細水霧滅火機制

最早敘述細水霧滅火機制的論述是由Braidech[1]在 1955 年提出的，後 經Rasbash[2]等人証實其觀點，Braidech 提出細水霧滅火機制主要為空氣稀 釋及冷卻效果，這些細水霧遇到火災的熱源後，蒸發為水蒸汽排擠了新鮮 且源源不斷供應的氧氣，使得燃燒區域內的氧氣大為減少，同時這些水霧 粒子也提供了降低火場溫度的冷卻效果。

在經過四十年的研究驗証了上述觀點的正確性，但最近的研究果顯示 還有其他滅火機制會影響細水霧滅火設備的有效性，Mawhinney[3]等人提 出細水霧的滅火機制可分為主要及次要兩類，主要滅火機制包括熱移除 (Heat Extraction)、氧氣排擠效應(Oxygen Displacement)與降低熱輻射效應

(Blocking of Radiant Heat)；次要滅火機制包括因水蒸汽將空氣稀釋與流場 的動態效應。影響細水霧滅火效能的因素，本報告將於下幾節一一加以解 釋。

1.2.1 熱移除(Heat Extraction, Cooling)

當使用水來滅火，可迅速將熱氣體及火焰的熱能吸收，而降低水分子 粒徑尺寸可以增加水分子的表面積質量體積比，增加熱能移轉的速度，水 分子蒸發為水蒸汽時又吸收了熱能，在吸收一定的熱能後火焰的氣相溫度 會低於維持燃燒過程所需的溫度，理論上來說Diffusion flame 在其火焰溫度 低於1327℃時，燃燒過程將會停止。

就液體燃料火災而言，細水霧蒸發後可冷卻火焰，因而降低熱輻射通 量到達燃料表面的能量，導致可燃性蒸汽的減少，在某些案例中結合降低 火焰溫度及減少燃料揮發這兩項要素可大幅減少燃料燃燒速度，甚至可以 完全撲滅火災。就固體燃料火災而言，降低固態燃料的火焰溫度也會減少 熱輻射通量傳送到燃料表面的能量及降低燃料分解速度，但要完全撲滅固 態燃料火災則和燃料形狀及其碳化層深度這兩項因素息息相關。

1.2.2 排擠氧氣效應(Oxygen Displacement)

水分子蒸發後體積會擴大1900 倍（在一大氣壓 95℃下）如果蒸發速度 快速，水蒸汽會排擠原先空氣所佔據的空間，如在一高溫區劃中細水霧系 統作動，水蒸氣將劇烈蒸發、膨脹並取代區劃中的空氣，使得維持燃燒所 需之氧氣大為減少至一臨界濃度後，使得火場燃燒效率不佳，將可輕易的 撲滅火場。

排擠氧氣可解釋了為何區劃內大火較小火容易被撲滅，耗氧多的大型 火場在火災初期遠較耗氧少的小型火場釋放更多熱能，也因此提供較多熱 能可為細水霧蒸發成為水霧蒸氣，故周遭氧氣濃度會降低；此外，在細水 霧系統作動後在燃燒效率也降低的情況下，大型火場的燃燒效率與氧氣供 應不足，因此較容易撲滅。一般來說閃火點高的液體燃料較易撲滅，如柴

油的閃火點為 60℃。相較之下，小型火場有持續正常氧氣濃度供應燃燒所 需之空氣，其排擠氧氣的效果不明顯，是故小型火場不易被撲滅。

1.2.3 阻擋熱輻射(Blocking radiant heat)

阻擋熱輻射可降低燃料表面的分解及揮發速度對阻絕火場漫延至未引 燃燃料表面具有很重要的關鍵因素。細水霧藉由阻擋熱輻射來防護人員及 物體免於輻射熱傷害，理論上細水霧粒徑及分佈密度是影響熱輻射的兩大 因素，隨著粒徑小於50µm 的細水霧密度增加，其降低熱輻射的能力也隨之 增加，這也是為何具有粒徑非常小而高密度的細水霧滅火系統，對降低熱 輻射非常有效，因為隨著水霧汽化成蒸氣進入火焰及燃料表面，可以降低 到物體表面的輻射熱通量。以油盤火災為例，降低熱輻射可以降低油料揮 發速度及減少燃燒熱釋放率，因此熱輻射也是進行火災電腦模擬相當關鍵 的參數之一。

1.2.4 水蒸汽/空氣稀釋 (Dilution of Vapor/Air Mixture)

細水霧作動時，水蒸汽及空氣會被帶入燃燒區域，稀釋原有可燃性蒸 氣與空氣的混合至燃燒下限，以柴油為例（閃火點60℃），火焰被冷卻後，

導致傳達到可燃性物表面的熱能減少，亦降低了柴油揮發的速度，加上被 帶入燃燒區域的空氣稀釋了可燃性蒸氣，使得可燃性柴油蒸氣濃度降至燃 燒下限，進而達成滅火之動作。但具有低閃火點的易燃性液體如庚烷（閃 火點-4℃），因其閃火點溫度較低且庚烷的蒸氣壓高，故非常難以將庚烷蒸 氣與空氣混合濃度降低至燃燒下限。通常在燃料表面的可燃性蒸氣與空氣 混合的狀態通常為亂流場且分佈不均勻，所以總有某些區域的可燃性蒸氣 與空氣混合比例位於燃燒區間內，導致滅火的困難度增加。

1.2.5 流場動態效應 (Kinetic Effects of Mist on Flames)

在液體油池火災噴撒水時，有時反而會有增加火災規模的現象產生，

在細水霧接觸到液面時會有所謂的〝爆發(Flare-up)〞現象產生，這個瞬間 的激化作用可歸因於水滴撞擊燃料表面造成潑濺現象，因而增加蒸發速

度，Kokkala[4]將撒水設備作動噴撒時，水滴撞擊高溫且具有高沸點液體時 的激烈蒸發現象稱之為火焰球(Flame ball)。Jones[5]也指出使用細水霧系統 進行氣體爆炸抑制時有時也有激化燃燒的現象產生，因而無法立刻判定使 用細水霧進行抑制爆炸會有正面或負面的效果。

1.2.6 區劃效果(Enclosure Effects)

區劃效果可以提昇細水霧系統的效能，因為其限制了通風及熱能擴 散，使得該空間內氧氣濃度降低，導致燃燒效率變差，固較易撲滅。下列 為區劃效果對細水霧滅火的影響：

1. 熱能被侷限於區劃中，將水霧汽化，膨脹的水霧蒸汽將空氣擠出區 劃。

2. 位於區劃內天花板的熱氣體，受到細水霧冷卻效果影響而被擠至地 板，並和水霧蒸汽、水滴混合於火場中。

3. 通常降低燃燒效率及冷卻火焰這雙重效果可以撲滅火場火災。

即使在低動量及有障礙阻礙滅火的情境下，一旦有區劃效果，仍有可 能撲滅火場的火災。

許多細水霧滅火實驗都曾指出細水霧系統較易撲滅大型火災，但對小 型火災則有實際困難，因為小型火災對區劃內平均氧氣濃度影響有限，而 且產生的小量水蒸汽被帶離燃料－火焰互動區域；若火災位於通風良好或 未侷限空間時，細水霧必須有很強的動能使得水霧能夠分佈於火焰區域周 圍，以產生水霧蒸汽來加強滅火抑制效能。此外，噴頭及水霧必須設計來 補償無法侷限熱能及水霧蒸汽散失的影響。