氣體滅火系統(tǒng)初始計算壓力的確定

1、氣體滅火系統(tǒng)初始計算壓力的確定王致新 ，王煜彤（天津市兆龍軟件開發(fā)有限公司，天津 300384）摘 要：討論了國家規(guī)范和一些地方標準中規(guī)定的各種氣體滅火系統(tǒng)初始計算壓力的確定方法和存在的問題，并提出了新的計算方法關鍵詞：氣體滅火系統(tǒng) 初始計算壓力 中期壓力 蒸氣壓 等溫過程 絕熱過程 前言： 氣體滅火系統(tǒng)包括高、低壓二氧化碳及各種潔凈氣體滅火系統(tǒng)。目前我國普遍應用的潔凈氣體滅火系統(tǒng)主要有：七氟丙烷滅火系統(tǒng)、三氟甲烷滅火系統(tǒng)和IG-541滅火系統(tǒng)。近年來，得到使用的還有六氟丙烷等滅火系統(tǒng)以及IG-01, IG-55和IG-100等惰性混合氣體滅火系統(tǒng)。氣體滅火系統(tǒng)的特點是：滅火劑存儲在高壓儲存容

2、器中。二氧化碳、七氟丙烷和三氟甲烷等滅火劑在容器中是液態(tài)存儲的；IG-541等各種惰性混合氣體滅火劑在高壓容器中則是氣態(tài)存儲的。不同滅火劑的存儲壓力也不完全相同。IG-541和高壓二氧化碳的存儲壓力為15MPa或20MPa; 低壓二氧化碳的存儲壓力為2.1MPa左右; 七氟丙烷的存儲壓力為2.5、4.2MPa或5.6MPa；三氟甲烷的存儲壓力為4.2MPa等等。值得注意的是：儲存壓力所用的數(shù)據(jù)是表壓，但計算過程中使用的初始計算壓力都是絕對壓力。滅火劑開始噴放后，由于噴放初期管道內(nèi)的背壓相當于大氣壓，儲存容器內(nèi)的壓力下降梯度很大，其后下降梯度逐漸減小，因此氣體滅火系統(tǒng)噴放時，儲存容器中基本上是閉

3、口系統(tǒng)內(nèi)壓縮氣體的膨脹過程；而管道內(nèi)的流動過程則是變壓力源開口系統(tǒng)中的流動過程。此外，除了儲存狀態(tài)下仍保持氣態(tài)的各種混合氣體滅火系統(tǒng)外，低壓二氧化碳和三氟甲烷滅火劑在噴放過程中，當壓力達到滅火劑的蒸氣壓后，滅火劑開始蒸發(fā)為氣態(tài)，所以這類滅火劑在管道中的流動是氣-液兩相流。但是，由于七氟丙烷的蒸氣壓低于噴頭的最低工作壓力，所以噴放過程中基本上是液態(tài)單相流；由于氣體滅火系統(tǒng)噴放過程是變壓力源流動過程，且各種系統(tǒng)的流態(tài)也不完全相同，所以給設計計算帶來了很大困難。目前，國內(nèi)外在各種氣體滅火系統(tǒng)的設計標準或規(guī)范中為了簡化計算都假設滅火劑噴放過程中儲存容器內(nèi)的壓力為某個恒定值。這個壓力被稱為氣體滅火系統(tǒng)的

4、“初始計算壓力”或“起點計算壓力”。由于國內(nèi)外對氣體滅火系統(tǒng)噴放過程的研究還不夠，所以不同標準或規(guī)范中給出的初始計算壓力的計算方法也不盡相同，并且現(xiàn)有的這些計算方法還不同程度的存在一些問題。本文將從理論上對各種氣體滅火系統(tǒng)設計中如何確定初始計算壓力的方法進行討論并給出相應的計算公式。一、 噴放過程中氣體滅火劑在儲存容器中膨脹的熱力學過程1、 儲存狀態(tài)為氣態(tài)的氣體滅火系統(tǒng)此類滅火系統(tǒng)主要是各種惰性混合氣體滅火系統(tǒng)如IG-541、IG-01, IG-55和IG-100等。噴放過程中這類滅火劑無論在儲存容器內(nèi)或管道中都是單相氣態(tài)。其流動過程屬于可壓縮氣體在開口系統(tǒng)中的高速單相流動。由于這些氣體密度較

5、小、且遠離液態(tài)，所以可認為是理想氣體。2、 儲存狀態(tài)為液態(tài)的氣體滅火系統(tǒng)此類滅火系統(tǒng)可分為兩類。一類是：二氧化碳和三氟甲烷滅火系統(tǒng)。它們在高壓儲存容器內(nèi)是液態(tài)，開始噴放后壓力降低到其蒸汽壓時開始蒸發(fā)。這種剛剛脫離液態(tài)的蒸汽密度較大，在熱物理學中認為與理想氣體的定義差別甚大，稱之為“實際氣體”。在管道中則是氣-液兩相流。另一類是七氟丙烷滅火系統(tǒng)。雖然七氟丙烷在高壓儲存容器內(nèi)也是液態(tài)，但由于七氟丙烷的蒸氣壓很低（低于噴頭要求的最低工作壓力），所以噴放過程中在管道內(nèi)的流動過程可認為是單相液態(tài)流。常溫下蒸氣壓明顯低于儲存壓力的滅火劑（例如七氟丙烷等）需要加壓成為液態(tài)存儲在容器內(nèi)。這類滅火劑在開始噴放時

6、需靠裝在同一容器中的其它氣體（如氮氣）膨脹產(chǎn)生的壓力推動從儲存容器中排出。存儲狀態(tài)為液態(tài)，但在儲存溫度下蒸氣壓接近于儲存壓力的滅火劑（例如二氧化碳、三氟甲烷等）則無需靠其它氣體加壓，開始噴放后滅火劑靠自身的蒸氣壓推動即可將滅火劑從容器中排出。由上述可見，不同存儲狀態(tài)和蒸氣壓不同的滅火劑所構(gòu)成的滅火系統(tǒng)，噴放過程中滅火劑在儲存容器中膨脹的熱力學過程及在管道內(nèi)的流動過程也不完全相同。因此，在確定系統(tǒng)設計中的初始計算壓力之前，首先應對噴放滅火劑時儲存容器內(nèi)氣體膨脹的熱力學過程以及滅火劑在管道內(nèi)的流動過程加以分析。我國氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范GB 50370-2005和一些地方標準中，計算七氟丙烷滅火系統(tǒng)

7、的初始計算壓力時，都認為噴放時氣體在儲存容器中膨脹的熱力學過程是理想氣體的“等溫過程”，即儲存容器中氣體的溫度是恒定不變的，亦即壓力和密度成正比，和比容v成反比：Pv = P/=常數(shù) 可見“等溫過程”的P-v之間的關系是一條雙曲線。事實上，隨著壓力下降儲存容器中的氣體在容器中屬于無功膨脹，由于氣體滅火系統(tǒng)的噴放時間很短，滅火劑幾乎來不及通過容器壁與外界環(huán)境進行熱交換，所以各種氣體滅火系統(tǒng)噴放時滅火劑在儲存容器內(nèi)膨脹的熱力學過程并不是“等溫過程”，而更接近于系統(tǒng)與外界無熱交換的理想氣體的“絕熱膨脹過程”?？梢姡河美硐霘怏w等溫過程的計算方法計算氣體滅火系統(tǒng)的初始計算壓力并不妥當。氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)

8、范國家標準和陜西省地方標準DB61/296-2000潔凈氣體IG541滅火系統(tǒng)設計、施工、驗收規(guī)范在計算IG-541滅火系統(tǒng)儲存容器中氣體的膨脹過程時，就認定是“絕熱過程”。對于絕熱過程，壓力P與比容v（密度的倒數(shù)）之間的關系是： Pv K = P/K =C - (1) C 是常數(shù) k 是比熱比。 k = CP/CV - (2) CP和CV分別是等壓比熱和等容比熱。 （1）式表明：“絕熱過程”并不是一條典型的雙曲線。由于k大于1，所以絕熱曲線要比等溫曲線陡一些。與典型雙曲線的差別的程度取決于k值的大小。圖1是儲存壓力為2.5MPa的七氟丙烷儲瓶內(nèi)的氮氣按照絕熱膨脹的理論計算結(jié)果。不同顏色的曲線

9、代表充裝率不同時的情況。充裝率越小表示儲罐內(nèi)原始存儲的滅火劑與氮氣的比值越低，即氮氣的比例越大，因而壓力下降越緩慢。因此，設計氣體滅火系統(tǒng)時，一旦遇到噴頭壓力過低不能滿足規(guī)范要求時，常常采用增加瓶組數(shù)以減小充裝率的方法來提高初始計算壓力和噴頭壓力。 圖1 按照等熵絕熱過程理論計算時，儲瓶內(nèi)的壓力隨七氟丙烷排出量的增加而下降。 1 PSI=6895 Pa 1 Lb/ft3 =16.0183 kg/m3 為了證實這一理論，國外有人專門對僅帶有一個噴頭、充裝壓力為2.5MPa的七氟丙烷滅火系統(tǒng)儲存容器內(nèi)的壓力及噴頭處的壓力隨噴射時間的關系進行了實驗。實驗儲存容器的充裝率為1120 kg/m3。 實驗

10、結(jié)果如圖2所示：圖中下方曲線是噴頭壓力；上方曲線是儲存容器內(nèi)氣體的壓力。開始噴放的初期，儲存容器內(nèi)的氮氣壓力突然下降，這一不穩(wěn)定過程大約僅維持1-2秒，液態(tài)七氟丙烷在氮氣壓力的推動下流入并充滿管道。其后，氮氣壓力呈穩(wěn)定膨脹下降過程，噴頭壓力緩慢下降。由于七氟丙烷的蒸氣壓低于噴頭的額定工作壓力，所以整個噴放過程中滅火劑基本上維持液態(tài)，噴放過程類似于理想氣體膨脹推動七氟丙烷液體活塞運動。但接近10秒時，因管道內(nèi)的滅火劑已接近噴射完畢，管道末端的瞬時壓力可能低于七氟丙烷的蒸氣壓。這時，部分剩余液態(tài)滅火劑蒸發(fā)，造成噴頭壓力瞬時波動然后迅速下降。比較圖1和圖2 可見，滅火劑在儲存容器內(nèi)的熱力學過程確實更

11、接近于儲存容器中氣體的絕熱膨脹過程。圖2 七氟丙烷儲存容器內(nèi)的壓力及噴頭壓力隨噴射時間的實際變化關系二、 現(xiàn)行規(guī)范中對氣體滅火系統(tǒng)初始計算壓力的規(guī)定和存在的問題 我國國家規(guī)范及某些地方標準中對氣體滅火系統(tǒng)的初始計算壓力作了一些規(guī)定。例如：二氧化碳滅火系統(tǒng)國家設計規(guī)范中規(guī)定：高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力為5.17MPa；低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力為2.07MPa。氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范國家標準和早先發(fā)布的一些地方標準中對目前國內(nèi)已普遍應用的七氟丙烷滅火系統(tǒng)都規(guī)定初始計算壓力應按“中期壓力”計算。但給定的“中期壓力”計算公式有所不同。例如：廣東省地方標準DBJ 15-23-1999七氟

12、丙烷（HFC227ea）潔凈氣體滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程和上海市的地方標準DG/TJ 08-307-2002七氟丙烷滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程中給出的“中期壓力”計算公式是： Pm = P0V0/ (V0+M/2 +Vg) - (3) 式中 Pm- 儲存容器內(nèi)藥劑噴放一半時“中期狀態(tài)”的壓力（絕對壓力） P0 儲存壓力（絕對壓力） V0 噴放前儲存容器內(nèi)氣相容積的總和。V0 = n Vb(1- / ) n儲存容器的數(shù)量 Vb單個儲存容器的容積 -滅火劑充裝率 滅火劑液體密度 M 滅火劑設計用量 Vg 管網(wǎng)內(nèi)容積 2006年3月2日發(fā)布；2006年5月1日實施的國家標準氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范中規(guī)定的七氟丙烷滅火系統(tǒng)

13、“中期壓力”計算公式與（3）式完全相同。北京市地方標準DBJ 01-75-2003潔凈氣體滅火系統(tǒng)設計、施工、驗收規(guī)范中給出的七氟丙烷滅火系統(tǒng)“中期壓力”計算公式則是： Pm = P0V0/ (V0+M/2) - (4)上述各種規(guī)范規(guī)定的計算方法都認定儲存容器內(nèi)的氣體膨脹是“等溫過程”的理論基礎上產(chǎn)生的。對于三氟甲烷滅火系統(tǒng)，廣西地方標準中規(guī)定初始噴放壓力是通過查找三氟甲烷的溫度-蒸氣壓力曲線得到的。例如，環(huán)境溫度為20時，查曲線可知：三氟甲烷的蒸氣壓約為4.18MPa。北京市地方標準中沒有給出三氟甲烷滅火系統(tǒng)初始計算壓力的計算方法。國家氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范GB 50370 2005發(fā)布前，只

14、有陜西省地方標準給出了IG-541滅火系統(tǒng)的“中期壓力”的計算公式： Pm =0.3642 P0 V0/ (V0+ Vg) 1.457 -(5) 新發(fā)布的氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范國家標準中，IG-541滅火系統(tǒng)并未明確給出初始計算壓力，只給出了一個“孔板前壓力”。其計算公式為： Pm = P0 0.525V0/ (V0+ V1+ 0.4V2) 1.45 -(5´)從（5）和(5´)式的表達方式可見：它們都是根據(jù)“絕熱膨脹過程”產(chǎn)生的。不同之處僅在于二者確定的比熱比K值略有不同。另外，陜西省地方標準所給出(5)式中系數(shù)0.3642是0.5的1.457次方，即認為“中期”是按噴放設

15、計用量的50%考慮的。而國家規(guī)范中則認為“中期”應按噴放設計用量95%的一半考慮。二者均考慮了管道容積，但在量上也有所差別。但是，(5´)式中的0.525 P0V0 1.45只是儲存狀態(tài)下部分容積氣體的狀態(tài)（而不是全部氣體）；但(V0+ V1+ 0.4V2 ) 1.45Pm是全部儲存氣體噴放95%的一半時，儲瓶和管道中的狀態(tài)。因此(5´)式作為理想氣體絕熱膨脹的狀態(tài)方程是否合適值得商榷。美國NFPA 2001潔凈氣體滅火系統(tǒng)設計標準中也未給出如何確定IG-541滅火系統(tǒng)初始計算壓力的方法。上述種種情況說明：我國對氣體滅火系統(tǒng)設計計算中首先必須考慮給定初始計算壓力的意見是一致

16、的，但是對于如何確定初始計算壓力的方法還沒有統(tǒng)一認識。各種標準、規(guī)范中對所規(guī)定的計算方法也沒有提供其來由和理論根據(jù)。新發(fā)布的氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范國家標準中，IG-541滅火系統(tǒng)按絕熱過程考慮；但在同一規(guī)范中對于七氟丙烷滅火系統(tǒng)則按等溫過程處理，并未說明二者差異的原因。這種情況說明：即使在同一標準中，處理同類問題的基本思路并不統(tǒng)一。這當然對我國正確設計氣體滅火系統(tǒng)不利。再加上國外以“保護知識產(chǎn)權(quán)”為名不公開所有潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設計計算方法和計算公式，從而迫使我們必須自力更生，自主創(chuàng)新從理論上探求氣體滅火系統(tǒng)的設計計算方法。首當其沖的就是要從理論上弄清楚各種氣體滅火系統(tǒng)的初始計算壓力應如何確定。

17、三、 “理想氣體”和“實際氣體”在分析氣體滅火系統(tǒng)的初始計算壓力時，除了要考慮氣體在儲存容器內(nèi)的膨脹過程外，還必須考慮氣體滅火劑是否能按照“理想氣體”處理。所謂“理想氣體”是指這種氣體分子是本身不占體積的完全彈性的質(zhì)點，且分子之間沒有內(nèi)聚力。因而 理想氣體的內(nèi)能就是其分子運動的動能，它僅是溫度的函數(shù)并符合焦耳定律和理想氣體狀態(tài)方程。處于離液態(tài)不遠，且在某些情況下還會發(fā)生相變成為液態(tài)的蒸氣，因其分子間距小，分子之間的內(nèi)聚力和分子本身的體積都不能忽略。這類氣體在熱物理學中被稱為“實際氣體”。實際氣體在不同溫度下定溫膨脹過程的典型p-v圖如圖3所示。圖中左側(cè)斜線陰影區(qū)是液態(tài)；右側(cè)無陰影區(qū)為氣態(tài)。C點

18、是臨界點。C點以下的峰狀三角形B-C線的左側(cè)是液態(tài)；三角形A-C線的右側(cè)是氣態(tài)。三角形A-C-B內(nèi)是氣-液兩相共存區(qū)。因為惰性氣體滅火系統(tǒng)無論在存儲狀態(tài)或流動狀態(tài)下都是氣態(tài)，所以這類滅火劑可以按照“理想氣體”處理。由于下一節(jié)將論述的原因，七氟丙烷滅火系統(tǒng)在實際噴放過程中滅火劑壓力始終高于其蒸氣壓，儲存容器內(nèi)只有氮氣膨脹作為推動力，而氮氣不能視為“實際氣體”，所以應按“理想氣體”考慮。 圖 3 實際氣體的p-v圖只有儲存狀態(tài)為液態(tài)且常溫下蒸氣壓高于噴頭額定工作壓力的氣體滅火系統(tǒng)，如二氧化碳滅火系統(tǒng)和三氟甲烷滅火系統(tǒng)中的滅火劑在儲存容器內(nèi)的膨脹就是典型的“實際氣體”膨脹過程。每條曲線代表溫度不變條

19、件下介質(zhì)壓力和比容之間的關系。右上方的曲線溫度較高；左下方的曲線溫度較低。例如，圖中a-b線的溫度比e-f線的溫度要高。溫度越高，氣體距液態(tài)越遠，越接近于理想氣體，曲線關系就越接近于雙曲線。高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)和三氟甲烷滅火系統(tǒng)因滅火劑存儲溫度低于其臨界溫度，所以開始噴放后儲存容器中滅火劑膨脹的情況可從圖3中的n-m曲線說明。這類滅火劑高壓儲存狀態(tài)是液態(tài)，其壓力相當于n點。開始噴放后，隨著儲存容器中的壓力下降，將沿n-m曲線下移，但仍保持液態(tài)，因而體積和密度不變，所以這一階段的曲線是一段垂直線。當壓力沿n-m曲線從儲存壓力點n逐漸下降到該氣體的蒸氣壓（2點）時開始氣化。隨著蒸發(fā)、膨脹過程的進展

20、，氣體的比容繼續(xù)增大，密度相應減小，在容器內(nèi)形成了氣-液兩相狀態(tài)。實驗證明：對于實際氣體，如果溫度不變，雖然氣體的比容從2點到1點逐漸變大，但壓力卻幾乎維持不變。這一現(xiàn)象十分重要。它說明：一旦容器中液態(tài)滅火劑的壓力下降到其蒸氣壓后，滅火劑開始蒸發(fā)、膨脹。從開始蒸發(fā)到全部氣化完畢這一階段中，氣-液兩相混合介質(zhì)的壓力基本保持恒定，直到全部氣化后單相氣體的壓力才會隨體積膨脹而下降。因此，對于這類“實際氣體”類的氣體滅火劑，用蒸氣壓作為系統(tǒng)設計的初始計算壓力是適宜的。四、七氟丙烷滅火系統(tǒng)的初始計算壓力 我國現(xiàn)有各種地方標準和最近發(fā)布的氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范國家標準中規(guī)定的初始計算壓力，即“中期壓力”的計

21、算公式都是首先假定了七氟丙烷存儲容器中氣體的膨脹過程是“等溫過程”。上述各種規(guī)范中給出的計算公式都是在這一假定的基礎上產(chǎn)生的。北京市地方標準與廣東省和上海市地方標準以及氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范的不同點僅在于前者認為氣體膨脹過程只是在儲存容器內(nèi)進行的；后者則認為這一膨脹過程不僅在容器內(nèi)進行，還應包括整個管道系統(tǒng)。前已論述，這一膨脹過程不應是“等溫過程”，而應是“絕熱過程”。此外，七氟丙烷常溫下存儲壓力為2.5MPa和4.2MPa時的蒸氣壓分別是0.3和0.45MPa左右，且其臨界溫度為101.7，所以常溫下難以汽化。如此之低的蒸氣壓無法推動滅火劑經(jīng)管道從噴頭噴出。所以，儲壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)噴放時只

22、能靠預儲在儲瓶中的高壓氮氣在容器內(nèi)膨脹作為動力才行，所以開始噴放后，是氮氣在儲瓶這一“閉口系統(tǒng)”中的絕熱膨脹將液態(tài)滅火劑推出儲瓶（其膨脹過程恰如氮氣在氣缸中膨脹推動一個液體活塞）。而液態(tài)滅火劑進入管道后在管道內(nèi)的流動則是液體在“絕熱開口系統(tǒng)”中的流動過程，且接近于單相液態(tài)流。因此，當七氟丙烷滅火劑從噴頭噴出1/2時，管道中仍應留有1/2的液態(tài)滅火劑。此外，七氟丙烷滅火系統(tǒng)“中期壓力”的計算公式應按絕熱過程考慮。因此 Pm = P0 V0/ (V0+M/2+Vg) k - (6)其中 k 是絕熱指數(shù)。由于七氟丙烷的蒸氣壓與存儲壓力相比甚小，儲存容器中的氣體基本上是氮氣，所以膨脹過程應按照氮氣而不

23、是七氟丙烷蒸氣的絕熱膨脹考慮。因為氮氣的比熱比 k = 1.4，所以七氟丙烷滅火系統(tǒng)的“中期壓力”應按下列方程計算： Pm = P0 V0/ (V0+M/2+Vg ) 1.4 - (7) 此外，滅火劑在容器中的壓力還與充裝密度和溫度有關，所以必須規(guī)定其最大充裝量。我國氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范規(guī)定：七氟丙烷滅火系統(tǒng)容器增壓壓力為2.5MPa時，充裝量不應大于1120kg；焊接容器增壓壓力為4.2MPa時，充裝量不應大于950kg；無縫容器增壓壓力為2.5MPa時，充裝量不應大于1120kg；容器增壓壓力為5.6MPa時，充裝量不應大于1080kg。 五、二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力問題二氧化碳滅火

24、系統(tǒng)設計規(guī)范GB 50193-93中的條規(guī)定：“二氧化碳滅火系統(tǒng)滅火劑儲存方式可分為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)。管網(wǎng)起點計算壓力（絕對壓力）；高壓系統(tǒng)應取5.17MPa，低壓系統(tǒng)應取2.07MPa”。該條文的說明中進一步說：“··· 這和ISO 6183的觀點是一致的。國際標準采用了平均儲存壓力的概念。經(jīng)征求意見，這里改稱為起點計算壓力”。但是，各國規(guī)范一致規(guī)定高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力為5.17MPa（750 PSI）；低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的計算壓力為2.07MPa（300PSI）的原因何在？為什么高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)初始計算壓力要用一個固定的“平均儲存壓力”？

25、這個“平均儲存壓力”又是怎樣“平均”出來的并未說清楚。而另一方面，為什么低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)卻不需要也搞一個“平均儲存壓力”作為初始計算壓力呢？美國NFPA 12二氧化碳滅火系統(tǒng)設計標準A-1-10.5中說：“開始噴放后，低壓二氧化碳儲罐中的壓力將會下降。下降的程度取決于藥劑是部分還是全部噴出。噴放過程的平均壓力（表壓）約為285PSI（19685kPa）,所以低壓二氧化碳系統(tǒng)計算時流量方程中采用的計算壓力(絕對壓力)為300PSI(2068 kPa)。高壓二氧化碳系統(tǒng)中的存儲壓力與環(huán)境溫度有關，假定常溫是70（21），噴放過程中儲瓶中的平均壓力(絕對壓力)約為750 PSI（5171 kPa

26、），這一壓力值即被用于高壓系統(tǒng)的計算中”。但是，這一解釋也并不十分清楚。通過對二氧化碳相圖（圖4）的分析就可以了解其原因所在：當二氧化碳溫度高于-56.6時，隨著壓力增加二氧化碳將從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。在壓力高于0.517MPa，且溫度低于-56.6時，液態(tài)二氧化碳將固化成為干冰。壓力低于0.517MPa，且溫度高于-56.6時，干冰將直接升華成為氣態(tài)二氧化碳。所以0.517MPa和-56.6處稱為三相點。高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在常溫和15MPa的儲存壓力下二氧化碳是液態(tài)。噴放開始的1-2秒，由于管道內(nèi)還是大氣壓，阻力很小，所以儲存容器內(nèi)的壓力迅速下降，繼而因管道內(nèi)充壓阻力增大，儲存容器內(nèi)的壓力小幅

27、回升，隨后繼續(xù)下降。隨著壓力下降，儲瓶中的二氧化碳溫度也會下降。若二氧化碳的儲存溫度為20左右，噴放過程中二氧化碳的溫度約為16。在這一溫度下，二氧化碳的蒸氣壓為748psi (psi為英制壓力單位：磅/平方英寸)。由于上述16的溫度是大致溫度并不準確，所以美國NFPA12標準<Standard on Carbon Dioxide Extinguishing Systems>將其取為.整數(shù)750psi.（5.17MPa）。因此，儲瓶內(nèi)二氧化碳開始噴放后，當其壓力降至5.17MPa時，液態(tài)二氧化碳即將開始蒸發(fā)。從這時起,儲瓶內(nèi)的二氧化碳即進入了典型的“實際氣體”氣化階段。如前所述，在

28、液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)的全過程中，儲存容器內(nèi)的壓力基本保持恒定，進入一個相對穩(wěn)定階段（參見圖3）。因此，美國NFPA12標準規(guī)定將大大低于存儲壓力的750psi作為高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力。 （） 圖4 二氧化碳的相圖與高壓二氧化碳不同，低壓二氧化碳在大型儲罐內(nèi)-19±1的溫度下存儲，且其儲存壓力為2.1MPa（表壓）左右，僅略高于-18時的相變壓力，開始噴放后儲罐內(nèi)溫度若按-18計算，這一溫度下二氧化碳的蒸氣壓為303.76psi，美國標準NFPA 12按英制壓力單位將其取整為300psi（2.07MPa）,并以此作為低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的起點計算壓力。因此，低壓二氧化碳滅火系

29、統(tǒng)并不存在以“平均儲存壓力”作為起點計算壓力的問題。因此，在按兩相流進行計算時，首先要決定如何確定起點計算壓力（即初始計算壓力）。對于高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)它不應是存儲壓力（表壓為15 MPa或20MPa）。因為存儲壓力只是開始噴放瞬時的壓力，其后將迅速下降。規(guī)范中規(guī)定高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計算壓力（絕對壓力）為5.17MPa，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的起點初始計算壓力為2.07MPa的原因就在于這兩個壓力分別為16左右（考慮到噴放時滅火劑膨脹造成的降溫）和-18（低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)存儲溫度）時二氧化碳從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的蒸氣壓（從液態(tài)開始蒸發(fā)的相變壓力）。我國規(guī)范中定的高壓和低壓二氧化碳滅火系

30、統(tǒng)的起點計算壓力5.17Mpa和2.07Mpa)是從NFPA標準中給定的英制壓力單位（750psi和300psi）直接轉(zhuǎn)換為公制壓力單位（MPa）得到的。這就是高壓和低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)初始計算壓力規(guī)定數(shù)值的來歷。通過50多年工程設計實踐證明，這兩個規(guī)定值是合理的、實用的。當然，從另一個方面看，這個壓力值本身并不是絕對的。如果不考慮必須與美國通用的英制標準完全對應的話，從更便于計算考慮，我國規(guī)范完全可以將5.17和2.07MPa這兩個初始計算壓力園整化為5.2和2.1Mpa。 六、三氟甲烷滅火系統(tǒng)的初始計算壓力從三氟甲烷的溫度-蒸汽壓力圖（圖5）可見：三氟甲烷與七氟丙烷的重大差別之一就是三氟甲

31、烷常溫下的蒸氣壓力接近于其存儲壓力，所以它無需氮氣加壓。此外，三氟甲烷的臨界溫度是25.9，接近于常溫，所以噴放時隨著壓力下降，儲存容器中的液態(tài)三氟甲烷會較快地蒸發(fā)，從而不斷提供高壓三氟甲烷蒸氣，使儲存容器中的壓力維持在其蒸氣壓附近。另外，由于三氟甲烷的蒸氣壓高(20時的蒸氣壓力為4.18MPa) ，噴放過程中滅火劑在管道內(nèi)的流態(tài)更接近氣態(tài)單相流。 圖5 三氟甲烷的溫度-蒸氣壓關系圖 三氟甲烷滅火系統(tǒng)的充裝壓力為4.2MPa時，最大充裝密度的規(guī)定值是860kg/m 3。當環(huán)境溫度超過25.9時，儲存容器中的三氟丙烷將全部汽化。從上圖可見：若充裝密度等于860kg/m 3且存儲溫度達到50時，容

32、器內(nèi)的壓力將高達15Mpa以上。當充裝密度低于860kg/m 3且溫度為15-20時，三氟甲烷的蒸氣壓在3.7-4.2Mpa之間。因此，與確定高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)始計算壓力的原理類似，并從安全角度考慮，三氟甲烷滅火系統(tǒng)的初始計算壓力宜采用3.7Mpa（絕對壓力）。 七、IG-541 滅火系統(tǒng)的初始計算壓力IG-541等各種惰性氣體滅火系統(tǒng)滅火劑在容器內(nèi)都是高壓氣態(tài)存儲，可認為是理想氣體。噴放時在儲存容器中的膨脹過程由于既無功耗且在極短的噴放時間內(nèi)通過容器壁與外界的換熱幾乎為零，所以是典型的絕熱過程，而且沒有液-氣轉(zhuǎn)換問題。因此，美國標準NFPA 2001潔凈氣體滅火系統(tǒng)設計標準中規(guī)定：“IG-541滅火系統(tǒng)無需設定最大充裝率”。但是，這類氣體滅火劑開始噴放后在儲瓶中的膨脹過程因有氣體滅火劑的流出，已不再是七氟丙烷那種“閉口系統(tǒng)”；而成為“開口系統(tǒng)”。氣體滅火系統(tǒng)國家規(guī)范未發(fā)布前，只有陜西省地方標準給出了IG-541滅火系統(tǒng)“中期壓力”計算公式，即（5）式也是根據(jù)“絕熱過程”推出的。氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范國家規(guī)范中IG-541滅火系統(tǒng)的“孔板前壓力”實際上仍是“中期壓力”的概念。(5´)式中的系數(shù)0.525是噴放滅火劑存儲量95%的