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細水霧滅火系統的具體介紹

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  細水霧的起源及發展所謂的“細水霧”,在英文里主要有watermist、waterfog、finewaterspray幾個詞,watermist在文獻中使用最多。細水霧在消防方面的應用始于四十年代,當時主要用于特殊的場所,如運輸工具等。現在由于環保問題,鹵代烷滅火劑被逐步淘汰,而細水霧作為滅。

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  細水霧的起源及發展

  所謂的“細水霧”,在英文里主要有watermist、waterfog、finewaterspray幾個詞,watermist在文獻中使用最多。細水霧在消防方面的應用始于四十年代,當時主要用于特殊的場所,如運輸工具等。現在由于環保問題,鹵代烷滅火劑被逐步淘汰,而細水霧作為滅火劑對于環境的潛在優勢使其應用范圍在不斷的拓展,細水霧滅火系統用于居住建筑、可燃性液體儲存設施及電器設備方面的研究,已經取得了令人鼓舞的成果。

  1993年,來自工程界和科研部門、細水霧系統的制造商、保險公司、行政管理部門和工業用戶的代表,組成了美國消防聯合會細水霧滅火系統技術委員會(NFPATechnicalCommitteeonWaterMistFireSuppressionSystems),該委員會開始編制用于規范細水霧技術的NFPA標準,作為設計和安裝的依據。

  1996年,在美國的馬薩諸塞州波士頓市每年5月20-23日的年會上,細水霧滅火系統技術委員會提交了細水霧規范(NFPA750,StandardonWatermistFireProtectionSystems),并獲得了美國消防聯合會的批準。該規范由國家標準協會于同年的7月18日頒布,生效日期為8月9日,同年的7月26日,96版NFPA750被批準為美國國家規范。

細水霧滅火系統的具體介紹

  細水霧的定義

  “細水霧”(watermist)是相對于“水噴霧”(waterspray)的概念,所謂的細水霧,是使用特殊噴嘴、通過高壓噴水產生的水微粒。在NFPA750中,細水霧的定義是:在最小設計工作壓力下、距噴嘴1米處的平面上,測得水霧最粗部分的水微粒直徑Dv0.99[1]不大于1000μ

  按水霧中水微粒的大小,細水霧分為3級,如圖1所示。第1級細水霧為Dv0.1=100μ同Dv0.9=200μ連線的左側部分,這些代表最細的水霧。

  第2級細水霧,是第1級細水霧的界限與Dv0.1=200μ同Dv0.9=400μ連線之間的部分。這種細水霧可由高壓噴嘴、雙流噴嘴或許多沖撞式噴嘴產生。由于有較大的水微粒存在,相對于1級細水霧,2級細水霧更容易產生較大的流量。

  第3級細水霧為Dv0.9大于400μ,或者第2級細水霧分界線右側至Dv0.99=1000μ之間的部分。這種細水霧主要由中壓、小孔噴淋頭、各種沖擊式噴嘴等產生。

  研究表明,撲滅B類火災水霧顆粒小于400μ是必需的,而較大的顆粒對于A類火災是有效的,這是由于燃料被浸濕。正因為如此,細水霧的定義包括了Dv0.99為1000μ。在NFPA750中定義的細水霧,既包含了NFPA15中定義的一部分水噴霧系統(WaterSpray),又包含了在高壓狀態下普通噴淋系統(Sprinklers)產生的水霧。一般情況下,細水霧是指Dv0.9小于400μ的水霧。

  細水霧的滅火機理及應用

  細水霧滅火系統成功的關鍵,是增加單位體積水微粒的表面積。水微粒子化以后,即使同樣體積的水,也可使總表面積增大。而表面積的增大,更容易進行熱吸收,冷卻燃燒反應。吸收熱的水微粒容易汽化,體積增大約1700倍。由于水蒸汽的產生,既稀釋了火焰附近氧氣的濃度,窒息了燃燒反應,又有效地控制了熱輻射??梢勻銜?,細水霧滅火主要是通過高效率的冷卻與缺氧窒息的雙重作用。

  細水霧水微粒直徑大小的分布與滅火能力的關系是個復雜的問題。一般來講,第1級和第2級細水霧用于撲滅液體燃料池內的火災效果較好,而且不會攪動池內的液面。通常情況下,用第1級水霧撲滅A類可燃物是比較困難的,這可能是該細水霧不能穿透碳化層而浸濕燃燒物質。然而,因為細水霧的噴射速度很高,在燃燒處于表面或封閉空間內,有利于氧氣減少的情況下,還是可以撲滅A類可燃物的。這說明,對于一定的燃燒物,細水霧的顆粒直徑不是決定滅火能力的唯一因素。系統的滅火效果還與細水霧相對于火焰的噴射方向、速度和噴水強度等有密切的關系。

  美國海軍實驗室(NavalResearchLaboratory)曾對下列3種細水霧滅火系統的滅火效果做了一系列試驗:單流低壓系統(Single-FluidLow-PressureSystems)、單流高壓系統(Single-FluidHigh-PressureSystems)和雙流系統(Twin-FluidSystems)。上述各系統水微粒的分布如圖2(略)所示。

  試驗表明,單流低壓系統產生較大的水微粒,在撲滅深層的A類火災時,表現出良好的效果。這是由于其相對較大的流量(單流高壓系統的3至4倍),產生了表面的浸濕作用,但減弱了系統撲滅受遮擋的火災的能力。而單流高壓系統的滅火效果則完全相反,由于較小的水微粒直徑,提高了撲滅受遮擋火災的能力,而減弱了撲滅深層的A類火災時的效果。試驗顯示,大空間內受阻擋的火災,當火災處的氧氣濃度降到18%以下時,火焰即可熄滅。

  細水霧滅火系統與鹵代烷或其它氣體滅火系統相比,滅火時間要長得多,前者約為100-200秒,后者約為10-20秒。另外,封閉空間開口大小對細水霧滅火效果的影響較小,在敞開空間內,細水霧系統比氣體滅火系統具有非常明顯的優勢。

  火災規模的大小,對細水霧滅火系統的滅火效果也有影響,燃燒猛烈的火災較燃燒緩慢的火災容易被撲滅。這是由于前者氧氣消耗的快,并伴隨有大量蒸氣和紊流的產生。細水霧系統噴水的同時,火場的溫度急劇下降,這有助于人工滅火并減少熱量造成的財產損失。

  關于細水霧的電氣絕緣性,國外某公司曾用SecuripexFire-Scope2000細水霧滅火系統做過試驗,將該系統噴入設有電動機、發電機和配電盤的封閉房間內,上述設備內部的電壓為220~440V。結果顯示,在釋放過程中,電阻讀數明顯下降,但和通常一樣,設備運轉正常。在一般情況下,隨著設備變得干燥,電阻值會恢復到正常值。細水霧系統能否用于電器設備,關鍵在于水霧微粒的大小。某一種類的細水霧系統用于電器設備時,應通過有關部門的認證。

  筆者以為,細水霧系統可用于?;すこЧ籩氐納璞?、高層建筑內的油浸電力變壓器室、自備柴油發電機房及其儲油間和燃油、燃氣鍋爐房。高壓及雙流介質細水霧系統,可用于重要的高層建筑內的高、低壓配電室,重要的電子通信設備機房,電廠的控制室,燃氣渦輪機等場所。

  細水霧滅火系統的分類

  細水霧噴嘴,是含有一個或多個孔口,能夠將水滴霧化的裝置,它是系統中最為關鍵的部件。細水霧噴嘴產生水微粒的原理為下列五種方式之一,液體以相對于周圍的空氣很高的速度被釋放出來,由于液體與空氣的速度差而被撕碎為水微粒子;液體流碰到固定的表面,因碰撞產生水微粒子;兩股組成類似的水流相互碰撞,每股水流都形成水微粒子;液體振動或電子粉碎成水微粒子(超聲波和靜電霧化器);液體在壓力容器中被加熱到高于沸點,突然被釋放到大氣壓力狀態(突發液體噴霧器)。

  按不同的標準細水霧系統可分為下列系統:

  低壓系統,工作壓力小于12.1bar(175psi*);中壓系統,工作壓力為12.1bar(175psi)~34.5bar(500psi);高壓系統,工作壓力大于34.5bar(500psi)。

  局部應用系統(LocalApplicationSystems),如?;ふ羝新只櫓岢?,煉油廠的熱油泵;全淹沒系統(TotalFloodingApplicationSystems),?;ふ齜闌で?,如燃氣渦輪機組機房。

  預制系統(PreengineeredSystems),如壓縮氣體鋼瓶驅動的雙流系統,鋼瓶及水罐有若干種規格,都是在工廠加工好的,設計中根據防護區面積的大小來選擇;工程系統(EngineeredSystems),其構成和工作方式類似常規的雨淋系統(DelugeSystems)。

  單流介質系統(SingleFluidMediaSystems)和雙流介質噴霧系統(TwinFluidMediaSystems)。單流介質系統,是僅以水為滅火劑,由一路管道供到噴嘴。系統由噴嘴,水泵雨淋閥,探測器及控制器組成。雙流介質噴霧系統,水及霧化介質由不同的管路分別供給,并在噴嘴處混合、碰撞而產生水微粒子,該水霧噴嘴的外形見圖3。霧化介質分為兩路,一路用于推動儲水罐內的水,另一路直接供到噴嘴。儲水罐內的水處于常壓,滅火時由高壓氣體推動而進入防護區。霧化介質是可以通過與水混合并產生細水霧的高壓空氣或其他氣體。

  實際工程中的細水霧滅火系統往往是上述幾種分類的組合,現以應用較為廣泛的SecuripexFire-Scope2000細水霧滅火系統為例,該系統屬于是低壓、雙流、預制式系統。噴嘴內氣、水兩種介質的工作壓力5.5bar,產生水微粒尺寸為200μ,噴嘴的特性系數K=4.5L/min.bar1/2,推薦噴頭間距為3.0m,相應噴水強度為0.95L/min.m2。

  5、系統的設計

  水力計算,低壓系統類似普通噴淋系統,按Hazen-Williams公式計算,中壓、高壓系統按Darcy-Weishach公式計算。由于流速、水溫、粘滯系數及管道粗糙系數極大地影響水的紊流程度,從而影響管路的壓力損失,而H-W公式不能對上述參數作出修正。一般情況下,特別是中、高壓細水霧系統,比低壓細水霧系統更容易出現較高的流速。由于D-W公式充分考慮了實際流體特性,即雷諾數和管壁粗糙度,所以中壓、高壓系統按D-W公式而不用H-W公式。又由于管徑越小,管壁粗糙影響越大。當設計中為減小系統重量而選擇很高的摩阻損失,以便安裝在受限制的空間內,如飛機的貨倉內,用H-W公式計算不精確,則應采用D-W公式。

  噴頭設置,噴淋或普通水噴霧系統是按設計噴水強度設置噴頭,細水霧噴頭的設置的間距、與墻體的距離、距障礙物的距離以及與吊頂的距離是根據各種噴頭的特性而定,不涉及噴水強度的概念。

  過濾器設置,固體顆粒物的累積有可能造成系統水頭損失的增大或堵塞,在系統的供水干管或立管上設過濾器。濾網孔眼最大尺寸不應大于最小噴嘴孔口直徑的百分之八十。某些時候,還需要在每個噴嘴前設過濾器。

  系統水源應保證系統噴霧時間不小于30分鐘。當然這并非要求滅火時間一定是30分鐘,如SecuripexFire-Scope2000系統用于內燃機房、或可燃油事故儲油池時的滅火時間是10分鐘。

  系統的組成,預制系統前文已經介紹過了,其它系統一般為雨淋系統,由雨淋閥、水霧噴頭、管路、探測器及控制器組成,雨淋閥是專門用于水噴霧系統的小規格雨淋閥。

  細水霧滅火系統的工作原理與水噴霧滅火系統類似,典型的系統工作原理是:自動啟動狀態,防護區設多個探測器,當火災發生時,系統控制盤接受探測器探測的動作信號,向火災區域噴水霧;手動啟動狀態,防護區設多個探測器,當火災發生時,探測器發出報警信號或在現場人員確認火災后,打開在設發生火災區域最近處的手動啟動裝置(手動與自動切換型),動細水霧系統,向火災區域噴水霧。

  6、結論

  細水霧滅火系統類似于自動噴淋,固定水噴霧,二氧化碳和哈龍滅火系統,在許多方面,可以看作是上述系統的綜合。總的來說,細水霧滅火系統是利用水作為撲滅、壓制和控制火災的介質,只是以不同于傳統的方式來實現的。

  細水霧滅火系統與氣體滅火相比,具有廉價、對人和環境沒有危害的優點,同時也避免了哈龍等氣體在滅火時,因與燃燒物發生鏈式反應而產生對人有害的氣體,有利于火災現場人員的逃離。該系統即可局部應用,?;ざ懶⒌納璞富蟶璞傅哪騁徊糠?,又可作為全淹沒系統,?;ふ隹占?。尤其可用水源匱乏地區及部分禁止用水的場所。

  細水霧系統也有它的局限性。如高壓系統的管路、配件及水泵的工作壓力很高,這是其缺點;為避免噴嘴堵塞,對水質要求很高;系統的專業性很強,設計及施工必須由專門資質的工程公司承擔。

  在細水霧滅火系統的應用與研究方面,歐、美起步較早,已經生產出了一系列產品,并制定了相應的設計、施工及驗收規范。據悉,我國有關消防科研部門已經把細水霧作為課題進行研究,相信不久會有國產的細水霧產品問世。

  水,作為最原始的滅火劑,因其本身的特性所致,在某些場所的應用受到限制,人們開始尋找哈龍、二氧化碳等滅火劑,但在環保日益受到重視的今天,水又重新受到重視。只要揚長避短,深入研究,水一定會在消防領域發揮更大的作用。

  注:

  Dvf的含義:Dvf是水微粒直徑,它的微粒子直徑從0至某一微粒直徑的累計體積與相應的總累計體積之比,如Dv0.99。

  1psi=0.0689bar,1bar=105Pa.

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