氮气灭火系统设计计算公式探讨_赖海灵.pdf
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1、10氮气灭火系统设计计算公式探讨摘要:氮气灭火系统管道内的气体流动过程可能是介于等温过程(等焓)与可逆绝热过程(等熵)之间的一种特殊的复杂过程,其设计计算是重点难点之一。通过流体伯诺里方程推导了管道沿程压强损失计算公式、气体密度计算公式、剩余量计算公式、开口补偿量公式以及管段末端马赫数计算公式,希望能给同行起到借鉴作用。关键词:理想气体;欧拉方程;伯诺里方程;气体密度;管段末端马赫数赖海灵 丰汉军 贺宇飞 郭进军(广州市设计院,广东 广州 510620)中图分类号:TU892 文献标识码:A 文章编号:2096-1227(2022)11-0010-03氮气灭火系统管道内的气体流动过程是介于等温
2、过程(等焓)与可逆绝热过程(等熵)之间的一种特殊的复杂过程,氮气在储存容器里初始压强为 15 MPa、20 MPa,喷放过程中储存容器里压强不断降低,到喷头末端剩余压强通常为 1 3 MPa,要完全精确计算是非常困难的。GB 503702005气体灭火系统设计规范提供的公式:减压孔板后压强P2=P1,P1为当灭火剂喷出量为设计用量 50%时的储存容器压强;落压比在0.52 0.60 中选用,也是经验值;管网的压强都是在P1、P2基础上计算,与管网实际运行压强并不完全相符。因为氮气灭火系统与 IG541 灭火系统的灭火剂种类不同,故两种灭火剂的压强系数(Y)、密度系数(Z)、等效孔口单位面积喷射
3、率(qc)均不同,所以 GB 503702005 提供的 IG541 计算公式不能直接用于氮气灭火系统计算1。1 基本理论表 1 为 0时 1 L 的氮气的实验数据与理想气体状态方程、范德瓦尔斯方程所得数据的比较。表1 0时1 L的氮气的实验数据与理想气体状态方程、范德瓦尔斯方程所得数据的比较压强P/(1.013105 Pa)实测PV/(1.013105 PaL)理想气体PV/(1.013105 PaL)(P+aM2-2V-2)(V-bM-1)/(1.013105 PaL)11.000 01.0001.0001000.994 11.0001.0002001.048 31.0001.009500
4、1.390 01.0001.0141 0002.088 51.0000.938注:表 1 摘录自大学物理。根据上述数据,在约 20 MPa 条件下,理想气体PV值与真实气体仅差(1.048 3-1.000)/1.048 3=4.61%,误差在工程中可以接受,因此理想气体状态公式可以用于氮气灭火系统,GB 503702005气体灭火系统设计规范提供的中期压强公式也是按理想气体公式推导得出2。2 中期压强公式推导中期压强是按喷放设计用量 95%的一半考虑的,故剩余的气体量应为 1-0.95/2=0.525,初始时储存容器的压强为P0,剩余的气体体积是储存容器的总容积V0的 0.525 倍;这部分气
5、体喷放后,一部分压强为P1(减压孔板前),体积为:V0+V1;另一部分压强为P2(减压孔板后),体积为:V2。对减压孔板后的气体按绝热公式“PVr=恒量”推导,换算成减压前的体积。又因管网的压强是由P2渐变到 1.0 MPa,取0.5P2为减压孔板后的平均压强,可得:(V2 /V2)r=0.5P2/P1=0.5=0.50.52=0.26 V2=0.261/rV2=0.261/1.4V2=0.382V2 (1)对减压孔板前的气体按绝热公式“PVr=恒量”推导,并把(1)代入,可得:P0(0.525V0)r=P1(V0+V1+V2)r=P1(V0+V1+0.382V2)整理可得中期压强公式:P1=
6、P0(0.525V0)/(V0+V1+0.382V2)1.40 (2)式中:P1减压孔板前中期压强,MPa;P0储存容器初始压强,MPa;V0储存容器体积,m3;V1减压孔板前管道体积,m3;V2减压孔板后管道体积,m3。当r=1.45,可同样推导出 GB 503702005气体灭火系统设计规范提供的 IG541 中期压强公式。作者简介:赖海灵(1971),男,广东省信宜市人,广州市设计院副总工程师,教授级高级工程师,注册公用设备工程师(给水排水),研究方向:建筑给水排水工程设计、咨询等。11专家学者论坛3 管道压强公式推导欧拉方程对于恒定流或非恒定流,对于不可压缩或可压缩的流体都适用,如下式
7、:W/x-1P/x=dVx/dtW/y-1P/y=dVy/dtW/z-1P/z=dVz/dt对于恒定一元流动,流速和压强不随时间变化;质量力有势,可用W(x,y,z)方程表达;在恒定流的条件下沿流线可积分,任取一段元流,均有:dW-1dP=VdV (3)对于液体元流,考虑质量力作用,不考虑密度变化,可推导出伯诺里方程。对于气体元流,不考虑质量力作用,并且考虑气体的摩擦损失为:dhf=V2/(2d)dL,则:-1dP+VdV+V2/(2d)dL=0 (4)在绝热过程中,从P-r=C(恒量),可得:=C-1/rP1/r,又V=4Q/(d2),代入(4)式并除以V2,可得:2d4/(16Q2)C-1
8、/rP1/rdP+V-1dV+/(2d)dL=0 (5)对长度为 L 的元流进行积分可得:2d4/(16Q2)C-1/rp1p2P1/rdP+v1v2V-1dV+/(2d)0LdL=0 r/(r+1)C-1/rP1(r+1)/r-P2(r+1)/r=16Q2/(2d4)Ln(V2/V1)+L/(2d)在同一管段中,V2/V11,Ln(V2/V1)0,故:P1(r+1)/r-P2(r+1)/r=8L Q2/(2d5)(r+1)/rC1/r (6)把C=P11-r代入(6)式,可得:P2=P1(r+1)/r-(r+1)/rP11/r1-1(8L Q2/2d5)r/(r+1)(7)由于气体的流动处于
9、阻力平方区,故采用粗糙区的希弗林公式:=0.11(k/d)0.25,故有:P2=P1(r+1)/r-(r+1)/rP11/r1-1(0.88k0.25L Q2/(2d5.25)r/(r+1)(8)式中:P11 断面压强,MPa;P22 断面压强,MPa;11 断面密度,kg/m3;22 断面密度,kg/m3;r比热比 CP/CV;摩擦阻力系数,无量纲;Q 气体流量,kg/s;d 管道内径,m;L 计算管长(为实际长度与附件当量长度之 和),m;k管道当量糙粒高度,mm,普通镀锌钢管可取 k=0.39 mm;不锈钢管可取k=0.014 mm。(8)式为惰性气体灭火系统管道压强计算的普遍适用型公式
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