D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.11.045 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2009 高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 杨雄)刘应书)沈民) 刘文海)张辉)李永玲)孟宇) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)青藏铁路公司劳卫部，西宁810007 摘要为了解决高海拔地区的富氧安全问题，通过实验模拟高原低气压环境，研究了滤纸、棉布和涤卡在富氧环境下燃烧 速度的变化情况·由实验可得，氧分压不变时，随着海拔的升高，材料的燃烧速度显著加快。结果表明，在高海拔地区，富氧到 与一个标准大气压中氧分压一致，会产生火灾危险·通过对实验数据的分析，得出了高原低气压环境下室内富氧的安全氧浓 度上限. 关键词高原；富氧：氧浓度；浓度上限：燃烧速度 分类号X932:TK16 Maximum safe concentration of oxygen-enriched atmosphere in high altitude YANG Xiong).LIU Ying shu),SHEN Min2),LIU Wen-hai),ZHA NG Hui),LI Yong-ling).MENG Yu) 1)School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Occupational Safety and Health Administration.Railroad Company of Qinghai-Tibet.Xining 810007.China ABSTRACI In order to reduce the possibility of fire hazards in oxygen-enriched atmosphere,the burning rate of thin materials such as filter paper.cotton fabric and Dacron khaki in low barometric pressure and oxygen-enriched atmosphere was studied experimental- ly.The results show that the burning rate increases significantly with increasing altitude when the partial pressure of oxygen is con- stant.It is indicated that fire hazards will be caused in high altitude if the oxygen partial pressure is increased up to the oxygen partial pressure under the condition of the standard atmospheric pressure.The maximum safe concentration for oxygen-enrichment in high altitude was obtained from the analysis of experiment results. KEY WORDS high altitude:oxygen enriched:oxygen concentration:safe concentration:burning rate 近年来，随着西部大开发的不断深入，越来越多 可燃材料在不同大气环境下的燃烧特性有很大 低海拔地区的人进入高海拔地区，随着海拔的增 差别，如平原地区使用的打火机在高原地区无法打 加，空气中氧分压下降，低海拔地区的人进入高原后 着，汽车在高原地区运行时的效率会比在平原地区 会表现出极大的不适应并引发高原反应，对人们的 大幅下降.Simons和Archibald3研究了滤纸条和 正常生产和生活造成极大的影响，通过室内环境富 棉布条在同一氧分压下，改变大气压力时燃烧速度 氧，不但可以减少高原低氧环境对身体的损害，还可 的变化情况.Dor中通过向一密闭容器加压研究了 以提高体力劳动和脑力劳动的效率山.氧气体积分 不同气压和氧气体积分数条件下滤纸燃烧速度的变 数的增加虽然满足了人们对氧气的需求，但也可能 化，并用氦气取代氮气进行了实验研究.Klein研 带来火灾危险，历史上就曾经发生过很多因为氧气 究了棉布在氧一氮和氧一氦二元气体组分情况下的 体积分数过高而引发的事故).因此，高原低气 燃烧速度情况，基于滤纸等材料在富氧环境下燃烧 压环境安全氧气体积分数上限的确定成为高原富氧 速度，国外规定氧舱中氧气的体积分数不得超过 安全的重要课题 23.5%,我国规定氧气的体积分数不得超过 收稿日期：2009-01-16 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(Na.2006BAC07B01) 作者简介：杨雄(1984-），男，博士研究生：刘应书(1960一)，男，教授，博士，E-mail:yliu@mc~usb-edu-en
高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 杨 雄1） 刘应书1） 沈 民2） 刘文海1） 张 辉1） 李永玲1） 孟 宇1） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 青藏铁路公司劳卫部西宁810007 摘 要 为了解决高海拔地区的富氧安全问题通过实验模拟高原低气压环境研究了滤纸、棉布和涤卡在富氧环境下燃烧 速度的变化情况．由实验可得氧分压不变时随着海拔的升高材料的燃烧速度显著加快．结果表明在高海拔地区富氧到 与一个标准大气压中氧分压一致会产生火灾危险．通过对实验数据的分析得出了高原低气压环境下室内富氧的安全氧浓 度上限． 关键词 高原；富氧；氧浓度；浓度上限；燃烧速度 分类号 X932；T K16 Maximum safe concentration of oxygen-enriched atmosphere in high altitude Y A NG Xiong 1）LIU Y ing-shu 1）SHEN Min 2）LIU Wen-hai 1）ZHA NG Hui 1）LI Yong-ling 1）MENG Y u 1） 1） School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Occupational Safety and Health AdministrationRailroad Company of Qingha-i TibetXining810007China ABSTRACT In order to reduce the possibility of fire hazards in oxygen-enriched atmospherethe burning rate of thin materials such as filter papercotton fabric and Dacron khaki in low barometric pressure and oxygen-enriched atmosphere was studied experimentally．T he results show that the burning rate increases significantly with increasing altitude when the partial pressure of oxygen is constant．It is indicated that fire hazards will be caused in high altitude if the oxygen partial pressure is increased up to the oxygen partial pressure under the condition of the standard atmospheric pressure．T he maximum safe concentration for oxygen-enrichment in high altitude was obtained from the analysis of experiment results． KEY WORDS high altitude；oxygen enriched；oxygen concentration；safe concentration；burning rate 收稿日期：2009－01－16 基金项目：国家科技支撑计划资助项目（No．2006BAC07B01） 作者简介：杨 雄（1984－）男博士研究生；刘应书（1960－）男教授博士E-mail：ysliu＠me．ustb．edu．cn 近年来随着西部大开发的不断深入越来越多 低海拔地区的人进入高海拔地区．随着海拔的增 加空气中氧分压下降低海拔地区的人进入高原后 会表现出极大的不适应并引发高原反应对人们的 正常生产和生活造成极大的影响．通过室内环境富 氧不但可以减少高原低氧环境对身体的损害还可 以提高体力劳动和脑力劳动的效率［1］．氧气体积分 数的增加虽然满足了人们对氧气的需求但也可能 带来火灾危险历史上就曾经发生过很多因为氧气 体积分数过高而引发的事故［1－2］．因此高原低气 压环境安全氧气体积分数上限的确定成为高原富氧 安全的重要课题． 可燃材料在不同大气环境下的燃烧特性有很大 差别如平原地区使用的打火机在高原地区无法打 着汽车在高原地区运行时的效率会比在平原地区 大幅下降．Simons 和 Archibald ［3］ 研究了滤纸条和 棉布条在同一氧分压下改变大气压力时燃烧速度 的变化情况．Dorr ［4］通过向一密闭容器加压研究了 不同气压和氧气体积分数条件下滤纸燃烧速度的变 化并用氦气取代氮气进行了实验研究．Klein ［5］研 究了棉布在氧－氮和氧－氦二元气体组分情况下的 燃烧速度情况．基于滤纸等材料在富氧环境下燃烧 速度国外规定氧舱中氧气的体积分数不得超过 23∙5％我 国 规 定 氧 气 的 体 积 分 数 不 得 超 过 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．045
.1468 北京科技大学学报 第31卷 25%[一]，新版的《医用空气加压氧舱》规定氧气的 为材料在这段距离上的燃烧时间， 体积分数不得超过23%I8].NFPA99]中指出在一 个标准大气压下，氧气的体积分数不得超过 23.5%,并参照一个标准大气压下氧气的体积分数 为23.5%时滤纸的燃烧速度，给出了不同气压下室 内环境富氧的浓度上限，我国对医用空气加压氧舱 中氧气体积分数上限给出了要求，规定氧气的体积 分数不超过23%⑧]，但对高海拔地区的富氧安全问 题却没有参考数据，本文通过研究滤纸等材料在低 气压和富氧条件下的燃烧速度，探讨高原低气压条 件下室内富氧安全的氧气体积分数上限. 1一支撑架；2一热电阻：3一试件夹导轨：4一试件夹；5一矩形槽 图2试件支撑示意图 1 实验装置 Fig.2 Sketch of sample support 实验装置由密闭的燃烧室、试件支撑架、激光点 火器、制氧机、质量流量计、氧分析仪、真空泵和数据 2实验结果和分析 采集系统等组成，实验装置的工作原理图如图1所 2.1安全氧气体积分数上限的定义 示.密闭燃烧室尺寸为300mm×300mm×350mm, 氧气是燃烧的三要素之一，随着氧分压的增 体积为31.5L,密闭燃烧室的一侧制作成一扇门，用 加，材料的燃烧特性有很大变化，材料容易点燃且燃 橡胶垫进行密封，在门上开一个200mm×160mm 烧速度加快10].火焰的传播一直是评价建筑材料 的观测窗。通过改变密闭燃烧室的压力，模拟不同 易燃性的基础，火焰在可燃物表面的蔓延速度在许 海拔的大气环境.为了在点火中不对燃烧室的环境 多情况下决定了火灾的严重程度山.在空气中，材 造成太大的影响，本实验使用激光点火·激光管位 料的燃烧速度与氧气体积分数呈指数上升，当氧气 于密闭燃烧室的上方，密闭燃烧室的顶部开一个小 的体积分数超过25%后，燃烧速度显著上升[6]. 孔，在小孔上安装一块单晶的锡化锌镜片，激光通过 NFPA99]中指出，在富氧房中当氧气体积分数增 锡化锌镜片射入密闭燃烧室 加时材料的燃烧速度超过12mm·s-1(一个标准大 气压下氧气的体积分数为23.5%时、滤纸条与水平 ☒3 光管 面呈45°放置的情况下滤纸的燃烧速度)则会带来 ●直空泵 V2 火灾危险，也就是说在不同的大气压下改变环境的 氧分析 氧气体积分数，如果滤纸条与水平面成45°放置时， 仪 ○ 循环系 滤纸的燃烧速度不超过12mms-1,即认为在该大 氧气 Hoo 气压下此氧气体积分数为安全氧气体积分数，我国 质量流量计 VI 试件架 仅在《GB/T12130-2005医用空气加压氧舱》中指 计算机 A/D 采集卡 出氧气的体积分数不得超过23%，对于其他富氧环 境的氧气体积分数上限没有数据可供参考，本文参 图1实验系统示意图 照此标准，测量出一个标准大气压下氧气的体积分 Fig.I Sketch of an experiment system 数为23%时滤纸水平放置时的燃烧速度，将不同海 图2所示为试件支撑示意图，试件夹由两块开 拔下滤纸沿水平方向的燃烧速度与此燃烧速度相等 有60mm×10mm的矩形槽的板制成，试件支撑架 时的氧气体积分数定义为安全氧气体积分数上限. 上也开一个矩形槽，并设计了一个像抽屉一样的导 2.2海拔对燃烧速度的影响 轨，每次实验时将夹有试件的试件夹放入试件夹导 图3为氧气的体积分数为20.9%时，随着海拔 轨，这样可以保证每次燃烧的区域都限制在开槽的 的上升滤纸燃烧速度的变化情况，如图3(a)所示， 区域里面，使试件的大小和位置始终保持一致.在 在维持氧气的体积分数为20.9%时，随着大气压的 试件支撑架的矩形槽上相距37mm的两个地方放 升高，滤纸的燃烧速度也加快，在一个标准大气压 置两个热电阻，通过计算机采集出两个热电阻的温 下，滤纸的燃烧速度为2.47mms1,当大气压降低 度变化，以两个热电阻的温度最大值的时间间隔作 至66kPa时，燃烧速度降低到了1.8mms1,当大
25％［6－7］新版的《医用空气加压氧舱》规定氧气的 体积分数不得超过23％［8］．NFPA99［9］中指出在一 个标 准 大 气 压 下氧 气 的 体 积 分 数 不 得 超 过 23∙5％并参照一个标准大气压下氧气的体积分数 为23∙5％时滤纸的燃烧速度给出了不同气压下室 内环境富氧的浓度上限．我国对医用空气加压氧舱 中氧气体积分数上限给出了要求规定氧气的体积 分数不超过23％［8］但对高海拔地区的富氧安全问 题却没有参考数据．本文通过研究滤纸等材料在低 气压和富氧条件下的燃烧速度探讨高原低气压条 件下室内富氧安全的氧气体积分数上限． 1 实验装置 实验装置由密闭的燃烧室、试件支撑架、激光点 火器、制氧机、质量流量计、氧分析仪、真空泵和数据 采集系统等组成实验装置的工作原理图如图1所 示．密闭燃烧室尺寸为300mm×300mm×350mm 体积为31∙5L密闭燃烧室的一侧制作成一扇门用 橡胶垫进行密封在门上开一个200mm×160mm 的观测窗．通过改变密闭燃烧室的压力模拟不同 海拔的大气环境．为了在点火中不对燃烧室的环境 造成太大的影响本实验使用激光点火．激光管位 于密闭燃烧室的上方密闭燃烧室的顶部开一个小 孔在小孔上安装一块单晶的锡化锌镜片激光通过 锡化锌镜片射入密闭燃烧室． 图1 实验系统示意图 Fig．1 Sketch of an experiment system 图2所示为试件支撑示意图．试件夹由两块开 有60mm×10mm 的矩形槽的板制成试件支撑架 上也开一个矩形槽并设计了一个像抽屉一样的导 轨每次实验时将夹有试件的试件夹放入试件夹导 轨．这样可以保证每次燃烧的区域都限制在开槽的 区域里面使试件的大小和位置始终保持一致．在 试件支撑架的矩形槽上相距37mm 的两个地方放 置两个热电阻通过计算机采集出两个热电阻的温 度变化以两个热电阻的温度最大值的时间间隔作 为材料在这段距离上的燃烧时间． 1－支撑架；2－热电阻；3－试件夹导轨；4－试件夹；5－矩形槽 图2 试件支撑示意图 Fig．2 Sketch of sample support 2 实验结果和分析 2∙1 安全氧气体积分数上限的定义 氧气是燃烧的三要素之一．随着氧分压的增 加材料的燃烧特性有很大变化材料容易点燃且燃 烧速度加快［10］．火焰的传播一直是评价建筑材料 易燃性的基础火焰在可燃物表面的蔓延速度在许 多情况下决定了火灾的严重程度［11］．在空气中材 料的燃烧速度与氧气体积分数呈指数上升当氧气 的体积分数超过25％后燃烧速度显著上升［6］． NFPA99［9］中指出在富氧房中当氧气体积分数增 加时材料的燃烧速度超过12mm·s －1（一个标准大 气压下氧气的体积分数为23∙5％时、滤纸条与水平 面呈45°放置的情况下滤纸的燃烧速度）则会带来 火灾危险．也就是说在不同的大气压下改变环境的 氧气体积分数如果滤纸条与水平面成45°放置时 滤纸的燃烧速度不超过12mm·s －1即认为在该大 气压下此氧气体积分数为安全氧气体积分数．我国 仅在《GB／T12130－2005医用空气加压氧舱》中指 出氧气的体积分数不得超过23％对于其他富氧环 境的氧气体积分数上限没有数据可供参考．本文参 照此标准测量出一个标准大气压下氧气的体积分 数为23％时滤纸水平放置时的燃烧速度将不同海 拔下滤纸沿水平方向的燃烧速度与此燃烧速度相等 时的氧气体积分数定义为安全氧气体积分数上限． 2∙2 海拔对燃烧速度的影响 图3为氧气的体积分数为20∙9％时随着海拔 的上升滤纸燃烧速度的变化情况．如图3（a）所示 在维持氧气的体积分数为20∙9％时随着大气压的 升高滤纸的燃烧速度也加快．在一个标准大气压 下滤纸的燃烧速度为2∙47mm·s －1当大气压降低 至66kPa 时燃烧速度降低到了1∙8mm·s －1当大 ·1468· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 杨雄等：高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 ,1469 气压继续下降则无法通过激光将滤纸点着.这主要 图3(b)为将大气压换算为海拔后，燃烧速度与海拔 是由于氧分压的降低使得环境中氧气体积分数降 的关系，从图中可以看出海拔从0增加到3600m, 低，因此燃烧反应的剧烈程度降低，燃烧速度减慢 滤纸的燃烧速度下降了27%. 25 2.5 (a) (b) 2.4 2.4 2.3 wrw)/ 2.3 2.2 22 2.1 2.0 .0 1.9 羚18 19 75 85 95 105 1. 0 2 大气压/kPa 海拔km 图3氧气的体积分数为20.9%时的滤纸燃烧速度.()滤纸燃烧速度与大气压关系：(b)滤纸燃烧速度与海拔关系 Fig.3 Burning rates of filter paper with the oxygen concentration at 20.9%(a)effect of barometric pressure on the burning rate of filter paper: (b)effect of altitude on the burning rate of filter paper 2.3氧分压对燃烧速度的影响 3.0 图4为维持氧分压Po,为21.18kPa(一个标准 一■一涤卡 一·一棉布 大气压下空气中的氧分压)和14.95kPa(海拔 2 3000m时空气中的氧分压)时，改变大气压对滤纸 2.0 燃烧速度的影响情况.从图中可以看出，在相同的 大气压下，氧分压越大，燃烧速度越快，当氧分压 Po,不变时随着海拔的升高，材料的燃烧速度加快， 1.0 当氧分压维持于21.18kPa、大气压为101.3kPa时， 60 70 80 滤纸的燃烧速度为2.47mms1;当大气压降低为 90 100 大气压力kPa 51.3kPa时，滤纸的燃烧速度增大到4.57mms1, 相当于燃烧速度增加了85%.当氧分压为 图5氧分压为21.18kPa时涤卡和棉布在不同大气压下的燃烧 速度 14.95kPa时，滤纸的燃烧速度随压力的减小而增大 Fig.5 Effect of barometrie pressure on the burning rates of cotton 的趋势与氧分压为21.18kPa的情况一致，图5为 fabric and Dacron khaki at a constant Po of 21.18kPa 氧分压为21.18kPa时，涤卡和棉布在不同大气压 条件下的燃烧速度.从图中可以看出，当氧分压为 在一个标准大气压下氧气的体积分数为23% 一定值时大气压越低，材料的燃烧速度越快，这与用 时滤纸的燃烧速度为3.01mms-1.在图4上画一 滤纸燃烧得出的结果趋势相同 条燃烧速度为3.01mms-1的直线，分别与氧分压 为14.95kPa、21.18kPa两条燃烧曲线相交于A、B --P。.=21.18kPa 两点，交点横坐标分别为52.63kPa和86.97kPa· --Po:=14.95 kPa 维持氧分压与海拔3000m时的氧分压一致，当大气 压低于52.63kPa时燃烧速度超过3.01mms1,也 就是说当大气压低于52.63kPa时，通过富氧使得 3.0I 室内氧分压上升到与海拔3000m以下时空气中的 氧分压一致，会带来火灾危险，同理，通过富氧使得 环境氧分压达到与一个标准大气压下空气中的氧分 50 60 708090100 110 压一致时，大气压不能低于86.97kPa. 大气压kPa 2.4富氧安全分析 图4维持氧分压为一定值时滤纸燃烧速度与大气压关系 通过实验可得，滤纸、棉布和涤卡在一个标准大 Fig.4 Effect of barometric pressure on the burning rate of filter pa- 气压下氧气的体积分数为23%时燃烧速度分别为 per at constant Po 3.01mms-1、1.76mms-1和1.11mms1.图6
气压继续下降则无法通过激光将滤纸点着．这主要 是由于氧分压的降低使得环境中氧气体积分数降 低因此燃烧反应的剧烈程度降低燃烧速度减慢． 图3（b）为将大气压换算为海拔后燃烧速度与海拔 的关系．从图中可以看出海拔从0增加到3600m 滤纸的燃烧速度下降了27％． 图3 氧气的体积分数为20∙9％时的滤纸燃烧速度．（a） 滤纸燃烧速度与大气压关系；（b） 滤纸燃烧速度与海拔关系 Fig．3 Burning rates of filter paper with the oxygen concentration at20∙9％：（a） effect of barometric pressure on the burning rate of filter paper； （b） effect of altitude on the burning rate of filter paper 图4 维持氧分压为一定值时滤纸燃烧速度与大气压关系 Fig．4 Effect of barometric pressure on the burning rate of filter paper at constant PO2 2∙3 氧分压对燃烧速度的影响 图4为维持氧分压 PO2为21∙18kPa（一个标准 大气压下空气中的氧分压） 和 14∙95kPa （海拔 3000m时空气中的氧分压）时改变大气压对滤纸 燃烧速度的影响情况．从图中可以看出在相同的 大气压下氧分压越大燃烧速度越快．当氧分压 PO2不变时随着海拔的升高材料的燃烧速度加快． 当氧分压维持于21∙18kPa、大气压为101∙3kPa 时 滤纸的燃烧速度为2∙47mm·s －1 ；当大气压降低为 51∙3kPa 时滤纸的燃烧速度增大到4∙57mm·s －1 相当 于 燃 烧 速 度 增 加 了 85％． 当 氧 分 压 为 14∙95kPa时滤纸的燃烧速度随压力的减小而增大 的趋势与氧分压为21∙18kPa 的情况一致．图5为 氧分压为21∙18kPa 时涤卡和棉布在不同大气压 条件下的燃烧速度．从图中可以看出当氧分压为 一定值时大气压越低材料的燃烧速度越快这与用 滤纸燃烧得出的结果趋势相同． 图5 氧分压为21∙18kPa 时涤卡和棉布在不同大气压下的燃烧 速度 Fig．5 Effect of barometric pressure on the burning rates of cotton fabric and Dacron khaki at a constant PO2 of 21∙18kPa 在一个标准大气压下氧气的体积分数为23％ 时滤纸的燃烧速度为3∙01mm·s －1．在图4上画一 条燃烧速度为3∙01mm·s －1的直线分别与氧分压 为14∙95kPa、21∙18kPa 两条燃烧曲线相交于 A、B 两点交点横坐标分别为52∙63kPa 和86∙97kPa． 维持氧分压与海拔3000m 时的氧分压一致当大气 压低于52∙63kPa 时燃烧速度超过3∙01mm·s －1也 就是说当大气压低于52∙63kPa 时通过富氧使得 室内氧分压上升到与海拔3000m 以下时空气中的 氧分压一致会带来火灾危险．同理通过富氧使得 环境氧分压达到与一个标准大气压下空气中的氧分 压一致时大气压不能低于86∙97kPa． 2∙4 富氧安全分析 通过实验可得滤纸、棉布和涤卡在一个标准大 气压下氧气的体积分数为23％时燃烧速度分别为 3∙01mm·s －1、1∙76mm·s －1和1∙11mm·s －1．图6 第11期 杨 雄等： 高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 ·1469·
.1470 北京科技大学学报 第31卷 所示为参照这些速度得出的安全氧气体积分数上限 人来说为缺氧区，区域(1)和(3)则为富氧区域：区域 随大气压的变化关系，从图中可以看出，这三种材 (3)和(4)在曲线a以下的为补氧安全区，而曲线a 料在不同气压条件下的安全氧气体积分数上限基本 以上的区域(1)和(2)则为火灾危险区，在A点以 一致，其中由纯棉得出来的值要略微大一些， 前，曲线b在曲线a的下方，a和b两条曲线之间的 30 区域(3)既在富氧区又在安全区，因此在这个区域可 29 一一滤纸 以通过富氧使得环境的氧分压增加到超过一个标准 一。一涤卡 一4一纯棉 大气压下空气中的氧分压，而不带来火灾危险，当 27 海拔超过1225m以后，曲线a位于曲线b的下方， 两曲线之间的区域(2)不但是缺氧区，而且是具有火 灾危险的区域.因此在海拔大于1125m时，若通过 富氧的方法将室内环境氧分压提高到与一个标准大 气压下空气中的氧分压一致，则会带来火灾危险， 22 60 7080 90100 110 因此，在海拔大于1225m的地区，室内环境富氧确 大气压kPa 定安全氧气体积分数上限是非常重要的 图6参照不同材料得出的安全氧气体积分数上限与大气压关系 Fig.6 Relationship between maximum safe concentration and baro- metric pressure 28 参照NFPA99中以滤纸的燃烧速度确定低气 压环境下安全氧气体积分数上限的方法，此处也以 6 滤纸的燃烧速度作为确定安全氧气体积分数上限的 参考，图7为参照滤纸的燃烧速度得出的大气压与 安全氧气体积分数上限的关系，通过对数据拟合可 23 得安全氧气体积分数与大气压的关系为： 5060708090100110 大气压kPa Y=27.91%×exp(-P/44.78)+20.09%. 式中Y为安全氧气体积分数上限，P为大气压单位 图7大气压对氧气体积分数上限的影响 为kPa·不同大气压下的氧气体积分数如果低于曲 Fig.7 Effect of barometric pressures on maximum safe concentration 线上对应的氧气体积分数，则此区域为富氧安全区 45 域，而曲线的上方则为具有火灾危险的区域，据此， ■安全氧气体积分数上限 可以确定不同气压条件下的安全氧气体积分数上 40 口Po为21.18kPa 限.例如，那曲地区海拔为4500多m,大气压约为 35 56.1kPa,通过安全富氧气体积分数与大气压的关 (1) 系式计算可得出在那曲地区氧气的体积分数最高可 30 (2) 以达到28.06%而不带来火灾危险 将图7中的大气压换算为海拔，可以得到如 3 (4) 20 图8所示的海拔与氧气体积分数上限的关系，曲线 0 3 4 拟合式为： 海拔km Y=8.28%×exp(H/10.41)+14.69% 图8海拔对氧气体积分数上限的影响 式中H为海拔，单位为km,图中还画出了在不同 Fig-8 Effect of altitude on maximum safe concentration 的海拔下富氧到氧分压为21.18kPa(相当于一个标 准大气压下氧气的体积分数为20.9%时的氧分压) 3结论 的氧气体积分数曲线b,由图可以看出两条曲线的 斜率不一样，其中曲线b的斜率远大于曲线a,两曲 (1)在高海拔地区，室内富氧可以提高氧分压， 线相交于点A,此处的海拔为1225m.图8显示，曲 能有效提高人的睡眠质量和工作效率，但氧气体积 线a、b将图中区域分为四个区域.(2)和(4)两个 分数的增加可能带来火灾危险， 区域位于曲线b以下，相对于在海平面地区生活的 (2)当氧分压不变时，随着海拔升高材料的燃
所示为参照这些速度得出的安全氧气体积分数上限 随大气压的变化关系．从图中可以看出这三种材 料在不同气压条件下的安全氧气体积分数上限基本 一致其中由纯棉得出来的值要略微大一些． 图6 参照不同材料得出的安全氧气体积分数上限与大气压关系 Fig．6 Relationship between maximum safe concentration and barometric pressure 参照 NFPA99中以滤纸的燃烧速度确定低气 压环境下安全氧气体积分数上限的方法此处也以 滤纸的燃烧速度作为确定安全氧气体积分数上限的 参考．图7为参照滤纸的燃烧速度得出的大气压与 安全氧气体积分数上限的关系通过对数据拟合可 得安全氧气体积分数与大气压的关系为： Y ＝27∙91％×exp（－P／44∙78）＋20∙09％． 式中 Y 为安全氧气体积分数上限P 为大气压单位 为 kPa．不同大气压下的氧气体积分数如果低于曲 线上对应的氧气体积分数则此区域为富氧安全区 域而曲线的上方则为具有火灾危险的区域．据此 可以确定不同气压条件下的安全氧气体积分数上 限．例如那曲地区海拔为4500多 m大气压约为 56∙1kPa通过安全富氧气体积分数与大气压的关 系式计算可得出在那曲地区氧气的体积分数最高可 以达到28∙06％而不带来火灾危险． 将图7中的大气压换算为海拔可以得到如 图8所示的海拔与氧气体积分数上限的关系曲线 拟合式为： Y ＝8∙28％×exp（ H／10∙41）＋14∙69％． 式中 H 为海拔单位为 km．图中还画出了在不同 的海拔下富氧到氧分压为21∙18kPa（相当于一个标 准大气压下氧气的体积分数为20∙9％时的氧分压） 的氧气体积分数曲线 b．由图可以看出两条曲线的 斜率不一样其中曲线 b 的斜率远大于曲线 a两曲 线相交于点 A此处的海拔为1225m．图8显示曲 线 a、b 将图中区域分为四个区域．（2）和（4）两个 区域位于曲线 b 以下相对于在海平面地区生活的 人来说为缺氧区区域（1）和（3）则为富氧区域；区域 （3）和（4）在曲线 a 以下的为补氧安全区而曲线 a 以上的区域（1）和（2）则为火灾危险区．在 A 点以 前曲线 b 在曲线 a 的下方a 和 b 两条曲线之间的 区域（3）既在富氧区又在安全区因此在这个区域可 以通过富氧使得环境的氧分压增加到超过一个标准 大气压下空气中的氧分压而不带来火灾危险．当 海拔超过1225m 以后曲线 a 位于曲线 b 的下方 两曲线之间的区域（2）不但是缺氧区而且是具有火 灾危险的区域．因此在海拔大于1125m 时若通过 富氧的方法将室内环境氧分压提高到与一个标准大 气压下空气中的氧分压一致则会带来火灾危险． 因此在海拔大于1225m 的地区室内环境富氧确 定安全氧气体积分数上限是非常重要的． 图7 大气压对氧气体积分数上限的影响 Fig．7 Effect of barometric pressures on maximum safe concentration 图8 海拔对氧气体积分数上限的影响 Fig．8 Effect of altitude on maximum safe concentration 3 结论 （1） 在高海拔地区室内富氧可以提高氧分压 能有效提高人的睡眠质量和工作效率但氧气体积 分数的增加可能带来火灾危险． （2） 当氧分压不变时随着海拔升高材料的燃 ·1470· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第11期 杨雄等：高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 .1471. 烧速度加快.维持氧分压为21.18kPa,当大气压低 [4]Dorr V A.Fire studies in oxygen"enriched atmospheres.Fire 于86.97kPa时，滤纸的燃烧速度将超过3.01mm· Flammability.1970.1(4):91 s1.因此，在大气压低于86.97kPa时，富氧到与一 [5]Klein H A.The Effects of Cabin Atmospheres on Combustion of Some Flammable Aircraft Materials.WADC TR-59-456.AS- 个标准大气压下空气中氧分压一致会带来火灾 TIA No.AD-238367,1960 危险， [6]Yang Y.The Basis of Hyperbaric Oxygen Therapy and Clini- (3)随着海拔的升高，安全富氧气体积分数上 cal.Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Press.2005 限将发生变化，安全氧气体积分数上限与海拔的关 (杨益，高压氧治疗基础与临床，上海：上海科学技术出版社， 系用数学式可表示为Y=8.28%×exp(H/10.41)+ 2005) 14.69%. [7]GaoJC.Practical Hyperbarie Oxygenation Medicine-Beijing: Academy Press,1997 (4)在海拔低于1225m的地区可以通过富氧 (高春锦.实用高压氧学，北京：学苑出版社，1997) 使得室内氧分压高于一个标准大气压下空气中的氧 [8]General Administration of Quality Supervision.Inspection and 分压，当海拔高于1225m时，如果要提高室内氧分 Quarantine of the People's Republic of China.GB/T 12130- 压到与一个标准大气压下空气中的氧分压一致则会 2005 Medical Hyperbaric Chamber Pressurized with Air.Bei- jing:Standardization Administration of China,2005 带来火灾危险；因此在海拔高于1225m的地区，室 (中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB/T 内富氧必须要考虑富氧后是否会带来火灾危险， 12130一2005医用空气加压氧舱.北京：中国国家标准化管理 委员会，2005) 参考文献 [9]NFPA 99B Standard for Hypobarie Facilities.Quiney:National Fire Protection Association,1999 [1]West J B.Fire hazard in oxygen enriched atmospheres at low [10]Wolf G L.Sidebotham G W,Lazard Jackson L P,et al.Laser barometric.Aviat Space Environ Med,1997.68(2):159 ignition of surgical drape materials in air.50%oxygen,and [2]Zhang X.Progress in fire safety research for manned spacecraft. 95%oxygen-Anesthesiology.2004.100(5):1167 Ado Mech,2005,35(1):100 [11]Meng M Z.Liao S J.The test and research of upward flame (张夏.载人航天器火灾安全研究进展.力学进展.2005,35(1)： spreading along the wall for thin type materials.Fire Sci Tech- 100) nol,2005,24(5):542 [3]Simons D G.Archibald E R.Selection of a sealed cabin atmo- (蒙明朝，廖曙江·薄型材料竖向贴壁火蔓延的试验研究~消防 sphere.Aviat Med.1958.29(5):350 科学与技术，2005,24(5)：542)
烧速度加快．维持氧分压为21∙18kPa当大气压低 于86∙97kPa 时滤纸的燃烧速度将超过3∙01mm· s －1．因此在大气压低于86∙97kPa 时富氧到与一 个标准大气压下空气中氧分压一致会带来火灾 危险． （3） 随着海拔的升高安全富氧气体积分数上 限将发生变化安全氧气体积分数上限与海拔的关 系用数学式可表示为 Y ＝8∙28％×exp（ H／10∙41）＋ 14∙69％． （4） 在海拔低于1225m 的地区可以通过富氧 使得室内氧分压高于一个标准大气压下空气中的氧 分压．当海拔高于1225m 时如果要提高室内氧分 压到与一个标准大气压下空气中的氧分压一致则会 带来火灾危险；因此在海拔高于1225m 的地区室 内富氧必须要考虑富氧后是否会带来火灾危险． 参 考 文 献 ［1］ West J B．Fire hazard in oxygen-enriched atmospheres at low barometric．Aviat Space Environ Med199768（2）：159 ［2］ Zhang X．Progress in fire safety research for manned spacecraft． A dv Mech200535（1）：100 （张夏．载人航天器火灾安全研究进展．力学进展．200535（1）： 100） ［3］ Simons D GArchibald E R．Selection of a sealed cabin atmosphere．Aviat Med195829（5）：350 ［4］ Dorr V A．Fire studies in oxygen-enriched atmospheres． Fire Flammability19701（4）：91 ［5］ Klein H A．The Ef fects of Cabin Atmospheres on Combustion of Some Flammable Aircraft Materials．WADC TR-59-456．ASTIA No．AD-2383671960 ［6］ Yang Y．The Basis of Hyperbaric Oxygen Therapy and Clinical．Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Press2005 （杨益．高压氧治疗基础与临床．上海：上海科学技术出版社 2005） ［7］ Gao J C．Practical Hyperbaric Oxygenation Medicine．Beijing： Academy Press1997 （高春锦．实用高压氧学．北京：学苑出版社1997） ［8］ General Administration of Quality SupervisionInspection and Quarantine of the People’s Republic of China．GB／T 12130－ 2005 Medical Hyperbaric Chamber Pressurized with Air．Beijing：Standardization Administration of China2005 （中 华 人 民 共 和 国 国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局．GB／T 12130－2005医用空气加压氧舱．北京：中国国家标准化管理 委员会2005） ［9］ NFPA99B Standard for Hypobaric Facilities．Quincy：National Fire Protection Association1999 ［10］ Wolf G LSidebotham G WLazard Jackson L Pet al．Laser ignition of surgical drape materials in air50％ oxygenand 95％ oxygen．A nesthesiology2004100（5）：1167 ［11］ Meng M ZLiao S J．The test and research of upward flame spreading along the wall for thin type materials．Fire Sci Technol200524（5）：542 （蒙明朝廖曙江．薄型材料竖向贴壁火蔓延的试验研究．消防 科学与技术200524（5）：542） 第11期 杨 雄等： 高原低气压环境室内富氧的安全氧气体积分数上限 ·1471·