惰性气体ig541灭火系统灭火剂输送管道压力降计算方法

惰性气体IG-541灭火系统灭火剂输送管道压力降计算方法【关键词】伯努利方程,压力降计算,中期压力【摘要】目前我国没有惰性气体IG-541灭火系统设计规范，也没有相应灭火剂输送管道压力降计算方法。本文对未经确认或无法正面论证的高压气体动力学物理参数，根据客观的正常情况或变化趋势作出合乎情理的判断，推导了一种管网设计计算方法。0引言惰性气体IG-541灭火系统（以下简称IG-541系统）在国内已有多年应用经验，一些国产化IG-541系统也已投入市场。IG-541系统具有洁净气体灭火系统的许多优点，如：不破坏大气臭氧层；在设计规定浓度范围内适用于有人员操作场所等。在卤代烷灭火系统限制使用以后，目前是比较理想的替代物之一，在使用气体灭火系统的场所有着重要的地位。国内外IG-541系统的设计标准中将灭火剂输送管道压力降计算方法不予公布。然而，笔者根据客观的正常情况或变化趋势作出合乎情理的判断，以伯努利方程等理论为依据，推导了管道压力降计算公式，确定了工程设计时常用的基本参数。特以此文提出初步看法，与同行商榷。1符号1.1几何参数符号D——管道内径，m；l——管道计算长度，m；S——管道截面积，m2；V——体积，m3。1.2物理参数符号a——声波在空气中的传播速度，m/s；Cp——定压比热，kJ/㎏·K；Cυ——定容比热，kJ/㎏·K；i——比焓，J/㎏；k——比热比，kJ/㎏·K；Mm——分子量，g/mol；N——摩尔数，mol；p——压力，Pa；q——热量，J/㎏；Q——流量，㎏/s；R——气体通用常数，R=8.314J/mol·K；T——温度，K；u——内能，J/㎏；w——流速，m/s；Z——压缩因子；Δ——管道当量糙粒高度，mm；λ——摩擦阻力系数；ρ——密度，㎏/m3；υ——比容，m3/㎏。2确定管道压力降计算公式2.1惰性IG-541气体在管网内流动（流速小于0.5倍音速）的热力过程可认为是等温过程惰性IG-541气体（以下简称IG-541气体）在镀锌无缝钢管内作出了一维流动的特性可由四个基本方程即连续性方程、伯努利方程、能量方程和状态方程来描述。2.1.1计算IG-541气体分子量Mm和比热比k值IG-541气体组成成份的物性参数见表2.1.1。表2.1.1IG-541气体组成成份的物性参数名称符号单位氩气二氧化碳氮气成份比例(V/V)%40852分子量g/mol39.94844.01028.013定压比热CpkJ/㎏·K20.836.729.1定容比热CυkJ/㎏·K12.528.420.8IG-541气体的性质可通过“混合规则”计算求得：分子量Mm=34g/mol比热比k=1.459kJ/㎏·K2.1.2IG-541气体在输送管道内流动时，除了与外界交换热量dp之外，还应考虑IG-541气体摩擦所生成的热dqT。由于IG-541气体喷放时要吸收热量，设IG-541气体分子以能量的形式全部吸收了摩擦损失的能量，即dqT=λdlw2=-d(w2)-dp(1-1)d22ρ由热力学第一定律dp+dqT=dp-d(w2)-dp(1-2)2ρ=du+pdυ由焓定义可得di=du+pdυ+υdp(1-3)由式（1-2）和式（1-3）得dp=di+d(w2)(1-4)2此即为能量方程。IG-541气体从周围环境吸收的热量写成dp=CdT，代入（1-4）积分，由T=p/ρR，Cp-Cυ=R可得dp+k-1w2=常数(1-5)ρk-k*2式中k*=C/Cυk=Cp/Cυ从式（1-5）可知，当IG-541在管道内的流速w越低时，其状态越接近等温过程。2.2假设IG-541气体在输送管道内流动时，与外界无热量交换时，dq=0，由能量方程，即式（1-4）可知i1+w12=i2+w22=常数22对理想气体时，应有kp1+w12=kp2+w22=常数(1-6)k-1ρ12k-1ρ22式（1-6）直接由能量方程式（1-4）推出，与过程是否可逆无关。由于声波在空气中的传播速度a=(kp/ρ)1/2=(kRT)1/2=20T1/2(1-7)p+k-1w2=a2+k-1w2=常数(1-8)ρk2kk2上式说明：当IG-541气体与外界无热交换时，若管道内IG-541气体流速w比声速小得多，则可看作等温流动过程。当w=161m/s时，式中第二项仅为第一项的5%。只有在w较大时，温度才会升高而偏离等温过程。在实际灭火条件下，IG-541气体都是在非绝热状态管道系统中流动，且流速较低（w≯162.3m/s）。因此，IG-541气体在管网内流动（流速小于0.5倍音速）的热力过程可认为是等温过程。2.3计算在一定压力下IG-541气体的密度ρ采用理想气体状态方程表示：p·V=n·R·T·Z（1-9）式中：p——压力，Pa；V——体积，m3；N——摩尔数，mol；R——气体通用常数，R=8.314J/mol·K；Z——压缩因子。表达真实流体和理想气体的差异，宜采用Lee—Kesler状态方程计算。参见表2.3。表2.3IG541气体压缩因子温度压力-10℃0℃10℃20℃30℃40℃50℃1MPa0.98970.99130.99270.99390.99500.99590.99672MPa0.97980.98300.98580.98830.99040.99220.99383MPa0.97040.97530.97950.98310.98620.98890.99134MPa0.96150.96800.97360.97840.98250.98610.98925MPa0.95320.96130.96820.97410.97930.98370.98756MPa0.94560.95530.96340.97050.97650.98170.98637MPa0.93870.94980.95930.96730.97420.98020.9854式（1-9）可得IG-541气体的密度ρ=Mm·p/(1000R·T·Z)（1-10）2.4IG-541气体在管道内流动时，各能量头之间遵循如下伯努利方程式d(w2)+dp+λdlw2=0(1-11)2ρ2D用w2去除式（1-11）两边，由式（1-10）和w=Q/(ρ·S)代入式（1-11），得dw+Mn·S2·p·dp+λdl=0(1-12)w1000R·T·Z·Q22D将式（1-12）对长度为l的1、2两断面进行积分得p12-p22=2000R·T·Z·Q2(㏑w2+λl)(1-13)Mn·S2w12D在实际应用中，认为对数项比摩擦损失比较小，可忽略，另又，管道截面积S=πD2/4上式得p22=p12-16000R·T·Z·Q2λ·l(1-14)Mnπ2·D5=p12–397λ·l·T·Z·Q2(1-15)D5式中：p1——1断面压力，Pa；p2——2断面压力，Pa；λ——IG-541气体摩擦阻力系数。λ=0.11(Δ/D)0.25，式中，对于无缝钢管，管道当量糙粒高度Δ=0.2mm，管道内径D，单位mm；Q——IG-541气体质量流量，㎏/s；D——管道内径，m；l——管道的计算长度，m；T——绝对温度，K；Z——压缩因子。4.1系统管网计算时，应采用防护区的正常环境温度；4.2灭火剂的喷射时间应保证在60s之内达到最小设计浓度的95%，见表4.2；表4.2IG-541气体喷射时间设计浓度%（V/V）喷射时间（s）设计浓度%（V/V）喷射时间（s）37.530.040.857.537.832.541.160.038.135.041.462.538.437.541.765.038.740.042.067.539.042.542.370.039.345.042.672.539.647.542.875.039.950.043.177.540.252.543.480.040.555.04.3管道容积与储存容器的最大容积比应小于66%；4.4；4.5IG-541气体在管网内流速小于0.5倍音速，即161m/s。正常环境温度为20℃的5.1计算灭火剂用量M=2.303VS·lg(100)V·SS100-c5.2计算管道压力降5.2.1管段的计算长度应为管道的实际长度与管道附件当量长度之和。管道附件的当量长度见表5.2.1。表5.2.1管道附件的当量长度管道公称直径（mm）螺纹连接焊接90°弯头（m）三通的直通部分（m）三通的侧通部分（m）90°弯头（m）三通的直通部分（m）三通的侧通部分（m）150.520.301.040.240.210.64200.670.431.370.330.270.85250.850.551.740.430.341.07321.130.702.290.550.461.40401.310.822.650.640.521.65501.681.073.420.850.672.10652.011.254.091.010.822.50802.501.565.061.251.013.11100———1.651.344.09125———2.041.685.12150———2.472.016.165.2.2p22p2PaPa经计算，管道容积与储存容器的最大容积比小于66%；；IG-541气体在管网内流速为42m/s<161m/s。计算结果：主管径为DN65。6结束语IG-541气体在管网内流动（流速小于0.5倍音速）的热力过程认为等温过程是符合实际情况的。由于本人才学浅薄，加之研究能力有限，难免有不妥之处。读者有云，其悯撰劳而赐之斧正焉，企予望之！参考文献：1DG/TJ08-306-2001惰性气体IG-541灭火系统技术规程2王致新，王煜彤.IG-541灭火系统设计中的音障问题.亚洲消防与保安，2002，4（B）：49—503[美]汤普森（Thompson，PA），编著.可压缩流体动力学.田安文，等译.北京：科学出版社，19864[美]夏皮罗（Shapiro，AH），编著.可压缩流体动力学与热力学，下册.陆志芳等译.北京：科学出版社，19775小栗富士雄，编著.配管设计施工指南.康文甲，周正明，译.北京：中国建筑工业出版社，19886GB50193-93二氧化碳灭火系统设计规范7孙淮清，王建中，编著.流量测量节流装置设计手册.北京：化学工业出版社，20008刘国祝，编著.卤代烷1301灭火系统.北京：群众出版社，19909周方忠.惰性混合气体灭火剂IG-541储瓶额定充装量及其控制之我见.气体消防技术，2001，六：104—11310冉海潮，孙丽华，编著.消防系统设计与工程实践.北京：科学出版社，199911王烽华，编著.卤代烷替代药剂暨灭火系统工程设计手册.北京：中国建筑工业出版社，199912姜文源，编著.气压给水技术.北京：中国建筑工业出版社，199313吴家正，编著.液化石油气管道供应技术.上海：同济大学出版社，199814周玉文，赵洪宾，编著.排水管网理论与计算.北京：中国建筑工业出版社，200015GBJ50163-92卤代烷1301灭火系统设计规范16GBJ110-87卤代烷1211灭