第四章-消防水力学基础知识 建(构)筑物消防员

LOGO自我介绍姓名:李建成单位:延安职业技术学院:职称：副教授1989年7月毕业延安大学物理系从事职业教育近30年，工作认真负责,深得学员，同事及社会认可，.LOGO消防水力学基础知识李建成第一节水的性质第二节水的灭火作用第三节消防射流学习提纲第一节水的性质纯净的水是无嗅无味的液体，是人类赖以生存的基本物质。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，蒸发为水蒸气，温度等于或低于0℃，凝结成固体称为冰。(一)水的比热容水温升高1℃时，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的水温升高1℃，需要吸收4200J的热量。若将1L常温的水（20℃）喷洒到火源处，使水温升高到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，1L100℃的水，变成100℃的水蒸气，需要吸收吸收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水变成水蒸气后体积扩大1725倍，且水蒸气是惰性气体，占据燃烧区空间，具有隔绝空气的窒息灭火作用。试验得知，水蒸气占燃烧区的体积达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须进行保温，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，因为水的部分动能转化为热能。因此，为了不使水带内结冰，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。第一节水的性质水蒸汽冰第一节水的性质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4-1。表4-1水在不同温度时的容重温度/℃041020304060100Y/(N/m3)98069807980197899764973096429399第一节水的性质(二)粘滞性液体具有流动性，在相对静止时，液体不能抵制抗切力，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。当液体一旦流动时，分子间的作用力却立即显示为流动的抗阻作用，即显示出所谓的粘滞性阻力（内摩擦阻力），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任何时候微小的切向力作用下开始流动。第一节水的性质（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。根据试验，把温度为20℃在0.1MPa（一个大气压）压力作用下的水体积为1，不同压力时的水体积如表4-2。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ρ和容重γ为一常数，但个别特殊情况，液体的压缩性不能忽略。如水枪上的开关突然关闭时，会产生一种水击现象，在研究这个问题时，就必须考虑液体的压缩性。压力/Mpa0.11020304050水体积1.00000.99430.98970.98530.98100.9766第一节水的性质（四）膨胀性水的体积随水温升高而增大的性质为水的膨胀性。根据试验，10-20℃的水在常压下，水温升高1℃，体积增加万分之一点五；在常温700C-950C的水，温升高1℃，水的体积增加万分之六。其体积变化较小。因此在消防设计和火场供水中水的膨胀性均可略去不计。（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。凡是由极性分子或者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者不溶于水，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。纯净水电阻率很大，为不良导体。天然水源一般都含有各种杂质，因而被称为良性导体。第一节水的性质三、水的化学成分（一）水的分解水由氢、氧两种元素组成。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。当水蒸气温度继续上升超过1500℃以上，水蒸气将迅速分解为氢气和氧气2H2O高温2H2↑+O2↑+热量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，若无可靠的防范措施，就会造成火灾爆炸事故。（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水与活泼金属锂、钾、钠、锶、钾钠合金等接触，将发生强烈反应：2Na+2H2O高温2NaOH+H2↑+热量这些活泼金属与水化合时，夺取水中的氧原子，放出氢气和大量热量，使释放出来的氢气与空气中的氧气相混合形成的爆炸性混合物，发生自然或爆炸。2.水与金属粉末反应水与锌粉、镁铝粉等金属粉末相接触，在火场高温情况下反应较剧烈，放出大量氢气，会助长火势扩大和火势蔓延。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。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、四氢化锂铝、氢化钙、氢化铝等金属氢化物接触，氢化物中的金属原子与水中的氧原子结合，则氢化物和水的氢原子放出，产生大量的氢气，也会助长火势。NaH+H2O==NaOH+H2+热量4.水与硅金属化合反应水与硅化镁、硅化铁等接触，会释放出自然物四氢化硅：MgSi+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、碳化铝等物质接触时，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，并释放出大量热量：CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2↑+热量第一节水的性质第一节水的性质6.水与硼氢类物质化学反应水与二硼烷、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化钙、磷化锌等接触、生成磷化氢，磷化氢在空气中能自燃。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。凡是能与水接触能引起化学反应的物质严禁用水扑救。第二节水的灭火作用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，而且水具有良好的导热性。因而，当水与燃烧物质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汽量减少，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。第二节水的灭火作用四、分离作用经灭火器具（尤其是直流水枪）喷射形成的水流具有很大的冲击力，这样的水流遇到燃烧物时，将使火焰产生分离，这种分离作用一方面使火焰“端部”得不到可燃蒸汽的补充，另一方面使火焰“根部”失去维持燃烧所需的热量，使燃烧中止。五、乳化作用非水溶性可燃液体的初起火灾，在末形成热波之前，以较强的水雾射流或滴状射流灭火，可在液体表面形成“油包水”型乳液，乳液的稳定程度随可燃液体粘度的增加而增加，重质油品甚至可以形成含水油泡沫。水的乳化作用可使液体表面受到冷却，使可燃蒸气产生的速度降低，致使燃烧中止。第三节消防射流一、消防射流（一）消防射流的含义消防射流是指灭火时由射水器具喷射出来的高速水流。（二）消防射流的类型常见的射流类型有密集射流和分散射流两种。1.密集射流（1）密集射流的定义高压水流经过直流水枪喷出，形成结实的射流称为密集射流。密集射流靠近水枪口处的射流密集而不散，离水枪口较远处射流逐渐分散。密集射流耗水量大，射程远。冲击力大，机械破坏力强。（2）密集射流适用范围建（构）筑物室内消火栓给水系统中配备的直流水枪和消防车上使用的直流水枪，都是密集射流扑救火灾。第三节消防射流2.分散射流高压水流经过离心作用、机械撞击或机械强化作用使水流分散成点滴状态离开水枪，形成扩散或幕状射流称为分散射流称为分散射流。分散射流根据其水滴粒径大小又分为喷雾射流和开花射流两种类型。(1)喷雾射流分散射流时，水滴粒径平均小于100um时，称为喷雾水射流。喷雾射流的特点是控制面积大，用水量省，燃烧区蒸汽浓度大，吸收大量汽化热，隔绝空气，降低空气中含氧量，有良好的降温和窒息作用，同时，水渍损失小，出烟效果好。喷雾射流适用于石油化工企业水幕分隔装置的扑救等。（2）开花射流分散射流时，水滴直径平均在100-1000um之间，称为开花射流。开花射流的特点同喷雾射流，其适用于要求水渍损失小或缺水地区。第三节消防射流二、消防射水器消防射水器具是把水按需要的形状有效的喷射到燃烧物上的灭火器具，包括消防水枪和消防水炮。（一）消防水枪消防水枪根据射流形式和特征不同可分为直流水枪、喷雾水枪、多功能水枪等，其中常用水枪为直流水枪和喷雾水枪。1.直流水枪（1）直流水枪的分类和构造直流水枪分为普通直流水枪和开关式直流水枪。直流水枪是由枪筒和喷嘴所组成。直流水枪密集射流的质量与水枪喷嘴有密切关系。直流水枪喷嘴一般采用具有向出口断面方向收敛的圆锥体状喷嘴。圆锥形喷嘴主要用途为增加水流的出口速度以形成动能较大的射流，并使射流不分散。枪筒的构造要求有良好的水力条件，为减少从水带的水流涡流，迫使枪筒内安装稳流器，使水流流过的截面积较小的孔洞，消除横向水流和旋转水流，迫使枪筒内呈匀流状态，以提高枪筒结构的水力条件。常用的直流水枪喷嘴口径有13mm、16mm、19mm三种。第三节消防射流（2）直流水枪的使用使用直流水枪灭火时，由于水枪射流产生反作用力，因此，如变更射流方向时应缓慢操作；使用开关式直流水枪时，开关动作应缓慢进行，以免产生水击现象，造成水带爆破或者影响消防员安全。2.喷雾水枪（1）喷雾水枪的分类和用途喷雾水枪分为离心式喷雾水枪、机械撞击式喷雾水枪和簧片式喷雾水枪三种