CN104749331B - 洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测试方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测试方法及试验装置，基于质量守恒原理，采用蠕动泵定量输送液体灭火剂和汽化腔快速汽化的模式，建立适用于液态灭火剂的改进型杯式燃烧器试验装置，并通过实验测试和理论计算，给出灭火剂的临界灭火浓度；试验装置汽化腔初始温度设定在灭火剂沸点加30℃以上，以确保不同流量下的洁净化学液体灭火剂快速汽化，实现灭火剂的连续稳定输送，使液体灭火剂以气态方式与空气混合后通入混合器进行灭火试验，有益效果是可以精确测试出液体灭火剂的临界灭火参数，且可操作性强、测试精度高、安全可靠、成本低，可用于各种新型哈龙替代灭火剂的筛选和灭火性能评估。

Description

洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测试方法及试验装置

技术领域

本发明涉及一种灭火剂灭火性能测试方法及试验装置，特别涉及一种洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测试方法及试验装置。

背景技术

自哈龙灭火剂因环境问题被淘汰后，世界各国都在研发新型哈龙替代物。目前科研人员已摆脱了原先在卤代烷类化合物中筛选哈龙替代物的思路，正在从可在对流层降解的含溴烯烃类、氟化酮类等洁净化学物质中寻找性能优异的环保型哈龙替代灭火剂，譬如，2-溴-3,3,3-三氟烯烃(CF₃CBr＝CH₂)是一种不饱和烃，当其释放到大气环境中后，碳碳双键在大气中氢氧自由基的攻击以及光解、热解的作用下，非常容易分解，在大气中存留时间仅为几天，不会进入臭氧层对其造成破坏，也不会产生温室效应。十二氟-2-甲基戊烷-3-酮(CF₃CF₂COCF(CF₃)₂)是一种氟化酮类物质，其ASHRAE化学代号为FK-5-1-12，它在大气中的存留时间为5天，臭氧耗损潜能值(ODP)值为零，全球温室效应值(GWP)值仅为1，也不会破坏大气环境，并且具有毒性低、易储存、灭火后无残留等特点。因此，从环保性能方面考虑，这些灭火剂被公认为是最具推广应用前景的新型哈龙替代灭火剂。

在进行哈龙替代灭火剂筛选过程中，除了要考虑灭火剂的环保性能，灭火性能也是必不可少的考核指标，其中，临界灭火浓度是衡量灭火剂灭火性能的重要参数，同时也是灭火剂实际工程应用的基础数据，因此，采用科学的方法测试出各种新型灭火剂的临界灭火浓度十分必要。国内外在测试哈龙及其替代灭火剂的临界灭火浓度时，通常是采用杯式燃烧器试验装置，但是现有杯式燃烧器试验装置及其测试方法只适用于常温下为气态的灭火剂，而含溴烯烃类、氟化酮类等新型洁净化学灭火剂的沸点相对较高，常温下通常为液体，例如，2-溴-3,3,3-三氟烯烃的沸点为34℃，十二氟-2-甲基戊烷-3-酮的沸点为49℃，基于现有杯式燃烧器试验装置及方法无法进行测试。因此，当前亟需一种适用于洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度的测试方法及试验装置。

发明内容

鉴于现有灭火剂临界灭火浓度测试技术的不足，本发明提供一种可操作性强、测试精度高的洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测试方法及试验装置，解决缺乏洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度测量手段的难题，具体技术方案是，一种洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验装置，其特征在于：包括灭火剂供给部分、汽化混合部分及灭火测试部分，所述灭火剂供给部分包括灭火剂储瓶、液体灭火剂、软管、蠕动泵、胶塞、针头，软管一端插入到灭火剂储瓶内，另一端与针头密封连通，针头固定于胶塞内，胶塞密封塞入汽化腔的液态灭火剂入口，软管中部安装在蠕动泵上，通过调整蠕动泵的转速，实现灭火剂不同质量流量的输送，液态灭火剂置于灭火剂储瓶内经蠕动泵挤压驱动后从针头输入到汽化腔内；所述汽化混合部分包括汽化腔、电加热带、温度控制器、调节阀和气体流量计，汽化腔上设有液态灭火剂入口、空气进气口、混合气体出口、温度测量孔，汽化腔的空气进气口与气体流量计、汽化腔的混合气体出口与混合器的进气口、汽化腔与温度控制器通过硅胶管密封连接，连接硅胶管外部缠绕有电加热带，热电偶通过温度测量孔插入汽化腔内部，热电偶与数据采集器连接，温度控制器控制电加热带温度，进而控制汽化腔内的温度，调节阀与气体流量计连接；所述灭火测试部分包括燃料罐、燃料、升降台、混合器、烟筒、排风罩、数据采集器和计算机，燃料置于燃料罐内，燃料罐置于升降台上，混合器内部设有燃烧杯、外部设有支撑台、下部充装有玻璃珠，烟筒放置在混合器的支撑台上，混合器中部和燃烧杯内部设有热电偶，用于测量混合器及其燃烧杯内的温度，燃料罐与燃烧杯底部燃料入口密封连通，通过升降台升降调整燃烧杯内液面的高度，热电偶与数据采集器连接，数据采集器通过数据线与计算机连接，数据采集器将温度数据实时采集和储存并传输至计算机。

洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验装置，其特征在于：还包括液体灭火剂质量流量标定部分，由计算机、锥形瓶、电子天平组成，锥形瓶放置在电子天平上面，电子天平通过数据线与计算机连接，自液体灭火剂供给部分输出的液体灭火剂注入到锥形瓶内，采用电子天平和计算机实时采集锥形瓶及其内部液体灭火剂的质量数据。

洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验方法，其特征在于：采用权利要求1所述的试验装置，方法包括以下步骤，

㈠、液体灭火剂质量流量标定

采用电子天平和计算机，以每秒1次的频率实时采集记录锥形瓶内液体灭火剂的质量变化，确定不同蠕动泵转速下的液体灭火剂质量流量；

㈡、临界灭火参数测试

以一定的流量向汽化腔和混合器内部通入空气，同时启动数据采集器和温度控制器，将加热温度设定在液体灭火剂沸点+30℃以上，待汽化腔内部达到设定温度时，点燃标准燃料，预燃60s-120s；然后，启动蠕动泵，以恒定转速向汽化腔内注入液体灭火剂，如果液体灭火剂与火焰作用时间超过15s仍未灭火，则逐渐增加蠕动泵转速，提高液体灭火剂流量，直至火焰熄灭，记录蠕动泵转速、汽化腔的空气流量及温度参数，在液体灭火剂流量调整后，应至少等15s，以保证新比例的液体灭火剂和空气能到达燃烧杯位置，每个空气流量下重复测试三次，灭火剂质量流量取三次测试平均值；

㈢、液体灭火剂体积流量计算

V_ext＝60Q_extS

式中：V_ext-液体灭火剂体积流量，单位L/min；Q_ext-液体灭火剂质量流量，单位g/s；

S-实验温度下灭火剂过热蒸汽的常压比容，单位m³/kg，可根据Peng–Robinson实际气体状态方程计算，也可通过实验测试确定；

㈣空气体积流量校正

空气流量校正公式：

$V_{air}=\frac{{\mathrm{TV}}_0}{T_0}$

式中：V_air-校正后的空气体积流量，L/min；V₀-环境温度下空气流量，L/min；T-实验温度，单位K；T₀-环境温度，单位K；

㈤临界灭火浓度计算

采用以下公式计算灭火剂的临界灭火体积浓度：

$C=\frac{V_{ext}}{V_{ext}+V_{air}}\×100$

式中：C-灭火剂的体积浓度，％；V_ext-灭火剂体积流量，单位L/min，V_air-空气的体积流量，单位L/min；

本发明的有益效果是可以精确测试出液体灭火剂的临界灭火参数，并保证了测试数据的科学性和准确性，可操作性强、测试精度高、安全可靠、成本低，可用于现有洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度的测试，也可用于各种新型哈龙替代灭火剂的筛选和灭火性能评估。

附图说明

图1是本发明测试方法流程图。

图2是本发明试验装置示意图。

图3是本发明汽化腔剖面图。

图4是本发明汽化腔A向视图。

图5是液态灭火剂质量流量标定示意图。

具体实施方式

以下结合附图和对全氟己酮灭火剂对乙醇燃料的临界灭火浓度的测试，对本发明作进一步说明。

如图1、2、3、4、5所示，洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验装置，包括灭火剂供给部分、汽化混合部分及灭火测试部分，所述灭火剂供给部分包括灭火剂储瓶1、液体灭火剂2、软管3、蠕动泵4、胶塞5、针头6，软管3一端插入到灭火剂储瓶1内，另一端与针头6密封连通，针头6固定于胶塞5内，胶塞5密封塞入汽化腔11的液态灭火剂入口11-1，软管3中部安装在蠕动泵4上，通过调整蠕动泵4的转速，实现灭火剂不同质量流量的输送，液态灭火剂2置于灭火剂储瓶1内经蠕动泵4挤压驱动后从针头6输入到汽化腔11内；所述汽化混合部分包括汽化腔11、电加热带7、温度控制器8、调节阀9和气体流量计10，汽化腔11上设有液态灭火剂入口11-1、空气进气口11-2、混合气体出口11-4、温度测量孔11-3，汽化腔11的空气进气口11-2与气体流量计10、汽化腔11的混合气体出口11-4与混合器16的进气口、汽化腔11与温度控制器8通过硅胶管密封连接，连接硅胶管外部缠绕有电加热带7，热电偶12通过温度测量孔11-3插入汽化腔11内部，热电偶12与数据采集器19连接，温度控制器8控制电加热带7温度，进而控制汽化腔11内的温度，调节阀9与气体流量计10连接；所述灭火测试部分包括燃料罐13、燃料14、升降台15、混合器16、烟筒17、排风罩18、数据采集器19和计算机20，燃料14置于燃料罐13内，燃料罐13置于升降台15上，混合器16内部设有燃烧杯16-1、外部设有支撑台16-2、下部充装有玻璃珠16-3，烟筒17放置在混合器16的支撑台16-2上，混合器16中部和燃烧杯16-1内部设有热电偶12，用于测量混合器16及其燃烧杯16-1内的温度，燃料罐13与燃烧杯16-1底部燃料入口密封连通，通过升降台15升降调整燃烧杯16-1内液面的高度，热电偶12与数据采集器19连接，数据采集器19通过数据线与计算机20连接，数据采集器19将温度数据实时采集和储存并传输至计算机20。

所述软管3采用耐腐蚀型细管，内径不超过2mm，如规格为14^#的软管；

所述针头6采用实验用加长型针头，内径不超过0.4mm，如Φ0.3mm×150mm针头；

所述气体流量计10采用气体质量流量计或玻璃转子流量计,MFCD07-9E型；

所述混合器16由耐热玻璃或不锈钢制成，混合器16内部充装有玻璃珠16-3，玻璃珠16-3直径不大于8mm、充装高度不低于80mm，燃烧杯16-1为圆形，由耐热玻璃制成，内径为25mm、壁厚1.5mm、杯顶部边缘倒角45°、杯底部设有燃料入口，烟筒17为圆柱形，由石英制成，内径为85mm，排风罩18采用离心通风机进行排风；

所述电加热带7采用玻纤电加热带，规格30mm×1000mm；

所述温度控制器8控温范围不低于0～99℃；

所述热电偶12直径为Φ1mm的K型热电偶；所述数据采集系统19，采用NICDAQ9174型数据采集系统；

所述电子天平22测量精度不低于0.01g，带有数据输出功能；

所述汽化腔11为圆柱形，由耐热玻璃制作，内径35mm，长180mm，壁厚1.5mm；

以测试全氟己酮灭火剂临界灭火浓度为例，方法为，

(一)全氟己酮灭火剂质量流量标定

采用电子天平22和计算机20，以每秒1次的频率实时采集记录锥形瓶21内全氟己酮液体灭火剂2的质量变化，并通过数值计算分析，进而得到在蠕动泵转速为10～120r/min的条件下，全氟己酮灭火剂的质量流量为0.06～0.76g/s；

(二)临界灭火参数测试

以恒定空气流量(20～50L/min)向汽化腔11和混合器16内部通入空气，同时启动数据采集器19和温度控制器8，将加热温度设定在90℃，待汽化腔11内部达到设定温度时，点燃乙醇燃料14，预燃60s-120s；然后，启动蠕动泵4，以恒定转速向汽化腔11内注入全氟己酮灭火剂，如果全氟己酮灭火剂与火焰作用时间超过15s仍未灭火，则逐渐增加蠕动泵4转速，提高全氟己酮流量，直至火焰熄灭，记录蠕动泵4转速、空气流量及温度等参数，在全氟己酮灭火剂流量调整后，应至少等15s，以保证新比例的全氟己酮灭火剂和空气能到达燃烧杯16-1位置；每个空气流量下重复测试三次，蠕动泵4转速取三次平均值，具体临界灭火参数与结果见表1，其中混合器16内温度为灭火时的温度。

表1全氟己酮对乙醇燃料的临界灭火参数

(三)全氟己酮灭火剂体积流量计算

采用以下公式计算全氟己酮灭火剂体积流量：

V_ext＝60Q_extS

式中：V_ext-液体液体灭火剂气体体积流量，L/min；Q_ext-液体灭火剂质量流量，g/s，S-实验温度下灭火剂过热蒸汽的常压比容，单位m³/kg，常压比容根据Peng–Robinson实际气体状态方程，全氟己酮灭火剂过热蒸汽常压比容与实验温度(即混合器内气体温度)符合下述关系式：S＝0.000293T-0.0158。

计算结果见表2。

(四)空气体积流量校正

将空气流量按照下式进行校正：

$V_{air}=\frac{{\mathrm{TV}}_0}{T_0}$

式中：V_air-校正后的空气体积流量，L/min；V₀-环境温度下空气流量，L/min；T-实验温度，单位K；T₀-环境温度，单位K。

计算结果见表2。

(五)临界灭火浓度计算

采用以下公式计算全氟己酮灭火剂的临界灭火体积浓度：

$C=\frac{V_{ext}}{V_{ext}+V_{air}}\×100$

式中：C-液体灭火剂的体积浓度，％；V_ext-液体灭火剂体积流量，L/min，V_air-空气的体积流量，L/min。

全氟己酮对乙醇燃料的临界灭火浓度计算结果详见表2。

表2全氟己酮对乙醇燃料的临界灭火浓度

从表2可以确定出全氟己酮灭火剂对于乙醇燃料的临界灭火浓度约为5.6％。

工作原理：采用蠕动泵4将液体灭火剂2按照一定转速/流量输送至汽化腔11，通过控制汽化腔11内的温度使液体快速汽化，并与通入到汽化腔11的一定流量的空气混合，形成灭火剂/空气混合气体，再通入混合器16充分混合后，与燃烧杯16-1火焰作用，进行灭火测试，通过调整蠕动泵4转速，逐步提高液体灭火剂2在混合气体中的浓度，当液体灭火剂2浓度达到临界灭火浓度时，混合器16内的燃烧杯16-1火焰熄灭。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于质量守恒原理，通过采用蠕动泵4微量供液体灭火剂2和汽化腔11快速汽化的模式，实现了液体灭火剂2的连续、定量输送，使液体灭火剂2以气态方式与空气混合，并通入混合器16进行灭火试验，从而可以精确测试出液体灭火剂2的临界灭火参数；

(2)本发明在混合器16下部设置温度测点，精确测试出液体灭火剂2和空气混合气体的实际温度，并基于该温度对空气流量和气态灭火剂流量进行校正，从而保证了测试数据的科学性和准确性；

(3)本发明的测试方法及试验装置可用于现有洁净化学液体灭火剂2临界灭火浓度的测试，也可用于各种新型哈龙替代灭火剂的筛选和灭火性能评估，具有可操作性强、测试精度高、安全可靠的突出优点，并且成本低。

Claims (3)

1.一种洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验装置，其特征在于：包括灭火剂供给部分、汽化混合部分及灭火测试部分，所述灭火剂供给部分包括灭火剂储瓶(1)、液体灭火剂(2)、软管(3)、蠕动泵(4)、胶塞(5)、针头(6)，软管(3)一端插入到灭火剂储瓶(1)内，另一端与针头(6)密封连通，针头(6)固定于胶塞(5)内，胶塞(5)密封塞入汽化腔(11)的液态灭火剂入口(11-1)，软管(3)中部安装在蠕动泵(4)上，通过调整蠕动泵(4)的转速，实现灭火剂不同质量流量的输送，液态灭火剂(2)置于灭火剂储瓶(1)内经蠕动泵(4)挤压驱动后从针头(6)输入到汽化腔(11)内；所述汽化混合部分包括汽化腔(11)、电加热带(7)、温度控制器(8)、调节阀(9)和气体流量计(10)，汽化腔(11)上设有液态灭火剂入口(11-1)、空气进气口(11-2)、混合气体出口(11-4)、温度测量孔(11-3)，汽化腔(11)的空气进气口(11-2)与气体流量计(10)、汽化腔(11)的混合气体出口(11-4)与混合器(16)的进气口、汽化腔(11)与温度控制器(8)通过硅胶管密封连接，连接硅胶管外部缠绕有电加热带(7)，热电偶(12)通过温度测量孔(11-3)插入汽化腔(11)内部，热电偶(12)与数据采集器(19)连接，温度控制器(8)控制电加热带(7)温度，进而控制汽化腔(11)内的温度，调节阀(9)与气体流量计(10)连接；所述灭火测试部分包括燃料罐(13)、燃料(14)、升降台(15)、混合器(16)、烟筒(17)、排风罩(18)、数据采集器(19)和计算机(20)，燃料(14)置于燃料罐(13)内，燃料罐(13)置于升降台(15)上，混合器(16)内部设有燃烧杯(16-1)、外部设有支撑台(16-2)、下部充装有玻璃珠(16-3)，烟筒(17)放置在混合器(16)的支撑台(16-2)上，混合器(16)中部和燃烧杯(16-1)内部设有热电偶(12)，用于测量混合器(16)及其燃烧杯(16-1)内的温度，燃料罐(13)与燃烧杯(16-1)底部燃料入口密封连通，通过升降台(15)升降调整燃烧杯(16-1)内液面的高度，热电偶(12)与数据采集器(19)连接，数据采集器(19)通过数据线与计算机(20)连接，数据采集器(19)将温度数据实时采集和储存并传输至计算机(20)。

2.根据权利要求1所述的洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验装置，其特征在于：还包括液体灭火剂质量流量标定部分，由计算机(20)、锥形瓶(21)、电子天平(22)组成，锥形瓶(21)放置在电子天平(22)上面，电子天平(22)通过数据线与计算机(20)连接，自液体灭火剂供给部分输出的液体灭火剂(2)注入到锥形瓶(21)内，采用电子天平(22)和计算机(20)实时采集锥形瓶(21)及其内部液体灭火剂(2)的质量数据。

3.一种洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验方法，其特征在于：采用权利要求1所述的试验装置，洁净化学液体灭火剂临界灭火浓度试验方法包括以下步骤，

㈠、液体灭火剂质量流量标定

采用电子天平(22)和计算机(20)，以每秒1次的频率实时采集记录锥形瓶(21)内液体灭火剂(2)的质量变化，确定不同蠕动泵(4)转速下的液体灭火剂(2)质量流量；

㈡、临界灭火参数测试

以一定的流量向汽化腔(11)和混合器(16)内部通入空气，同时启动数据采集器(19)和温度控制器(8)，将加热温度设定在液体灭火剂沸点+30℃以上，待汽化腔(11)内部达到设定温度时，点燃标准燃料，预燃60s-120s；然后，启动蠕动泵(4)，以恒定转速向汽化腔(11)内注入液体灭火剂(2)，如果液体灭火剂(2)与火焰作用时间超过15s仍未灭火，则逐渐增加蠕动泵(4)转速，提高液体灭火剂(2)流量，直至火焰熄灭，记录蠕动泵(4)转速、汽化腔(11)的空气流量及温度参数，在液体灭火剂(2)流量调整后，应至少等15s，以保证新比例的液体灭火剂(2)和空气能到达燃烧杯(16-1)位置，每个空气流量下重复测试三次，灭火剂(2)质量流量取三次测试平均值；

㈢、液体灭火剂体积流量计算

V_ext＝60Q_extS

式中：V_ext-液体灭火剂体积流量，单位L/min；Q_ext-液体灭火剂质量流量，单位g/s；S-实验温度下灭火剂过热蒸汽的常压比容，单位m³/kg，可根据Peng–Robinson实际气体状态方程计算，也可通过实验测试确定；

㈣空气体积流量校正

空气流量校正公式：

式中：V_air-校正后的空气体积流量，L/min；V₀-环境温度下空气流量，L/min；T-实验温度，单位K；T₀-环境温度，单位K；

㈤临界灭火浓度计算

采用以下公式计算灭火剂的临界灭火体积浓度：

式中：C-灭火剂的体积浓度，％；V_ext-灭火剂体积流量，单位L/min，V_air-空气的体积流量，单位L/min。