含钾盐添加剂细水雾灭火的工程实例

向火焰中施加细水雾的简化模型如图6.1所示。

其中有xmw的细水雾停留在火焰中，（1 - x）mw的细水雾穿过火羽到达燃料表面。留在火焰中的细水雾液滴吸收火焰中的热量。而此时，燃料燃烧产生的能量用来加热燃料与空气的混合物和停留在火羽中的细水雾液滴，火羽中的能量平衡为：

式中，假设火焰温度保持Tf不变；燃料、空气和水的热容cp不随温度的变化而变化；燃料的燃烧速率mf等于燃料的蒸发速率；x为总用水量mw中用来冷却火焰的那部分比例；Lv为蒸发潜热；Twp为水沸腾时的温度；下标f、w、a分别代表燃料、水和空气，v 和l 分别代表气态和液态，s 代表火焰表面；ϕ为空气和燃料的质量比，由于池火是典型的浮力控制扩散火焰，空气进入火焰的量远大于当量比条件下燃烧时的空气量，并且向下喷射的细水雾会将额外的空气带入火焰，因此，ϕ值远大于当量比条件下的燃料和空气混合物的质量比。

图6.1　细水雾与扩散火焰相互作用过程简化模型

对于大部分的碳氢化合物燃料，当细水雾将火羽流的温度冷却至临界燃烧温度1 600 K（1 327 ℃）以下时，燃料和空气混合物的燃烧反应终止，火焰熄灭。

到达燃料表面的部分液滴发挥冷却燃料表面的机理进行灭火，细水雾的冷却作用使燃料蒸气的供应速率或燃烧速率降低至不能维持燃烧的临界点以下时，火焰熄灭。在燃料表面处的能量平衡方程为：

其中，S 为燃料表面处的总能量；fc为火焰对燃料表面反馈的能量所占比例；QE为外界热源对火焰的持续加热，在本实验中可以忽略；QL为燃料表面处的热损失，包括向外的辐射热损失、向燃料内部的热传导和对燃料表面处细水雾液滴的加热作用，有：

向燃料内部的热传导qfl，有：

因此，由方程（6.2）～方程（6.4）得到燃料表面的能量平衡方程为：

闪点较高的燃料在燃烧过程中表面温度很高（>300 ℃），导致燃料表面有非常明显的辐射热损失。当液滴接触燃料表面并蒸发时，燃料表面对液滴蒸发的这部分能量损失也很明显。

对于大部分的可燃液体，在燃烧过程中燃料表面温度接近或略低于沸点。由于这类燃料的沸点较低（<100 ℃），并且具有相对较低的燃料表面温度，其表面辐射热损失和蒸发燃料表面细水雾液滴的热损失可忽略不计，因此，这类液体燃料表面的热损失QL为：

此时，可燃液体燃料表面能量平衡的表达式为：

方程（6.7）表明，如果在燃烧过程中燃料表面温度较低，则很难通过细水雾冷却燃料表面温度的机理进行灭火，此时燃料表面损失的热量低于火焰对燃料表面的热反馈。

方程（6.1）～方程（6.5）表明，不同燃料的燃烧速率与燃料本身的性质有关，并且细水雾的工作压力是细水雾发挥何种机理灭火的重要参数。燃料燃烧速率的表达式为：

热损失QL的表达式为方程（6.3），Qf为火焰向燃料表面的热传递速率，包括向容器壁的热传导、火焰中的热对流和热辐射：

其中，

对于真实的火灾场景来说，不存在容器壁的问题，忽略热传导项，方程（6.9）变形为：(www.xing528.com)

结合方程（6.6）～方程（6.13），燃烧过程中燃料表面温度较低的液体燃料燃烧速率表达式为：

由方程（6.3）和方程（6.13），燃烧过程中燃料表面温度较高的液体燃料燃烧速率表达式为：

方程（6.14）、方程（6.15）说明在灭火过程中细水雾的施加加剧了火焰和燃料的热对流，导致燃烧速率增大。由于热损失QL的不同，表面温度较低的燃料燃烧速率受细水雾的影响较小，而表面温度较高的燃料燃烧速率受细水雾的影响较大。

Rasbash 的研究表明，细水雾雾滴粒径、水流密度（流量）、雾通量和雾动量为影响细水雾灭火有效性的重要特性参数。

由能量平衡可知，火焰的熄灭条件为细水雾流量能够使火焰冷却至临界温度以下或将燃料表面温度冷却到着火点以下。当燃料燃烧过程中表面温度较低时，细水雾主要通过冷却火焰的机理进行灭火。由方程（6.1）和方程（6.14）得临界细水雾流量xmw表达式为：

当燃料燃烧过程中表面温度较高时，细水雾可以通过冷却燃料表面和冷却火焰的共同作用或是每种机理的单独作用灭火。

由方程（6.5）和方程（6.15）得到冷却燃料表面机理的临界水流量表达式分别为：

方程（6.16）～方程（6.18）表明，对于燃料燃烧过程中表面温度较低的液体燃料，由于其燃烧速率受细水雾的影响较小，需用较大的水流量去灭火。粒径较小的细水雾液滴由于在火焰中能够停留较长时间，适用于扑灭燃料燃烧过程中表面温度较低的液体燃料火灾。而粒径较大的细水雾液滴由于容易到达燃料表面，更适合扑灭燃料燃烧过程中表面温度较高的液体燃料火灾，与文献［240，241］实验得到的结论一致。

细水雾的雾通量与液滴的分布有关，尤其对于燃烧过程中表面温度较低的液体燃料火灾来说，如果细水雾的作用面积不能完全覆盖全部燃料表面，则细水雾作用范围之外的部分燃料会继续燃烧，一旦停止施加细水雾，则火焰在燃料表面可以继续传播。灭火所需的最小水流量对应的有效细水雾覆盖面积的表达式为：

其中，雾锥角α 为细水雾喷头的设计参数，随细水雾的工作压力变化而变化；ac为细水雾有效覆盖面积系数（<1），取决于灭火所需的最小水流量和燃料特性。

细水雾的雾动量是衡量细水雾液滴能否穿透火羽到达燃料表面的重要参数。只有当细水雾液滴向下的运动速率大于火羽流向上作用速率时，液滴才能穿透火羽流到达燃料表面。火羽流最大的向上作用速率Ufmax的表达式为：

其中，QC为火焰的对流热释放速率。

细水雾灭火系统的喷头距燃料表面的距离较短，可忽略从喷头到达燃料表面这段距离内细水雾的蒸发，因此，液滴速率可以用无蒸发条件下的速率来描述：

其中，液滴的初速度表达式为：

则细水雾液滴能够穿透火羽流并到达燃料表面的临界条件为：

或

由方程（6.24）可知，液滴能否穿透火羽流主要取决于细水雾的喷射压力、液滴粒径、喷头距燃料表面的距离和火源规模。通过增大液滴粒径或减小喷头到燃料表面的距离来提高细水雾灭火有效性的方式比增加细水雾工作压力的方式更为有效。