水浴保护对甲醇池火燃烧速率的影响

　消防理论研究　 水浴保护对甲醇池火燃烧速率的影响 毛少华, 霍　然, 祝　实, 胡隆华, 许晓元 (中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室,安徽 合肥 230027) 　　摘　要: 试验研究了水浴对不同尺寸甲醇池火燃烧速率的 影响。燃烧盘与水浴盆均为正方形。结果:在水浴条件下,在稳 定燃烧阶段的池火燃烧速率曲线比较平滑; 在快速上升阶段, 池火燃烧速率与油池尺寸及有无水浴关系不大;在下降阶段, 有水浴的条件下,燃烧时间有所延长; 在稳定阶段, 有水浴时燃 烧速率小于无水浴时, 一般不超过10%。 关键词: 池火; 燃烧速率; 水浴保护 中图分类号: X924. 4, TK121　　文献标志码: A 文章编号: 1009- 0029( 2009) 10- 0711- 04 在火灾发展过程的试验研究中, 经常使用可燃液 体作为燃料, 通常是将液体倒入金属盘内, 让液体发生 液面燃烧。这种燃烧形式又称为池火燃烧。可燃液体 容易点燃,通过改变燃烧盘的面积可以获得不同燃烧 功率的模拟火源。因此,池火已成为火灾试验的常用模 拟火源。 一般的池火具有装置简单、操作方便的特点,但也 存在明显缺点,这主要是由于燃烧释放出大量的热, 使 燃烧盘边缘的温度不断升高, 从而造成燃料的稳定燃 烧边界条件发生变化,并且过高的温度还会导致盘体 变形, 燃烧盘的温度与形状变化都会影响燃料的燃烧 状况。为获得较稳定的池火燃烧状况,并防止高温对试 验仪器和设备的损坏,有人提出在燃烧盘下面加水浴 盆进行保护。加了水浴盆后可使燃烧盘的温度维持在 一定范围内, 有助于形成比较稳定的燃烧状况, 从而保 持火源燃烧速率的稳定。但是,目前水浴保护对池火燃 烧的影响尚缺乏深入定量的研究。笔者拟通过不同尺 寸的甲醇池火在有水浴和无水浴情况下的试验对比, 定量分析水浴对甲醇池火燃烧的影响。 1　池火燃烧的基本特性 1. 1　描述池火燃烧的基本参数 池火燃烧状况常用热释放速率、燃烧效率和质量 燃烧速率3个基本参数描述。热释放速率Q· 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示单位 时间内池火向外释放的热量,可通过式( 1)进行计算。 Q · = �×mfu×hc( 1) 式中: mfu为燃料的质量燃烧速率, hc 为燃料的热焓, � 为火源的燃烧效率。 燃烧效率反映燃料的完全燃烧程度, 与燃料种类 和现场通风状况等因素密切相关。在一般试验中,定量 测量燃烧效率比较困难,其值通常根据燃烧条件估计。 质量燃烧速率是燃烧过程中单位时间内燃料的质量损 失速率,可通过称重确定。 对于池火而言,燃料的质量燃烧速率受燃料量、燃 烧盘的材料与大小、液面离盘边缘的高度、通风状况、 初始油温及盘的周围温度等因素的影响, 其中燃烧盘 周围的温度变化是一个重要影响因素。 1. 2　池火燃烧时的换热过程 定量研究池火燃烧时, 应当分析燃烧过程的热交 换状况。燃料燃烧时可在其上方形成高温火焰, 而火焰 与燃料表面和环境将发生复杂的热交换, 它们的关系 见式( 2)、式( 3)。 Q · r ecv= Q · rad+ Q · conv+ Q · cond ( 2) Q · con s= Q · heat+ Q · evap+ Q · r e-r ad+ Q · loss ( 3) 式中: Q· recv为燃料接受的总热量, kW; Q· rad、Q·conv和 Q·cond 分别为燃料从火焰接受的辐射热、对流热及通过燃烧 盘壁面热传导获得的热量, kW ; Q· cons为燃料消耗的总 热量, kW; Q· heat, Q· evap , Q· re-rad和Q· loss分别为加热燃料所需 热量、燃料蒸发所需热量、燃烧盘对外辐射热损失的能 量和通过燃烧盘壁面和底部损失的热量, kW。 1. 3　加水浴保护后的池火燃烧状况 图1为利用水浴对燃烧盘进行保护的试验布置示 意图。当燃烧盘下有水浴时,燃烧盘的壁面温度会明显 降低,从而使Q·cond显著降低。 可认为通过燃烧盘的底面和壁面损失的热量全部 进入水浴盆, 从而燃烧盘的热量损失项可表述为: Q · loss= Q · heat-w+ Q · evap-w+ Q · r e-r ad-w+ Q · loss-w ( 4) 式中: Q· heat-w= cs·�T ; cs为水的比热容, kJ/ ( kg·℃) ; �T 为水的温升,℃; Q· evap-w= m· awH v-w ; H w 为水的蒸发 潜热, kJ/ kg ; m·wa为水的质量损失速率, kg / s; Q· re- r ad- w 基金项目:国家自然科学基金资助项目“高大空间中火羽流的振荡与卷吸特性研究”( 50676090) 711消防科学与技术2009年 10月第 28卷第 10期 为水浴的辐射热损失, kW; Q· loss- w为水浴盆壁面和底 面的热损失, kW。 图 1　水浴保护时的试验布置示意图 正常情况下, 水浴盆中的水温不会超过 100 ℃, 这 样有助于燃烧盘的壁面保持较稳定的温度,从而获得 较稳定的燃料燃烧速率。 2　试验设计 由于甲醇容易实现完全燃烧,产物污染小, 故笔者 在试验中使用甲醇作燃料。 燃烧盘和水浴盆均为正方形, 用 2 mm 厚的钢板 焊成。燃烧盘的边长分别为0. 5、0. 6、0. 7、0. 8 m ,水浴 盆的边长为1. 0 m。试验中分别对是否进行水浴保护 进行了对比试验,工况见表1。在每组对比试验中,环境 温度基本保持一致。 表 1　甲醇池火的试验工况 序号 环境温度 /℃ 燃烧盘尺寸 / m 有无水浴 燃料量/ kg 水浴深度 / cm 1 25 0. 5×0. 5 有 2. 5 3 2 25 0. 5×0. 5 无 2. 5 3 25 0. 6×0. 6 有 3. 6 3 4 25 0. 6×0. 6 无 3. 6 5 5 0. 7×0. 7 有 4. 9 3 6 5 0. 7×0. 7 无 4. 9 7 5 0. 8×0. 8 有 6. 4 3 8 5 0. 8×0. 8 无 6. 4 　　试验在某大空间试验厅内进行。为避免外界气流 的干扰,试验厅的各开口均关闭。火源设置在试验厅中 部,可避免试验厅壁面对羽流发展的影响。试验中使用 ES100K 型电子天平测量燃料的质量损失, 其最大量 程为100 kg ,精度为1 g ,采集频率为1 Hz。当试验工况 为有水浴时,在水浴盆中布置两根K 型热电偶测量水 温,并在燃烧盘外边缘安放一片贴片热电偶测量燃烧 盘外壁面的温度, 热电偶的布置如图1所示。 3　结果及讨论 3. 1　水浴对池火燃烧速率的影响 图 2为有水浴工况下甲醇池火稳定段的燃烧状 况。从图2可看出,甲醇火焰呈淡蓝色, 表明炭烟生成 量较少,也即火焰的辐射量比较小,燃料从火焰吸收的 热量主要来自对流热。所以甲醇稳定段的燃烧速率主 要受对流热控制、影响,稳定段的燃烧速率与油池尺寸 关系不大,趋于定值。 图 2　水浴工况下的甲醇池火燃烧状况 试验过程中, 水浴的温升比较慢,并且没有明显的 水蒸发。通过布置的相关热电偶测得燃烧盘外表面最 高温度为60℃,水浴盆中水浴的总温升低于20℃。与 无水浴的情况相比,燃烧盘的温度变化要小很多。 图3为0. 7 m×0. 7 m 尺寸甲醇池火在有和无水 浴工况下的燃烧速率曲线。由图3可以看出,在燃烧的 开始阶段,两条曲线差别不明显,随后两条曲线出现差 异。无水浴工况下燃烧速率曲线震荡比较明显, 且不断 上升,到燃料接近烧完时曲线迅速下降。而有水浴工况 下,曲线虽然也有波动,但整体比较平滑。在上升期结 束后有一段相对比较平滑的稳定段, 可认为这一阶段 火源的燃烧速率比较稳定。 图 3　有无水浴保护的燃烧速率比较 3. 2　不同燃烧阶段燃烧速率比较 从图3还可以看出,甲醇池火的燃烧曲线均可分 为快速上升、缓慢上升、基本稳定和下降4个阶段。 ( 1)快速上升阶段。通过比较四组对比试验下的 试验数据发现,甲醇燃烧速率曲线的快速上升阶段均 在20 s以内, 约为16～18 s。燃烧速率均近似直线上 712 Fire Science and Technology, October 2009, Vol 28, No. 10 升,线性增长速率值为0. 85 g / ( m 2·s 2)左右, 与是否 加水浴关系不大, 与燃烧盘尺寸大小的关系也不大。 这种状况反映出了甲醇燃烧初始阶段的换热特 点。由于火焰的出现, Q·r ad和Q· conv急剧增加, 导致燃料表 面接收到的热量Q·r ecv迅速增加, 从而使燃料的燃烧速 率迅速增大。 在此阶段,燃烧盘和水浴盆也会从火焰接受热量, 但由于它们具有一定的热容量, 在20 s之内其温度没 有明显变化, 从而造成看不出有无水浴的差别。 ( 2)缓慢上升阶段。快速上升阶段的后期, 火源功 率已达到最大功率的70%左右。尽管火焰与液面之间 的换热速率已比快速上升阶段有所减慢, 但燃烧速率 仍在增大。但有、无水浴保护的燃烧状况已出现差别, 无水浴时的燃烧速率明显比有水浴时快。这反映出水 浴的存在有效地限制了燃烧盘温度的升高。测量结果 表明,在这一阶段水浴盆内的水温升高不到 10 ℃。由 于在此情况下燃烧盘的温度变化不大, 燃烧状况也比 较稳定,燃烧速率曲线波动较小。 ( 3)基本稳定阶段。随着燃烧的持续,火焰仍会不 断对燃烧盘传热。如果没有水浴保护,甲醇的质量损失 速率仍有一定增加,只是更为缓慢。因此有人认为这两 个上升阶段没有明显分界线。但当有水浴时,燃烧盘壁 面的温度受到限制,且没有大的变化,故燃料的燃烧速 率相当稳定。同时,还可明显看出缓慢上升阶段和稳定 燃烧阶段的区别。对于边长为0. 7 m 的燃烧盆, 缓慢上 升阶段的时间约为200 s。 ( 4)下降阶段。这是燃料接近烧完的阶段。由于燃 料的消耗,液面已经不能覆盖整个盆底,即实际燃烧面 积有所减少, 造成甲醇的燃烧速率逐渐降低。对于有水 浴的情况,由于在前几个阶段中燃料的质量损失较少, 故其燃烧时间有所延长。 3. 3　稳定阶段的燃烧速率比较 图4为不同尺寸的燃烧盘在稳定阶段的燃烧速率 曲线。由图4可见,对各尺寸燃烧盘,无水浴时的燃烧 速率均大于有水浴时的情况。 图 4　各尺寸燃烧盘稳定段的燃烧速率变化曲线 　　无水浴时,稳定阶段的燃烧速率震荡比较厉害, 尤 其是0. 5 m×0. 5 m 和0. 6 m×0. 6 m 尺寸的燃烧盘。 从0. 7 m×0. 7 m 和0. 8 m×0. 8 m 尺寸的燃烧盘稳定 阶段的燃烧速率曲线还可以看出:无水浴时,稳定阶段 的燃烧速率仍有所升高,但是升高的幅度很小, 用平均 值表示仍有一定的可信度。而0. 5 m×0. 5 m 和0. 6 m ×0. 6 m 尺寸的燃烧盘由于震荡比较大, 这种小幅度 的增加在曲线上体现不出来。有水浴时,对于各个尺寸 的燃烧盘,质量燃烧速率曲线的波动要小得多。 表2为各工况稳定阶段的燃烧速率平均值。可以 看出,对于目前所用燃烧盘,其尺寸对燃烧速率无显著 影响,但是,有水浴情况下甲醇池火的燃烧速率平均值 比无水浴保护时低10%左右。 表3为各工况下稳定阶段的燃烧速率与其平均值 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差。可以看出,有水浴时不同燃烧盘的燃烧速率 标准差比无水浴小很多,表明有水浴时稳定阶段的燃 烧速率更加稳定。这也说明在火灾试验中用水浴保护 燃烧盘有助于获得较稳定的燃烧速率。 713消防科学与技术2009年 10月第 28卷第 10期 表 2　不同工况下稳定阶段的燃烧速率 工　　况 燃烧速率/ g/ ( m2·s) 0. 5 m×0. 5 m,无水浴 22 　 0. 6 m×0. 6 m,无水浴 22. 64 0. 7 m×0. 7 m,无水浴 22. 86 0. 8 m×0. 8 m,无水浴 22. 42 平均值 22. 48 0. 5 m×0. 5 m,有水浴 20. 04 0. 6 m×0. 6 m,有水浴 20. 75 0. 7 m×0. 7 m,有水浴 19. 53 0. 8 m×0. 8 m,有水浴 19. 98 平均值 20. 08 表 3　不同工况下稳定阶段的燃烧速率的标准差 工　　况 标准差 0. 5 m×0. 5 m,无水浴 0. 100 4 0. 6 m×0. 6 m,无水浴 0. 305 9 0. 7 m×0. 7 m,无水浴 0. 157 0 0. 8 m×0. 8 m,无水浴 0. 244 0 0. 5 m×0. 5 m,有水浴 0. 009 4 0. 6 m×0. 6 m,有水浴 0. 108 4 0. 7 m×0. 7 m,有水浴 0. 084 9 0. 8 m×0. 8 m,有水浴 0. 150 7 4　结　论 ( 1)对于池火燃烧试验,给燃烧盘增加水浴可使燃 烧状况更稳定,有助于获得比较稳定的热释放速率。 ( 2)甲醇池火的燃烧可分为快速上升、缓慢上升、 基本稳定和下降四个阶段, 有水浴保护时的稳定燃烧 阶段更为清晰。它们的出现是由燃料盆的换热状况决 定的。对于目前所用的燃烧盘,甲醇燃烧速率与油池尺 寸的关系不大。 ( 3)甲醇池火燃烧速率在快速上升阶段基本呈线 性增长,持续时间一般在20 s之内。在这一阶段,其增 加速率大小约为0. 85 g / ( m 2·s2 ) , 与是否有水浴和燃 烧盘的尺寸没有很密切的关系;缓慢上升阶段的时间 约为150～200 s, 这一阶段,水浴对质量燃烧速率开始 产生一定的影响, 但影响不大。 ( 4)对于池火燃烧, 没有水浴保护时, 其燃烧速率 实际上一直在缓慢增长,尽管变化幅度不大。有水浴可 使池火基本稳定段的燃烧速率更加稳定, 燃烧速率的 均值有所降低,但一般不超过10%。 参考文献: [ 1] 霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论[ M ] . 合肥: 中国科学 技术大学出版社, 1999. 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The effects of water bath on the burning rate of methanol pool fire MAO Shao-hua, HU O Ran, ZHU Shi, HU Long-hua, XU Xiao-yuan 　　 ( State Key Labor ato ry of Fire Science USTC, Anhui Hefei 230027, China) Abstract: T he effects of w ater ba th on the burning rat e o f methanol poo l fir e w ith differ ent poo l sizes have been exper imentally studied. The burning poo l and w ater bathtub ar e square. Results: A t steady burning stage , the burning r ate cur ve of the pool fire is relativ e smooth in the pr esence o f w ater bath . A t r apidly g r ow ing sta ge, the burning r ate o f the pool fire has less to do with the poo l size and the condit ion o f w ith o r w ithout w ater bath. A t slow ly decaying stag e, the burning time in the presence o f wat er bath is longer . A t steady stag e, the burning r ate o f methanol in pr esence o f w ater bath is less than that of the condition w ithout w ater ba th, and is no more than 10% . Key words: po ol fir e; burning rat e; w ater ba th pr ot ection 作者简介:毛少华( 1985- ) ,男, 湖北咸宁人,中国 科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生, 主要从事建筑性能化防火设计及羽流震荡卷吸特性研 究,安徽省合肥市金寨路96号, 230027。 收稿日期: 2009- 06- 22 714 Fire Science and Technology, October 2009, Vol 28, No. 10