含钾盐添加剂细水雾灭火的原理与工程实例

如上所述，应用PSR 模型预测灭火剂的最小灭火浓度，必须已知一种灭火剂的最小灭火浓度。本节以实验测得的N2最小灭火浓度31%作为基准。在此条件下，69%的空气、31%的N2，与化学当量比的CH4混合，在室温为298 K、压力为1 atm 和相对湿度为0%的条件下进行反应。PSR 计算反应温度随存在时间的变化表明，加入灭火剂的量越多，达到化学平衡所需的时间就越长，因此，气体混合物在反应器中需要相对较长的存在时间达到化学平衡。图5.4 为4 组不同的N2条件下，反应器温度随混合物在反应器内存在时间的变化曲线。

图5.4　不同N2含量条件下PSR反应器温度随存在时间的变化

结果表明，随着存在时间的减少，反应器温度逐渐降低。减少存在时间相当于增加了流体的质量流量，因此，有更多的流体需要燃烧产生的化学能来加热。当存在时间减少到临界值时，由于反应器内没有化学反应的存在，反应器温度会急剧下降至混合物在入口时的温度值。出现温度急剧下降的点所对应的临界存在时间τ定义为灭火时间。临界存在时间取决于进口混合物组成，燃料、空气和灭火剂的温度，压力和相对湿度。例如，τ=6 ms 为空气/N2混合比为69%/31%，在室温为298 K、压力为1 atm 和相对湿度为0%条件下的结论。N2的浓度越大，火焰越容易熄灭，对应的存在时间越长。较长的存在时间提供给混合气体发生化学反应的时间较长，灭火剂的有效性越好。

改变不同灭火剂在PSR 中的组分，设灭火时间为6 ms，在室温为298 K、压力为1 atm 和相对湿度为0%条件下计算不同灭火剂的最小灭火浓度。对于化学类灭火剂，采用两种不同的计算方法：①在CHEMKIN 机理部分只加入甲烷的燃烧机理，化学灭火剂看作惰性灭火剂，仅通过热容的作用吸收热量灭火，定义为“inert PSR”；②在CHEMKIN机理部分同时加入甲烷燃烧机理和化学灭火剂相关的动力学机理，定义为“reactive PSR”。计算结果与Senecal模型预测值及文献中的Cup-burner实验值的对比见表5.3。

表5.3　不同灭火剂MEC值的对比

图5.5 为不同灭火剂的最小灭火浓度随吸热量变化曲线。惰性灭火剂中除H2O 外，其他灭火剂的计算值与实验值吻合较好，说明CHEMKIN 能够准确预测惰性气体灭火剂的MEC。H2O 的数值差异是由于CHEMKIN 计算过程中求解的是气态式，忽略了水由液态变为气态的蒸发吸热过程，水蒸气的热容仅为液态水热容的1/2，因此，CHEMKIN过低地预测了H2O的灭火浓度。(www.xing528.com)

图5.5　不同灭火剂MEC与吸热量的关系

化学灭火剂CH2F3、CF3Br 和CHF3的实验值与“reactive PSR”计算得到的结果较为接近，“inert PSR”不能准确预测其MEC，说明这3种物质具有化学灭火作用并且CH2F3、CF3Br 和CHF3的灭火机理较为准确。对于KOH，没有相应的Cup-burner 最小灭火浓度实验数据与之对应，但在文献［120］中有对撞扩散火焰最小灭火浓度数据（该数据没有体现在图5.4 中）。“reactive PSR”计算得到的MEC 比对撞扩散火焰中的数值高10%。Fleming 的研究表明，对撞扩散火焰相对于Cup-burner扩散火焰较容易熄灭，同种灭火剂的浓度值相差8%～10%，因此，可以认为reactive PSR 中含K 的动力学机理能够正确描述灭火机理。

另外，CHEMKIN计算得到的绝热火焰温度随K2CO3浓度的变化如图5.6所示。

图5.6　绝热火焰温度随K2CO3浓度变化的CHEMKIN计算结果

由图5.6 可知，绝热火焰温度随K2CO3 浓度的增加呈现非线性降低，Cup-burner实验结果表明，溶质质量分数为1%的K2CO3溶液最小灭火浓度为6.98%。Robert 的研究表明，当碳氢燃料的绝热火焰温度低于1 600 K 时会产生自熄现象。曲线上1 600 K 所对应的K2CO3浓度为7.28%，说明计算得到的K2CO3最小灭火浓度与实验值在数量级上一致。第3 章中含钾盐添加剂细水雾的粒径分析部分说明水蒸发后的粉体颗粒可以近似为气态物质，因此，实验值与计算值基本吻合，验证了10步反应模型的正确性。