含钾盐添加剂细水雾的灭火原理

由表2．2可知，应用Cup-burner系统测得的N2、CO2和H2O的最小灭火浓度值分别为30．6%（体积分数）、21．3%（体积分数）和12．11%（质量分数），这里取最小灭火浓度值的下限是因为此时对应着全部灭火的情况，是较为安全的灭火剂量。将MEC 值作为nEI代入式（3．7）和表3．9，计算得到不同物理灭火剂吸收CH4/空气携流扩散火焰能量的多少，见表3．8（其中Air表示CH4正常燃烧时所需的空气量）。

表3.8　不同物理灭火剂吸收火焰能量

由表3．8 可知，所选用的3 种纯物理作用的灭火剂中，纯水的吸热作用较为明显。当溶液的浓度较低（≤5%）时，溶液的主体部分是水。因此，若将表3．8 中纯水的ΔH′值作为式（3．9）中的ΔH′，并假设不同类型和质量分数的钾盐溶液抑制熄灭火焰为纯物理作用，由此得到的nEI为溶液作为纯物理灭火剂时的最小灭火浓度，则实际实验测得的最小灭火浓度nEI（实验）与nEI的比xsp为该钾盐溶液灭火剂发挥物理作用灭火所占的比例：

设钾盐溶液灭火剂发挥化学作用灭火的比例为xsc，则火焰熄灭时灭火剂用量的临界条件为：

由式（3．11）及式（3．12）即可量化不同钾盐溶液灭火剂化学灭火作用的贡献大小。但是，式（3．1）～式（3．12）的推导过程中，无论是燃料、空气还是灭火剂的量，都是以mol 作为单位的气态物质，而不同类型及质量分数的钾盐添加剂细水雾是凝聚相的液态物质，式（3．12）的适用性存在一定的疑问。

Fleming计算得到的细水雾粒径与蒸发时间的关系如图3．14所示。

图3．14　细水雾粒径与蒸发时间的关系

由图3．14 可知，当细水雾的粒径小于10 μm 时，在1 100～2 100 K 温度范围内的细水雾液滴蒸发时间都小于1 ms，说明本实验条件下的细水雾及含钾盐添加剂细水雾在火焰温度下可以忽略水的蒸发过程，瞬间变为水蒸气的状态。另外，Mitani 的研究表明，假设溶液中的添加剂粉体颗粒可以近似为圆形，则粉体颗粒大小可以通过溶液的质量分数w 进行估算：D 粉=w2/3D 溶液。对于本实验中D90 ≈7 μm 的液滴来说，钾盐添加剂质量分数在1%～5%范围内的溶液，当水全部蒸发后得到的粉体颗粒粒径大小为0．32～0．96 μm，达到图1．2 中“烟”的量级，说明含钾盐添加剂细水雾无论是溶液液滴还是粉体颗粒，都可以近似为气态物质，并应用式（3．1） ～式（3．12）进行化学灭火作用的量化。

将表3．4 中实验测得的不同类型及质量分数的钾盐溶液最小灭火质量浓度转化为体积浓度，并由式（3．11）～式（3．12）计算纯水及溶液灭火的物理化学作用比例，结果见表3．9。(www.xing528.com)

由表3．9 可知，纯水的xsc<0，一个可能的原因是理论计算值与实验值的差异。另外，在实际过程中灭火所需的纯水量大于理论计算值，说明纯水在灭火过程中发挥了一定的助燃作用。Richard 的研究表明，当水蒸气进入燃烧区域时，会出现一个生成OH 的主要反应：H2O+H→H2+OH，生成的H2和OH对燃料的燃烧有一定的促进作用。

表3.9　不同钾盐溶液灭火剂物理化学灭火作用比例

另外，由表3．9 可以看出，6 种钾盐溶液中，K2C2O4溶液、CH3COOK 溶液、K2CO3溶液和KNO3溶液的化学作用灭火比例，除2%KNO3溶液外，全部大于50%，而2%的KNO3溶液也具有48．3%的化学作用灭火比例，没有达到50%有很大的原因是计算误差，说明这4种溶液具有较强的化学灭火效能。虽然2%的KCl溶液的化学灭火比例也达到52．7%，但总体表现不如上述4 种钾盐。而KH2PO4溶液的化学灭火作用最弱，质量分数为1%～5%区间内的化学作用灭火比例不足50%。

为进一步验证模型的准确性，用质量分数分别为1%、2%和5%的磷酸二氢铵（NH4H2PO4）溶液作为对比。NH4H2PO4溶液的热容值随温度的变化与纯水的形状类似，水中加入NH4H2PO4会降低纯水的热容，并且溶液的热容值随着质量分数的增加而减小，只不过降低的幅度不如钾盐添加剂。不同质量分数的NH4H2PO4溶液热容值与温度关系拟合系数由表3．10所示。

表3.10　NH4H2PO4溶液热容值与温度的关系拟合系数

通过Cup-burner 实验测得不同质量分数的NH4H2PO4溶液最小灭火浓度并转化为体积浓度，并由式（3．11）和式（3．12）计算NH4H2PO4溶液灭火剂的物理化学灭火作用比例，结果见表3．11。

表3.11　NH4H2PO4溶液灭火剂物理化学灭火作用比例

由表3．11 的计算结果可知，添加NH4H2PO4的细水雾的化学灭火作用远不如钾盐添加剂细水雾，与实验中观察到的现象一致，并且随着NH4H2PO4浓度的不同，表现出或促进或抑制细水雾灭火效能的现象，与Joseph 研究的结论一致。在扩散火焰外部具有较高的氧气浓度的区域，NH4H2PO4分解产生的NH3可以通过化学反应将氧原子转化为H 或OH，导致燃烧强化。另外，作为成熟的灭火剂，在实际应用过程中正确的做法是将NH4H2PO4对准火焰根部进行喷射，说明火焰根部是H和OH浓度较高的区域，NH3又可以消去H或OH，起到灭火的作用。计算结果中，1%和5%的NH4H2PO4细水雾化学灭火作用比例xsc<0 较好地验证了NH4H2PO4添加剂这一特性，说明由模型计算出的结果与实验结果及其他研究人员得到的结论相一致，说明模型具有较好的预测性。

结合表3．9和表3．11不难看出，KH2PO4和NH4H2PO4溶液的灭火效率都不高，并且对纯水的灭火效率都表现出或提高或降低的特性。这两种盐的共性是都含有H2PO4-，这说明KH2PO4溶液的灭火效能高于NH4H2PO4溶液的是由于K+的灭火效能强于NH4+，同时也说明钾盐添加剂的阴离子对灭火效能存在一定的影响。

然而，由于模型是基于一定的假设，在相对理想的条件下推导出来，并且计算过程也是根据溶液热容值拟合出的曲线参数进行的，具有一定的误差；另外，含钾盐添加剂细水雾灭火过程是一个复杂的物理化学反应，化学灭火作用的发挥受到多种因素的影响。因此，不能单纯地比较某种钾盐溶液在质量分数分别为1%、2%和5%时化学灭火作用的相对大小，在数值上也反映不出这种大小关系，需进行进一步的分析。虽然模型需要进一步的细化，但在评价不同钾盐添加剂细水雾化学灭火有效性方面具有理论意义和工程应用价值。