在全尺寸热释放率试验台的基础上搭建了细水雾条件下油池火燃烧实验平台,实验台的主要功能是测量受限空间内细水雾条件下油池火的热释放率.

实验室内部尺寸6 mx;3 mx;3 m,实验装置由细水雾发生系统、油盘燃烧平台、串口线数据采集系统组成.实验中采用的是高压泵式细水雾发生方法,采用开式细水雾系统,动力由高扬程深井螺杆泵产生,扬程300 m,额定流量2.6 m³/h.喷头前设置压力表和阀门,方便调节流量和压力.喷头为标准角实心锥细水雾喷头,K=1.0,工作压力0.2～8.0 MPa,雾滴粒径一般为200～400 μm.数据采集系统包括电子质量称、连接线、电脑和数据记录软件,实验中使用的电子天平秤读数精度为0.1 g.实验中燃油采取质量分数为95%的工业乙醇,每一工况量取200 ml的乙醇,质量为160 g.实验主要装置如图所示.

图1 实验系统设备布置
Fig.1 Experimental system equipment layout

图2 实验装置照片
Fig.2 Photo of the experimental device

热释放速率(HRR)是在单位时间内材料燃烧向外所释放的热量,是评价可燃物燃烧时火灾强度与规模的重要参数,被视为反映火灾场景,表征火灾过程最重要参数之一^[12-13],热释放速率是预测火灾行为、比较火灾行为以及评价火灾对附近环境其他燃料影响最有用的数据,是确定消防设计的重要指标.测量热释放速率的方法有替换燃烧法、绝热箱法、耗氧量法、质量损失法,基于氧消耗原理的热释放速率测试方法和基于质量损失速率的热释放速率测试方法是最常用的两种方法^[14].基于耗氧原理的测量方法是现在较为常用的一种测量方法,但在测量时必须将全部燃烧产物收集和转移,经过充分混合后在排气管下流测量气体的成份和流量,这种测量方法不适合本文设计的试验装置,本文采取质量损失法测量热释放率.

质量损失法(Mass Loss Rate Method,简称 MLRM)是指利用测得的质量损失率和燃烧热值来计算热释放速率方法.质量损失率是指可燃物在燃烧过程中质量随时间的变化率,它反应了材料在一定火强度下的燃烧程度、热裂解及挥发.试验中可以通过数据采集系统直接测定可燃物的质量损失,并换算为可燃物的质量损失率,具体公式如下.

Q=αx;mx;q(1)

式中:Q为火源的热释放率,kW; m为燃料的质量损失速率; α为可燃物的燃烧效率因子,完全燃烧为1,一般情况为0.3～0.9之间; q为燃料的平均热值,kJ/kg(乙醇燃烧热值一般取3×10⁴ kJ/kg).

质量损失速率的测量方法计算较为简单.实验时将盛有燃料的油盘放置在电子天平上,通过数据采集系统可以直接测定燃料燃烧时的质量随时间的变化,并换算为燃料的质量损失速率m,因为本文细水雾雾滴直径小于400 μm落于电子天平上的细水雾质量可以忽略不计,这样计算灭火过程中可燃物的热释放速率更为简便.

本文主要研究油盘相对于喷头水平偏移距离、油盘与喷头垂直距离、油盘面积、预燃时间等对乙醇燃烧过程中热释放率的影响.制定了相应的实验工况,见表1.

表1 实验工况列表
Tab.1 List of experimental conditions

细水雾灭火的基本过程可以分为三个阶段,第一阶段:在施加细水雾初期时受限空间温度较高,雾滴不能穿过燃烧产生的热烟气层和高温火焰区达到燃料表面,容易被上升的火羽流带出火焰区,同时吸收火焰的热辐射和高温烟气形成高温水蒸气层,冷却燃料周围的空间,并且由于细水雾喷射过程中会卷吸周围空气,促进流场扰动,加剧空气与燃料混合,燃烧加剧燃烧,热释放率增大.第二阶段:更多的细水雾雾滴能够进入到燃烧区,吸收热量,降低火焰温度,抑制燃料燃烧,燃料火焰变小.在此阶段,大量细水雾雾滴快速吸热蒸发降温,汽化冷却作用占主导地位,且细水雾滴粒径越小,其相对表面积越大,蒸发速率越快,吸收的热量越多,使燃油燃烧热释放率逐渐降低.第三阶段:火焰在细水雾的持续喷射下直至熄灭.经过第二阶段后火焰温度急剧下降,燃烧蒸发率随之降低,燃料释放的热量逐渐减少,火羽流的上升浮力减小,被卷吸进入火焰区的雾滴穿过热烟气层和火焰时并不能够完全蒸发,能够到达燃料的燃烧表面,起到表面冷却的作用,直至燃料燃烧完全熄灭^[15].

实验数据的误差主要由以下几个方面的因素引起:(1)油盘由于多次燃烧导致油盘底面不平整使燃油液面厚度不一致,导致燃烧后期燃油无法完全覆盖油盘底面,从而使燃烧速率降低,而且油盘面积越大时出现该状况越明显,且发生时间越早;(2)房间不能做到完全密闭,门缝窗缝等缝隙所引起的渗透风量的不固定引起室内风量变化;(3)开始点燃时由于细水雾发生系统与数据采集系统无法做到完全同步启动,存在人为的反应时间差,从而易产生数据采集系统落后或超前1～2 s,影响对数据的准确性分析;(4)燃烧过程中由于火焰飘忽不定,以及电子天平受热后的稳定性变差,从而导致个别质量数据变大的坏值不符合燃烧时燃油质量逐时降低的客观规律.

主要通过以下数据处理方式减小实验误差:(1)用厚钢板制作油盘及定期更换燃烧油盘,减小油盘形状及底面平整度变化所引起的实验误差;(2)尽可能地对门窗缝隙进行重复性密封,减少由于渗透风所引起的实验误差;(3)数据采集系统的开启时间提前于电子脉冲点火器1～2 s,这样可得到最初的质量数据,处理数据时可剔除掉开始记录时未发生变化的几个数据;(4)通过间隔5 s取质量数据值进行数据平滑处理,剔除个别异常数据,从而减小实验数据忽大忽小所引起的误差.

在油盘边长0.2 m,预燃时间0 s,喷头压力3 MPa,油盘与喷头垂直距离1.6 m条件下,进行工况1～工况6的实验,结果如图3所示.

图3 油盘相对于喷头不同水平偏移距离下的热释放率的变化
Fig.3 Changes in heat release rate of oil pan relative to the nozzle at different horizontal offset distances

在油盘边长0.2 m,预燃时间0 s,喷头压力3 MPa,油盘在喷头正下方条件下,进行工况7～工况11的实验,结果如图4所示.

由图4可以看出; 热释放率在燃烧第1阶段与第2阶段中随这喷头与油盘垂直距离增大而逐渐增大; 且燃烧稳定期持续时间随着距离增大而缩短; 由工况7、工况8的热释放率曲线可看出,当油盘与喷头垂直距离较小时,其热释放率变化较小,曲线走向趋势差别较小,热释放率峰值到达时间有较大的延迟,且热释放率稳定时间明显变长.

在预燃时间0 s,喷头压力3 MPa,油盘在喷头正下方且油盘与喷头垂直距离1.6 m条件下,进行工况12～工况16的实验,结果如图5所示.

图4 油盘相对于喷头不同垂直偏移距离下的热释放率的变化
Fig.4 Change sin heat release rate of the oil pan relative to the nozzle at different vertical offset distances

图5 不同油盘面积下的热释放率的变化
Fig.5 Changes in heat release rate under different oil pan areas

在油盘边长0.2 m,喷头压力3 MPa,油盘在喷头正下方且油盘与喷头垂直距离1.6 m条件下,进行工况17～工况21的实验,结果如图6所示.

图6 不同预燃时间下的热释放率的变化
Fig.6 Changes in heat release rate at different pre-ignition times

在油盘边长0.2 m,预燃时间0 s,油盘在喷头正下方且油盘与喷头垂直距离1.6 m条件下,进行工况22～工况25的实验,结果如图7所示.

图7 不同喷头压力下的热释放率的变化
Fig.7 Changes in heat release rate under different nozzle pressures