第三章 火災特性與水霧滅火效能
第五節 水霧撒水系統滅火機制
水滅火的方式為，冷卻燃燒的物體與火焰，並產生蒸氣以阻止氧 氣接近燃燒物並吸收輻射熱，而其中最重要的就是冷卻燃燒的物體，
也就是直接撲滅火源。當一個固體在燃燒時，必處於高溫下並且有火 焰的發生，假如具有高蒸發潛熱的水能夠到達燃燒的地方，當水蒸發 時會帶走相當多的熱量，則會使燃燒速率減緩甚至熄滅。
在許多的情況中，水的冷卻影響也是一重要的因素。為了能夠有 效降低火場溫度，其水滴的尺寸必須相當微小，而且水量需要足夠使 用於整個的火場中。當水被分離為微細的小水滴時，則每單位體積的 水的表面積會顯著的增加，這對於火場溫度的冷卻是相當有利的。因 為水的蒸發速率和冷卻效率是與表面積成正比的。但是在實際的情況 中，其水滴的尺寸有最低的限制，如果水滴的尺寸都相當細小，只會 被迅速的蒸發，再加上水滴本身所擁有的動能不足，因此無法穿過火 焰到達燃燒物的表面，無法有效的滅火，而最有效的滅火方式就是將 水滴直接噴撒在燃燒物體表面。
而水霧系統的滅火機制有以下幾點9： 一、熱吸收(Heat Extraction)
水霧冷卻火焰之滅火機制主要來自於當大量的細小水滴進入火 焰區時會吸熱並快速蒸發，將水蒸發成水蒸氣而進一步冷卻火焰。當 火焰之溫度被冷卻、降低至維持燃燒所需之極限溫度時，油氣混合之 燃燒反應將終止，火源將被抑制、撲滅。研究指出粒滴的蒸發率與週 遭溫度、粒滴表面積、熱傳係數及粒滴與週遭氣體的相對速度有關。
對於水霧粒徑範圍在 100μm＜d＜1000μm 之間其熱傳係數與粒徑大
小之關係可表示成13： Pr：Prandtl Number
Re：Reynolds Number
二、氧氣置換(Displacement of Oxygen)
水霧滴蒸發所形成之水蒸氣會排擠火場空間中原先具有之空 氣，當水滴吸熱蒸發成水蒸氣取代火源週遭的氧氣，使火場中之氧氣 降低至維持燃燒所需之臨界氧氣濃度以下，將可阻止火勢燃燒。
三、降低熱輻射效應(Radiant Heat attenuation)
當水霧噴撒至燃燒物表面時，細小之水霧滴形成熱屏障可阻止火
7
圖3.4 水霧系統吸收熱輻射示意圖（資料來源：本研究整理）
四、稀釋燃氣(Dilution of fuel vapor)
研究指出，藉由滅火過程水滴吸熱所形成之水蒸氣進行火源抑 制，可視為間接滅火機制。水蒸汽與週遭可燃氣體混合，當可燃氣體 濃度稀釋35％即可進一步抑制火源燃燒。
第六節 水霧滅火系統相關理論
一、水霧滴完全蒸發所需時間估算：
為了發揮水霧滴吸熱冷卻之滅火效應，水霧滴需在火場中有足夠 的時間能對火焰進行蒸發冷卻。假使水霧滴完成蒸發時間比水霧滴在 火焰區停留間短，則液滴在到達燃料表面前將可完全蒸發。相反的，
水霧粒子 水霧撒水
火源 人員
熱輻射
吸收熱輻射
若水霧滴蒸發發所需時間較其在火場空間殘留時間長，則水液滴之質 量受蒸發影響而降低之效應將不顯著。在此情形下，火源無法藉由火 焰冷卻之滅火機制來加以撲滅。水霧滴完全蒸發時間包括加熱時間與 蒸發時間，水霧滴在穩態蒸發過程中，任何時刻下之粒滴直徑與其初 始粒徑可以寫成下面關係式：
t D
D
02−
2= λ
(3.5)D0 ：初始水霧滴粒徑大小（μm）
D ：任何時刻下水霧滴粒徑大小（μm）
t
：時間（sec）λ ：蒸發係數（m2/sec）
蒸發係數（λ）可以透過下列公式計算 12：
( )
F
C
PB k
λ = 8 ln 1 ρ +
(3.6)
k ：水蒸汽之熱傳導係數（2.48×10-2 W/m．K）
CP ：水蒸汽之比熱（2 KJ/kg．K）
ρ
F ：水的密度（958.4 kg/m3） B ：Jakob number熱傳無因次常數Jakob number 主要是定義水霧滴由液相相變化 至汽相過程中顯熱與潛熱吸收能量比，可進一步定義為：
( )
L T T
B = C
P ∞−
b (3.7)Tb ：水霧滴表面溫度（K）
T∞ ：水霧滴週遭氣體溫度（K）
L ：水的潛熱（2257.1 kJ/kg）
本研究之設計火源在自由燃燒下火場溫度之變化情形，火場最 高溫度約 200℃，水霧噴頭作動時（點火後 60 秒）火場最高溫度約 為140℃，再加上考量熱電偶之反應時間延遲，因此分別取水霧液滴 所受周遭火場溫度T∞=523K（250℃）、T∞=473K（200℃）與 T∞=423K
（150℃）進行蒸發所需時間計算，其它條件為：
水霧滴表面溫度Tb=373K；
水的潛熱L=2257.1kJ/kg；
水蒸汽的比熱CP=2kJ/kg⋅K；
水蒸汽之熱傳導係數k=2.48×10 -2 W/m⋅K；
水的密度ρF=958.4kg/m3
將 上 述 性 質 條 件 代 入 公 式 3.5～3.7，分別計算水霧滴粒徑 200μm~800μm 在本研究實驗條件下水霧滴蒸發所需時間。計算結果 如表3.6 所示。
12
表3.6 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間 週遭氣體溫度T∞=523K
週遭氣體溫度 T∞=473K
週遭氣體溫度 T∞=423K 水霧滴粒徑
蒸發所需時間 蒸發所需時間 蒸發所需時間 200μm 3.09 sec 4.55 sec 8.91 sec 400μm 12.39 sec 18.21 sec 35.66 sec 600μm 27.87 sec 40.97 sec 80.23 sec 800μm 49.55 sec 72.83 sec 142.63 sec
（資料來源：本研究整理）
0 30 60 90 120 150
200μm 400μm 600μm 800μm
Droplet diameter
Time (sec)
523K 473K 423K
8
圖3.5 不同粒徑大小水霧液滴蒸發所需時間圖（資料來源：本研究整理）
表 3.5 計算結果僅是水霧滴在 100℃下蒸發所需時間，還不包括 水霧滴在液態吸熱至 100℃所需時間。由 Kim14的研究對於放射壓力 在0.67MPa，水霧滴離開噴頭之速度在 5m/s 的情況下，在一高度 3m 的空間，水霧滴停留在火場中的時間約為0.2 秒。
因此總蒸發所需時間遠遠大於水霧滴能在火場中停留時間，由此 結果可知在本研究中水霧要發揮吸熱蒸發，造成氧氣窒息的抑火效果 似乎無法達成，即便粒徑在定義上是採用平均粒徑，實際狀況會有比 平均粒徑更小的水滴存在會有蒸發的可能，但是數量相當有限。因此 由此可知本研究水霧之滅火機制主要將是火場吸熱降溫及火源根部 吸熱冷卻為主。
二、水霧粒滴尺寸定義：
一般對於水霧粒徑的定義，大多採用單一統計的平均直徑，常見 的平均粒徑定義可分為：體積平均直徑（Volumetric Mean Diameter
，
VMD）及 Sauter 平均直徑（Sauter Mean Diameter，
SMD）。體積平均直徑VMD（也稱為 Mass Mean Dianmeter，MMD），如 標記成Dv0.5，即表示有 50%的全部液體體積在小直徑水滴內；而 SMD 其定義是噴撒體積除以水霧滴之表面積所計算出的平均直徑，亦即是 表示水霧滴之總表面積與噴撒水量之比值，此直徑大小可反映出水霧 滴在火場中蒸汽化之比例。
另外，為提供一較佳的方法來描述噴撒分布的特性，採用累積分 佈函數圖來表示，將粒徑量測結果以累積百分體積（Cumulative