含表面活性剂高压细水雾抑制食用油池火研究.pdf
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1、灭火系统设计Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11含表面活性剂高压细水雾抑制食用油池火研究彭伟,任俊生,谢奇,李金虎(安徽理工大学 安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001)摘要:为研究含表面活性剂添加剂高压细水雾对食用油池火的抑制效果,在尺寸为 6 m6 m4 m 的受限空间内开展相关试验,通过分析油温、火焰温度、表面活性剂相关特性等情况,研究含表面活性剂添加剂高压细水雾对食用油池火的抑制效果。结果表明:含表面活性剂的细水雾对食用油油温的冷却和火焰的抑制有很好的效果,主要与添加剂的表面张力和起泡性有关。含表面活性剂细水
2、雾对油温冷却效果从高到低依次为:含 1%CAB-35 细 水 雾含 0.01%正 庚 醇 细 水 雾含0.01%FS-51 细 水 雾纯 水;对 火 焰 的 抑 制 效 果 依 次 为:含1%CAB-35 细水雾含 0.01%FS-51 细水雾含 0.01%正庚醇细水雾纯水。因此,对食用油油温的冷却要考虑适中表面张力和较高起泡性的表面活性剂作为添加剂,而对火焰的抑制则要考虑较低表面张力和较高起泡性的表面活性剂作为添加剂。关键词:细水雾;食用油;表面活性剂添加剂;表面张力;泡沫;冷却效果;抑制效果中图分类号:X913.4;X932 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)11-1
3、518-05近年来,随着人们生活条件的改善,厨房中烹饪器具的多样性以及高燃点食用油的使用变得更为广泛。然而,这些创新性的做法也增加了厨房中发生火灾的风险。餐饮行业与食品加工行业发生的火灾事故中有一部分是因高温食用油自燃引起的1。相较于其他的液体燃料火灾,食用油具有自燃温度高、热值高、火灾发展迅速并且极易复燃等特点,火灾更难扑灭2。CO2以及干粉灭火剂可以将食用油表面的火有效扑灭,但是却无法降低食用油自身的温度,极易造成食用油发生二次复燃3。水因其可以有效冷却燃料和抑制火焰而被广泛应用于众多灭火领域。但是由于其与热油接触时会造成飞溅(指当水超过其沸腾温度并达到过热蒸汽温度时发生快速蒸发)现象,对
4、周围的人极其危险,故而不应用于热油火灾中。细水雾灭火技术具有耗水量小、对环境友好、灭火效果好等特点,具有良好的发展前景4。纯细水雾仅通过物理作用灭火,因此灭火效果表现一般,甚至还会在水雾开启阶段强化火焰。为提高细水雾的灭火效果,扩大细水雾灭火技术的应用范围,使用含添加剂细水雾灭油池火成为目前主要的研究方向5。诸多学者均开展了相关内容的研究。PEI B 等6评估含有 KQ 复合添加剂(由 6%氟表面活性剂和 K2CO3组成)的 N2双流体细水雾对乙醇池火的抑制性能,发现含有 KQ 复合添加剂的 N2双流体细水雾物理和化学灭火效果均得到了改善,在灭火初期没有明显的火焰强化现象,对火灾的抑制效果显著
5、提高。JOSEPH P 等7比较了各类添加剂对细水雾灭火效率的影响。试验表明:不同添加剂对细水雾灭火效率的影响不同。XU J J 等8研究了添加剂的冷却性能。试验表明:含 Tween-20 或正庚醇的水雾可以增加传热,而含 FS-51 的水雾则抑制传热。此外,细水雾的冷却效果与添加剂的表面张力和发泡性有关。LU J Z 等9研究了 KHCO3、尿素、椰油酰胺丙基甜菜碱和 FS-1157 添加剂对汽油火灾、柴油火灾和变压器油火灾的抑制效果。试验表明:含添加剂细水雾的灭火性能得到了明显的提高。相较于其他的添加剂,表面活性剂因为乳化作用对重油的抑制过程具有关键作用,更适合作为变压器油火灾的细水雾添加
6、剂。LV D 等10研究了含 KBr、Tween-80和 CO2溶液三类添加剂的细水雾对汽油火灾的灭火效果。试验表明:与纯细水雾相比,上述三类添加剂显著提高了细水雾灭汽油火的能力,提出了基于不同机理的多组分添加剂以提高细水雾的灭火效率。综上所述,目前主要采用的是低压细水雾灭火系统,且针对的油池火主要为柴油火、汽油火、乙醇火等闪点属于三级及以下液体引起的火灾。因此,笔者将开展含表面活性剂添加剂高压细水雾对食用油油池火抑制效果的研究,表面活性剂包括正庚醇、FS-51 和 CAB-35。通过油温、最高处火焰温度、是否成功扑灭油池火以及是否发生复燃等情况,深入分析不同表面活性剂在抑制食用油池火过程所发
7、挥的作用,为相关消防工程提供依据。1试验装置及试验工况试验在 6 m 6 m 4 m 的受限空间进行,为确保每次试验的初始条件基本保持一致,在受限空间东北角装有离心式抽风机,并在每次试验结束后更换房间内空气。试验装置为高压细水雾灭火装置,由细水雾发生系统、温度测量系统和燃料燃烧及加热系统构成,如图 1所示。由于试验喷洒含不同类型添加剂水溶液,因此试验装置中的水箱、供水管道、喷头、油盘均为耐腐蚀不锈钢材质。试验采用 15 cm 15 cm 规格的方形油盘,并位于细水雾喷头正下方 2 m 处。油盘上方共设置 7根热电偶,从下到上依次编号为 17 号。其中 14 号测量食用油温度,分别距离油上表面
8、2.4、1.2、0.6、0 cm;57 号测量火基金项目:安徽省杰出青年科研项目(2022AH030084)焰温度,分别距离油上表面 5、10、15 cm,如图 2所示。试验使用的食用油为大豆油,每次试验用量为 500 mL,在食用油油盘正下方用 200 mL 乙醇加热升温引燃。试验相关工况见表 1。试验时,首先点燃乙醇作为加热源,持续加热食用油,当食用油被引燃后立即撤离下方的加热源。在食用油达到稳定燃烧状态后,立即开启细水雾装置进行灭火,并记录相关数据。为保证试验数据的准确性,相同工况试验均重复 3次。2试验结果分析2.1食用油燃烧特性将燃烧状态下的食用油放于精密电子天平上,测定食用油在燃烧
9、状态下的质量损失速率,如图 3所示。分别截取燃烧 0170 s与 170670 s这两段数据进行拟合,函数相关系数R21 R22,显然拟合曲线 1的拟合效果更好,同时也说明食用油质量在均匀下降,得出稳定燃烧阶段每秒燃烧的食用油为 0.22 g,本次试验条件下的食用油在燃烧 170 s后开始稳定燃烧。试验中,细水雾应在燃料达到稳定燃烧阶段再开启,因此,后续试验中高压细水雾的开启时间定为食用油着火后 170 s左右。2.2含表面活性剂高压细水雾抑制食用油池火试验根据前人相关研究得到的最优添加剂及其相关浓度,本次含添加剂高压细水雾试验采用 0.01%FS-51以及1%椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35
10、)、0.01%正庚醇三种表面活性剂作为添加剂。在配置含添加剂溶液时,取少量水与添加剂混合并搅拌均匀,待其完全溶解后再加入适量水进行稀释,最后加入高压细水雾灭火系统的水箱中。当食用油池火被成功扑灭,则立即停止施加细水雾;若未能成功扑灭食用油池火,则持续施加 480 s 细水雾,记录其对食用油池火的抑制结果。不同的添加剂会使细水雾的一些特性发生改变,改变其抑制食用油池火的效率,不同添加剂的实际灭火情况见表 2。其中无细水雾工况为对照组,是指食用油池火在被引燃后不施加细水雾,让其达到稳定燃烧状态并持续燃烧 480 s;结束油温即指不同工况下细水雾在施加480 s后 0.6 cm 处的食用油温度,作为
11、评价含不同添加剂细水雾对食用油池火抑制能力强弱的依据之一。图 4 和图 5 分别显示了含不同表面活性剂细水雾灭火时油表面上方 15 cm 处火焰温度和食用油内部油温随时间的变化。由图 4、图 5明显可知,施加细水雾可以有效降低油上表面 15 cm 处的火焰温度以及油池内部油温,并且含表面活性剂细水雾的降温效果比纯水好。由图 4 可知,未施加细水雾时,火焰温度基本保持在1234689105111271-水箱和水泵组合;2-压力表;3-供水管路;4-可拆卸喷头;5-热电偶;6-食用油油盘;7-加热油盘;8-支架;9-底座;10-热电偶树;11-粒径分析仪;12-数据收集终端图 1试验装置布置Fig
12、.1Experimental apparatus arrangement1号热电偶2号热电偶3号热电偶4号热电偶5号热电偶6号热电偶7号热电偶图 2测温热电偶位置图Fig.2Temperature measurement thermocouple location map表 1试验工况Table 1Experimental working conditions时间/s0 200 400 600 800450400350300250质量/g试验曲线拟合曲线 1拟合曲线 2y2=427.81-0.18xR22=0.981 29y1=423.056-0.22xR21=0.999 86图 3食用油质量
13、损失速率曲线Fig.3Cooking oil mass loss rate curve表 2不同添加剂抑制食用油池火相关数据Table 2Data related to different additives to suppress cooking oil pool fire1518消防科学与技术2023年 11 月第 42 卷第 11 期焰温度,分别距离油上表面 5、10、15 cm,如图 2所示。试验使用的食用油为大豆油,每次试验用量为 500 mL,在食用油油盘正下方用 200 mL 乙醇加热升温引燃。试验相关工况见表 1。试验时,首先点燃乙醇作为加热源,持续加热食用油,当食用油被引燃后
14、立即撤离下方的加热源。在食用油达到稳定燃烧状态后,立即开启细水雾装置进行灭火,并记录相关数据。为保证试验数据的准确性,相同工况试验均重复 3次。2试验结果分析2.1食用油燃烧特性将燃烧状态下的食用油放于精密电子天平上,测定食用油在燃烧状态下的质量损失速率,如图 3所示。分别截取燃烧 0170 s与 170670 s这两段数据进行拟合,函数相关系数R21 R22,显然拟合曲线 1的拟合效果更好,同时也说明食用油质量在均匀下降,得出稳定燃烧阶段每秒燃烧的食用油为 0.22 g,本次试验条件下的食用油在燃烧 170 s后开始稳定燃烧。试验中,细水雾应在燃料达到稳定燃烧阶段再开启,因此,后续试验中高压
15、细水雾的开启时间定为食用油着火后 170 s左右。2.2含表面活性剂高压细水雾抑制食用油池火试验根据前人相关研究得到的最优添加剂及其相关浓度,本次含添加剂高压细水雾试验采用 0.01%FS-51以及1%椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35)、0.01%正庚醇三种表面活性剂作为添加剂。在配置含添加剂溶液时,取少量水与添加剂混合并搅拌均匀,待其完全溶解后再加入适量水进行稀释,最后加入高压细水雾灭火系统的水箱中。当食用油池火被成功扑灭,则立即停止施加细水雾;若未能成功扑灭食用油池火,则持续施加 480 s 细水雾,记录其对食用油池火的抑制结果。不同的添加剂会使细水雾的一些特性发生改变,改变其抑制食用油池
16、火的效率,不同添加剂的实际灭火情况见表 2。其中无细水雾工况为对照组,是指食用油池火在被引燃后不施加细水雾,让其达到稳定燃烧状态并持续燃烧 480 s;结束油温即指不同工况下细水雾在施加480 s后 0.6 cm 处的食用油温度,作为评价含不同添加剂细水雾对食用油池火抑制能力强弱的依据之一。图 4 和图 5 分别显示了含不同表面活性剂细水雾灭火时油表面上方 15 cm 处火焰温度和食用油内部油温随时间的变化。由图 4、图 5明显可知,施加细水雾可以有效降低油上表面 15 cm 处的火焰温度以及油池内部油温,并且含表面活性剂细水雾的降温效果比纯水好。由图 4 可知,未施加细水雾时,火焰温度基本保
17、持在1234689105111271-水箱和水泵组合;2-压力表;3-供水管路;4-可拆卸喷头;5-热电偶;6-食用油油盘;7-加热油盘;8-支架;9-底座;10-热电偶树;11-粒径分析仪;12-数据收集终端图 1试验装置布置Fig.1Experimental apparatus arrangement1号热电偶2号热电偶3号热电偶4号热电偶5号热电偶6号热电偶7号热电偶图 2测温热电偶位置图Fig.2Temperature measurement thermocouple location map表 1试验工况Table 1Experimental working conditions细水
18、雾系统喷头食用油额定功率/kW22型号XSWT1.0/10-CT种类大豆油工作压力/MPa10流量系数(K)1.0用量/mL500最大工作压力/MPa15额定工作压力/MPa10油厚/cm2.4时间/s0 200 400 600 800450400350300250质量/g试验曲线拟合曲线 1拟合曲线 2y2=427.81-0.18xR22=0.981 29y1=423.056-0.22xR21=0.999 86图 3食用油质量损失速率曲线Fig.3Cooking oil mass loss rate curve表 2不同添加剂抑制食用油池火相关数据Table 2Data related to
19、 different additives to suppress cooking oil pool fire添加剂是否成功灭火初始油温/结束油温/火焰最高温度/结束时火焰温度/是否发生复燃无细水雾否364.9393.3694.9590.0否纯水否364.9377.7691.3295.2否1%CAB-35否361.8311.3695.767.6否0.01%正庚醇否362.4322.4723.7241.0否0.01%FS-51否362.2332.5725.7203.8否1519Fire Science and Technology,November 2023,Vol.42,No.11600700。
20、在食用油达到稳定燃烧状态并施加细水雾后,火焰温度前 100 s内呈现断崖式下降,后 300 s内下降趋势放缓并逐渐趋于稳定。纯水、含 CAB-35、正庚醇以及 FS-51 细 水 雾 分 别 将 火 焰 温 度 降 至 295.2、267.6、241.0、203.8。不难看出,对于食用油 15 cm 处火焰的抑制能力从高到低依次为含 1%CAB-35 细水雾含0.01%FS-51细水雾含 0.01%正庚醇细水雾纯水。由图 5可以看出:未施加细水雾时,食用油经过 480 s的燃烧后油温持续上升,从稳定燃烧开始时的 364.9 上升至 393.3。含 CAB-35、正庚醇以及 FS-51 细水雾在
21、施加 480 s后食用油油温分别降至 311.3、322.4、332.5。对食用油的降温能力从高到低依次为含 1%CAB-35 细水 雾含 0.01%正 庚 醇 细 水 雾 含 0.01%FS-51 细水雾。从上述试验结论可以发现,本次试验对食用油油温的冷却以及火焰抑制效果最好的表面活性剂为 1%CAB-35,其他两种表面活性剂对油温的冷却能力和火焰的抑制各有优势。依据表 3 和图 6 不同添加剂的相关特性可知,含表面活性剂细水雾可以明显改变水的一些特性,如表面张力、接触角、雾滴平均粒径(SMD)、雾滴形状等。其中 FS-51 的表面张力最低,为 15.19 mN/m,相比于纯水的表面张力 7
22、3.03 mN/m,下降了约 79.20%;另外两种表面活性剂正庚醇与 CAB-35 的表面张力分别为 59.78、36.73 mN/m,相比于纯水,下降了约 18.14%、49.70%。液滴宽度与液滴直径会随着表面张力的变化而变化。其中,液滴直径会随着表面张力的降低而变小,说明韦伯数超过了临界值11。使用 Winner 粒径分析仪测得表面张力最高的纯水细水雾平均粒径为 61.88 m,而表面张力最低的 FS-51水雾平均直径仅为 45.27 m。除此之外,起泡性也是影响油温冷却效果和火焰抑制效果的另一个重要因素。在许多相关研究人员的研究中表明,一般情况下,较低的表面张力往往具有较高的泡沫膨胀
23、比,其中泡沫膨胀比为泡沫和液体的体积比12。考虑到数据的可参考性和试验结果的客观性,本文使用泡沫扫描仪人为控制起泡条件,测量并计算相同工况下的泡沫膨胀比,对比不同溶液的起泡性。设定泡沫扫描仪鼓气速率为 60 mL/min,鼓气时间为 120 s,总试验时间为 600 s,在鼓气结束 30 s后泡沫与液面完全分层,通过试验所得数据计算出溶液的膨胀比。图 7、图 8为 CAB-35和 FS-51的起泡性。图 7(a)、图8(a)为泡沫和液面完全分层时的图片,图 7(b)、图 8(b)为泡沫体积与液体体积随时间的变化图。具有较低表面张力的 0.01%FS-51 和 1%CAB-35 溶液的泡沫膨胀比
24、较高,分别为 199.45%、350.19%,而纯水与 0.01%正庚醇溶液不发泡的原因为其具有较高的表面张力和较薄的泡沫膜13。根据先前的结果可以看出,具有较低表面张力、较小雾滴粒径和较高起泡性的添加剂对食用油油温的冷却和火焰的抑制具有更好的效果。火焰温度的降低主要因为时间/s0 8007006005004003002001000温度/无细水雾纯水0.01%FS-510.01%正庚醇1%CAB-35施加细水雾5001 000图 4含不同表面活性剂细水雾灭火时油上表面 15 cm 处火焰温度Fig.4Flame temperature at 15 cm on the upper surface
25、 of oil when extinguishing fire with water mist containing different surfactants时间/s0 400380360340320300温度/无细水雾纯水0.01%FS-510.01%正庚醇1%CAB-35施加细水雾5001 000图 5含不同表面活性剂细水雾灭火时食用油油温Fig.5Cooking oil temperature when extinguishing fire with water mist containing different surfactants表 3不同表面活性剂的相关特性Table 3Rel
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