水浴保护对甲醇池火燃烧速率的影响

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

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)。

Qrecv=Qrad+Qconv+Qcond

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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

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(2)(3)

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Qcons=Qheat+Qevap+Qre-rad+Qloss

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式中:Qrecv为燃料接受的总热量,kW;Qrad、Qconv和Qcond

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;Qcons为燃料消耗的总热量,kW;Qheat,Qevap,Qre-rad和Qloss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Qcond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:

・・

・・

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燃烧速率3个基本参数描述。热释放速率Q表示单位

时间内池火向外释放的热量,可通过式(1)进行计算。

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Qloss=Qheat-w+Qevap-w+Qre-rad-w+Qloss-w

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・・・・

(4)

式中:Qheat-w=cs・󰀂T;cs为水的比热容,kJ/(kg・℃);󰀂T为水的温升,℃;Qevap-w=mawHv-w;Hw为水的蒸发潜热,kJ/kg;mwa为水的质量损失速率,kg/s;Qre-rad-w

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Q=󰀁×mfu×hc(1)

式中:mfu为燃料的质量燃烧速率,hc为燃料的热焓,󰀁

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)消防科学与技术2009年10月第28卷第10期711・

为水浴的辐射热损失,kW;Qloss-w为水浴盆壁面和底面的热损失,kW。

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2mm厚的钢板焊成。燃烧盘的边长分别为0.5、0.6、0.7、0.8m,水浴盆的边长为1.0m。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12345678

环境温度/℃252525255555

燃烧盘尺寸

/m0.5×0.50.5×0.50.6×0.60.6×0.60.7×0.70.7×0.70.8×0.80.8×0.8

有无水浴燃料量/kg

有无有无有无有无

2.52.53.63..94.96.46.4

333水浴深度/cm3

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0.7m×0.7m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。

　　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100kg,精度为1g,采集频率为1Hz。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712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20s以内,约为16～18s。燃烧速率均近似直线上

FireScienceandTechnology,October2009,Vol28,No.10升,线性增长速率值为0.85g/(m2・s2)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

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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,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0.7m的燃烧盆,缓慢上升阶段的时间约为200s。

(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。

点。由于火焰的出现,Qrad和Qconv急剧增加,导致燃料表面接收到的热量Qrecv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20s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

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0.5m×0.5m和0.6m×0.6m尺寸的燃烧盘。从0.7m×0.7m和0.8m×0.8m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0.5m×0.5m和0.6m×0.6m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。

消防科学与技术2009年10月第28卷第10期713表2　不同工况下稳定阶段的燃烧速率工　　况0.5m×0.5m,无水浴0.6m×0.6m,无水浴0.7m×0.7m,无水浴0.8m×0.8m,无水浴

平均值

0.5m×0.5m,有水浴0.6m×0.6m,有水浴0.7m×0.7m,有水浴0.8m×0.8m,有水浴

平均值

燃烧速率/g/(m2・s)

22　22.22.8622.4222.4820.0420.7519.5319.9820.08

技术大学出版社,1999.

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表3　不同工况下稳定阶段的燃烧速率的标准差工　　况0.5m×0.5m,无水浴0.6m×0.6m,无水浴0.7m×0.7m,无水浴0.8m×0.8m,无水浴0.5m×0.5m,有水浴0.6m×0.6m,有水浴0.7m×0.7m,有水浴0.8m×0.8m,有水浴

标准差0.10040.30590.15700.24400.00940.10840.08490.1507

Theeffectsofwaterbathontheburning

rateofmethanolpoolfire

MAOShao-hua,HUORan,ZHUShi,

HULong-hua,XUXiao-yuan

　　(StateKeyLaboratoryofFireScienceUSTC,AnhuiHefei230027,China)

Abstract:Theeffectsofwaterbathontheburningrateofmethanolpoolfirewithdifferentpoolsizeshavebeenexperimentallystudied.Theburningpoolandwaterbathtubaresquare.Results:Atsteadyburningstage,theburningratecurveofthepoolfireisrelativesmoothinthepresenceofwaterbath.Atrapidlygrowingstage,theburningrateofthepoolfirehaslesstodowiththepoolsizeandtheconditionofwithorwithoutwaterbath.Atslowlydecayingstage,theburningtimeinthepresenceofwaterbathislonger.Atsteadystage,theburningrateofmethanolinpresenceofwaterbathislessthanthatoftheconditionwithoutwaterbath,andisnomorethan10%.

Keywords:poolfire;burningrate;waterbathprotection

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20s之内。在这一阶段,其增加速率大小约为0.85g/(m・s),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150～200s,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

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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

714FireScienceandTechnology,October2009,Vol28,No.10