节日消防:哪支蜡烛先熄灭?
2008年,广州市荔湾区西关培正小学的一群小学生,在老师的带领下,认真地完成了一系列有系统的蜡烛实验,实验可奖,结果可观,精神可嘉,理论微瑕。现用前面的灭火理论分析一下,可见理论之魅力。
前面单支蜡烛的灭火实验,其实验结果很难量化,但是很容易预估定性和定量的结果。把单蜡烛实验推广到多蜡烛,来判断高矮蜡烛谁先熄灭的问题,则需要相当的火灾动力学理论作基础,其结果不是那么显而易见的。
广州市荔湾区西关培正小学的五位小学生在老师的指导下,在玻璃罩内进行了四组有趣的实验,
(1) 18.5厘米与4厘米蜡烛一起燃烧;
(2)12厘米与4厘米蜡烛一起燃烧;
(3)8厘米与4厘米蜡烛一起燃烧;
(4)10.3厘米和4厘米单独燃烧。
结果发现第一第二组都是高蜡烛先熄灭,第三第四组却是矮蜡烛先熄灭。该实验最大的缺陷是没有记录玻璃罩的体积参数(只要倒入水,量一下水的体积即可,非常容易),因此很难重复。不过,根据消防理论中的室内火灾动力学原理,是可以解释上述结果的。
我们知道,在重力场中,烟气受热膨胀,密度降低,会受到周围其他的挤压而上升。这种烟气受热上升形成的流动,通常称为羽流。羽流到达天花板,转为天顶射流(Ceiling Jet),这是空间较大时的情况。在空间较小时,烟气仍然会受热上升,虽然不会有明显的天顶射流,但仍然会造成空间的气流分层现象,上层温度高,密度低,主要是燃烧产物,下层温度低,密度大,主要是新鲜空气(新鲜度不断下降)。
根据室内火灾的烟气分层现象,可以用来解释上述的实验结果。第一第二组实验的高蜡烛火头沉浸在燃烧产物中,因供氧不足而熄灭。第三第四组实验的两种蜡烛都不受上层燃烧产物的影响,在氧气浓度差不多的情况下,两种蜡烛比周围的空气温度,周围的空气温度越低,维持燃烧进行的氧气临界浓度越高。这里显然矮蜡烛周围的气体温度低,在氧气浓度都在降低的情况下,较早达到临界浓度,因此较早熄灭。原文指导老师的解释是二氧化碳下沉说,但作为燃烧产物的二氧化碳是热的,不会在短时间内单独下沉,所以此说不确。
解释蜡烛灭火实验的关键在于认识氧量释热原理。虽然我们周围的燃料种类有很多,但都需要通过氧化反应来放热燃烧。美国标准研究所(NBS,现在称为国家科学技术研究所,NIST)的研究员Huggett在1981年发现,所有普通燃料(非自身含有氧化剂的燃料)放出的热量与消耗的氧量之比值是固定的(13.1KJ/g),从此各种基于测氧原理的量热器纷纷登场,开创了火灾强度测量的新局面。
对于火灾的进行来说,燃料通常是无限的,空气的供应也几乎无限的。通常我们不能移走燃料(移走燃料是最直接的灭火方式,也是很容易被忽视的一种灭火方式。古代缺乏灭火手段时,最有效的灭火工具是耙子,分割燃料,避免烧光。),只好通过调节空气组成的办法来达到灭火的目的,通常称为气体灭火技术。通常气体灭火技术适用于火灾的早期阶段,在短时间内打破燃烧反应维持所需要的能量平衡,产生不利燃烧的气体氛围。由于气体灭火技术没有残留物,不需要后处理,因此被称为是清洁的灭火技术,用于保障高价值的设备安全运行。常见的灭火剂是氮气,二氧化碳,哈龙气体等。燃烧产物中主要是二氧化碳和氮气在起调节空气组成,达到不可燃的目的。灭火效果如何?可以用惰性气体浓度,或者氧气的浓度来衡量。对于不同的惰性气体,临界氧气浓度是不同的。
在蜡烛燃烧的实验中,容器内的氧气远远没有耗尽(至少还有30~50%),那么耗氧是不是灭火的原因呢?部分原因。虽然空气中的氧气仍然有50%或更多,但这些氧气在反应中释放的热量不足以维持燃烧的正常进行,所以耗氧有贡献。另一方面,燃烧产生了二氧化碳等不可燃气体,以及空气中的氮气,是吸收燃烧放热而不生成热量的惰性材料,它们的存在导致有限的氧气释放的热量不足以维持其他气体的消耗。吸收大于放热,燃烧就无法进行下去了。小小蜡烛一实验,完全体现了气体灭火技术的基本原理。
有道是,蜡烛虽小反应杂;现象简单本质深。认真实验多假设,防火灭火赖理论。
注:本文得到麻庭光博士授权并允许转载。
麻庭光博士为美国俄克拉何马州立大学消防与安全技术系助理教授。