對火蔓延速度的影響，以便更真實地描述液面火的蔓延規(guī)律。 液面火常用來清除泄漏在海面上的石油，這當然與防止火災蔓延的目的不一樣，但蔓延規(guī)律是相同的。不過這時由于長時間燃燒，油層下面的水溫升高到沸點之后，水的沸騰導致石油飛濺，促進了從油層向水層的傳熱，這反而使得油面火容易熄滅，這點與油池火完全不同。,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延* 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,一旦油面火熄滅對清除漏油又十分不利；另外因這時的油層薄、面

11、積大，一般不會產(chǎn)生油池火中的揚沸現(xiàn)象。 在液面火中由于油與水的互相摻混，再加上液面的波動，可能產(chǎn)生油的乳化現(xiàn)象。乳化的程度不同，對火蔓延速度的影響也不同。另外還應注意，液面火中的乳化作用（微爆燃燒）與在燃燒器中燃燒的作用不同，沒有促進燃燒的作用。,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延* 三、液霧中火災蔓延,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,當燃油容器或輸油管道破裂時，燃油就從容器內(nèi)或管道內(nèi)噴出而形成油霧。此時一旦著火燃燒，就會形成油霧中的火災蔓延。油霧的燃燒在動力裝置（例如噴氣發(fā)動機燃燒室、內(nèi)燃機氣缸、油爐等）中的應用很廣泛，所以研究得比較多。這里結(jié)合火災中油霧中燃燒的特點，應用

12、已有的研究成果，簡單介紹一下油霧中火的蔓延問題。 燃油容器破裂或輸油管道破裂所形成的噴霧條件一般很差，所以霧化質(zhì)量不高。這樣的液摘尺寸較大，而且大滴的比重也較高；環(huán)境溫度多為室溫，相對來講較低，對蒸發(fā)也很不利，且著火然燒后多形成滴群擴散火焰。 油霧火焰一般分為4種： 預蒸發(fā)型的氣相燃燒火焰，例如：當霧化質(zhì)量好，距離噴咀較遠，環(huán)境溫度又比較高時，多形成這種火焰，所以這種火焰具有預混氣體燃燒的特點； 滴群擴散燃燒火焰，例如：當霧化質(zhì)量不好，距離噴咀較近，環(huán)境溫度比較低時，多形成這種火焰，所以這種火焰具有擴散火焰燃燒的特點；預蒸發(fā)與滴群擴散燃燒的復合型火焰，例如：當小滴進入燃燒區(qū)之前已蒸發(fā)完，形成具

13、有一定濃度的預混可燃氣，而大滴還沒有蒸發(fā)完便進入了燃燒區(qū)，這樣就形成了預蒸發(fā)與滴群擴散燃燒的復合型火焰；,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延*,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延, 預蒸發(fā)燃燒與滴群擴散蒸發(fā)的復合型火焰，例如：當小滴進入燃燒區(qū)時，已蒸發(fā)大部分，但并沒有蒸發(fā)完，也就是說此時液滴半徑很小，液滴溫度必定也很低，這樣其周圍環(huán)境溫度要很高才能著火，稍低則不能著火。大滴進入燃燒區(qū)時沒有蒸發(fā)完，一般多繼續(xù)蒸發(fā)，很少也可著火燃燒形成液滴擴散燃燒。但總體來看，這種情況以預蒸發(fā)燃燒與滴群擴散蒸發(fā)為主。結(jié)合火災中液霧火焰的具體條件，顯然滴群擴散燃燒是主要的燃燒形式，

14、但也或多或少地有其他燃燒形式。 大液滴在燃燒過程中，不斷下降，如果沒有燃燒完就落到了地面上，則使地面成為含油可燃性固面；如果沒有燃燒完的液滴落在水面上，則使水面上成為含油的液面；如果沒有燃燒完的液滴落下后在某處集合，又可能出現(xiàn)一個臨時性的油池。所以對于油霧火災，不但要注意其本身蔓延的特點，還必須注意它可能導致其他類型的火災發(fā)生。 為了說明滴群擴散燃燒的基本特點，可將滴群擴散燃燒簡化成圖4-7所示的模型，即一個初始滴徑均勻，液滴與氣流之間沒有相對運動的一維液霧火焰。,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延*,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,盡管初始的氣流溫度不高

15、，但只要比液滴溫度高就要考慮對液霧的預熱作用。來自高溫燃氣一側(cè)對液霧也有預熱作用，這樣就形成了滴群的預蒸發(fā)區(qū)。顯然液體本身的蒸發(fā)特性、環(huán)境溫度等因素對預蒸發(fā)區(qū)有很大影響。如果溫度高于某個值以上，可能出現(xiàn)已蒸發(fā)的蒸汽與空氣混合氣的著火，形成預混火焰；然后液滴又著火，形成擴散火焰。條件不同，燃燒形式不同，燃燒機理也就不同。 圖4-7 滴群擴散燃燒的簡化模型 如果不能形成預混火焰，只有滴群擴散燃燒的情況。此時，雖然沒有預混燃燒，但蒸發(fā)對氣相流動是有影響的。,一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延*,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,為了簡化問題，先不考慮液滴與氣流間的

16、相對運動，并假設(shè)滴徑均勻，則一維兩相燃燒的總體連續(xù)方程為： (4-18) 式中，l和g分別為液相和氣相的總密度。 氣相連續(xù)方程為： (4-19) 式中，為液滴的平均密度；kf為液滴的蒸發(fā)常數(shù)；N為液滴的總數(shù)。 沿x方向上液滴的蒸發(fā)量變化，實際上就是氣相的質(zhì)量變化。令z=l/g，代入式（4-19）可得： (4-20) 兩相流動的能量方程為： (4-21),一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延*,小節(jié)名,第二節(jié) 液體可燃物中的火災蔓延,式中，hg和h分別為氣相和液相的焓值；hi為某種組分的焓值；Yi為某種組分的質(zhì)量百分數(shù)；Vi為某種組分的速度。 將式（4-21）兩端除以，并積分得： (4-22) 其中， 式（4-22）又可寫成為： (4-23),一、油池（油罐） 火災蔓延 二、液面火災蔓延 三、液霧中火災蔓延*,小節(jié)名,第