第四章消防力学基本知识

1第四章消防水力学基本知识前言水在消防工作中的重要意义1、从火灾扑救统计数据看，水是灭火的主要灭火剂，从统计数据看，用水扑救的次数占90%以上。而且多数抢救救援现场都需要用水进行冷却、稀释，降低浓度防止爆炸、控制毒源，用水进行中和、洗消。如①2003年9月6日6时34分，长春市长营高速公路与长平高速公路连接处，一辆装载液氨的槽车侧翻泄漏事故处置。②吉林市吉林双苯厂苯胺车间“11.13”特大爆炸火灾事故处置（2003年）。③山东省黄岛油库特大火灾（1989.8.12）。2、灭火战斗成败来看，水是重要因素从灭火战斗失败的原因来看80%是由于水源缺乏，供水措施不当引起的，如：1984年某市罐头厂火灾。从成功的战例来看，必须具备水源充足，供水得当。如：1988年11月延边开山屯化学纤维浆厂火灾。23、从灭火剂的研究应用来看水消防灭火工作中的重要性。俗话说：“水火不相容”“水克火”，从古代开始，我们的祖先就知道用水灭火（北京故宫防火缸）。在近代不少科学家研究取代水的新型灭火剂，但研究来研究去还是认定水的灭火性能和作用无法用其它灭火剂替代。现在很多建筑的固定灭火设施主要还是用水。而且用技术规范、标准作了明确的规定。如：消火栓给水系统，自动灭火喷水系统，泡沫灭火系统，水幕……灭火剂分类（一）按灭火原理分1、物理灭火剂：水、泡沫、二氧化碳2、化学灭火剂：干粉、卤代烷（二）按物质形态分1、气体灭火剂：二氧化碳、卤代烷2、液体灭火剂：水、泡沫、7150等3、固态灭火剂：干粉、G－1粉等第一节水的性质水是无嗅无味的液体，是人类赖以生存的3基本物质。它取用方便，分布广泛，同时由于水在化学上呈中性，无毒，且冷却效果非常好，因此，水是最常用、最主要的灭火剂。一、水的基本特性水有三种状态：固体，液体和气体。液体与固体的主要区别是液体容易流动，液体与气体的主要区别是液体体积不易压缩。水在常温下为液体，在常压下、水温超过100℃时，蒸发成汽体，水温下降到O℃时，即凝结成固体称为冰。（一）水的比热容水温升高1℃，单位体积的水需要吸收的热量，称为比热容。若将水的比热容作为1,则其他液体的比热容均小于1，水比任何液体的比热容都大。1L水温度升高1℃，需要吸收4200J的热量。若将lL常温的水（20℃）喷洒到火源处，使水温升到100℃，则要吸收热量336kJ。水的比热容大，因而用水灭火、冷却效果最好。（二）水的汽化热单位体积的水由液体变成气体需要吸收的热量称为汽化热。水的汽化热很大，4IL100℃的水，变成100℃的水蒸汽，需要吸收2264kJ的热量。因此，将水喷洒到火源处，使水迅速汽化成蒸汽，具有良好的冷却降温作用。同时，水变成蒸汽时体积扩大。1L水变成水蒸汽后体积扩大1725倍，且水蒸汽是惰性气体，占据燃烧区空间，具有隔绝空气的窒息灭火作用。实验得知，水蒸汽占燃烧区的体积达35％时，火焰就将熄灭。（三）水的冰点纯净的水当温度下降到0℃时，开始凝结成冰。水结成冰时，释放出溶解热335kJ/L。水结成冰，由液体状态变成固体状态，水分子间的距离增大，因而体积随之扩大。因此，对消防给水管道和储水容器在冬季应进行保温，防止结冰，以免水结成冰时体积扩大，致使消防设备损坏。处于流动状态的水不易结冰，因为水的部分动能将转化为热能。因此，为了不使水带内的水冻结成冰，在冬季火场上，当消防队员需要转移阵地时．不要关闭水枪。若需要关闭时，应关小射流，使水仍处于流动状态。二、水的主要物理性质水的平衡和运动，除了与作用于液体的5外界因素有关外，更重要的是取决于水本身的物理性质。在水力学中，与水运动有关的物理性质主要有以下方面。（一）密度和容重液体单位体积内所具有的质量称为密度，液体单位体积内所具有的重量称为容重。不同液体的密度和容重各不相同、同一种液体的密度和容重又随温度和压强而变化。在正常大气压强条件下，水在不同温度时的容重见表4一1。表4一1水在不同温度时的容重温度/℃04l0203040的100γ/(N/m3)98069807980197899764973096429399（二）粘滞性液体具有易流动性，在相对静止时，液体不能抵抗切力，在微小切力的作用下，将破坏原来的相对静止状态，产生无限止的变形，即发生流动。但是当液体一旦流动时，分子间的作用力却立即显示为对流动的阻抗作用，即显示出所谓粘滞性阻力（内摩擦6阻力），液体的这种阻抗变形运动的特性就称为粘滞性，也叫“内摩阻”。需要说明的是当液体运动一旦停止，这种阻力就立即消失．因此，粘滞性在液体静止或平衡时是不显示作用的。液体运动时的粘滞阻力只能使液体的变形即流动缓慢下来，但不能阻止静止液体在任何微小的切向力作用下开始流动。举例说明一下液体的粘滞性。如果测出渠道水流的过水断面上各点的流速u，并绘出过水断面上的流速分布，如图J一I所示，（图中每根带箭头的线段的长度表示该点流速的大小）。发现过水断面上的流速分布是不均匀的。渠底流速为零。随着离开固体边界的距离的增加，流速逐渐增大，至水面附近流速最大。水流过水断面上会形成不均匀的流速分布是因为水流粘滞性所致。紧靠固体壁面的第一层极薄水层由于附着力的作用而贴附在壁面上不动，第一水层将通过粘滞〔摩阻）作用而影响第二水层的流速，离愈大，壁面对流图4一1渠道过水断面流速分布速的影响愈小，其结果就形成了图4一l7所示的流速分布规律。就是这样，固体边界通过液体的粘滞性，而对液体运动起着阻滞作用。液体的粘滞性可用粘滞力即内摩擦力来表达。流得快的水层对流得慢的水层起拖动作用，因而快层作用于慢层的内摩擦力与流向相同，反之慢层对快层起阻滞作用，则慢层作用于快层的摩擦力与流向相反，两力大小相等、方向相反，都具有抗拒其相对运动的性质。（三）压缩性在密闭容器内液体表面上，用活塞加压，液体就受到压力，受压后的液体体积要缩小。液体的体积随压力增加而减小的性质称为液体的压缩性。液体的特点是压缩性很小。根据实验，把温度为20℃在。0.1MPa压力作用下的水体积作为1，不同压力时的水体积如表4一2。从表中可以看出，水体积变化不大。因此，在一般计算中，通常把水看成是不可压缩的液体，即认为水的密度p和容重Y为一常数，但对个别特殊情况，液体的压缩性不能忽略。如水枪上的开关突然关闭时，会产生8一种水击现象，在研究这一问题时，就必须考虑液体的压缩性。（四）膨胀性水的体积随水温升高而增大的性质称为水的膨胀性。根据实验，10一20℃的水在常压下，温度升高1℃，体积增加万分之一点五，其体积变化较小。（五）溶解性溶质在水中的扩散称为溶解。物质能否在水中溶解，与物质分子的极性有关。凡是由极性分子或与水分子结构相似的分子组成的物质均易溶于水，如食盐、糖，丙酮、乙醚、乙醇等。与水分子极性不同的物质不易溶于水或不溶于水，如汽油、煤油、柴油、苯等。用水可以扑灭易溶于水的固体物质火灾；用水可以扑救比水重且不溶于水的可燃液体，也可以稀释溶于水的可燃液体。（六）水的导电性水的导电性能与水的密度、射流形式等有关。水中含有杂质越多，电阻率越小，导电性能越大。纯挣水电阻率很大，为不良导体。天然水源一般都含有各种杂质，因而称为良导体。9三、水的化学性质（一）水的分解水由氢、氧两元素组成。火场上的消防水柱射流触及高温设备，水滴瞬间汽化，体积突然扩大，会造成物理性爆炸事故。当水蒸汽温度继续上升超过1500℃以上时，水蒸汽将会迅速分解为氢气和氧气；2H2O高温2H2↑＋O2↑氢气为可燃气体，氧气为助燃气体，氢气和氧气相互混合，形成混合气体，在高温下极易发生化学性爆炸，其爆炸威力大，爆炸范围广。若无可靠的防范措施，就会造成火灾（二）水的化学反应水能与许多物质起化学反应。1．水与活泼金属反应水与活泼金属锉、钾、钠、铭、钾钠合金等接触，将发生强烈反应：2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑+热量这些活泼金属与水化合时，夺取水中的氧原子，放出氢气和大量的热量，使释放出来的氢气与空气中氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自燃或爆炸。102．水与金属粉末反应水与锌粉、镁铝粉等金属粉末接触，在火场高温情况下反应较剧烈，放出氢气，会助长火势扩大和火灾蔓延：Zn+H20=ZnO+H2↑金属铝粉和镁粉相互混合的镁铝粉与水接触，比水单独与镁粉或铝粉接触反应强烈得多。水与镁粉或铝粉单独接触时，在反应过程中生成不溶于水的氢氧化铝和氢氧化镁沉淀，而氢氧化铝和氢氧化镁是不燃烧的薄膜，覆盖在金属表面，阻碍着铝粉和镁粉的继续燃烧。而水与镁铝粉接触，则同时生成偏铝酸镁。偏铝酸镁溶解于水，因而使镁铝粉表面不能形成不燃的薄膜，使水与镁铝粉无障碍地继续反应，放出氢气和大量的热量，这在火场上会助长燃烧或发生爆炸现象。Mg(OH)2+2Al(OH)3=Mg(AlO2)2+4H2O2Al+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2↑＋热量3．水与金属氢化物反应水与氢化锂、氢化钠、四氢化锂、氢化钙、氢化铝等金属氢化物接触，氢化物中的11金属原子与水中的氧原子结合，则氢化物和水中的氢原子放出，产生大量的氢气，也会助长火势。4．水与硅金属化合物反应水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自燃物四氢化硅：MgSi十4H2O=2Mg(OH)2+SiH4四氢化硅易与空气中的氧反应，发生自燃。5．水与碳金属反应水与碳化钙、碳化钾、碳化铝等接触时，碳化物中的金属原子与水中的氧原子结合，碳化物中的碳原子与水中的氢原子化合，生成易燃易爆的碳氢化合物气体，并释放出大量的热量：CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2↑＋热量水与石灰氮（CaCN2）接触，能释放出可燃气体氨。不纯净的石灰氮与水接触，还能释放出乙炔气。在火场上，这些碳氢化合物（如乙炔、甲烷和氨等）都有助长火势扩大和火灾蔓延的可能。6．水与硼氢类物质化学反应12水与二硼烷、硼氢化钠等接触，释放出氢气和大量的热量。B2H6+6H2O=2H3BO3+6H2↑＋热量7．水与磷化物发生反应水与磷酸钙、磷化锌等接触，生成磷化氢，磷化氢在空气中能自燃。Ca3P2+6H2O=3Ca(OH)2+2PH3↑＋热量由此可见，水与某些化学物质接触，有可能发生自燃，释放出可燃气体和大量热量以及有毒气体等,从而引起燃烧或爆炸。因此，火场扑救过程中，应根据物质的性质，采取相应的灭火剂.凡与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。不能用水扑救的火灾1、钾、钠、镁等轻金属火灾例：长春市西安桥外垃圾站火灾2、档案、精密仪器、乐器等贵重的物品火灾例：长春市乐器厂火灾3、密度小于水和不溶解于水的易燃液体火灾134、对熔融的盐类和沸腾的原油5、储存大量浓硫酸、浓硝酸6、不能用水直接扑救高压电气设备火灾7、可燃粉尘积聚处例：春头沟亚麻厂火灾8、炽热物体火灾对水质的要求：灭火用水要无腐蚀，无污染和无被油污染含有其它易燃液体。例：江西油库火灾供水计算有关数据：1、水压力1个物理大气压＝1.033Kg/cm2＝10.33米水柱1个体积大气压＝1Kg/cm2＝10米水柱1Mpa=10Kg/cm2=100米水柱2、流量升/秒M3/小时3、供给强度升/秒.平方米4、有效射程（充实水柱）手提式水枪：（22mm以下）由水枪喷嘴至射流90%水量穿过直径38cm圆圈止的一段长度常用7m、10m、13m、15m第二节水的灭火作用14根据水的性质，水的灭火作用主要有以下几种：一、冷却作用由于水的比热容大，汽化热高，而且水具有较好的导热性。因而，当水与燃烧物接触或流经燃烧区时，将被加热或汽化，吸收热量，从而使燃烧区温度大大降低，以致使燃烧中止。二、窒息作用水的汽化将在燃烧区产生大量水蒸气占据燃烧区，可阻止新鲜空气进入燃烧区，降低燃烧区氧的浓度，使可燃物得不到氧的补充，导致燃烧强度减弱直至中止。三、稀释作用水本身是一种良好的溶剂，可以溶解水溶性甲、乙、丙类液体，如醇、醛、醚、酮、酯等。因此，当此类物质起火后，如果容器的容量允许或可燃物料流散，可用水予以稀释。由于可燃物浓度降低而导致可燃蒸气量的减少，使燃烧减弱。当可燃液体的浓度降到可燃浓度以下时，燃烧即行中止。四、分离作用经灭火器具（尤其是直流水枪）喷射形15成的水流有很大的冲击力，这样的水流遇到燃烧物时