（机械工程专业论文）二氧化碳灭火系统喷嘴流量特性测试装置的研究.pdf

摘要 喷嘴是二氧化碳自动灭火系统中使用数量最多 最重要的部件 喷嘴喷射 时的流量特性对灭火系统的灭火效果和安全性起着举足轻重的作用 二氧化碳 灭火系统喷嘴流量特性测试装置的建立 对喷嘴流量特性的测试 检验和研究 以及对该类产品质量的监督具有重要的意义 本文介绍了二氧化碳灭火剂及灭火系统的特点 分析和总结了喷嘴的结构 和流量特性 阐述了依据中华人民共和国国家标准g b1 6 6 6 9 1 9 9 6 二氧化碳灭 火系统及部件通用标准技术条件 中关于二氧化碳灭火系统喷嘴的性能要求和 试验方法的规定 研究和设计二氧化碳灭火系统喷嘴流量特性测试装置的过程 详细论述了试验装置的设计原理 支架和吊钩的设计 喷射管道的设计 传感 器的选型与安装 测量误差 数据采集和处理软件的设计以及原理 整套装置 的调试 利用设计的测试装置 在二氧化碳喷射过程中 计算机通过荷重传感器和 压力传感器实时采集并记录单位时间内喷出的二氧化碳质量和喷嘴前的压力 计算出喷嘴在不同喷射压力时单位面积的质量流量 流量特性 在对数据进 行分析的基础上 绘制出喷嘴流量特性曲线图 打印并保存有关数据 二氧化碳灭火系统喷嘴流量特性测试装置试用情况表明 该装置设计合理 方法可靠 性能稳定 易于操作 其整体技术性能能够满足工程需要 采用的 测试方法既适用于喷射过程中气液两相流的状况 也适用于单相流的状况 避 免了复杂的流动特性和热力学分析及计算等 关键词 二氧化碳灭火系统喷嘴流量特性测试 a bs t r a c t i nc a r b o nd i o x i d e a u t o m a t i cf i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s n o z z l e s a r et h em o s t i m p o r t a n tp a r t sw i t ht h el a r g e s ta m o u n tb e i n gu s e d w h e nn o z z l e ss p r a y t h e i rf l o w c h a r a c t e r i s t i e s p l a y a g r e a tr o l e t ot h e e x t i n g u i s h i n g e f f e c ta n dt h e s a f e t y o f e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s t h e r e f o r e i ti sv e r yi m p o r t a n tt os e tu pad e v i c et e s t i n gt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c so fn o z z l e si nc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m sf o rt e s t i n g i n s p e c t i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f n o z z l e s i ti sa l s os i g n i f i c a n tf o r t h e q u a l i t ys u p e r v i s i o nt ot h i sh n do f p r o d u c t s 1 1 1 i s p a p e ri n t r o d u c e st h es p e c i a l t i e so fc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n ga g e n ta n d e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s a n a l y z e s a n ds u m m a r i z e st h es t r u c t u r ea n dt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so fn o z z l e s i ti n t r o d u c e st h ep r o c e s so f r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gt h e d e v i c et e s t i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i co fn o z z l e si nc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n g s y s t e m sa c c o r d i n g t ot h e s t i p u l a t i o n a b o u t p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s a n dt e s t m e t h o d sf o rn o z z l e so fc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m si nt h en a t i o n a ls t a n d a r d g b1 6 6 6 9 1 9 9 6 g e n e r a lt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o m p o n e n t so fc a r b o nd i o x i d e f i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m s i td e s c r i b e si nd e t a i la b o u tt h ed e s i g np r i n c i p l eo f t h et e s t d e v i c e t h ed e s i g n i n go fp i p e s b r a c k e t s a n d p i p eh a n g e r s t h e s e l e c t i o na n d i n s t a l l a t i o no fs e n s o r s e r r o ro fm e a s u r e m e n t t h ed e s i g np r i n c i p l eo fd a t ac o l l e c t i o n a n dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l eo fp r o c e s ss o f t w a r e a n dt h ed e b u g g i n go ft h ew h o l e d e v i c e u s i n g t h i st e s td e v i c e d u r i n gt h ep e r i o do fc a r b o nd i o x i d es p r a y i n g d a t as u c h 舔t h e m a s so f s p r a y e dc a r b o nd i o x i d ei nu n i tt i m ea n dt h ep r e s s u r e sa tt h ei n l e t so f n o z z l e s c a nb eg a t h e r e da n dr e c o r d e da tt h er e a lt i m et h r o u g hl o a d i n gs e n s o r sa n dp r e s s u r e s e n s o r s b yc o m p u t e r s t h e n t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so f n o z z l e s m a s sf l o wi nu n i ta r e a u n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e s c a nb ef i g u r e do u t b a s i n go nt h ed a t aa n a l y s e s f l o w c h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fn o z z l e sc a nb ep l o t t e d a n dt h er e l e v a n td a t ac a nb ep r i n t e d a n ds a v e d t l p r o b a t i o no ft h ed e v i c et e s t i n gt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s o fn o z z l e si nc a r b o n d i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ss h o w sar e a s o n a b l ed e s i g n ar e l i a b l em e t h o da n da s t a b l ep e r f o r m a n c e i ti se a s yt oo p e r a t et h ed e v i c e a n di t sg e n e r a lt e c h n i c a lp r o p e r t y i sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r a c t i c a ld e s i g nc o m p u t a t i o ni ne n g i n e e r i n g 1 1 1 e t e s tm e t h o da d o p t e di sn o to n l ys u i t a b l ef o rt h es p r a yp r o c e s sw i t hg a s l i q u i dt w o p h a s e sf l u i d b u t a l s os u i t a b l ef o rt h a tw i mo n ep h a s es i t u a t i o n s oa st oa v o i d c o m p l e xa n a l y s e sa n dc o m p u t a t i o n so f f l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s e t c k e y w o r d c a r b o nd i o x i d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m n o z z l e f l o wc h a r a c t e r i s t i c t e s t 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 除了文中特别加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 也不包含为获得叁鲞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 以专w 乇签字日期 了 3 年7 月 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂洼盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授权盘鲞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 坷件 压 签字日期 o 一3 年7 月 日 导师签名 终侣 签字日期 移叼年 7 月伽日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 灭火剂和灭火系统的发展 能够有效地破坏燃烧条件 使燃烧终止的物质称为灭火剂 1 十九世 纪以来 经过研究和开发 灭火剂除了水以外已发展到多种合成类型 灭火剂 是各种灭火设备和系统的 弹药 他们只有与相应的灭火设备和灭火系统配合 才能充分发挥效能 针对不同的火灾对象 必须选择适宜的灭火剂才能取得满 意的灭火效果 按照平时的存在形态 灭火剂分为液体灭火剂 气体灭火剂和固体灭火剂 详见表1 1 表1 1 灭火剂分类 液体灭水及水添加剂水 水添加剂 火剂 泡沫灭火荆普通型泡沫灭火剂 多功能泡沫灭火剂 7 1 5 0 灭火剂 卤代烷灭火剂三氟一溴甲烷 1 3 0 1 二氟一氯一溴甲烷 1 2 1 1 等 气体灭 不燃性气体 c 0 2 n 2 1 9 5 4 1 等 火剂 其他气体灭火剂七氟丙烷等 干粉灭火剂普通干粉灭火剂 b c 多用干粉灭火剂 a b c 吲体灭 无机盐为基料的粉末灭火剂 石墨为基料的粉末灭火剂 火剂 粉末灭火剂 烟雾灭火剂等 随着灭火剂的发展 自动喷水灭火系统 泡沫灭火系统 气体灭火系统和 干粉灭火系统等相应的灭火系统也得到了很快的发展 高效 快速 安全 经 济地扑灭火灾是灭火系统长期以来研究的主要方向 气体灭火剂以其对保护对象污染少 能够扑灭a b c 类火灾和带电设备 火灾的优点得到了广泛的应用 特别是卤代烷灭火剂 因其灭火效率高 毒性 较低等特点 从其诞生至今的五十年中发展迅速 各国纷纷出台了卤代烷的设 计规范 进一步推动了灭火系统的规范化应用 1 2 课题的提出 为了保护人类健康和地球环境 1 9 8 5 年以来 联合国环境规划署先后组织 召开了多次国际会议 通过了多项关于保护臭氧层的国际条约 对卤代烷灭火 第一章绪论 剂的使用量进行了限制并逐渐淘汰 为此 国际标准化组织和各国纷纷出台了 相应的替代物标准或规范 如i s o1 4 5 2 0 2 0 0 0 g a s e o u sf i r e e x t i n g u i s h i n g s y s t e mp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds y s t e md e s i g n 2 8 1 b s5 3 0 6 2 0 0 1p a r t4 f i r e e x t i n g u i s h i n gi n s t a l l a t i o n s a n de q u i p m e n to np r e m i s e s s p e c i f i c a t i o nf o rc a r b o n d i o x i d es y s t e m s 2 9 n f p a1 2 2 0 0 0 s t a n d a r do nc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n g s y s t e m s 1 3 0 1 n f p a2 0 0 1 2 0 0 0 s t a n d a r d o nc l e a na g e n tf i r e e x t i n g u i s h i n g s y s t e m s 3 1 1 u l 1 0 5 8 1 9 9 5 h a l o g e n a t e da g e n te x t i n g u i s h i n gs y s t e m u n i t s j 副 u l2 1 2 7 1 9 9 9 i n e r tg a sc l e a n a g e n te x t i n g u i s h i n gs y s t e mu n i t 3 3 1 u l 2 1 6 6 1 9 9 9 h a l o c a r b o n c l e a n a g e n t e x t i n g u i s h i n g s y s t e m u n i t s 等 我国政府于1 9 8 9 年加入了 关于保护臭氧层的维也纳公约 1 9 9 1 年加入 了 关于消耗臭氧层物资的蒙特利尔议定书 修正案 并制定了中国削减臭 氧耗损物质国家方案 根据方案的要求 公安部中国消防行业哈龙 替代转轨 工作领导小组已制定 中国淘汰哈龙战略研究 按照 中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案 我国将于2 0 0 5 年停止生 产哈龙1 2 1 1 灭火剂 2 0 1 0 年停止生产哈龙1 3 0 1 灭火剂 近年来 随着 中国 消防行业哈龙整体淘汰计划 的实施 哈龙生产和消费量大幅度削减 哈龙替 代品和替代技术迅速发展 鉴于二氧化碳灭火剂具有毒性低 不污损设备 绝 缘性能好 灭火能力强等优点 1 9 9 6 年公安部消防局下发的 关于印发 哈龙 替代品推广应用的规定 的通知 公消 1 9 9 6 1 6 9 号 等文件 明确规定应设 置气体灭火系统的场所推荐使用二氧化碳灭火系统 并于1 9 9 9 年发布了 氧 化碳灭火系统设计规范 0 0 g b5 0 1 9 3 针对目前世界上尚没有能够完全替代啥龙的替代品和替代技术的实际情 况 公安部消防局于2 0 0 1 年8 月1 日下发了 关于进一步加强哈龙替代品及其 替代技术管理的通知 公消 2 0 0 1 1 2 1 7 号 通知指出 根据 建筑设计防 火规范 1 1 1 g b j1 6 8 7 高层民用建筑设计防火规范 1 2 1 g b5 0 0 4 5 9 5 和 人民防空工程设计防火规范 1 3 1 g b j9 8 8 7 的要求 禁止在非必要场所 安装使用哈龙固定灭火系统 非必要场所根据规范的要求宜采用传统的灭火技 术 如二氧化碳 干粉 水喷淋 泡沫等固定灭火系统 也可采用哈龙替代灭 火技术 国际标准化组织在1 9 9 0 年发布了i s o6 1 8 3 1 9 9 0 f i r ep r o t e c t i o n e q u i p m e n t 一 c a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m sf o ru s eo np r e m i s e s d e s i g n h a l o n 系表示用作灭火剂的卤代烷 第一章绪论 a n d i n s t a l l a t i o n 2 规范了国际上二氧化碳灭火系统在设计上的计算方法 参 数选择 试验方法和施工要求 验收方法等 为各国的设计和施工起到了有力 的指导作用 推动了国际上二氧化碳灭火系统的广泛应用 随着相关政策的出台 二氧化碳灭火系统生产单位和各类型产品发展很快 为此 全国消防标准化技术委员会于1 9 9 6 年制定了国家标准 二氧化碳灭火系 统及部件通用技术条件 1 6 g b1 6 6 6 9 1 9 9 6 对二氧化碳自动灭火系统及其 部件提出了技术要求 试验方法和检验规则等 1 9 9 8 年公安部给天津消防研究 所下达了 二氧化碳灭火系统及部件标准检测装置的研制 部级重点研究课题 旨在对国内外二氧化碳灭火系统及其部件的质量提供科学 可靠的检测设备 对制造商提高产品质量起到督促作用 为设计 使用和消防监督提供可靠的技 术依据 喷嘴流量特性测试装置的研究是 二氧化碳灭火系统及部件标准检测装鬣 的研制 课题的一个重要子课题 喷嘴是二氧化碳灭火系统中一个重要的部件 一般安装在管道的末端 灭火系统通过它最终将灭火药剂喷放到保护区域 喷 嘴特别是其流量特性设计得合理与否 对灭火系统药剂的喷放和灭火效果起着 举足轻熏的作用 如果设计 施工不合理 不但不能按照设想及时扑灭火灾 还会因释放过程中产生的大量干冰阻塞造成事故 或因二氧化碳的过快喷射引 起可燃液体飞溅而发生爆炸或导致火势扩大 g b 16 6 6 9 1 9 9 6 第4 3 3 条规定 喷嘴的流量特性必须由试验来确定 在正常的储存容器压力下 做喷射试验 测量出喷嘴在不同的喷射压力时单位面积的流量 所测得的试验值应不超过由 生产单位提供的被测喷嘴特性数据的 1 0 因此 建立一套喷嘴流量特性试 验装置 通过该装置来测量和计算绘制出喷嘴流量特性曲线 以判定产品是否 合格是十分必要和及时的 1 3 本论文的主要工作和目标 根据以上任务 本论文的主要工作为 确定测量范围 选取合理 可选取 不同量程 的仪器设备 对支架 吊钩 喷射管路的设计进行计算验证 对测 量误差进行分析 对试验软件提出包括安全性和可扩展性在内的编制要求并进 行调试和结果分析 对未能满足要求的地方进行改进等 其中关键点为 喷放过程中横向力的消除 振动所造成误差的消除 试验 软件的编制和拟合曲线的确定 该装置建成后能够适用于不同喷嘴类型 不同压力范围 不同钢瓶大小和 第一章绪论 质量的二氧化碳灭火系统和其他气体灭火系统的喷嘴流量特性检测 喷嘴的流 量特性曲线测量能够自动采集数据 自动进行数据处理 自动拟合曲线 测量 结果科学 可靠 4 第三章喷嘴的结构与流量特性 第二章二氧化碳灭火剂和灭火系统概述 2 1 二氧化碳灭火剂 1 9 世纪 人们发现二氧化碳对一般的燃烧反应呈现惰性 而且在较高的浓 度下可使燃烧反应终止 故可以作为灭火剂使用 2 0 世纪初 二氧化碳灭火剂 的应用有了较大的发展 早期主要是以灭火器的形式使用 其后又扩展n 氧 化碳灭火系统 到目前为止 尽管出现了多种高效的气体灭火剂 但由于二氧 化碳来源广泛 易于制造 价格低廉 其毒性远比卤代烷灭火剂低 现在仍在 广泛使用 是一种最常见的气体灭火剂 2 1 1 物理性质 表2 1 二氧化碳的物理性质 名称二氧化碳 分子式 c 0 2 分子量 o l 熔点 5 2 6 9 k p a 5 6 6 沸点 1 0 1 3 k p a 一7 8 5 舞华 密度 0 液态 c 一 0 9 1 4 密度 o 气态 g l 1 9 7 7 比重 气体 空气 1 1 5 2 9 折射率 气体 n 1 1 0 6 d 线 0 c 1 0 1 3 k p a 4 4 8 1 粘度 气体 2 0 c p a s 1 4 7 x1 0 4 表面张力 液体 5 2 2 c n m 0 0 1 6 5 临界温度 3 1 3 5 临界压力 k p a 7 3 9 5 临界密度 g e r a 3 0 4 6 熔解热 熔点 k j k g 1 8 9 7 蒸发热 溶点 k j k g 5 7 7 比热容 气体 1 5 c 恒压 k j k g 0 8 3 3 导热率 气体 o j k g k 0 1 4 7 第三章喷嘴的结构与流量特性 二氧化碳俗名碳酸气 又称碳酸酐或碳酐 是一种无色无臭气体 有酸昧 它的有关物理性质常数见表2 1 图2 1 密闭容器内 氧化碳压力与温度的关系 二氧化碳有三种物理状态 即气态 液态 固态 固态的二氧化碳又称为 干冰 是一种白色的结晶物 二氧化碳以哪种物理状态存在 取决于它的温度 和压力 图2 1 是在体积恒定的条件下 温度和压力对二氧化碳的物理状态变 化影响的关系曲线 曲线中的a 点是临界点 与此点对应的临界温度和临界压 力分别为3 1 3 5 和7 3 9 5 m p a 当温度超过临界温度 二氧化碳不受压力的影 响 完全以气态的形式存在 随若温度的升高 压力急剧上升 曲线中的b 点 为二氧化碳的三相点 与它相对应的温度和压力分别为一5 6 6 c 和o 5 2 6 m p a 在 三相点 它以气 液 固三种物理状态共存 在 5 6 6 c 3 1 3 5 的温度范围内 以气相和液相两种形式存在 气相和液相的比例由容器内的温度和压力决定 当温度低于 5 6 6 c 时 二氧化碳只以一相的形式存在 在三相点以上 压力随 温度的上升而增加 随着压力的上升 液相上方的蒸气密度也增加 与此相反 随着温度的上升 液体的密度下降 当温度上升到临界点a 3 1 3 5 时液体 的密度与蒸气的密度相等 此时二氧化碳只能以气相存在 见表2 2 2 1 2 化学性质 1 化学反应能力 二氧化碳是一种稳定性很高的惰性化合物 常温下和高温下它不会与一般 6 第三章喷嘴的结构与流量特性 的物质发生化学反应 但在高温下可以与强还原剂发生反应 例如 燃烧着的 碱金属和轻金属 可使二氧化碳还原 m g c 0 2 卜m g o c o m g c o m g o c 4 n a c 0 2 2 n a 2 0 c 二氧化碳与炽热的焦炭反应 产生有毒的一氧化碳 表2 2 密闭容器内二氧化碳的密度与温度的关系 温度 压力 a 液体密度 g c m 3 气体密度 c m 3 o3 4 7 50 9 1 40 0 9 6 53 9 5 20 8 8 80 1 1 4 1 04 4 7 90 8 5 60 1 3 3 1 55 0 6 60 8 1 40 1 5 8 2 05 7 0 50 7 6 60 1 9 0 2 56 4 1 40 7 0 30 2 4 0 3 07 1 6 40 5 9 80 3 3 4 3 l 3 57 3 8 70 4 6 40 4 6 4 2 腐蚀性 二氧化碳微溶于水 部分生成酸性报弱的碳酸 灭火时 二氧化碳与水相 遇后 对一般物质不会构成腐蚀 在无水情况下 二氧化碳会迅速挥发 在灭 火过程中不会产生任何腐蚀作用 3 毒性 二氧化碳是一种中等毒性物质 人体对空气中不同浓度的二氧化碳所产生 的生理反应如表2 3 所示 2 1 3 灭火剂产品性能指标 二氧化碳作为灭火剂使用时 其技术指标必须符合我国现行的国家标准g b 4 3 9 6 1 9 8 4 二氧化碳灭火剂 的要求 见表2 4 一级品可以作为大型灭火设备或灭火系统的灭火剂 二级品一般用于充装 小型灭火器 2 1 4 灭火原理 灭火时 二氧化碳液体被迅速喷射出来 闪蒸成大量的二氧化碳气体和部 第三章喷嘴的结构与流量特性 分干冰 减少保护空间空气中的氧含量 使燃烧达不到所需的氧浓度 当空气 中的含氧量降低到1 2 以下或二氧化碳在空气中的含量达到3 0 5 0 时 能 使一般可燃物质的燃烧逐渐窒息 二氧化碳在空气中的含量达到4 3 6 时 能 抑制汽油蒸汽及其他易燃气体的爆炸 二氧化碳对燃烧主要起窒息作用 此外 对火焰还有一定的冷却作用 表2 3 人体对空气中不同浓度的二氧化碳所产生的生理反应 二氧化碳浓度 生理反应 2 有不愉快感 3 呼吸次数和深度增加 4刺激眼 咽喉 头痛 耳鸣 头晕 脉缓 血压升高 8 呼吸困难 9 呕吐 感觉麻木 神智错乱 1 0视力变坏 头晕 发抖 一分钟内失去知觉 长时间接触会死亡 2 0麻痹中枢神经 在短时间内死亡 后遗症 万一神智错乱 如果马上移至室外 通常神智会立即恢复 不会留下任何永久性 症状 表2 4g b4 3 9 6 1 9 8 4 规定的二氧化碳灭火剂技术指标 技术 憎标 项目 一级晶二级品 纯度 体积 9 9 5 9 9 0 水含量 质量 0 0 1 50 1 0 0 油含量无油斑 乙醇等其他有机物无 1 窒息作用 二氧化碳灭火剂平时以液态的形式储存于灭火器或压力容器内 灭火时通 过喷嘴等喷射到被保护的区域 在常压下 液态的二氧化碳立即汽化 l k g 液 态二氧化碳能够产生约o 5 m 3 的二氧化碳气体 二氧化碳气体具有较高的密度和比重 见表2 1 灭火喷射后 它能够排 除空气而包围在燃烧物的周围或分布在被保护的密闭空间内 可以降低燃烧物 周围或空间内空气中的氧含量 从而对燃烧起到窒息作用 燃烧能否因窒息而熄灭 取决于空间的氧含量和燃烧物的性质 也就是充 第三章喷嘴的结构与流量特性 入空间的二氧化碳气体能否将空间中的大气氧含量降 i c n 维持可燃物燃烧的极 限氧含量以下 由于可燃物的性质不同 维持燃烧的极限氧含量也不同 根据各种物质的极限氧含量 即可按照 2 1 计算出灭火所需的二氧化碳 最低浓度 q 基x 1 0 0 2 1c mi 1 0 0 1 n 紫 l z j 式中c 晌 灭火所需的二氧化碳最低浓度 0 2 用c 0 2 一空气混合气测得的该物质维持燃烧的极限氧含量 2 冷却作用 当二氧化碳从钢瓶中释放出来 由液体迅速膨胀为气体时 会产生一个冷 冻效果 致使部分二氧化碳转变为固态的干冰 这种干冰的温度为 7 9 9 c 千冰 在迅速汽化的过程中 要从火焰和周围的环境中吸热 二氧化碳千冰的相交潜 热为5 7 7 k j k g 但是 由于只有部分二氧化碳转变为干冰 所以二氧化碳气和 干冰的总冷却效果要比预期的小得多 当二氧化碳的液相储存温度为2 t c 时 完全喷射后大约有2 5 的二氧化碳可以转化为干冰 它的平均吸热效果仅为 2 7 9 2k j k g 当液体的储存温度为 1 8 2 时 它全部喷射完后 约有4 5 转化 为干冰 其平均吸热率为3 9 5 4k j k g 而0 c 的水 若全部转化为蒸汽 其吸 热率为5 8 9 2 k j k g 由此可见 二氧化碳的冷却作用是很小的 在灭火过程中 不会起主导作用 2 1 5 适用范围 二氧化碳主要适用于在封闭空间内下列可燃性危险物质火灾的扑救 1 液体或在着火情况下可液化的固体火灾 2 气体火灾 灭火后仍在泄漏 有可能形成新的爆炸混合物的气体火 灾除外 3 具有有机特性 燃烧过程中可能伴有深部位火的一般固体物质的火 灾 4 带电设备的火灾 经常用于保护的设备 场所 浸渍槽 熔化槽 轧制机 印刷机 纺织机 发电机 油浸变压器 液压 设备 烘干设备 干洗设备 除尘设备 炊事炉灶 喷漆生产线 电器老化间 水泥生产流程中的煤粉仓 电子计算机房 数据存储间 纸张库 棉花库 烟 草库 食品库 中草药库 皮毛储存库以及船舶的机舱和货舱等 9 第三章喷嘴的结构与流量特性 2 2 二氧化碳灭火系统 2 2 1 分类 二氧化碳灭火系统按照应用方式可分为全淹没灭火系统和局部应用灭火系 统 全淹没灭火系统由固定的二氧化碳供给设施 通过与之相连的带喷嘴的固 定管道 向指定的可封闭空间施放二氧化碳灭火剂 能在要求的时间内达到灭 火浓度 局部应用灭火系统由固定的二氧化碳灭火设备 通过与之相连的带喷 嘴的固定管道 向保护对象施放二氧化碳灭火剂 使着火部位在规定的时间内 达到灭火浓度 全淹没灭火系统应用于扑救封闭空间内的火灾 局部应用灭火系统应用于 扑救不需封闭空间条件的具体保护对象的非深位火灾 2 2 2 二氧化碳灭火系统的组成 二氧化碳灭火系统的组成如图2 2 所示 当一个建 构筑物中存在多个需 要保护的区域时 可以将几个保护区组合起来 共同设立一套灭火剂储存装置 形成如图2 3 所示的组合分配系统 2 2 3 二氧化碳灭火系统的控制程序 二氧化碳灭火系统控制程序如图2 4 所示 当被保护的区域发生火灾 某个感烟 或感温 探测器最先捕捉到火警信 息 输给报警控制设备 继而由另一个探测器捕捉到火警信息输给报警控制设 备 合成 与门 此时 发出火灾报警信号及发送灭火指令 此外 灭火指令 和火灾报警亦可由人目测后人为发出 灭火指令下达后一般延迟o 3 0 s 可调 才启动灭火系统 目的是让人们有时间撤离即将设施灭火的区域 灭火动作的同时 或之前 完成设备联动 包括关闭通风设备与开口 并 发出声 光报警 灭火后 打开通风系统进行换气 换气完成后 人们方可进入灭火后的现 场 2 2 4 灭火时间 二氧化碳灭火系统的灭火时间系指从二氧化碳喷嘴开始喷射灭火剂开始至 保护区达到设计灭火浓度为止的一段时间 二氧化碳灭火系统的灭火时间与燃烧物料和场所情况有关 全淹没灭火系 1 0 第三章喷嘴的结构与流量特性 统扑灭明火的时间一般为一分钟 扑救深位火灾时 喷射时间不应大于7 m i n 并应在前2 m i n 内使二氧化碳的浓度达到3 0 局部应用灭火系统的灭火时间 一般为3 0 秒 对于燃点温度低于沸点温度的液体和可熔化固体的火灾 二氧化 碳的喷射时间不应小于1 5 r a i n 一 lr 一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 l 图2 2 二氧化碳灭火系统组成 2 l 1 一灭火剂储气钢瓶2 一汇流管3 一连接软管 7 一喷嘴8 一火灾探测器9 一报警和控制装置 线路 4 单向阀5 一选择阀6 启动装置 l o 一灭火剂输送管道 1l 一探测和控制 第三章喷嘴的结构与流量特性 1 2 o醯瓣姆垛 k髓求啦鼎 山觋 第三章喷嘴的结构与流量特性 厂 l 图2 4 二氧化碳灭火系统程序方框图 1 第三章喷嘴的结构与流量特性 第三章喷嘴的结构与流量特性 3 1 喷嘴的结构 喷嘴的作用是控制灭火剂喷射的速率并使其迅速汽化 从而使灭火荆在封 闭空间内或被保护的危险区域内形成均匀的气体分布以达到灭火的目的 喷嘴分为全淹没灭火系统喷嘴和局部应用灭火系统喷嘴 全淹没灭火系统 喷嘴在喷射灭火剂时能使灭火剂迅速汽化并均匀地分布在整个被保护的封闭空 间内 局部应用灭火系统喷嘴喷射二氧化碳气体或气一液混合物 喷出的灭火剂 在喷嘴出口处形成圆锥形或扇形扩散到局部被保护的危险区域内 喷嘴的结构应能使二氧化碳灭火剂在规定的压力下雾化良好 喷嘴的出口 尺寸应能使喷嘴喷射时不会被冻结 图3 l 图3 4 是二氧化碳灭火系统常用的 喷嘴的结构图 喷嘴的各部分采用酎腐蚀的材料制作 并应符合相关标准的强度和耐温度 性能 g b l 6 6 6 9 1 9 9 6 第4 3 2 条对喷嘴孔的基本尺寸提出以下要求 无过滤装景 的喷嘴 其喷嘴孔的横截面积应大于7 r a m 2 且喷嘴孔的直径或非圆孔的任一 边长应大于3 咖 有过滤装置的喷嘴 其喷嘴孔的横截面积应大于2 m m 2 且 喷嘴孔的直径或非圆形孔的任一边长应大于1 5 m m 过滤器的开口面积应大于喷嘴孔全部横截面积的5 倍 3 2 喷嘴的流量特性 3 2 1 定义 喷嘴的流量特性是指在不同的喷射压力下喷嘴单位面积的流量 喷射率 通过数据处理和回归等方法将喷嘴在不同压力下的喷射率绘制成一条曲线 叫流量特性曲线 水流量系数为o 9 8 的喷嘴叫做标准喷嘴 标准喷嘴的结构图3 5 所示 根据g b5 0 1 9 3 二氧化碳灭火系统设计规范 中给出的标准喷嘴喷射率与 压力的关系表 绘制出高压和低压系统标准喷嘴的流量特性曲线 见图3 6 和 图3 7 其它非标准喷嘴 流量系数不为0 9 8 通过和标准喷嘴比较流量系数 便可以得出其流量特性曲线 1 4 第三章喷嘴的结构与流量特性 圈3 1全淹没喷管喷嘴幽3 2 全淹没无喷管喷嘴 图3 3 局部应用架空型喷嘴 图3 4 局部应用槽边型喷嘴 第三章喷嘴的结构与流量特性 圈3 5 标准喷嘴结构图 图3 6 高压系统标准喷嘴流量特性曲线 图3 7 低压系统标准喷嘴流量特性曲线 6 第三章喷嘴的结构与流量特性 对于一个特定的喷嘴而言 其流量系数是固定的 可由公式 3 1 计算得 出 c a 2 丽1 0 6 g c 一 式中 喷嘴的孔口面积c r a m 2 5 c d 流量系数 o 一灭火剂的质量流量 k g s p 灭火剂的密度 k g m 3 p n 一喷嘴前压力 p a 通过该公式可以看到 由于喷嘴的孔口面积和灭火药剂的密度是固定的 因此 喷嘴的流量系数只与两个因素有关 一个是灭火剂的质量流量g 另一 个是喷嘴前压力r 在灭火剂喷放过程中 只要测量出这两个数据 就可以计 算出喷嘴的流量系数c d 3 2 2 流量特性曲线的应用 对非标准喷嘴 一般情况下 我们通过试验的方法直接测量灭火剂的质量流 量g 和喷嘴前压力p 绘制出流量特性曲线 在工程实际应用中 g b5 0 1 9 3 1 9 9 9 二氧化碳灭火系统设计规范 给出了 各种保护场所所需的二氧化碳灭火浓度 灭火时间 喷嘴的安装方式等 有关 喷嘴的参数是按照标准喷嘴的流量特性给出的 这就要求设计施工的过程计算 喷嘴的等效孔口面积 喷嘴等效孔口面积按公式 3 2 计算 f 旦 3 2 q o 式中f 一喷嘴等效孔口面积 h 强2 g 一喷嘴质量流量 k g s q 0 一标准喷嘴的喷射率 k g s m m 2 由 3 2 和 4 3 可以得出 3 3 f a q q 3 3 q o 测量出喷嘴的流量特性曲线后 就可以确定在 定的压力下喷嘴的喷射率 与标准喷嘴孔口面积进行换算后的喷头孔口面积 第三章喷嘴的结构与流量特性 q 通过图3 5 或图3 6 查出标准喷嘴在该压力下的喷射率q 0 便可通过 3 3 计算出喷嘴的等效孑l 口面积f 根据计算出的单个喷嘴的等效孔口面积 可以在设计规范等标准中查找到 工程设计所需的相关数据 为其他计算和设计提供了便利 同时根据设计规范 中给出的单个喷嘴的等效孔口面积系列查找出实际喷头产品的对应规格 计算 出实际所需的喷嘴数量等 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 4 1 设计原理 根据喷嘴流量特性的定义 需要测量喷嘴在不同喷射压力时单位面积的质 量流量 这里采用质量流量 既可以满足喷射过程中的两相流问题 又可以满 足单相流的状况 为了绘制喷嘴流量特性曲线图 需要记录灭火药剂在喷射过 程中单位时间内从喷孔喷出的灭火药剂质量和喷嘴前的压力 喷嘴前压力可以 通过压力传感器直接采集得到 单位时间内从喷孔喷出的灭火药荆质量可按如 下方法计算 起始时 灭火药剂钢瓶连同药剂的总重量为m 当灭火药剂开始喷放后计 时 在某一时刻t l 通过荷重传感器采集到的灭火药剂钢瓶连同药剂的质量为 m t 那么在t l 时间段内从喷嘴喷出灭火药剂的质量a m 喷射量 为 m n l 1 1 1 1 4 1 在t 1 时刻喷嘴的质量流量为 g 鲤 4 2 t l 在t l 时刻喷嘴的喷射率为 q x g 罴 根据该原理 将荷重传感器和压力传感器的输出信号传输给计算机 通过 采集到的数据绘制 压力 时间 p t 曲线 质量一时间 m t 曲线 经计 算机计算处理最终绘制出 喷射率 压力 q p 曲线 整套装置的工作原理如图4 1 所示 实体如图4 2 所示 4 2 装置设计 4 2 1 支架及吊钩的设计 1 结构 支架设计考虑了所测量瓶组的最大直径和最大重量情况 1 9 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 图4 1 喷嘴流量特性试验装置工作的原理图 随着灭火系统的不断发展 大容积的钢瓶组已经广泛使用在消防工程中 相对于小容积钢瓶而言 大容积的钢瓶在工程应用中具有其特有的优势 它不 但可以大大地节省使用空间 同时也简化了管道的设计 因此 根据当前工程 使用中最大容积钢瓶的直径和重量来设计支架的孔径及支架的承载能力 目前 工程应用中使用的钢瓶的最大容积为1 8 0 l 直径为3 5 0 n m a 根据 直径的要求 支架的孔径设计为4 5 0 r a m 最大承载重量为3 0 0 k g 支架上部如 图4 3 所示 选用 轻轨 7 1 g b t1 1 2 6 4 1 9 8 9 中类型为8 k g m 的轻轨 支 撑盘选用厚度为1 0 m m 的钢板 2 支架的最大承重能力校核 根据支架的设计原理可知 当一定重量的灭火剂钢瓶悬挂在支架吊钩上时 支架受到向下的集中载荷作用 使得支架上部的轻轨梁发生弯曲变形 因此 对梁的校核只考虑粱发生弯曲变形时的承重能力 轻轨梁的受力可简化如图4 4 所示 2 0 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 图4 2 试验装置 图4 3 支架上部 2 i 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 pp 圈4 4 轻轨的受力分析图 q p 一拉力 n m 一码矩q 一舅力 其中 拉力p m g 长度l 7 5 0 m m 长发a 3 2 0 m m 由 机械设计手册 表1 6 7 查得 对a c 段 q p m g g m p l 心一仿k 畔一 矧2 恃 x 一掣 m g 2 x 一 3 2 0f7 5 03 2 01 1 0 0 0 l 1 0 0 01 0 0 0j 里 x一0 183 2 对c d 段 q 0 7 5 0 1 0 0 0 l l 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 m m 一 竿 t m g 0 0 6 8 m g 由g b t1 1 2 6 4 轻轨 查得 轻轨的高度 6 5 m m 腹板厚d 7 0 m m 下 部宽b 5 4 m m 腹板高h 一 3 6 m m 轻轨的最小抗弯系数为顶部的抗弯系数 w 删 1 6 4 c m 3 抗拉强度ob 一 7 0 0m p a 由 材料力学 5 知 对于长度是高度的八 九倍以上的梁 可以忽略剪 力的影响 实际使用的轻轨长度是其高度的1 l 倍 在计算中可以只考虑弯矩对 变形的影响 轻轨所受的正应力应符合公式 4 4 的要求 o 坠 o 4 4 w m 根据 机械设计 1 2 4 1 取轻轨的安全系数i s 4 则许用正应力 2 面 等枷s m p a 所以 一0 0 6 8 m g 1 7 5x1 0 6 由计算知 该钢梁的最大承载质量为4 3 0 7 k g 远大于设计的承载量3 0 0k g 3 钢瓶在喷射过程中的横向抖动问题的处理 由于容器阀的喷放口一般设计为侧向 当容器阀被打开后 储压的二氧化 碳从钢瓶中迅速喷放 势必会给钢瓶一反作用力 使钢瓶发生横向抖动 这样 将使荷重传感器在采集钢瓶实际重量时产生一定的偏差 从而最终影响喷嘴喷 射特性曲线的真实性 为了防止钢瓶在喷射过程中的横向抖动 减小数据采集的偏差 在支架的 设计过程中 增加了对钢瓶横向抖动的三个方向的定位装置 为了适应不同高 度的钢瓶样品 定位装置分上下两组 每组定位装置成1 2 0 0 角均匀布置在支架 上 定位装置的结构如图4 5 所示 定位装置通过径向丝杠来调节空间尺寸大小 当旋动手柄时 丝杠会向前 矧嘉 一 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 或向后移动 以适应不同直径的钢瓶 丝杠的端部均装有滚动轴承 当轴承和 钢瓶壁完全接触后 可以阻止钢瓶在喷放二氧化碳时的横向抖动 同时大大减 小了二者之间的摩擦力 减小了荷重传感器的采集误差 图4 5 定位装置 4 2 2 喷射管道设计 l 管路的选取原则 当容器阀被打开后 二氧化碳通过管道流向喷嘴 最后喷射到空间中 此 时二氧化碳钢瓶的重量发生了变化 荷重传感器输出信号 但此时喷出的气体 还没有到达压力传感器部分 喷嘴处的压力传感器却没有信号 这样就形成了 两个传感器信号不同步的现象 为了减少由于管道长度引起的重量和压力信号采集的不同步性 管道设计 时充分考虑了减少由于管壁内部粗糙 缩径 接头和弯头等引起的管道损失 选取了管道公称直径与喷嘴进口公称直径一致且内壁光洁无缝不锈钢管 g b 1 3 2 9 6 1 9 9 1 详细规格见表4 1 管路中尽量减少使用弯头 接头等管件 并 尽可能减小了管道的长度 但是 为了充分保证二氧化碳气液两相流的稳定喷 第四章喷嘴流量特性试验装置的设计 出 要求管道的长度至少为2 0 倍的管道直径