引用本文：杨帆. 乙醇沸腾状态对抗醇泡沫灭火剂铺展特性的影响研究[J]. 消防科学与技术, 2024, 43(1): 82-86.
Yang Fan. Study on the ethanol boiling’s influence on spreading characteristics of alcohol resistant foam extinguishing agent[J]. Fire Science and Technology, 2024, 43(1): 82-86.乙醇沸腾状态对抗醇泡沫灭火剂铺展特性的影响研究
杨帆
摘要：乙醇沸点低、易挥发的特点使其在燃烧时易沸腾、状态易突变，会对抗醇泡沫灭火剂的灭火性能造成极大的影响。本文设计并构建温控操作平台和燃烧试验平台，对抗醇泡沫灭火剂的铺展特性进行试验，从灭火机理出发探究温度上升导致的沸腾状态变化对抗醇泡沫灭火剂铺展窒息效果的影响，进而探究乙醇沸腾状态对抗醇泡沫灭火剂灭火性能的影响规律，为消防救援队伍处置乙醇火灾提供相关数据和理论支持。
关键词：乙醇火灾；沸腾状态；抗醇泡沫灭火剂；铺展特性
中图分类号：X932；TQ569
在乙醇储罐火灾中，泡沫灭火剂通常用于对着火罐的覆盖窒息和冷却降温，如果仅仅是单个罐体燃烧，达不到沸腾状态，泡沫铺展迅速，灭火时间很短；但乙醇易挥发、低燃点的特性，使得火灾时往往是数个罐体之间互相引燃，相互烘烤，不断升温，每个罐体的燃烧状态不尽相同，给灭火作战带来不利因素。泡沫灭火剂除作用于正在着火的罐体外，还经常用来覆盖与着火罐距离较近的邻近罐，以防止乙醇蒸气挥发导致整个罐体被引燃。无论液面是否燃烧，泡沫灭火剂的铺展速率直接决定灭火效率，而乙醇燃烧的沸腾状态变化，是影响泡沫在液面铺展的关键因素。本文结合作战实际，对抗醇泡沫灭火剂在燃烧的乙醇液面上的铺展特性进行试验研究，旨在发现内在规律，提高灭火效率。目前针对抗醇泡沫灭火剂扑救乙醇等极性可燃液体火灾的相关研究仅仅停留在单一的模型建立和理化性质归纳上，并未联系实战，也没能将二者统一起来研究，关于乙醇等极性可燃液体沸点低、热值高和燃烧状态易改变等直接影响灭火作战的性质，相关研究甚少。因此，有必要研究抗醇泡沫灭火剂在此类可燃液体火灾扑救时的各项参数变化，对于完善理论研究和指导灭火作战都有一定的实际意义。
1 试验原理及试验步骤
试验设计高度结合乙醇火灾实际，通过试验燃烧装置来模拟乙醇储罐着火的情况，采用温控操作平台来模拟乙醇受热辐射升温的状态，利用圆形油盘来模拟泡沫灭火剂在储罐内的实际铺展效果，最终把试验数据绘成图表、分析拟合，进而研究沸腾状态对泡沫灭火剂灭火性能的影响，试验设计如图1所示。![]()
图1 温控操作及燃烧试验平台设计图
Fig. 1 Design diagram of temperature control operation and combustion experimental platform
试验根据调研过程中酒厂酒罐储存酒精浓度和乙醇火灾的数据统计，选取储存量最大和事故发生频率最高的原度白酒（70%体积分数乙醇）为试验燃料，灭火剂选取基层消防队站常配的同类同质6%抗醇水成膜泡沫灭火剂，试验中喷射泡沫的流量保持在（5.0±0.1） L/min。试验一方面要尽量选取大油盘使现象更加明显，另一方面也要考虑乙醇的挥发速率，选取敞口较小的油盘，综合两项因素后，选取了GB 8109-2005《推车式灭火器》中B类火灾试验模型设计中的34B标准直径油盘。试验步骤如下：
2）将油盘保持水平置于地面，使泡沫枪位于油盘的上风向，泡沫射流的中心打到挡板中心轴并高出液面0.5 m，以6%的比例将抗醇泡沫原液与水在耐压罐内进行充分混合，拧紧罐口，打开进气口，关闭其余阀门，设定并开启空气压缩机，使罐内压力维持在0.7 MPa。3）将45 L 70%体积分数乙醇溶液倒入油盘，开启恒温控制箱与数据采集仪，设定试验温度，合上盖板（燃烧试验中，液面进行预燃，无须盖板），观察操作箱指示灯，到达指定温度自动断电，指示灯变红。4）到达设定温度后，开启摄像机，打开泡沫输送端阀门，使泡沫在液面进行铺展或灭火，同时用秒表记录全面积铺展时间或灭火时间。5）待油盘冷却后，处理废液，擦净油盘，设定不同温度，按上述步骤重复试验。2 抗醇泡沫灭火剂在燃烧乙醇液面铺展特性试验
通过对抗醇泡沫灭火剂在燃烧乙醇液面的铺展特性进行试验研究，并与未燃烧液面数据进行对比，探究在火焰猛烈炙烤、热辐射急剧增加和热累积效应显著的条件下，抗醇泡沫灭火剂铺展特性的变化规律。未燃液面试验由于篇幅问题且只用作对比，因此未在文中叙述。2.1 燃烧液面试验现象
试验通过加热棒加热和点火预燃的方式（加热棒加热为主）对乙醇溶液进行加热控制，从常温下预燃60 s，溶液温度达到30 ℃为第一组试验，每间隔5 ℃设置一组，至热电偶所能测得的最高温度79.1 ℃，共计11组。试验发现，着火液面的状态变化速度相对较快，泡沫铺展的总体速率相对较慢，超过55 ℃即出现轻微沸腾，60 ℃出现初步沸腾征兆，70 ℃以上出现沸腾不均（局部猛烈、局部平静）现象，泡沫更易堆积，铺展形态更加多样，如图2所示。 ![]()
图2 泡沫在燃烧液面的铺展形态
Fig. 2 Spreading shape of foam on burning surface
1）未沸腾阶段（30~60 ℃）温度较低，液面平稳燃烧，泡沫推进速度较快，未出现堆积现象，泡沫前沿孔洞较大，中部铺展速度快，两端铺展速度慢，随着温度的增加铺展时间明显加长，当温度高于55 ℃时预燃，加热棒附近出现微量气泡。2）临沸腾阶段（60~70 ℃）温度升高，液面气泡增多，泡沫推进缓慢，逐渐堆积增厚，与液面分界十分明显，泡沫密度较高，呈现“薄块状”。3）剧烈沸腾阶段（70~79.1 ℃）温度较高，燃烧猛烈，超过75 ℃液面变白，泡沫形态不规则且前后各异，出现分层，由内向外逐渐变薄，前沿部分较稀薄，呈流体状，后方部分较密实，呈块状。2.2 燃烧液面试验数据处理
得到不同时刻的燃烧液面铺展面积数据，并绘制温度-全面积铺展时间关系图和时间-铺展面积散点图，如图3~图5所示。![]()
图3 30 ℃燃烧液面泡沫铺展过程部分截图
Fig. 3 Screenshot of the spreading process of foam on the combustion liquid level at 30 ℃
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图4 温度-全面积铺展时间关系图
Fig. 4 Temperature-full area spread time graph
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图5 时间-铺展面积散点图
Fig. 5 Scatter plot of time-spread area
将时间轴设为x，铺展面积轴设为y，对图4中散点分布进行回归分析和拟合，得到y与x的关系式（y1~y11依次为30~79.1 ℃时的数据）和判定系数R2。判定系数均大于0.99，说明拟合的程度很高，将上述关系式带入Phthon的scipy库函数进行求导，得出抗醇泡沫灭火剂在燃烧液面不同状态下的拟合曲线和“时间-铺展速度”关系曲线，如图6~图8所示。![]()
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图6 燃烧液面30~60 ℃拟合曲线及时间-铺展速度关系曲线
Fig. 6 Fitting curve of combustion liquid level from 30 ℃ to 60 ℃ and time-spreading speed relationship curve
2.3 试验数据分析
通过热电偶测量可得，乙醇燃烧时紧靠液面火焰温度超800 ℃，热辐射强，但火焰顶部温度较低，只有400 ℃左右，且火焰根部离液面较远，因此燃烧对溶液的温度影响不大。试验中关闭加热棒，仅采用预燃方式加热乙醇溶液，溶液始终没有剧烈沸腾，液面温度不超过50 ℃。根据图4可知，液面沸腾状态的改变依然是铺展时间突增的节点，由图5得到沸腾最猛烈的点燃烧时间持续了8 min 10 s，说明火焰的存在确实对抗醇泡沫灭火剂的铺展造成了影响。 ![]()
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图7 燃烧液面60~70 ℃拟合曲线及时间-铺展速度关系曲线
Fig. 7 Fitting curve of combustion liquid level from 60 ℃ to 70 ℃ and time-spreading speed relationship curve
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图8 燃烧液面70~79.1 ℃拟合曲线及时间-铺展速度关系曲线
Fig. 8 Fitting curve of combustion liquid level from 70 ℃ to 79.1 ℃ and time-spreading speed relationship curve
通过y与x的拟合关系式可以看出，60 ℃之前的数据趋近二次式，曲线规律明显，到70 ℃时变为五次项式，曲线变化越来越多样，79.1 ℃时需采用六次项式才能进行拟合，可见到达剧烈沸腾状态时，液面运动混乱，抗醇泡沫灭火剂铺展无规律。结合拟合曲线和时间-铺展速度关系曲线可知，未沸腾时，铺展速度呈线性下降的趋势，温度越高，初始铺展速度越小，最大和最小值分别为0.015、0.006 ㎡/s；临沸腾时数据稍有偏离，铺展速率总体呈现先下降后上升的趋势，最高速率不超过0.007 ㎡/s，最低速度趋近与0；剧烈沸腾状态数据极其不规律，求导所得曲线出现负值，铺展速率时大时小，个别点的位置离拟合曲线较远。 通过时间-铺展面积散点图可以观察到两点，一是当液面燃烧并剧烈沸腾（79.1 ℃）时，在350 s附近出现下降点，代表液面铺展面积不增反减，铺展速率为负（由于拐点趋势较小，在拟合曲线中并没有反映出来），这是笔者在同样条件下做未点燃参照试验时没有出现的现象；二是几乎每组散点至即将全面积铺展时铺展速率会骤减，温度越高速度越低，在试验过程中也会观察到相应的现象，紧邻盘壁出现一条较长的“火缝”，如图9所示，且铺展至盘壁的泡沫产生堆积翻卷的情况，如图10所示。![]()
图9 燃烧液面产生的“火缝”现象
Fig. 9 The phenomenon of "fire gap" generated by combustion liquid surface
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图10 盘壁附近出现泡沫堆积翻卷情况
Fig. 10 Foam accumulation and roll up near the wall
对试验中出现的现象进行如下原因分析：
从火焰燃烧的角度分析，与未燃时的试验相比，燃烧液面处在火焰的底部，温度、气压和热传导都会与敞开铺展有显著不同，铺展现象的区别很大。乙醇极强的挥发性使得燃烧时火焰底部与液面表层中间会形成一个气体挥发层，使火焰底部与液面之间产生一定的距离。而由于气体分子之间距离较大，碰撞率小，热传递缓慢，虽然火焰内部的温度能够超过800 ℃，但液面温度受火焰的影响很小，因此试验中长时间的燃烧并没有引起液面剧烈沸腾。另外，火焰与氧气的充分接触使燃烧加剧，燃烧层的蒸气压不断降低，迫使乙醇的挥发速度加快，加速液面扰动，震动增大的液面和垂直方向上运动的挥发气体对抗醇泡沫灭火剂的铺展起到阻碍作用，致使铺展减缓。从泡沫破坏的角度分析，在抗醇泡沫灭火剂铺展过程中，大量的泡沫穿过气体挥发层，密闭作用使乙醇蒸气的挥发量急剧减小，致使火焰底面降低，火焰底部的高温面下降，使泡沫在高温作用下的破坏更加迅速，而这些高温因素并未出现在未燃液面试验中。调研过程中发现，有大量研究人员对高温条件下泡沫的性能变化进行了研究，得出结论：当温度由15 ℃升至50 ℃时，泡沫的性质如密度、黏度、表观液体流速和排液速率等都有下降的趋势，当温度高于80 ℃时，会造成泡沫某些性能的破坏；泡沫在低温时主要采用气体扩散的方式，而在高温时由顶部开始破灭，吸附能力、表面黏度和弹性降低，稳定性迅速下降，破坏速度加快。因此，受火焰高温面的影响，泡沫顶部承受长时间高温炙烤，破坏得更加迅速，铺展速率越来越低。 上述两个角度分析的是燃烧状态下特有的影响泡沫铺展的关键因素，同时液面未燃时的动力学和热力学因素同样适用，这些因素相互影响，共同作用，支配着整个泡沫铺展过程。当温度较低，液面运动缓慢时，乙醇挥发阻力和铺展黏性力是影响抗醇泡沫灭火剂铺展的关键因素；当温度较高，液面运动剧烈时，气泡运动阻力和火焰高温炙烤成为主导因素。铺展过程中，泡沫不停地堆积和推进，与这些阻碍因素进行着反向作用，泡沫的堆积由挡板处开始，泡沫高度由挡板至液面逐渐降低，当泡沫推动力大于外部阻力时，泡沫向前铺展；当泡沫推动力小于外部阻力时，泡沫铺展停滞；当泡沫堆积速率低于破坏速率时，泡沫由最薄弱的前沿部分开始破坏，出现铺展回收，面积减小的情况。除了上述理论因素外，试验装置和材料的选取也会对抗醇泡沫灭火剂的铺展现象和结果产生一定的影响，主要体现在油盘外壁受火焰辐射进行热传导这一情况。盘壁在直接接触火焰时温度迅速上升，最高能达到300~400 ℃，热传导作用使盘壁附近的乙醇溶液迅速沸腾，对铺展至盘壁附近的泡沫也产生高温破坏作用，使盘壁附近的泡沫铺展受阻，造成试验中抗醇泡沫灭火剂的铺展“中间快、两边慢”的现象，同时盘壁高温，铺展泡沫难以闭合，火焰难以熄灭，导致每组试验尾段铺展速度骤减，产生“火缝”现象和泡沫堆积翻卷等情况。钢制油盘的导热系数为45 W/（m·K），随着温度的变化而变化，盘壁升温时，油盘底部钢板温度也逐渐升高，由于不直接接触火焰且受乙醇溶液的降温影响，温度升高较慢，但长时间的热传导会使油盘底面的温度稍高于乙醇溶液的沸点，由底部产生高温气泡，当气泡向上运动经过热电偶时，热电偶便能采集到高于沸点的数据，造成瞬时测量温度高于溶液沸点的现象。3 结 论
1）泡沫铺展现象随乙醇液面状态的变化明显分为3个阶段：未沸腾阶段、临沸腾阶段和剧烈沸腾阶段。3个阶段中泡沫铺展的形态各异，全面积铺展时间长短不一，铺展速率变化规律相差较大，这些现象说明乙醇液面状态的变化是影响抗醇泡沫灭火剂铺展特性的关键因素。2）泡沫铺展形态随乙醇液面状态的变化而变化，温度越高，沸腾越剧烈，泡沫层越厚，堆积越明显，总体呈现“蜂窝状”向“块状”变化的过程，且未燃和燃烧液面的泡沫形态略有差异，其中最明显的现象是当液面点燃且剧烈沸腾时泡沫会出现分层现象。3）全面积铺展时间随乙醇溶液温度的升高而增加，且无论液面是否点燃，全面积铺展时间在60 ℃和70 ℃两处的增幅都会突然变大，但相同温度下泡沫在燃烧液面的铺展时间总是大于在未燃液面，试验中在20.0~76.8 ℃测得未燃液面抗醇泡沫灭火剂全面积铺展时间为27~337 s，在30.0~79.1 ℃测得在燃烧液面抗醇泡沫灭火剂全面积铺展时间为70~490 s。4）随温度的升高，泡沫铺展速率总体呈减小的变化规律，但3个阶段的变化各有差异：未沸腾时速率呈线性减小的趋势，临沸腾时总体为先减小后增大的趋势，剧烈沸腾时变化不规律，且铺展速率维持在数值较低的范围内。另外，由于火焰和热辐射的影响，泡沫在燃烧液面的铺展更加困难，当温度达到极值时，铺展中途会出现速率为负，铺展面积减小的情况，而液面未燃时则不会出现。以上数据可为消防救援队伍处置乙醇储罐火灾提供泡沫覆盖方式和泡沫灭火剂喷射量的选择和参考。同时，在利用红外热像仪进行乙醇液面温度监测的条件下，为合理冷却邻近罐、优化火场灭火剂分配、防止作战人员伤亡提供一定的数据借鉴。如果您有科技信息、专业见解、行业动态、专家访谈等，以及消防、应急救援相关领域的技术、产品等方面的新动态愿意分享或推广，欢迎撰写成公众号文章发送至 3169519749@qq.com 邮箱。如果您有相关视频愿意展示在期刊同名视频号，也可发送至 3169519749@qq.com 邮箱。《消防科学与技术》是消防救援科技领域“中文核心期刊”“中国科技核心期刊”，也是入选国内外安全科学领域高质量科技期刊分级目录的消防学术性期刊。期刊同名微信公众号受到消防救援队伍、高校、科研院所、建筑设计单位、消防科技企业等各界同仁的广泛关注，竭诚为广大消防机构、单位及个人提供信息交流的平台。版权声明：本公众号所载图文旨在为公众传播知识、促进行业交流、推动消防应急救援技术发展，因部分非原创内容无法一一联系版权所有者，敬请谅解。如您对作品内容、版权等有疑问，请及时联系022-23383612，23920225。其他事宜：联系QQ ( 3169519749 ) 咨询
