水是我们最常用的灭火剂。但由于“水能灭火”实在太显而易见,所以我们忽视了它背后的原理。

本文主要讲解水灭火的基本原理,以便为接下来我们将会陆续讲到的一些内攻技术做理论支撑。

在一般建筑物火灾中,我们用水扑救火灾主要是利用水的几个特性:冷却作用,窒息作用以及冲击作用,其中最主要的就是冷却及窒息作用。

先来看看水是怎么吸热的

重温热力学

首先,我们来看看水是怎么吸热的。
我们在扑救火灾中,水都是以液态出现的并被我们使用的,然后在进攻过程吸热或转换成水蒸气带走火场热量所以研究水的灭火潜能以及利用水有效地控制并扑灭火灾至关重要。

在火场上,水吸热主要有三个阶段:

  1. 水升温吸热(液态);

  2. 水转换成水蒸气吸热(液态——气态);

  3. 水蒸气升温吸热(气态)。

水是怎么灭火的

No.1

水的比热

比热:一定量均相物质温度升高1K所需要的热量。

通俗的说,要提高一只质量的水的温度,需要一定的能量,这个比值就是水的比热。

当水被用来冷却热烟气时,水滴被喷射到烟气层,能量不断地从烟气转移到水滴中,直到水滴达到100℃。

水的比热为4186J/kg°C(近似于4.2kJ/kg°C)

No.2

汽化热

当水从也液态转化成气态时,也就是蒸发成为蒸汽时,水会吸收更多的能量。能量在这段时间的吸收速率就被成为汽化热,它的值为:2,260 kJ/kg。

No.3

蒸汽比热

水蒸气分散到烟气层时,还会继续从烟气层吸收热量使得蒸汽温度继续升高,一直持续到蒸汽与热烟气之间达到热平衡。这种能量吸收被称为蒸汽比热。
蒸汽比热与水不同,它取决于温度,在这里我们取平均值:2,080 J/kg°C。

水是怎么灭火的

举个栗子

假设从喷嘴喷出来的时候温度为10℃,最终转换成的水蒸气吸热后温度达到200℃。如果使用1L(1kg)的水,这个过程会吸收多少热量呢?

在这里我们用的值是:
  • 水的比热=4.2kJ/kg°C;

  • 汽化热=2,260 kJ/kg;

  • 蒸汽比热=2.0kJ/kg°C。

计算分三步进行:

  1. 计算水温从10°C提高到100°C吸收的热量:

    Q1= 1 x 4.2 x 90= 378 kJ

  2. 计算100°C水转换成100°C蒸汽所吸收的热量:

    Q2= 1 x 2260= 2,260 kJ

  3. 计算蒸汽从100°C提高到200°C所吸收的热量:

    Q3= 1 x 2.0 x 100= 200 kJ

从热烟气层吸收的热量:

总热量=Q1 + Q2 + Q3 = 2,838 kJ

从上面的例子可以看出,水转换成水蒸气所吸收的热量比水从10°C加热到100°C吸收的热量多很多,前者吸收的热量是后者的6倍。
我们可以看到,如果水加热到100°C而又没有转化成蒸汽,那么它的利用率是比较差的,最多的效率也就只有14%。因此,流到火场地面上的大部分水,还没发挥最大效率的14%,甚至远远比这个低。

所以要提高水利用率,充分发挥水的灭火效能,必须使用于冷却烟气的水最大限度地转化成水蒸气,提高其转化率。

蒸汽的置换作用

蒸汽本身就是惰性气体

水是怎么灭火的

我们知道,水在变成水蒸汽会急剧膨胀,1L水将产生大量的水蒸汽。

水是怎么灭火的

1L水转变成蒸汽的体积与温度的关系

蒸汽本身是惰性气体,可以置换着火房间的氧气,达到窒息灭火的效果。同时热烟气在混合了蒸汽以后也变得不再易燃。

水滴大小对灭火也有很大影响

合适最重要

水滴大小对我们灭火的效率也大有关系。

水是怎么灭火的

如果是直接进攻,也就是说对着起火物直接射水,那么我们的目的是为了覆盖着火物表面,阻止热解从而最终将火扑灭。那么如果水滴过小,那么在到达燃烧物表面可能就已经蒸发,就达不到我们的目的了。所以一般直击火点我们要的水滴一般都是较大这也就是我们直击火点为什么会选择直流水枪的原因,其中考虑的一个方面就是水滴较大,可以实现有效覆盖。

那么如果是用来冷却热烟气呢?
如果水滴非常小,它们离开喷嘴后很快就会蒸发掉,只能冷却离消防员最近的那层烟气。
如果水滴太大,它们会通过烟气层而不完全蒸发。有些可能会撞到天花板,在那里蒸发,吸收天花板的热量。
另一种可能性是它们掉到地上,在这种情况下,它们将第二次穿过烟气层。

消防专家Grimwood Paul认为0.3毫米是液滴的理想尺寸。这种大小的液滴足够大,能够渗透到热烟中,同时又足够小,容易蒸发

灭火时,水的特性、水滴大小等特性将会不断地用到我们不同的内攻技术中,后续我们将一一讲到。

 

注:本文文字内容主要翻译自:John McDonough (Sydney, Australia) & Karel Lambert (Brussels, Belgium),Training with intent – effective hose stream techniques。

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原文始发于微信公众号(橙色奇点):水是怎么灭火的

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