杭州新纪元消防科技有限公司

汪文虎 闵苏宏

卤代烷广泛用作制冷剂、灭火剂、推进剂和溶剂，自从发现此类化合物会破坏大气的臭氧层遭到禁用之后，人们纷纷寻找其替代物。由于卤代烷在性质上有独特的优点，而导致臭氧层破坏的元凶不是氟而是氯，因此用氟碳烷替代氟氯碳化合物是一个重要趋势。对于灭火剂而言，当今用三氟甲烷代替1211，七氟丙烷代替1301是常用的选择。

七氟丙烷灭火系统在我国已经用得很普遍，但是尚未制定国家规范，尽管有一些地方规程，却还不很成熟。因此，本文对相关问题作一些讨论，以便为程序化的设计计算做准备。

 1．  固定灭火系统的类型

所有固定灭火系统设计的共同要求是：在灭火系统启动的指定时间，在指定的防护区，达到指定的灭火剂剂量。设计的原理涉及热力学和水力学，前者关系到流体流动的推动力，后者关系到流体流动的阻力。

就设计计算方法而言，灭火系统可以按照流动类型分为：

① 纯液体：水系统；

② 纯气体：IG541，IG55，IG01(氩气)；

③ 汽液两相流：二氧化碳、1211、1301、三氟甲烷、七氟丙烷，泡沫；

④ 汽固两相流：干粉；

⑤ 汽液固三相流：二氧化碳排放初期。

汽液两相流还可以进一步分为：一元系统和二元系统。前者的蒸汽压较高，靠自力推动；后者在常温下的蒸气压较低，需要外力推动。1211和三氟甲烷属于一元系统，1301和七氟丙烷属于二元系统。

二元系统的汽液两相流变数较多，而且涉及二元相平衡，故而计算较为复杂。

       同一种流动类型，具有相同的物理模型和计算程序，只是物性系数不同。不同的流动类型，则有不同的物理模型和计算程序。

2. 多相流概述

多相流乃是常见的现象，河流中流淌的含泥沙的水流，蓝天上飘浮的白云，皆为多相流。可是，对于多相流的详细研究还只是近50年的事情，究其原因在于近代工业的实用背景。

汽液两相流的研究，大多针对原油开采、核动力、化工和热力系统的蒸发冷凝、液体的雾化等等场合。汽固两相流，着重研究固体颗粒的流态化。消防系统只不过是其中的一个角落。

多相流的情况远比单相流复杂，区分为多种流动型态。以水平汽液两相流为例，其流态可以分为：气泡流、气柱流、分层流、波动流、团状流、环雾流、弥散流等等，各种流态下适用的公式并不一样。灭火系统的质量流速很大，可以作为“均质流”简化处理。然而，灭火系统属于非稳态的不定常，管网复杂易变，又为设计计算带来了困难。

3. 汽液两相流灭火系统计算方法概况

       汽液两相流灭火系统中，使用最早和最多的是二氧化碳系统。我国二氧化碳灭火系统规范GB 50193-93参照了美国NFPA 12标准，而后者的计算方法源自Hesson的博士论文。1977年Wlliamson在此基础上作了改进, 用来预测1301系统, 后来成为NFPA 12A标准。对于七氟丙烷，我国已经有了地方标准。近来 Tom Wysochi在他的

“SINGLE POINT FLOW FOR CALCULATIONS FOR LIQUEFIED COMPRESSSED

GAS FIRE EXTINGUISHING AGENTS”一文中以七氟丙烷为重点，对于灭火系统的两相流计算作了较为详细的讨论，但是没有给出具体的计算公式。即便如此，灭火系统的两相流的计算还有不少有待解决和改进之处，本文按灭火系统的各个环节，结合现有文献资料进行讨论，提出今后工作方向。

4. 储存容器压力变化

灭火剂合推进剂存储在气体钢瓶中，随着灭火剂喷放，储存容器压力的变化由三种不同的处理方法：

① GB 50193-93和NFPA 12对二氧化碳按恒温恒压处理，高压系统容器压力为750psi（每平方英寸磅）；

② Wysochi的文章，七氟丙烷按等熵膨胀处理，系降温降压过程；

③ 我国的七氟丙烷地方规程，七氟丙烷按推进剂（氮气）作为理想气体等温膨胀，计算压力的下降。

无论理论或是实践，以上三种假定皆不正确。实际情况是：气体或气-液两相流的膨胀介乎等温与绝热之间，二氧化碳或七氟丙烷灭火系统喷放速度非常之快，接近于绝热，膨胀时压力下降，只不过二元系统的压降较大。即使是绝热过程，也不符合等熵条件，绝热-等熵属于封闭系统的概念，开口系统的绝热膨胀温降较封闭系统小。关于开口系统的膨胀问题，作者等人有专著讨论。

还应该说明的是：氮气-七氟丙烷属于二元系统，它的膨胀涉及二元相平衡、物料平衡和能量平衡，并非一般的手工计算可以胜任。

5. 管道流动阻力

       汽液两相流的流动阻力计算公式很多，然而众多的资料都提到：当汽液两相中质量流量 > 2700 kg/m²/s（各份资料上的具体数字不完全统一），可以作为“均质流”系统处理。灭火系统就属于这种“高质量流”情况。

       氮气-七氟丙烷混合物在钢瓶中，下部是饱和液体，上部是饱和蒸气，以饱和液体的形态流出钢瓶。由于压力下降，流出物发生汽化，可以想象其状况和啤酒开瓶相类似。

       对于“均质流”的两相流，现有的方法是按照不可压缩流体，即液体的伯努利方程计算，Hesson对二氧化碳的膨胀按等焓膨胀计算。但并不等于可以按照两相流中的饱和液体密度来计算流动阻力。这种情况，按照工程上的说法叫做“气阻”，其流量要比纯液体计算的为小。

       我国为了制定地方规程，对于七氟丙烷的喷头流量做过试验，结果表明：在相同的喷头压力下，额定储存压力较高的系统喷头喷射强度较小。这是因为氮气-七氟丙烷混合物的密度是过程量，而不是状态量，额定储存压力较高的系统的饱和液体中含有较多的氮气，期流动阻力较大。因此，我国“清洁气体灭火系统设计规范”（初稿）第3.3.4条款，提出HFC-227ea（七氟丙烷）和HFC-23（三氟甲烷）的管网压力损失应采用两相流动方程计算，是正确的。

       “均质流”的气液两相流的管道流动阻力计算仍有改进的余地。气液两相流肯定是可压缩流体，应该按照可压缩流体的水力学方程计算。我们验算过Hesson的二氧化碳气液两相流管道输送公式，得知该公式假定管道流为等焓过程，与实际情况较为符合，但是对管道粗糙度的取值和我国实情不符。

6. 喷嘴计算

       目前，无论二氧化碳或是七氟丙烷系统喷头流量皆为实验数据。这种做法有它的合理性和必要性，但是也有局限性。由于灭火系统是不定型的，管线长度和管道容积/储器容积变动幅度很大，最好还是通过模拟计算核试验相结合的方法，进行验证。例如，我国使用的低压二氧化碳系统，已经发生数次喷头堵塞的故障，造成严重后果，此类事件的缘由和解决方案都需要理论、模拟和试验，才能把问题消灭在设计阶段。

       气体喷嘴的计算方法，工程热力学书籍都有介绍，这些方法按照理想情况作了简化，我们对IG541的喷嘴用Lee-Kesler状态方程作过严格计算，跟简化的公式差别不是很大。然而简化的公式对于气液两相流完全不能适用。用等熵和能量平衡原理计算二氧化碳喷嘴发现两相流喷嘴存在效率问题，具体地说焓的下降没有理论计算的那么大，需要进行效率修正。至于二氧化碳喷嘴数据得到的效率关系能否使用于其它灭火系统的气液两相流喷嘴，尚待验证。

7. 气液相的机械分离

       Wysochi提到的氮气-七氟丙烷在流过三通发生的气液相机械分离引起的密度变化问题，值得重视。此类问题在干粉系统同样存在。虽然完全对称的系统可以避免机械分离引起的密度偏差，但是现场设计可能难以做到完全对称，也可能为了对称而增加很多投资，在经济上不合算。

       Wysochi对于“牛头型”三通和“直旁型”三通分别按流量分配率对实验数据关联的方法进行密度修正，值得借鉴。

8.        分时计算

灭火系统属于非稳态过程，其喷放过程自始至终各点的参数都在变化，现有的设计大多采用 “单点流量计算方法”即平均法，以一个瞬间——通常取50%流出时的条件，来代表全过程。Wysochi一文中提到：“从直观的感觉便会知道增量法会比平均法产生比较正确的结果，但是计算起来比平均法复杂很多”，而采用了平均法计算。我们在IG541的计算时采用了增量法，认为远比平均法合理，而且在程序设计方面时可以实行的。

9.        最优化设计

工程设计不仅要做到结果正确，而且应该具有经济观点，以满足投资最小化的要求。以七氟丙烷灭火系统为例，人们常会想到较粗的管径会有较小的压力降，流量会比较大；其实，扩大管经的结果会使得管内滞留量增大，致使推动力减小，因此，管经、储器容积、七氟丙烷充填量需要总体优化，才能获得最佳效果。用计算机计算，才有可能实现优化设计，这也是当前国家提出的信息化带动产业化的一个重要内核。

10.    今后工作

我国的消防规范正在从限制性向指导性的发展，从某种意义上可以理解为：正确的数学模型必须建立在正确的物理模型基础之上，因此在制定规范时，要确定合理的物理模型 ，至于其数学表述可以给设计人员留有余地，而且能够与时俱进。本文首先讨论的是，七氟丙烷灭火系统的物理模型和计算的原则，以后再讨论具体的计算方法。

当前，制定七氟丙烷灭火系统的计算方法的主要困难是缺少一些基础数据，尤其是缺乏氮气-七氟丙烷二元系统的相平衡数据。现已查到的七氟丙烷性质数据，如下表所列。

 表1.  1,1,1,2,3,3,3—七氟丙烷物性数据

此外，我们还对七氟丙烷的物理性质和热力学性质进行了关联，其结果可以满足工程计算需要，详见《HFC227ea的物性》一文。

 我们不仅要学习国外的经验，还应该对于现场经验、基础理论、实验测定、电脑软件四方面加以全面整合，才能形成自主知识产权，制定出先进而合理的七氟丙烷灭火系统规范。

 杭州新纪元消防科技有限公司，2002/12/27初稿