气体灭火系统初始计算压力的确定

气体灭火系统初始计算压力的确定王致新，王煜彤（天津市兆龙软件开发有限公司，天津300384）摘要：讨论了国家规范和一些地方标准中规定的各种气体灭火系统初始计算压力的确定方法和存在的问题，并提出了新的计算方法关键词：气体灭火系统初始计算压力中期压力蒸气压等温过程绝热过程前言：气体灭火系统包括高、低压二氧化碳及各种洁净气体灭火系统。目前我国普遍应用的洁净气体灭火系统主要有：七氟丙烷灭火系统、三氟甲烷灭火系统和IG-541灭火系统。近年来，得到使用的还有六氟丙烷等灭火系统以及IG-01,IG-55和IG-100等惰性混合气体灭火系统。气体灭火系统的特点是：灭火剂存储在高压储存容器中。二氧化碳、七氟丙烷和三氟甲烷等灭火剂在容器中是液态存储的；IG-541等各种惰性混合气体灭火剂在高压容器中则是气态存储的。不同灭火剂的存储压力也不完全相同。IG-541和高压二氧化碳的存储压力为15MPa或20MPa;低压二氧化碳的存储压力为2.1MPa左右;七氟丙烷的存储压力为2.5、4.2MPa或5.6MPa；三氟甲烷的存储压力为4.2MPa等等。值得注意的是：储存压力所用的数据是表压，但计算过程中使用的初始计算压力都是绝对压力。灭火剂开始喷放后，由于喷放初期管道内的背压相当于大气压，储存容器内的压力下降梯度很大，其后下降梯度逐渐减小，因此气体灭火系统喷放时，储存容器中基本上是闭口系统内压缩气体的膨胀过程；而管道内的流动过程则是变压力源开口系统中的流动过程。此外，除了储存状态下仍保持气态的各种混合气体灭火系统外，低压二氧化碳和三氟甲烷灭火剂在喷放过程中，当压力达到灭火剂的蒸气压后，灭火剂开始蒸发为气态，所以这类灭火剂在管道中的流动是气-液两相流。但是，由于七氟丙烷的蒸气压低于喷头的最低工作压力，所以喷放过程中基本上是液态单相流；由于气体灭火系统喷放过程是变压力源流动过程，且各种系统的流态也不完全相同，所以给设计计算带来了很大困难。目前，国内外在各种气体灭火系统的设计标准或规范中为了简化计算都假设灭火剂喷放过程中储存容器内的压力为某个恒定值。这个压力被称为气体灭火系统的“初始计算压力”或“起点计算压力”。由于国内外对气体灭火系统喷放过程的研究还不够，所以不同标准或规范中给出的初始计算压力的计算方法也不尽相同，并且现有的这些计算方法还不同程度的存在一些问题。本文将从理论上对各种气体灭火系统设计中如何确定初始计算压力的方法进行讨论并给出相应的计算公式。一、喷放过程中气体灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程1、储存状态为气态的气体灭火系统此类灭火系统主要是各种惰性混合气体灭火系统如IG-541、IG-01,IG-55和IG-100等。喷放过程中这类灭火剂无论在储存容器内或管道中都是单相气态。其流动过程属于可压缩气体在开口系统中的高速单相流动。由于这些气体密度较小、且远离液态，所以可认为是理想气体。2、储存状态为液态的气体灭火系统此类灭火系统可分为两类。一类是：二氧化碳和三氟甲烷灭火系统。它们在高压储存容器内是液态，开始喷放后压力降低到其蒸汽压时开始蒸发。这种刚刚脱离液态的蒸汽密度较大，在热物理学中认为与理想气体的定义差别甚大，称之为“实际气体”。在管道中则是气-液两相流。另一类是七氟丙烷灭火系统。虽然七氟丙烷在高压储存容器内也是液态，但由于七氟丙烷的蒸气压很低（低于喷头要求的最低工作压力），所以喷放过程中在管道内的流动过程可认为是单相液态流。常温下蒸气压明显低于储存压力的灭火剂（例如七氟丙烷等）需要加压成为液态存储在容器内。这类灭火剂在开始喷放时需靠装在同一容器中的其它气体（如氮气）膨胀产生的压力推动从储存容器中排出。存储状态为液态，但在储存温度下蒸气压接近于储存压力的灭火剂（例如二氧化碳、三氟甲烷等）则无需靠其它气体加压，开始喷放后灭火剂靠自身的蒸气压推动即可将灭火剂从容器中排出。由上述可见，不同存储状态和蒸气压不同的灭火剂所构成的灭火系统，喷放过程中灭火剂在储存容器中膨胀的热力学过程及在管道内的流动过程也不完全相同。因此，在确定系统设计中的初始计算压力之前，首先应对喷放灭火剂时储存容器内气体膨胀的热力学过程以及灭火剂在管道内的流动过程加以分析。我国《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005和一些地方标准中，计算七氟丙烷灭火系统的初始计算压力时，都认为喷放时气体在储存容器中膨胀的热力学过程是理想气体的“等温过程”，即储存容器中气体的温度是恒定不变的，亦即压力和密度ρ成正比，和比容v成反比：Pv=P/ρ=常数可见“等温过程”的P--v之间的关系是一条双曲线。事实上，随着压力下降储存容器中的气体在容器中属于无功膨胀，由于气体灭火系统的喷放时间很短，灭火剂几乎来不及通过容器壁与外界环境进行热交换，所以各种气体灭火系统喷放时灭火剂在储存容器内膨胀的热力学过程并不是“等温过程”，而更接近于系统与外界无热交换的理想气体的“绝热膨胀过程”。可见：用理想气体等温过程的计算方法计算气体灭火系统的初始计算压力并不妥当。《气体灭火系统设计规范》国家标准和陕西省地方标准DB61/296-2000《洁净气体IG541灭火系统设计、施工、验收规范》在计算IG-541灭火系统储存容器中气体的膨胀过程时，就认定是“绝热过程”。对于绝热过程，压力P与比容v（密度ρ的倒数）之间的关系是：PvK=P/ρK=CC是常数-------------------------(1)-------------------------(2)k是比热比。k=CP/CVCP和CV分别是等压比热和等容比热。（1）式表明：“绝热过程”并不是一条典型的双曲线。由于k大于1，所以绝热曲线要比等温曲线陡一些。与典型双曲线的差别的程度取决于k值的大小。图1是储存压力为2.5MPa的七氟丙烷储瓶内的氮气按照绝热膨胀的理论计算结果。不同