隧道消防水阴燃防冻实验研究

田梦江，郭晓平，韩佳宸

(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)

隧道消防水阴燃防冻实验研究

田梦江，郭晓平，韩佳宸

(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)

由于北方冬季长期持续低温，隧道消防水防冻是一大问题，本文为此设计了生物质阴燃防冻装置。通过初步实验，确定了阴燃池燃料填充方法、进气口大小以及点火方式。实验表明，干燥的锯末燃料能够稳定阴燃，且安全便捷。约3 kg的干燥锯末在炉内阴燃可以维持3 000 min 左右持续较高的温度，温度主要分布在100 ℃左右，最高温度不超过180 ℃，温度适宜，有利于进行消防水防冻。

阴燃；防冻；生物质；锯末

0 引 言

长期以来，隧道冬季消防水防冻是一大难题。在广大北方地区，冬季环境温度常常处在冰点之下，甚至更低，形成了很长的冰冻期，使隧道内静止的消防水冻堵或管道冻裂。由于隧道空间封闭、结构设施复杂、出入口少、疏散路线长、通风照明条件差等特点，隧道内消防系统瘫痪可能使隧道内突发的事故，如火灾、爆炸等不能得到及时的控制，造成更大的损失。于是，隧道消防水的防冻就显得尤其重要。目前国内外采用的隧道消防水防冻技术主要有填充防冻液技术和电伴热技术。随着节能环保标准的不断提高，采用阴燃防冻技术是另外一种有效防冻的措施。

阴燃是固体燃烧的一种形式，即氧气直接与固体燃料表面接触发生异相氧化反应，释放热量，进行自维持的缓慢、低温无可见光的燃烧方式。对于阴燃的研究，国外主要分为三个阶段。探索实验阶段(1954～1980)：以观察实验和定性分析为主；理论分析阶段(1981～1995)：以应用理论分析实验现象为主；数值模拟阶段(1996～今)：以数值方法求解模型为主。国内的研究从20世纪90年代中期开始，实验、理论分析、数值模拟基本同步。如大连理工大学[1-6]对炭粒、纤维质燃料阴燃点燃过程和强迫对流阴燃传播过程进行了深入的理论研究，并对锯末等在自然对流条件下水平和竖直阴燃进行了许多实验。中国科学技术大学[7-9]对聚氨脂泡沫阴燃出现有焰火的条件,阴燃床内部温度变化过程进行了实验研究和简化理论分析。浙江大学[10]对锯末强迫对流逆向阴燃过程进行了实验研究，检测了阴燃温度、传播速度、气体产物成分。山东理工大学实验研究了在自然对流条件下秸秆竖直向下的阴燃的情况[11-15]。李月宁[16]在强迫气流下对阴燃形成过程中的影响因素以及阴燃过程的传播进行了实验研究。在生物质燃料阴燃取暖方面，大连理工大学、山东理工大学、沈阳农业大学都开展了试验，理论分析和数值计算研究。还有很多其他从各种角度进行阴燃研究的实验。文中实验从阴燃防冻的角度出发，在以往实验研究工作的基础上，进一步实验研究阴燃过程，探索基于阴燃方式利用锯末等生物质能的新途径。

1 实验装置

1.1 燃料选择

锯末是我国生物质燃料的重要组成部分。一方面，锯末来源广泛，获取容易，属于可再生能源，在能源短缺的今天具有重要意义；另一方面，将锯末用于室内取暖或隧道阴燃防冻可以做到物尽其用，降低锯末丢弃造成的资源浪费和环境污染。所以最终选择用锯末作为燃料进行下面的实验。

1.2 实验台设计

锯末阴燃实验装置如图1所示。主要包括：电源、温度采集、阴燃填充池三部分。

图1 锯末阴燃装置图

电源部分主要是把整个装置中的线路、仪器开关等集中在一起，用于温度采集的电源供给及其他电源等；温度采集主要是在实验过程中监测记录燃料不同位置温度；除此之外，装置最主要的部分就是阴燃填充池，主要由填充池、热电偶等组成。

1.2.1 阴燃填充池

阴燃填充池是实验中存放燃料和阴燃燃烧过程发生的地方。内径上下一致的圆柱形铁桶，在周围和底部包裹一层厚50 mm的岩棉保温材料作为阴燃填充池，其内径为300 mm，深度为400 mm。 把铁桶放在一个内径为500 mm，高500mm的镀锌板圆桶中，铁桶桶口和镀锌板圆桶桶口持平，四周和底部的中空部分均用砂子填充。

阴燃填充池的体积为：

V=πR2H

(1)

式中:R为填充池半径，m；H为填充池高度，m。

1.2.2 点 火

燃料的点燃是指燃料在受到外热源加热后,依靠其自身异相氧化反应所放出的热量实现自维持传播的过渡过程,如果导致熄灭则称不能点燃。阴燃材料点燃主要受加热时间和热流密度这两个因素的影响。实验中用点燃的报纸进行引燃，具体做法是将部分废报纸拧成麻花状，点燃之后从实验装置点火口插入，如果观察到点火口处有烟冒出，说明点火成功，否则失败。

2 实验过程

2.1 实验前准备

称取适量杂木锯末，准备管径为2 cm和4 cm的铁管各一根。

2.2 实验步骤

首先将2.1中准备的两根铁管固定成如图2所示结构，管1为进气口，可控制进气量多少，管2为点火及测温口。将事先准备好的锯末燃料倒入管1、管2周围区域如图2a，并压实到图2b所示位置，记下压实后桶内锯末的深度以便后面计算锯末燃料密度。将阴燃填充池固定好之后，缓慢将管2抽出，使此区域空出，保证铁桶与镀锌板之间的空隙填满砂子。从点火口处进行点燃，之后盖上填充池内筒盖(盖上有孔)，将热电偶等测温装置从填充池盖上方插入监测温度，选取适当时间间隔记录温度。燃烧过程会持续很久，要记下相应的燃料阴燃时间，试验完成将自动结束。

图2 阴燃填充池内部结构示意图

3 实验结果与分析

在实验过程中，随着时间的变化不断改变进气口大小，测试并记录不同时刻池内空间的温度，结果如图3所示。图3表明，池内空间温度明显先升后降，特别是在改变进气口大小时温度会骤降，然后再升高。在前三个阶段温度显著升高，最高达到约176 ℃，从点火开始到达到最高温度大约用时700 min，之后便缓慢降低，伴随有些许波动，如Ⅳ阶段和Ⅴ阶段前期，在此阶段温度较为稳定。在Ⅴ阶段后期急速下降，直到温度大约38 ℃。 然后又一次全开进气口，温度再一次上升，但是上升的幅度没有刚开始燃烧时大，重复之前的操作，温度出现了同样的变化趋势，只是每次的最高温度和最低温度逐渐降低，直到最后熄灭。整个过程持续了很长时间，且温度较为合适，不会太高造成能源浪费，也不会太低起不到保温作用，这表明缓慢放热的阴燃过程有利于隧道冬季长期防冻保温。

图3 填充池内空间温度随时间及进气口大小的变化曲线

4 结束语

在北方冬季持续低温，采用生物质燃料阴燃防冻可以很好的节能，以锯末等废弃物代替煤、电、防冻液等常规资源，一方面来源广，取材容易，安全方便；另一方面经济、污染小，可以很好地解决锯末等废弃物堆积污染环境等问题。

[1] 刘炳民.阴燃过程中的温度场和气体生成规律[D].大连理工大学硕士论文,2000.

[2] 贾宝山,葛少成,石 亮.纤维质燃料正向阴燃传播的数值分析[J].中国安全科学学报,2007,17(1):34-39.

[3] 郭晓平,解茂昭,孙文策.水平炭粒床中阴燃过程的数值计算[J].大连理工大学学报,1998,38(1):63-39.

[4] 郭晓平,解茂昭,孙文策.考虑热解反应的阴燃渐近分析[J].大连理工大学学报,1999,39(4):547-551.

[5] 石 英,解茂昭.碳粒填充床逆向阴燃传播渐近分析解[J].燃烧科学与技术,1998,4(3):247-252.

[6] 郭晓平,解茂昭.二维碳粒床中阴燃传播的数值模拟闭.燃烧科学与技术,1995,1(l):86-93.

[7] 路 长,林其钊,王清安.阴燃中出现有焰火的理论初探闭.火灾科学,2000,9(1):13-20.

[8] 周建军,彭 磊,路 长,等.逆向阴燃传播的积分模型[J].中国科学技术大学学报,2006,36(l):86-90.

[9] 路 长,周建军,刘乃安,等.阴燃材料受热升温过程分析[J].工程热物理学报,2006,27(增2):211-214.

[10] 马增益,李月宁,黄群星,等.水平强迫气流下木屑逆向阴燃过程的实验研究.燃烧科学与技术.VOll02004(6):497-5(X).

[11] 何 芳,李永军,窦沙沙,等.室内生物质阴燃取暖炉的设计和实验[J].农业机械学报,2006，37(l):76-79.

[12] 何 芳,矫常命,易维明,等.农作物秸秆粉阴燃热效率的研究[J].可再生能源,2006(l):26-29.

[13] 矫常命.农作物秸秆阴燃特性及应用研究[D].山东理工大学硕士论文,2006.

[14] 窦沙沙,.秆自然对流正向阴燃规律的研究[D].山东理工大学硕士论文,2007.

[15] 赖艳华.吕明新两段气化对降低生物质气化过程焦油生成量的影响[J].燃烧科学与技术,2002,5:478-481.

[16] 李月宁.强迫气流下阴燃的形成和传播机理及产物特性的实验研究.浙江,浙江大学,2004.

Experimental Study of Smolderingas an Antifreezing Solutionfor Fire Water in Tunnel

TIAN Meng-jiang，GUO Xiao-ping，HAN Jia-chen

(School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, China)

Due to continuous low temperature of the northern winter for a long time, it is a problem for antifreezing of fire water in tunnel, this paper was designed antifreeze device of biomass smoldering. Through preliminary experiments to determine the fuel filling method in smoldering pool, intake port size and the way of ignition when loading fuel. Experimental results show that the dry sawdust fuel is convenient and safe and it can stabilize the smoldering. About 3 kg of dry sawdust smoldering in furnace can be maintained continuous high temperature about 3 000 min, the temperature is mainly distributed in about 100 ℃, the maximum temperature does not exceed 180 ℃, the suitable temperature is conducive to fire water antifreeze.

Smolder；Antifreeze；Biomass；Sawdust

2015-03-24

2015-04-09

田梦江(1991-)，男，云南富源人，大学本科在读，专业方向为热能与动力工程。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.05.001

TU998.3

B

1009-3230(2015)05-0001-04