（环境工程专业论文）基于cfd的三氟甲烷灭火系统运行规律研究.pdf

摘要 三氟甲烷气体灭火系统是以三氟甲烷为灭火剂的哈龙替代灭火系统，其综合 性能良好，是哈龙替代品中最优者之一。但由于三氟甲烷灭火剂自身性质的特殊 性，其在管网中的行为非常复杂，只通过实验很难直观形象地把握其运行规律。 计算流体动力学( 简称c f d ) 通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和 空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的，这就为三氟甲 烷灭火系统的模拟计算创造了有利的条件，提供了一种重要的手段。 本文首先通过对已有实验研究获得的数据和曲线进行分析和计算，结合流体 力学、化工热力学、两相流、物理化学、相变等学科的基础理论，研究三氟甲烷 灭火剂在储存和喷放过程中压力、密度和温度的变化过程和相态变化过程，为数 值模拟过程的参数设置提供理论依据。 然后，利用c f d 商用软件f l u e n t 进行三氟甲烷灭火系统模拟方法的研究。 由于f l u e n t 提供的计算模型对问题的适应性、模拟的精细程度、对计算机的能 力要求及应用的经验方面各有千秋，所以必须慎重选择，在没有任何前人经验可 以参考的情况下，本文探索性的建立了两种模拟方法，最后比较两种方法的模拟 结果与实际的符合程度，得出适合三氟甲烷灭火系统的模拟方法。 最后，在建立好模拟方法之后，用该方法对不同长度的直管和不同管径的弯 管做了压力损失模拟，用于校正推导出的公式，最后获得校正后的三氟甲烷灭火 系统压力损失计算公式。 本文首次将c f d 模拟用于三氟甲烷灭火系统研究，代替成本巨大的实验研 究，并在此基础上获得了更加准确的压力损失计算公式，对三氟甲烷灭火系统的 设计和行业设计规范的制定有一定的参考价值，促进三氟甲烷灭火系统在国内的 应用。 关键词：三氟甲烷；灭火系统；c f d ；压力损失；数值模拟 a bs t r a c t t r i f l u o r o m e t h a n eg a sf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mh a sa l le x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，i s o n ek i n do fh a l o n sa l t e r n a t i v ef i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，s oi tb e c o m e so n eo ft h eb e s t h a l o n sa l t e r n a t i v e s h o w e v e r , d u et ot h es p e c i f i c i t yo fi t so w nn a t u r e ，i t sb e h a v i o ri n t h ep i p en e t w o r ki sv e r yc o m p l e x i ti sd i f f i c u l tt og r a s pt h el a w so fi t sf l o w i n gi nt h e p i p en e t w o r k c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( a b b r e v i a tc f d ) d e s c r i b et h en u m e r i c a l s o l u t i o no ff l o wf i e l dq u a n t i t a t i v e l yi nt i m ea n ds p a c eb yc o m p u t e rn u m e r i c a l c a l c u l a t ea n di m a g ed i s p l a ym e t h o d 。i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft h es t u d yo f p h y s i c s w h i c hc r e a t e d af a v o r a b l ec o n d i t i o n sa n dp r o v i d ea ni m p o r t a n tm e a n sf o r 也e t r i f l u o r o m e t h a n ef i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e ms i m u l a t i o n f i r s to fa 1 1 b ya n a l y s i sa n dc a l c u l a t ee x i s t i n ge x p e r i m e n t a l d a t aa n dc u r v e ， c o m b i n e dw i t hf l u i dd y n a m i c st h e o r y , t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec h a n g ep r o c e s so f p r e s s u r e ，d e n s i t y , t e m p e r a t u r ea n dp h a s ew h i c h h a p p e n e di nt h es t o r a g ea n d b l o wo f t r i f l u o r o m e t h a n ef i r ea g e n t t h i sr e s e a r c hc a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e p a r a m e t e r sd e s i g no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h a n ，s t u d yt h es i m u l a t i n gm e t h o do f t r i f l u o r o m e t h a n ef i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m b vf l u e n t , t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eo fc f d a st h ec o m p u t a t i o nm o d u l e so f f e r e d b yf l u e n th a v et h e i ro w na d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h ea d a p t a b i l i t yt o p r o b l e m s ，t h ed e g r e eo fs i m u l a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to fc a p a b i l i t i e so fc o m p u t e r , a n d t h ea p p l i e de x p e r i e n c e ，s 0i tm u s tb ec a r e f u l l yc h o s e n i nt h ec a s eo fn o r e f e r e n c e ，t h i s s t u d ye s t a b l i s h e s t w oa n a l o g ym e t h o d sa n do b t a i n st h es u i t a b l em e t h o do f t r i f l u o r o m e t h a n ef i i ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mt h r o u g hc o m p a r i n gt h ef i t t i n ge x t e n tw i t h t h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h et w o f i n a l l y , a f t e rt h ee s t a b l i s h m e n to f as i m u l a t i o nm e t h o d ，s i m u l a t et h ep i p ep r e s s u r e l o s so fd i f f e r e n tl e n g t h ss t r a i g h tp i p ea n dd i f f e r e n td i a m e t e r sr i g h ta n g l ep i p e rt o c o r r e c tt h ed e r i v e df o r m u l a t h e nt h ep r e s s u r e l o s s c a l c u l a t i n g f o r m u l ao f t r i f l u o r o m e t h a n ee x t i n g u i s h i n gs y s t e mi so b t a i n e d i n t h i sp a p e r , f o rt h ef i r s tt i m e c f ds i m u l a t i o ni su s e di nt h er e s e a r c h o f t r i f l u o r o m e t h a n ef i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，i n s t e a do ft h ee x p e n s i v ee x p e r i m e n t a l s t u d y , a n do nt h i sb a s i s ，o b t a i nam o r ea c c u r a t ef o r m u l a f o rc a l c u l a t i n gt h ep r e s s u r e l o s s t h i sa r t i c l eh a ss o m er e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e s i g no fh f c2 3e x t i n g u i s h i n g s v s t e ma n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h er e l e v a n tn o r m s ，a n dc a np r o m o t et h ea p p l i c a t i o n s o fh f c2 3e x t i n g u i s h i n gs y s t e mi nc h i n a k e y w o r d s ：t r i f l u o r o m e t h a n e ；e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ；c f d ；p r e s s u r el o s s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另t j j i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：起询窍 签字日期：岬 年，月 ；，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：起询镩 签字日期：如_ 年f 月? 7 日 导师签名：叫陟诣 签字日期：沙尸年，月弓日 |。l 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 气体灭火系统的发展 第一章绪论 气体灭火系统是指以液化气体或非液化气体作为灭火介质的灭火系统1 1 1 。自 1 9 0 0 年世界上第一套哈龙1 0 4 ( 四氯化碳) 灭火系统问世至今，气体灭火系统已 经走过了一个多世纪，现已在工业和民用建筑中得到广泛应用，成为保护计算机 房、通信机房、发电机房、变配电室及贵重精密设备贮藏间、档案馆、图书馆等 水和干粉会造成特殊损害场所的主力军，成为人类同火灾作斗争强有力的武器。 气体灭火剂一般可分为哈龙灭火剂、惰性气体灭火剂、洁净气体灭火剂。其 中哈龙灭火剂是迄今为止灭火效果最好的灭火剂，所谓哈龙( h a l o n ) 就是平常 所说的卤代烷1 2 1 l 和1 3 0 1 的商品名称，它属于一类称为卤代烷的化学品，哈龙 含有氯和溴，它是卤化的碳氢化合物。哈龙在火焰的高热中分解产生活性游离基， 参与物质在燃烧过程中的化学反应，使链反应中断，从而起到灭火的作用f 2 3 1 ； 惰性气体灭火剂包括二氧化碳、氮气以及氩气等多种惰性气体，其中最常用的是 二氧化碳；洁净气体灭火剂有七氟丙烷灭火剂、三氟甲烷灭火剂等。 但是，自从2 0 世纪7 0 年代初，大气研究人员发现臭氧层有不断耗减的趋势， 由此引起各国有关科学家和政府首脑的极大关注。在探究其发生原因时，氟氯碳 ( 国际通称c f c ，国内称为氟利昂) 以及哈龙等物质被世界上越来越多的科学 家认定是破坏臭氧层的祸首之一，并称之为“消耗臭氧层物质”( o z o n ed e p l e t i n g s u b s t a n c e s 国际简称o d s ) 。1 9 8 7 年，联合国环境规划署组织制定了关于消耗 臭氧层物质的蒙特利尔议定书，对8 种破坏臭氧层的物质( 简称受控物质) 提 出了削减使用的时间要求。这项议定书得到了1 6 3 个国家的批准。1 9 9 0 年、1 9 9 2 年和1 9 9 5 年，在伦敦、哥本哈根、维也纳召开的议定书缔约国会议上，对议定 书又分别作了3 次修改，扩大了受控物质的范围，现包括氟利昂( 也称氟氯化碳 c f 破 哈龙( c f c b ) 、四氯化碳( c c l , ) 、甲基氯仿( c h 3 c c l 3 ) 、氟氯烃( h c f c ) 和甲基溴( c h 3 b r ) 等，并提前了停止使用的时间。根据修改后的议定书的规定， 发达国家到1 9 9 4 年1 月停止使用哈龙，1 9 9 6 年1 月停止使用氟利昂、四氯化碳、 甲基氯仿；发展中国家到2 0 1 0 年全部停止使用氟利昂、哈龙、四氯化碳、甲基 氯仿。我国政府于1 9 9 2 年加入了蒙特利尔议定书，1 9 9 3 年颁布实施中国 第一章绪论 消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，1 9 9 8 年1 月正式实施由国家环保局和公安 部联合制定的中国消防行业哈龙整体淘汰计划，规定截止2 0 0 5 年1 2 月3 1 日 国内哈龙1 2 1 1 灭火剂将全部淘汰，哈龙1 3 0 1 灭火剂也将在2 0 1 0 年1 月1 日完 全淘汰【4 1 。 1 1 2 哈龙替代物的出现 2 0 世纪7 0 年代以来，哈龙一直作为一种优异的气体灭火剂广泛用于灭火系 统中，可以说哈龙灭火剂是迄今为止灭火效果最好的气体灭火剂，但是，为了保 护人类赖以生存的大气臭氧层，寻找新的灭火剂替代哈龙成为必然。 作为理想的哈龙替代品，其基本要求是： ( 1 ) 不破坏臭氧层，o d p 值( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ，即消耗臭氧潜能值) 为0 或小于0 2 ； ( 2 ) 不产生温室效应或温室效应不明显； ( 3 ) 在大气中存留时间短； ( 4 ) 不导电、挥发快、无残留物，压力下易于液化，对设备和材料没有不 良影响，灭火效率高； ( 5 ) 投资合理、性价比高；毒性小或无毒。 近十几年来，各国在寻找新的替代哈龙的气体灭火剂方面进行了卓有成效的 努力，哈龙替代品和替代技术研究迅速发展，短短几年，低压二氧化碳、七氟丙 烷、混合气体i g 5 4 1 、气溶胶、三氟甲烷等气体灭火系统相继出现【5 6 】，这些典型 的哈龙替代品可以分为两类：一类是采用h f c ( 含氢氟烃，如c h f 3 ) 、p f c ( 如 c 4 f 1 0 ) 和f i c ( 含碘氟烃，如c f 3 i ) 的卤代烷烃类，另一类是采用惰性气体( n 2 、 a r 、c 0 2 等) 的混合物。 二十世纪九十年代，我国在已有二氧化碳气体灭火系统的基础上进行哈龙替 代品的研究，相继涌现出七氟丙烷气体灭火系统、i g 5 4 1 气体灭火系统、三氟甲 烷气体灭火系统。但实际上，国内对于哈龙替代物灭火系统的研究还是比较浅显 的，到目前为止只有地方级标准供设计指导。在哈龙气体替代灭火技术中，七氟 丙烷及其灭火系统是至今世界上主要的哈龙气体替代灭火剂和灭火系统，对于七 氟丙烷灭火剂及其应用技术，国内外开展了长期的大量试验研究并已应用多年。 目前，大多数发达国家及我国的香港特别行政区已大量地使用该种哈龙替代物灭 火系统；国内大多数合资、独资企业在需要配置气体灭火系统的重要场所，也按 国家消防规范要求配置了七氟丙烷灭火系统。但目前对于有些哈龙替代物灭火系 统研究还很不充分，三氟甲烷灭火系统就是其中之一。本文1 2 节将详细介绍三 氟甲烷灭火系统的国内外研究和应用现状，第二章将具体介绍三氟甲烷灭火系统 第一童绪论 的组成和设计。 1 1 3 存在的问题和发展趋势 哈龙替代系统的建设与使用必须严格按照相关的设计规范并结合系统的技 术特性进行。因此，只凭产品通过性能检验就准入市场是不够的，还要对各类哈 龙替代系统的工程应用技术、典型场所的应用进行试验研究，并在此基础上制定 系统的设计规范。 目前，在哈龙替代灭火系统应用过程中出现的问题集中体现在以下几个方 面： ( 1 ) 在目前尚无设计规范的前提下，对系统的应用设计不作慎重、周密的 论证，忽略气体灭火系统在使用过程中必须具备的基本条件，带来不少的隐患。 ( 2 ) 相当一部分产品生产企业，由于对替代系统性能缺乏全面系统的研究， 在产品标准的制订和产品设计、制造过程中盲目照搬已有灭火系统。 ( 3 ) 对各类替代品灭火系统使用过程中应该出现或有可能出现的各种问题， 尚未开展更加深入、细致的研究工作。 可见，在强调使用替代技术的同时，首先必须落实和解决相关产品标准和设 计规范的制定工作。 虽然目前国内外研究人员正在进行“第二代”哈龙替代灭火剂的开发研究， 但由于这些新替代品的毒性、稳定性、储存特性等尚未进行相当长时间的研究， 因此，在今后的较长的一段时间内，研究机构还是将精力放在改进现有产品的使 用性能的研究上。 1 2 国内外研究现状 国外对哈龙替代技术的研究起步较早，发达国家己于1 9 9 4 年1 月1 日停止 生产卤代烷1 2 1 l 和卤代烷1 3 0 1 。目前，发达国家严格限制新安装卤代烷灭火系 统，并且积极进行卤代烷替代技术的研究和替代系统研制及其应用，已经取得了 较好的效果1 7 j ，并且出台了相关的标准，如美国消防协会编制的洁净灭火剂灭火 系统标准n f p a 2 0 0 1 等，国外的许多大公司和科研机构竞相对灭火性能进行测 试、研究，如美国海军研究实验室( n r l ) 、3 m 公司、芬华尔公司( f e n w a l ) 、 安素公司( a n s u l ) 、新墨西哥工程研究所( n m e r i ) 等均有文献报道他们的测试 报告和研究成果，并相继开发了七氟丙烷、三氟甲烷等气体灭火系统。但是，由 于国外对知识产权的保护，我们很难参考国外灭火系统设计所使用的核心参数和 计算公式，只能从基础理论出发，一步步研究。 第。章绪论 1 9 9 6 年，在公安部发布的哈龙替代品推广应用的规定中，三氟甲烷被 列入我国允许使用的哈龙替代品之一。目前我国生产三氟甲烷灭火系统的厂家已 达2 0 多家，越来越多的建筑使用三氟甲烷灭火系统，市场十分广阔，但由于没 有统一的行业标准，各个生产厂家生产的三氟甲烷灭火系统大多是根据经验对七 氟丙烷等气体灭火系统进行改造完成的。 我国于2 0 0 5 年出台了气体灭火系统设计规范，但其中并没有包括三氟甲烷 灭火系统，目前，我国只有部分省市出台了三氟甲烷灭火系统设计规范，它们之 间的差别也很大，并没有统一的理论依据，很多条款尚需推敲。在机理性研究方 面，公安部天津消防研究所刘连喜、路景志等人做了一定的实验研究，获得了管 网中灭火剂流动的压力时间曲线，分析了灭火剂喷放的具体过程，阐明三氟甲 烷灭火剂气液两相流动状态下管道压力损失的计算原理【8 l ；王致新等人在比较各 地方规范中对初始压力的计算方法的基础上，提出了新的计算方法【9 】；王煜彤等 人仿照七氟丙烷灭火系统压力损失计算公式，推导出了三氟甲烷灭火系统压力损 失计算公式【1o 】；高振锡等人总结了三氟甲烷灭火系统设计流程和灭火剂设计用 量、流体计算等设计参数的确定方法1 1 1 l 。 大部分学者在研究三氟甲烷灭火系统时，多以仿照其它气体灭火系统的设计 思路和方法为主，或者只是对一些数据的简单拟合而得出计算公式，更没有大量 的实验数据作为支撑；目前对三氟甲烷在管网中流动状态尚存在分歧，一种观点 认为是气态单相流，一种观点认为是气液两相涮引。 可见，我国对三氟甲烷灭火系统运行规律的研究还很不成熟，特别是有关一 些机理性研究，如三氟甲烷灭火剂在管网中的变化规律、流动状态等的研究还很 不成熟，对三氟甲烷仍缺乏可靠的阻力损失计算方法，也没有制定出相应的行业 设计标准，这严重制约了三氟甲烷气体灭火系统在国内的应用。 1 3 课题提出及目的和意义 由于三氟甲烷灭火剂自身性质的特殊性，其在管网中的行为非常复杂，它涉 及到流体力学、化工热力学、物理化学、相变、两相流等多方面的知识，只通过 实验很难直观形象地把握其运行规律，更不可能将理论研究深入下去。目前由于 人们对该系统的掌握程度还远远不够，所以在工程应用上也十分有限，这就给系 统的设计和相关标准的制定带来了很大困难。另外，由于灭火剂价格昂贵，实验 成本巨大，国内只有少数消防研究所做过实验研究。为了解决以上一系列问题， 本课题首次利用计算流体力学软件建立一种能够代替真实实验研究的模拟方法， 来研究三氟甲烷灭火系统的运行规律。 第一章绪论 本课题研究总的目的是研究三氟甲烷灭火系统的运行规律，为三氟甲烷灭火 系统的设计和行业设计规范的制定提供依据。具体来讲，通过对三氟甲烷在管网 中流动状态的理论分析和软件模拟，得出三氟甲烷在喷放过程中的压力、密度、 温度等物理量的变化情况，把握三氟甲烷灭火剂在管网中的变化规律，最终明确 三氟甲烷灭火系统的运行规律，在此基础上，导出三氟甲烷灭火系统设计过程中 所需的主要公式，用于指导系统设计和相关行业规范的制定。 本课题独创性地将计算流体力学软件用于气体灭火系统的研究，成本低、可 视性强，具有多方面意义。首先，能够弥补消防实验需要巨额经费的不足；第二， 能够在揭示三氟甲烷灭火系统运行规律的同时，为三氟甲烷灭火系统的设计和行 业设计规范的制定提供指导，弥补国内空缺，促进三氟甲烷灭火系统在国内的应 用；第三，该研究方法对其它气体灭火系统的研究具有指导意义。 1 4 研究方法和内容 三氟甲烷气体灭火系统设计总的原则是保证管道最终压力能够满足喷头入 口压力不低于最低工作压力的要求，那么在三氟甲烷灭火系统设计计算的众多步 骤中，压力损失计算是重中之重。如何来解决这一关键的技术问题，成为制约三 氟甲烷灭火系统开发与应用的重要步骤。随着时代的进步，现代计算机数值模拟 技术有了长足的发展，计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称 c f d ) 就是其中之一，它通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间 上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的，这就为三氟甲烷灭 火系统的模拟计算创造了有利的条件，提供了一种重要的手段。 本文在系统掌握流体动力学理论和c f d 数值计算方法的基础上，研究三氟 甲烷灭火系统的流动规律，构建三氟甲烷灭火系统的模拟方法，并利用该方法研 究三氟甲烷灭火剂流过管段时的压力损失计算公式，具体内容如下： ( 1 ) 三氟甲烷灭火系统是新型的哈龙替代灭火系统，本文首先对该气体灭 火系统做了全面又详细的介绍，包括三氟甲烷灭火剂的性质、灭火机理，三氟甲 烷灭火系统的组成、适用范围，并与其它灭火系统做了详细比较，还对三氟甲烷 灭火系统设计步骤及现有设计方法和存在的问题做了分析和介绍。 ( 2 ) 根据所收集的资料和对流体力学、两相流等基础理论的全面掌握，通 过对已有实验研究的数据和曲线的分析和计算，结合基础理论，研究三氟甲烷灭 火剂在储存和喷放过程中压力、密度和温度的变化过程和相态变化过程，为数值 模拟过程的参数设计提供理论依据。 ( 3 ) 计算流体动力学( c f d ) 可以看做是在流体基本方程控制下对流动的 第一章绪论 数值模拟，本文在系统阐述其基本模型、离散方法和求解过程以后，利用c f d 商用软件f l n t 进行三氟甲烷灭火系统模拟方法的研究，首先对已有实验装 置物理系统进行抽象概括，建立三氟甲烷灭火系统二维计算网格模型，并确定边 界类型；然后将计算网格模型导入f l u e n t 模拟软件中，接下来的模型选择和 参数设置是本文研究的主要内容之一，由于f l u e n t 提供的计算模型对问题的 适应性、模拟的精细程度、对计算机的能力要求及应用的经验方面各有千秋，所 以必须慎重选择，在没有任何前人经验可以参考的情况下，本文探索性的建立了 两种模拟方法，然后分别选择求解器，设置边界条件、材料特性，调整用于控制 求解的有关参数，初始化流场，求解，最后比较两种方法的模拟结果与实际的符 合程度，总结出适合三氟甲烷灭火系统的模拟方法。 ( 4 ) 建立好模拟方法之后，用该方法对三氟甲烷灭火系统设计计算的关键 步骤管段压力损失计算的公式进行研究，以获得更加准确的计算方法。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文所研究课题的背景，包括气体灭火系统的发展、哈龙替 代物的出现及哈龙替代技术存在的问题和未来发展趋势；然后对三氟甲烷灭火系 统的国内外研究现状做了详细介绍，在此基础上提出本课题的研究目的和意义； 最后阐述了本文的主要研究方法和内容。 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 三氟甲烷气体灭火系统是以三氟甲烷为灭火剂的哈龙替代灭火系统，具有良 好的灭火效率，灭火速度快、效果好，灭火浓度低，综合性能良好，是哈龙替代 品中最优者之一，因此得到广泛关注。 2 1 三氟甲烷灭火剂 2 1 1 三氟甲烷灭火剂性质 三氟甲烷商品名称为h f c 2 3 ( 英文名t r i f l u o r o m e t h a n e ) ，是一种无色、几乎 无味、不导电的气体【12 1 ，三氟甲烷( h f c 2 3 ) 物理性能见表2 1 ，毒性指标见表 2 2 。 表2 1h f c 2 3 物理性能 物理性能单位数值 分子量7 0 1 0 13 b a r 绝对大气压下沸点 8 2 0 凝固点1 5 5 2 临界温度 2 5 。9 临界压力m p a4 8 临界密度 k g 1 1 1 3 5 2 5 2 0 时蒸汽压m p a4 1 8 2 0 。c 时液体密度 k g m 3 8 0 6 6 2 0 c 时饱和蒸汽密度 k g m 3 2 6 3 0 2 0 c 时1 0 1 3 b a r 时过压蒸汽的比容 m 3 k g 0 3 4 0 9 化学分子式 c h f 3 化学名称三氟甲烷 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 表2 2h f c 2 3 毒性指标 性能指标 a l c 未观察到有害作用浓度( n o a e l ) 可观察有害作用最低浓度( l o a e l ) 6 5 5 0 5 0 注：a l c 是鼠群存暴露4 小时过程中致命的大约浓度。 三氟甲烷( h f c 2 3 ) 灭火剂无色、无味、不导电，故不会污染被保护对象。密 度大约是空气密度的2 4 倍，在一定压力下呈液态，不含溴和氯，无二次污染， 对臭氧层的耗损潜能值为零，对大气臭氧层无破坏作用，符合环保要求，并且其 化学性质相当稳定，基本上不与普通的金属和其他建筑材料发生化学反应，并且 与橡胶和塑料的兼容性也好，是消防部门和环保部门首推的比较理想的哈龙替代 灭火剂之一。其未观察到有害作用浓度( n o a l e ) 值大于5 0 ，毒副作用比卤 代烷灭火剂更小，是卤代烷灭火剂较理想的替代物【l3 1 。 2 1 2 三氟甲烷灭火剂灭火机理 三氟甲烷( h f c 2 3 ) 是一种物理和化学方式共同参与灭火的洁净气体灭火剂。 它提高环境总的热容量( 热容量为系统在某一过程中，温度升高( 或降低) 1 所吸收( 或放出) 的热量) ，使环境在增高相同温度下吸收的热量增加，环境温 度上升速度慢，空气达不到助燃的状态，使火没有达到理论热容值的时候就熄灭 了。在实际灭火中，灭火所需的三氟甲烷药剂量并未使空气中氧气达到助燃点以 下( 例：当灭火浓度为1 8 时，空气中的氧含量为1 7 8 ) ，这一点可认为在灭 火过程中伴有化学反应。 三氟甲烷作为一种化学灭火剂，它能在火焰的高温中分解产生活性游离基， 这些游离基参与物质燃烧过程中的化学反应，清除维持燃烧所必须的活性游离基 o h 。、i - v 等，并生成稳定的分子，从而对燃烧反应起抑制作用，并使燃烧过程中 的反应链中断而灭火。也就是说，这类灭火剂对物质燃烧的化学反应过程实际上 起着负催化剂的作用【7 】。 2 1 3 三氟甲烷灭火剂的优点 三氟甲烷灭火剂具有以下独特的优点： ( 1 ) 三氟甲烷气体不导电，是一种良好的绝缘性物质，对于扑灭电气火灾和 带电工作设备场所的火灾极为有利； 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 ( 2 ) 灭火后对所保护的物质无腐蚀、不污染、无损坏； ( 3 ) 性能稳定，长期贮存不变质，对人无害，可用在有人工作的场所； ( 4 ) 使用温度范围广，价格低廉。 2 2 三氟甲烷气体灭火系统 2 2 1 气体灭火系统分类 气体灭火系统是指以具有灭火能效的气体作为灭火介质的灭火系统，具有灭 火速度快、电绝缘性高、清洁无污渍等特点，适用于可燃气体、液体、固体表面 火灾及电气火灾，用于保护大中型电子计算机房、通讯机房、图书馆、档案库、 贵重设备室及发电机房等场所i l 引。 气体灭火系统按防护区的数量可划分为组合分配系统和单元独立系统；按照 灭火方式可划分为全淹没系统和局部应用系统；按照管路布置形式可划分为有管 网系统和无管网系统( 亦称“预制灭火系统”) ；按照储存装置压力可划分为高 压系统和低压系统。 组合分配系统是用一套气体灭火装置通过设置选择( 分配) 阀的控制实现保 护两个或两个以上防护区或保护对象的灭火系统；单元独立系统是用一套气体灭 火装置保护单个防护区或单个保护对象的灭火系统。对于使用气体灭火系统保护 的普通场所或对象，当防护区域可划分为两个或两个以上独立区域时，可以通过 经济性与合理性分析，确定选择组合分配系统或单元独立系统 1 5 , 1 6 。 全淹没灭火系统是指在规定时间内，通过管网经喷嘴向保护区喷射一定浓度 的灭火剂，并使其均匀地充满整个保护区的灭火系统。局部应用灭火系统是向保 护对象以设计喷射率直接喷射气体灭火剂并持续一定时间的气体灭火系统。全淹 没灭火系统应用时要求其防护区在灭火过程中全部封闭，且对保护区维护结构的 耐火极限和允许压强有一定要求。局部应用灭火系统对维护结构不作要求，直接 作用于保护对象，灭火时将保护对象完全覆盖 1 5 , 1 6 。 管网灭火系统一般设置灭火设备储存间，由存储装置通过管网经喷嘴向保护 区内均匀喷射一定浓度灭火剂，进行灭火。根据管路布置形式可分为均衡管网系 统和非均衡管网系统。均衡管网系统应符合如下规定： ( 1 ) 从储存容器到每个喷嘴的管道长度与管道当量长度应分别大于最长管 道长度与管道当量长度的9 0 ； ( 2 ) 每个喷嘴的平均设计流量均相等，否则，应视为非均衡管网系统。 无管网灭火系统又称为预制灭火装置，无需设钢瓶间，不设管网，将全套设 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 备集中于箱体内安放于保护区内适当位置，该系统一般适用于面积和容积较小的 防护区，且同一防护区内设置数量应受限制。预制灭火装置多采用哈龙1 3 0 1 或 七氟丙烷等用量少的灭火剂1 1 7 j 。 高压系统和低压系统是根据灭火剂的储存压力划分的。对于哈龙1 3 0 1 、七 氟丙烷、三氟甲烷等灭火剂，高压系统储存压力一般为4 2 0 m p a ( 表压) ，低压 系统储存压力一般为2 5 0 m p a ( 表压) ，对于二氧化碳，高压系统储存压力( 2 0 时) 一般为5 1 7 m p a ( 表压) ，低压系统储存压力( 2 0 时) 一般为2 0 7 m p a ( 表压) 1 1 8 1 。 2 2 2 三氟甲烷气体灭火系统分类与使用 ( 1 ) 三氟甲烷气体灭火系统分类 按灭火方式分类： 全淹没系统：在规定时间内，向防护区喷放设计规定用量的三氟甲烷，并使 其均匀地充满整个防护区的灭火系统。 局部应用系统：向保护对象以设计喷射率直接喷射三氟甲烷，并持续一定时 间的灭火系统。 按照分配形式分类： 组合分配系统：在一个建构筑物内多个需要保护的区域时，可以将多个保护 区组合起来，共同设立一套三氟甲烷气体灭火系统。 单元独立系统：每个需要保护的区域单独设立一套三氟甲烷气体灭火系统。 按照结构形式分类： 管网式系统：适用于大空间使用灭火剂较多的防护区。 无管网系统：无管网灭火系统是一种预制系统，成套生产。适用于小空间的 防护区。 本文主要研究全淹没式三氟甲烷气体灭火系统。 ( 2 ) 全淹没三氟甲烷气体灭火系统组成 系统主要由火灾报警系统、灭火控制系统和灭火系统三部分，其中灭火系统 由灭火剂贮瓶、瓶头阀、启动钢瓶、电磁阀、选择阀、单向阀、安全阀、压力开 关、称重装置、喷嘴、框架及管道等组成。根据使用要求，可组成单元独立系统、 组合分配系统和柜式灭火装置等多种形式，实施对单区和多区的消防保护1 1 9 , 2 0 。 三氟甲烷自动灭火系统采用全淹没灭火方式，系统可以设计成单元独立和组 合分配型式。典型三氟甲烷自动灭火系统组成如图2 1 所示： 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 图2 1 三氟甲烷自动灭火系统组成 灭火剂储瓶框架；灭火剂储瓶；集流管；液流单向阀；金属软管( 连接管) ；称 重装置：瓶头阀；启动管路；安全阀：气流单向阀； 选择阀；0 压力开关；o 电磁瓶头阀；o 启动钢瓶；o 启动瓶框架；o 报警灭火控制器；0 控制线路： 手动控制 盒：o 放气显示灯；o 声光报警器； 喷嘴；0 火灾探测器；0 灭火剂输送管道。 系统主要技术参数： 系统贮存压力：4 2 m p a ( 2 0 时) 灭火剂充装密度o 8 6 k g l 启动钢瓶充装压力：6 o m p a ( 2 0 c 时) 储存环境温度：- 2 0 - - + 5 0 灭火系统电磁阀工作电压：d c 2 4 v 士3 v 灭火剂储瓶规格：4 0 l ，7 0 l ，9 0 l ( 3 ) 系统使用与操作 全淹没组合分配三氟甲烷灭火系统具有自动、手动及机械应急启动三种控制 方式。 自动控制：在防护区无人时，将灭火控制柜内控制方式转换开关拨到“自动” 位置，灭火系统处于自动控制状态。当防护区发生火情，火灾探测器发出火灾信 号，报警器发出联动指令，关闭联动设备，灭火控制器发出声光报警及门灯显示 信号，经过约o 3 0 秒延迟时间( 此时防护区内人员必须全部撤离) ，发出灭火指 令，打开启动瓶容器阀，释放出的控制气体通过气控管道打开相应防护区的选择 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 阀和储存瓶容器阀，释放灭火剂进行灭火。 手动控制：在防护区有人工作或值班时，将控制柜内控制方式转换开关拨到 “手动”位置，灭火系统即处于手动控制状态。当防护区发生火情，可按下控制 器上手动启动按钮，或打开设在防护区门外的手动控制盒，按下盒内启动按钮， 即可按上述程序启动灭火系统，进行灭火。手动控制实施前防护区内人员必须全 部撤离。 机械应急手动控制：当防护区发生火情，由于电源发生故障，控制系统失灵 不能执行灭火指令时，在储瓶间内先打开相应防护区选择阀手柄( 组合分配系 统) ，再按下相应启动瓶上电磁驱动器的紧急按钮，即可释放灭火剂，进行灭火。 应急手动控制时，必须提前关闭影响灭火效果的设备，通知并确认防护区内人员 已全部撤离后方可进行【2 2 1 。 2 2 3 三氟甲烷气体灭火系统适用范围 三氟甲烷气体灭火系统适用场合： ( 1 ) 可扑灭a 、b 、c 三类火灾； a 类火灾：指固体物质火灾。固体物质往往具有有机物性质，一般在燃烧时 产生灼热的余烬，如木材、棉、毛、麻、纸张等。 b 类火灾：指液体火灾或可融化的固体物质火灾。如汽油、煤油、原油、甲 醇、乙醇、沥青、石蜡火灾等。 c 类火灾：指气体火灾。如煤气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气等引起 的火灾。 ( 2 ) 药剂喷放后，要求不留痕迹或清洗残留物有困难的场所； ( 3 ) 保护区含贵重物品、无价珍宝、珍贵档案以及软硬件等； ( 4 ) 特别适合于电信主控机房、机场控制机房、银行金库、档案馆、图书 馆、计算机房等场合； ( 5 ) 有爆炸危险的气体、液体类火灾的防护区【2 3 1 。 三氟甲烷气体灭火系统不适用场合： ( 1 ) 硝化纤维、硝酸钠等氧化剂及含氧化剂的化学制品火灾； ( 2 ) 活泼金属，如钾、钠、镁、钛、锆、铀等； ( 3 ) 金属的氢化物，如氢化钾、氢化钠等； ( 4 ) 能自行分解的化学可燃物质，如过氧化物、联胺等； ( 5 ) 可燃固体物质深位火灾。 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 2 2 4 三氟甲烷灭火系统与其它气体灭火系统的比较 ( 1 ) 系统优点 a 、与七氟丙烷灭火系统相比 七氟丙烷由于受其饱和蒸气压和粘滞系数的影响，其流动性低，输送直线距 离一般不宜超过4 5 m 1 2 4 。三氟甲烷蒸气压力高，不需要氮气加压可白行喷放， 该气体密度小，可适用于楼层很高、吊顶很高和管网很大的工程【2 1 1 ，这是七氟丙 烷灭火系统不能相比的。 三氟甲烷药剂毒性低于七氟丙烷，在火灾现场，三氟甲烷产生的氢氟酸要比 七氟丙烷的产生量少，对人的刺激小，如果是在规定的1 0 s 内系统能够喷放完的 话，在试验现场几乎闻不到刺激性味道，最适宜保护人员经常活动或人员密集的 场所【2 3 1 ，对电路板等精密设备的损害性也小。 三氟甲烷灭火剂在制造工艺上比七氟丙烷简单，原料价格也比七氟丙烷便 宜，因此三氟甲烷灭火剂批量生产以后其总体成本低于七氟丙烷，保护同样大小 的区域用量小于七氟丙烷，以5 0 0 m 3 的计算机房为基准，经过计算得出：三氟甲 烷总体工程造价低于七氟丙烷【7 】o b 、三氟甲烷不含固体粉尘油渍和腐蚀性胶状物，灭火后现场没有残留物， 不会造成对设备的污染或腐蚀，是气溶胶灭火系统难以做到的。 c 、三氟甲烷灭火速度比二氧化碳和i g 5 4 1 要快的多，可以说瞬间就将火灭 掉，而二氧化碳和i g 5 41 最起码要一分半钟的时间才能将火势逐渐压下去，能够 看到火势是逐渐小下来，最后才灭掉。 d 、与二氧化碳和七氟丙烷相比较，三氟甲烷的沸点低的多，只有零下8 2 ，因此这种灭火系统对装置的贮存间的要求就不会像二氧化碳、七氟丙烷那么 苛刻，贮存间的最低室温由其他灭火系统的0 可以下降至零下2 0 ，这对于我 国北方的广大区域和一些野外地区具有更好的适用性【2 6 1 。 可见，三氟甲烷作为灭火剂要优于二氧化碳和七氟丙烷。 ( 2 ) 系统缺点 a 、系统最大工作压力大，要求设备及管网耐压等级高，管网造价较七氟丙 烷系统高。 b 、与二氧化碳相似，三氟甲烷蒸气压随温度变化很大，钢瓶灭火剂检漏不 能采用普通的压力表，必须采用称重方式检漏。 c 、灭火剂灌装困难，钢瓶充装率受限，钢瓶数量较多。 d 、灭火浓度较高，喷射时间短，管网相对粗大。 第二章三氟甲烷气体灭火系统介绍 2 3 三氟甲烷气体灭火系统设计 2 3 1 系统设计步骤 防护区划分及净容积计算一确定灭火设计浓度一三氟甲烷灭火剂用量计算 一初选充装比、确定储瓶数一设定灭火剂喷放时间一喷头布置及管径估算一管网 计算一确定喷头型号一泄压口设置及面积计算一系统校核及结果整理一提供施 工、验收的技术要求及技术标准。 ( 1 ) 一般设置的防护分区应在l o o m 2 - - 一5 0 0 m 2 之间，体积在3 0 0 m 3 2 0 0 0 m 3 之间，用相对密闭的墙体分隔开1 2 3 1 。对于两个即以上的防护区，可采用组合分配 系统，一一个组合分配系统所保护的防护区不应超过8 个【2 5 】。 ( 2 ) 设计浓度 灭火浓度( e x t i n g u i s h i n gc o n c e n t r a t i o n ) ：在l o l k p a 大气压和规定的温度条 件下，扑灭某种火灾所需三氟甲烷在空气与三氟甲烷混合物中的最小体积百分 比。 惰化浓度( i n e r t i n gc o n c e n t r a t i o n ) ：在l o l k p a 大气压和规定的温度条件下， 能抑制窄气1 1 1 任意浓度的易燃气体、可燃液体蒸气的燃烧或爆炸发生所需三氟甲 烷在空气与三氟甲烷混合物中最小体积百分比。 可燃物的三氟甲烷h f c 2 3 设计浓度可按表2 3 取值，表内未列出的物质， 应经试验确定其灭火浓度或惰化浓度，然后乘以安全系数得灭火设计浓度或惰化 设计浓度。 ( 3 ) 三氟甲烷灭火剂的用量计算有比较成熟的公式，在此不作赘述。 ( 4 ) 充装比 充装比( 储存容器的容积与容器内三氟甲烷的质量之比，单位为l k g ) 的 大小影响单个储瓶的