細水霧滅火技術(shù)的新發(fā)展

細水霧滅火技術(shù)的新發(fā)展

1細水霧在圖222煙霧較薄具有優(yōu)異的滅火性能。1kg瓶裝水的表面積約為0.06m2,1kg粒徑為0.1mm的霧狀水滴的表面積之和為60m2,細水霧中水滴的表面積之和比直流水增大了上百倍,這使它的滅火能力大幅度提高:射入火焰中的直流水90%以上流失掉了而射入火焰中的霧狀水滴以上氣化了1kg水在火焰中氣化時吸收2253kJ的蒸發(fā)潛熱,可使火焰的溫度迅速下降;1L水在常壓下氣化時生成1630L的水蒸氣,稀釋了火焰周圍空氣中的氧含量,窒息了燃燒反應(yīng)。同時,細水霧射流有極好的阻擋熱幅射和吸收有毒煙霧的保護作用。因此,細水霧大幅度提高了水的滅火效率,是清潔、廉價、高效而又對人友好的滅火劑。但是,細水霧噴射不遠成為在消防中制約細水霧使用的瓶頸。自1841年世界上誕生第一臺以蒸汽機為動力的射水消防車以來的150多年間,單純噴射細水霧射流的消防車一直沒有出現(xiàn),原因就在于細水霧噴射距離太近,穿透能力太弱,無法用于撲滅大火。直到氣體-水霧兩相射流技術(shù)在消防領(lǐng)域內(nèi)的成熟應(yīng)用,才產(chǎn)生了功率巨大的噴射霧狀水射流的渦噴消防車。2肩背式脈沖式滅火水具有不可壓縮的特性。高壓水噴射時,在水槍出口處水的體積并不產(chǎn)生膨脹,因而水射流在水槍出口處也不產(chǎn)生因體積膨脹而增速。為了提高細水霧的噴射速度和降低水滴粒徑,有些噴淋設(shè)備將水的壓力提高到30MPa,但其產(chǎn)生的效果仍然有限。相反,氣體具有優(yōu)良的可壓縮特性,在氣體射流噴槍中,壓縮氣體因釋壓膨脹而迅速加速,生成噴射速度相當高的氣體射流,直至產(chǎn)生超音速射流。人們利用高壓氣體釋壓時爆發(fā)力強的特性,發(fā)明了高速射出彈丸的槍械和火炮,也誕生了噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機。在消防領(lǐng)域里,一旦將氣體射流與水射流二者混合起來(稱之為“兩相射流”),就賦予了氣體-水霧混合射流許多新的特性:利用壓縮氣體釋壓時迅速膨脹增速的性能,使水滴被氣體介質(zhì)射流進一步切割、粉碎,成為細水霧和超細水霧射流;細水霧射流在氣體介質(zhì)射流加速中進一步獲取動能,使其噴射距離大幅度增加;氣體-水霧混合射流的高速噴射性能,克服了細小水滴射入不到火焰中心的固有弱點,可將大流量的細水霧沿水平方向快速射入火焰之中,也使混合射流對火焰的沖擊能量增大,破壞火焰穩(wěn)定燃燒的作用增強,大幅度增強了霧狀水的滅火優(yōu)勢。另一方面,從泡沫噴槍中噴射出的壓縮氣體和泡沫液混和后的兩相射流,可獲得不含液體水的“干泡沫”,由此制成的消防車,與普通泡沫消防車噴射出的含有大量未發(fā)泡的泡沫液的“濕泡沫”相比,使滅火用水的利用率和泡沫液的滅火效能提高了許多倍。以德國IFEX公司研制的IFEX3000型肩背式脈沖式滅火裝置為例,該裝置利用2.5MPa壓縮空氣釋壓時產(chǎn)生的爆發(fā)力,驅(qū)動儲水室中的水(約1L)高速噴出,形成氣體-水霧兩相射流,在高速氣體射流沖擊下,水滴微粒被撞擊成粒徑為20～200μm的細水霧,其出口流速達120m/s,具有極大動能。高流速的水滴射入火焰中,對火焰產(chǎn)生強烈切割破壞作用,細水霧在火焰中迅速吸熱汽化,有極好的滅火能力。該裝置受到國際消防技術(shù)委員會的重視,于1997年10月和1999年8月分別在挪威和瑞典的海岸公路隧道內(nèi)對其進行了滅火試驗。結(jié)果表明,IFEX3000型脈沖式滅火技術(shù)能夠迅速撲滅火災(zāi),用水量與常規(guī)水噴淋相比,可省水95%,并能迅速凈化空氣和保護環(huán)境。1991年,在海灣戰(zhàn)爭結(jié)束后為撲滅科威特727口油井大火,來自10個國家的27支滅火隊在遍地沖天大火和遮天蔽日的煙幕中使同各種先進的滅火裝備與火魔展開了搏斗。其中匈牙利人使用了將2臺航空渦輪噴氣發(fā)動機并列安裝在坦克上的滅火裝置(其噴射功率大于2×10000kW),渦噴發(fā)動機產(chǎn)生的高速氣體射流將注入的海水切割成霧狀水,氣-水兩相射流射向油井大火,撲滅每口油井大火從12s～2min不等,比其他國家滅火隊運用的其他所有方法快得多,受到各國滅火隊的交口稱贊(見圖1)。自此開始,以渦輪噴氣發(fā)動機為動力噴射氣-水兩相射流的滅火裝置名聞天下。由美國大力、德國施密茨、奧地利盧森寶亞等公司生產(chǎn)的“壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)”消防車,也是利用了氣-水混合射流。它是將7～9個大氣壓的壓縮空氣和同樣壓力的水、泡沫液注入混和器中,使1000體積的水、3體積的泡沫液和7000體積的空氣混和,產(chǎn)生出8000體積的泡沫,由噴槍射出,形成兩相射流。由于壓縮空氣在噴槍出口處膨脹增速,使泡沫液的噴射距離增大,加之噴射出的泡沫屬于無液態(tài)水的“干泡沫”,使滅火用水利用率提高了8倍,被稱為是目前世界上最先進的泡沫滅火技術(shù)。在撲滅可能有人存在的坍塌的建筑物廢墟火災(zāi)時,不必擔心大量水滲入廢墟內(nèi)而使人窒息。在美國遭受“9·11”恐怖襲擊而坍塌的“雙塔樓”的救援工作中,大量使用“壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)”消防車,在撲滅火災(zāi)、消除煙霧、保護廢墟下的生命、搶救珍貴檔案資料和計算機存貯器等方面都發(fā)揮了很好的作用。3渦流噴射式消防獲得國家發(fā)明獎、發(fā)明專利金獎的渦噴消防車,于1986年開始研制,1992年通過技術(shù)鑒定;1996年渦噴消防車由國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心完成定型檢驗,1998年公布“目錄”文件編號,將渦噴消防車正式列入國家消防裝備序列。至今已在油、氣大火消防中發(fā)揮出巨大威力,是世界上具有常規(guī)消防車高速行駛能力的噴射功率最大的霧狀水消防車。渦噴消防車是將航空渦輪噴氣發(fā)動機作為滅火劑的噴射動力,安裝在消防汽車上,配置常規(guī)消防車的水箱、水泵。渦噴發(fā)動機產(chǎn)生的高速尾氣射流與注入的直流水發(fā)生撞擊、切割,產(chǎn)生大流量的霧狀水,高速尾氣攜帶大流量的霧狀水形成“尾氣-水霧”射流,實現(xiàn)了霧狀水的遠距離、高強度的噴射(見圖2)。渦噴消防車具有如下滅火優(yōu)勢:噴射功率大,水的滅火效率大幅度提高,創(chuàng)造了噴射泡沫滅火劑的新方法。3.1機場開、發(fā)揮兩組作用,通常認為,常規(guī)消防車發(fā)動機的功率和整車的質(zhì)量比達到30kW/t后就無法再增大了,否則其扭矩的增大使得傳動機構(gòu)的加強和底盤重量的增加,會抵消功率增大帶來的好處。美國的T-6消防車滿載質(zhì)量為19.2t,發(fā)動機功率367kW,功率質(zhì)量比為19.1kW/t。機場快速反應(yīng)消防車所載滅火劑較少,其功率質(zhì)量比可達26kW/t左右。例如,法國的SD2000快速反應(yīng)機場消防車最大功率138kW,僅載有1200L水和100kg干粉,滿載重量為5.3t,功率質(zhì)量比達26kW/t;為增大儲備功率,有些型號的機場消防車使用兩臺發(fā)動機,分別用于驅(qū)動和噴射,但其總的功率質(zhì)量比仍未突破30kW/t。因此,全世界至今沒有1臺發(fā)動機功率超過1000kW的常規(guī)消防車出現(xiàn)。渦噴消防車的噴射功率達4000kW,滿載時的質(zhì)量為24.6t,其功率質(zhì)量比為160kW/t,突破了30kW/t的限制,因而也突破了現(xiàn)有消防車的動力無法實現(xiàn)霧狀水的遠距離噴射的問題,成為噴射功率巨大的霧狀水消防車,也是當前世界上安裝在汽車底盤上的噴射功率最大的消防車。3.2生成霧射流和完善的油池規(guī)劃設(shè)備將流量為60kg/s的直流水注入渦噴消防車的霧化裝置中,噴射出的高速霧狀水射流瞬時覆蓋面積大于200m2。最遠噴射距離可達100m,在30～60m距離間形成最佳水霧噴射強度。渦噴消防車實現(xiàn)了大流量霧狀水的遠距離、高強度、大覆蓋面積的噴射。高速尾氣-水霧射流對火焰穩(wěn)定燃燒有強勁的切割破壞作用;大流量霧狀水在高速尾氣的攜帶下切入火焰,有迅速窒息燃燒的作用。60kg/s流量的霧狀水全部氣化時每秒可吸收5的熱量生成3體積的水蒸氣,其對火焰的冷卻降溫和稀釋氧氣、窒息燃燒的作用相當顯著(見圖3～圖5)。渦噴消防車撲滅如圖3所示的80m2油池大火僅需9s。渦噴消防車控制火勢的能力和滅火效率比常規(guī)消防車提高了十多倍。同時,尾氣-水霧射流還有很強的驅(qū)散有毒有害氣體、阻隔大火輻射熱的作用,可在水霧射流掩護下救助被火災(zāi)圍困的人員,避免或減少被火災(zāi)圍困的人員的傷亡。3.3渦流泡沫噴射法渦噴消防車生成泡沫的機理和常規(guī)消防車的泡沫炮生成泡沫的機理有所不同:常規(guī)消防車的泡沫炮是靠水射流的引射作用將空氣吸入炮管,空氣與混和液攪拌混合產(chǎn)生泡沫。但此時空氣的體積流量和液體的體積流量相差無幾,空氣處于負壓狀態(tài),未能使所有液體都形成泡沫,噴射出的泡沫和未生成泡沫的液體混和在一起,使泡沫富于流動性,需經(jīng)流淌才能形成相對穩(wěn)定的泡沫層。噴射在油罐油面上的泡沫液,其中的液體沉入油面之下,只有泡沫覆蓋在油面之上。渦噴消防車是由高速氣體射流沖擊、剪切泡沫混和液,形成粒徑為2～3mm的大流量泡沫珠,此時空氣的體積流量是液體體積流量的幾十倍,在強氣流作用下所有的混和液均生成了泡沫珠,沒有液態(tài)水的存在。泡沫珠射流瞬時覆蓋的面積達200m2,噴射1min時,在200m2面積上形成的泡沫層平均厚度為5cm。泡沫珠墜地后沒有流動性,但卻有很好的附著力,直接形成均勻厚度泡沫覆蓋層,良好的附著力使其在形狀復(fù)雜的物體表面上形成穩(wěn)定的泡沫覆蓋層,免除了泡沫射流需經(jīng)流淌才能形成均勻覆蓋層所需的時間;泡沫覆蓋于油面之上,沒有液體沉入油面之下。因此,噴射同樣質(zhì)量的泡沫,渦噴消防車比常規(guī)消防車獲得更大的泡沫覆蓋面積,更好地發(fā)揮了泡沫滅火劑的性能,創(chuàng)造了噴射泡沫滅火劑的一種新方式(見圖4～圖6)。1993年,渦噴消防車參加了上海金山化工總廠的大型滅火演習(xí),單臺渦噴消防車撲滅520m2油池大火僅用77s,耗水2.8t,平均撲滅每平方米油池火消耗的水和輕水泡沫混和液為5.7kg。滅火效率遠遠超過多臺協(xié)同作戰(zhàn)的常規(guī)消防車,創(chuàng)造了金山化工總廠歷次舉辦的滅火演習(xí)的多項新紀錄。渦噴消防車己多次撲滅燃油大火引發(fā)的火災(zāi)。渦噴消防車在撲滅油、氣大火時特別省水,成為在缺水的沙漠油田中撲滅油、氣大火的最適用的大功率消防裝備。渦噴消防車在撲滅油、氣大火時不會造成水漬損失,也基本上不造成化學(xué)污染。圖3～圖6顯示了渦噴消防車撲滅80m2油池大火的滅火過程和速度。渦噴消防車是當前對付油、氣大火的最強有力的消防裝備,是消防車家族中的新成員,正在進入相關(guān)的消防領(lǐng)域。4兩相輻射流促進了精細水霧滅火技術(shù)的發(fā)展4.1隧道火災(zāi)翱翔于天空的飛機,其飛行中的動力和阻力均可視做是來源于氣體射流,其研究促進了航空科學(xué)的發(fā)展,有十分豐富的研究成果。舉例來說,制造一臺300kW的可移動的水射流裝置,在工程技術(shù)和使用場所方面有不小的難度。但是,制造一臺3000kW的可車載的噴射高速氣體射流的發(fā)動機,在工程技術(shù)上早已不成問題將氣體射流技術(shù)與水射流技術(shù)結(jié)合起來開發(fā)兩相射流消防裝備,可以解決消防工程面臨的許多難題。我國已建成7400余座鐵路隧道、1970余座公路隧道,隧道總長度達5200km;北京、上海、廣州、南京、武漢等城市已建成和正在興建多條地鐵、過江隧道。我國首條海底隧道已在廈門開建。至今,我國已成為世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。與此同時,令世人關(guān)注的隧道火災(zāi)事故的風險也在不斷增加。隧道火災(zāi)呈現(xiàn)出如下特點：1)大火產(chǎn)生的有毒煙霧擴散困難,使現(xiàn)場未逃離的人員窒息而死,也多次使順風撤離的人員難逃被煙霧窒息的厄運。2)煙霧導(dǎo)致能見度極差,加之燃燒產(chǎn)生的高溫,使救援人員難以進入隧道和展開滅火作業(yè)。3)火災(zāi)產(chǎn)生的大部分熱能被用于加熱隧道內(nèi)的空氣,形成了“燒磚窯效應(yīng)”。4)集聚的高溫熱氣流使下游的易燃物分解和氣化,著火點能從一個燃燒源跳躍到下一個燃燒源,會接連發(fā)生爆轟和爆炸。5)爆轟產(chǎn)生的高溫高壓氣體沿著隧道急劇膨脹而形成“槍管效應(yīng)”,對處于隧道內(nèi)的人員的生命構(gòu)成重大威脅。6)高溫會使隧道頂部的混凝土喪失強度而塌陷,地面的瀝青熔融粘化,為消防、救援工作造成很大困難。1971年3月法國克洛次隧道內(nèi)油罐列車爆炸起火,1996年11月英法兩國之間的海底隧道大火、1999年3月法意兩國之間的勃郎峰隧道大火,1999年5月奧地利阿爾卑斯山的陶恩大隧道大火,2000年11月奧地利基茨施坦霍恩山隧道大火,2001年10月瑞士圣哥達隧道大火,均造成了人員傷亡和隧道損壞的重大損失,修復(fù)工作持續(xù)了數(shù)十天至數(shù)個月。我國隧道的消防,如能使用由航空渦輪風扇噴氣發(fā)動機(功率10000kW以上)改裝成的氣-水兩相射流消防裝置,通過噴射和引射,可使大流量細水霧射流貫穿隧道,形成“人工風暴”,成為隧道火災(zāi)的“殺手锏”,使排煙、降溫、滅火、救人工作得以順利進行,大幅度減少隧道火災(zāi)造成的損失。1970—1984年,美國發(fā)生天然氣管線失效事故5872起,平均每年發(fā)生404起;1985—1992年,平均每年發(fā)生238起。我國四川輸氣管網(wǎng)13條管線,1970—1994年發(fā)生事故造成停輸61次,年平均事故率為2.608次/103km。我國已有“西氣東輸”等數(shù)萬千米的天然氣管道。地面沉降、地震、泥石流災(zāi)害、不當施工、管道腐蝕和材質(zhì)缺陷等都會引起管道破裂。天然氣泄漏時,使用大功率氣-水兩相射流消防裝置可在泄漏的可燃性氣體未點燃時予以吹散、釋稀,掩護救援人員對泄漏的管道進行搶修作業(yè)。在發(fā)生火災(zāi)時能很快將大火撲滅。4.2氣體射流射流效果好當氣體的壓力是2倍外界大氣壓力時,通過適當?shù)膰娚溲b置即可產(chǎn)生出超音速的氣體射流,比同等壓力下水的射流的流速高出兩個數(shù)量級由此也使得兩相射流有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。舉例來說,新研制的便攜式氣-水兩相射流裝置,使用氣瓶中的壓縮氣體產(chǎn)生出超音速的氣體射流,和水射流撞擊后,經(jīng)噴嘴噴射出50～200μm粒徑的超細水霧兩相射流,出口流速超過100m/s,噴射距離可達8～12m,是單純的細水霧噴射裝置無法達到的,噴槍的重量也只有2kg。這些裝置在撲滅機場、船舶、客輪、火車等有人場所的火災(zāi)時能發(fā)揮很好的作用。筆者已研制出工程樣機,并申報發(fā)明專利。5兩相射流超細水霧滅火的應(yīng)用前景綜上所述,通過氣-水兩相射流滅火研究試驗和實踐,可以得出如下結(jié)論:1)超聲波水霧發(fā)生器可產(chǎn)生粒徑為10～15μm的超細水霧,但水滴的動能小、穿透能力弱,難以制成適用型滅火器;用提高水壓力的噴射方法可獲得100～400μm的細水霧,水霧有一定的穿入火焰的能力,但其噴射距離近,主要適用于噴淋方式滅火;當壓縮氣體的壓力大于0.6MPa時,利用適當?shù)难b置產(chǎn)生的氣-水兩相射流可獲得50～200μm粒徑的超細水霧射流,在裝置出口處射流的流速大于100