惰性氣體ig541滅火系統(tǒng)滅火劑輸送管道壓力降計(jì)算方法

惰性氣體IG-541滅火系統(tǒng)滅火劑輸送管道壓力降計(jì)算方法【關(guān)鍵詞】伯努利方程,壓力降計(jì)算,中期壓力【摘要】目前我國沒有惰性氣體IG-541滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，也沒有相應(yīng)滅火劑輸送管道壓力降計(jì)算方法。本文對未經(jīng)確認(rèn)或無法正面論證的高壓氣體動(dòng)力學(xué)物理參數(shù)，根據(jù)客觀的正常情況或變化趨勢作出合乎情理的判斷，推導(dǎo)了一種管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。0引言惰性氣體IG-541滅火系統(tǒng)（以下簡稱IG-541系統(tǒng)）在國內(nèi)已有多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，一些國產(chǎn)化IG-541系統(tǒng)也已投入市場。IG-541系統(tǒng)具有潔凈氣體滅火系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，如：不破壞大氣臭氧層；在設(shè)計(jì)規(guī)定濃度范圍內(nèi)適用于有人員操作場所等。在鹵代烷滅火系統(tǒng)限制使用以后，目前是比較理想的替代物之一，在使用氣體滅火系統(tǒng)的場所有著重要的地位。國內(nèi)外IG-541系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中將滅火劑輸送管道壓力降計(jì)算方法不予公布。然而，筆者根據(jù)客觀的正常情況或變化趨勢作出合乎情理的判斷，以伯努利方程等理論為依據(jù)，推導(dǎo)了管道壓力降計(jì)算公式，確定了工程設(shè)計(jì)時(shí)常用的基本參數(shù)。特以此文提出初步看法，與同行商榷。1符號1.1幾何參數(shù)符號D——管道內(nèi)徑，m；l——管道計(jì)算長度，m；S——管道截面積，m2；V——體積，m3。1.2物理參數(shù)符號a——聲波在空氣中的傳播速度，m/s；Cp——定壓比熱，kJ/㎏·K；Cυ——定容比熱，kJ/㎏·K；i——比焓，J/㎏；k——比熱比，kJ/㎏·K；Mm——分子量，g/mol；N——摩爾數(shù)，mol；p——壓力，Pa；q——熱量，J/㎏；Q——流量，㎏/s；R——?dú)怏w通用常數(shù)，R=8.314J/mol·K；T——溫度，K；u——內(nèi)能，J/㎏；w——流速，m/s；Z——壓縮因子；Δ——管道當(dāng)量糙粒高度，mm；λ——摩擦阻力系數(shù)；ρ——密度，㎏/m3；υ——比容，m3/㎏。2確定管道壓力降計(jì)算公式2.1惰性IG-541氣體在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)（流速小于0.5倍音速）的熱力過程可認(rèn)為是等溫過程惰性IG-541氣體（以下簡稱IG-541氣體）在鍍鋅無縫鋼管內(nèi)作出了一維流動(dòng)的特性可由四個(gè)基本方程即連續(xù)性方程、伯努利方程、能量方程和狀態(tài)方程來描述。2.1.1計(jì)算IG-541氣體分子量Mm和比熱比k值IG-541氣體組成成份的物性參數(shù)見表2.1.1。表2.1.1IG-541氣體組成成份的物性參數(shù)名稱符號單位氬氣二氧化碳氮?dú)獬煞荼壤?V/V)%40852分子量g/mol39.94844.01028.013定壓比熱CpkJ/㎏·K20.836.729.1定容比熱CυkJ/㎏·K12.528.420.8IG-541氣體的性質(zhì)可通過“混合規(guī)則”計(jì)算求得：分子量Mm=34g/mol比熱比k=1.459kJ/㎏·K2.1.2IG-541氣體在輸送管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，除了與外界交換熱量dp之外，還應(yīng)考慮IG-541氣體摩擦所生成的熱dqT。由于IG-541氣體噴放時(shí)要吸收熱量，設(shè)IG-541氣體分子以能量的形式全部吸收了摩擦損失的能量，即dqT=λdlw2=-d(w2)-dp(1-1)d22ρ由熱力學(xué)第一定律dp+dqT=dp-d(w2)-dp(1-2)2ρ=du+pdυ由焓定義可得di=du+pdυ+υdp(1-3)由式（1-2）和式（1-3）得dp=di+d(w2)(1-4)2此即為能量方程。IG-541氣體從周圍環(huán)境吸收的熱量寫成dp=CdT，代入（1-4）積分，由T=p/ρR，Cp-Cυ=R可得dp+k-1w2=常數(shù)(1-5)ρk-k*2式中k*=C/Cυk=Cp/Cυ從式（1-5）可知，當(dāng)IG-541在管道內(nèi)的流速w越低時(shí)，其狀態(tài)越接近等溫過程。2.2假設(shè)IG-541氣體在輸送管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與外界無熱量交換時(shí)，dq=0，由能量方程，即式（1-4）可知i1+w12=i2+w22=常數(shù)22對理想氣體時(shí)，應(yīng)有kp1+w12=kp2+w22=常數(shù)(1-6)k-1ρ12k-1ρ22式（1-6）直接由能量方程式（1-4）推出，與過程是否可逆無關(guān)。由于聲波在空氣中的傳播速度a=(kp/ρ)1/2=(kRT)1/2=20T1/2(1-7)p+k-1w2=a2+k-1w2=常數(shù)(1-8)ρk2kk2上式說明：當(dāng)IG-541氣體與外界無熱交換時(shí)，若管道內(nèi)IG-541氣體流速w比聲速小得多，則可看作等溫流動(dòng)過程。當(dāng)w=161m/s時(shí)，式中第二項(xiàng)僅為第一項(xiàng)的5%。只有在w較大時(shí)，溫度才會(huì)升高而偏離等溫過程。在實(shí)際滅火條件下，IG-541氣體都是在非絕熱狀態(tài)管道系統(tǒng)中流動(dòng)，且流速較低（w≯162.3m/s）。因此，IG-541氣體在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)（流速小于0.5倍音速）的熱力過程可認(rèn)為是等溫過程。2.3計(jì)算在一定壓力下IG-541氣體的密度ρ采用理想氣體狀態(tài)方程表示：p·V=n·R·T·Z（1-9）式中：p——壓力，Pa；V——體積，m3；N——摩爾數(shù)，mol；R——?dú)怏w通用常數(shù)，R=8.314J/mol·K；Z——壓縮因子。表達(dá)真實(shí)流體和理想氣體的差異，宜采用Lee—Kesler狀態(tài)方程計(jì)算。參見表2.3。表2.3IG541氣體壓縮因子溫度壓力-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氣體的密度ρ=Mm·p/(1000R·T·Z)（1-10）2.4IG-541氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，各能量頭之間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）兩邊，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將式（1-12）對長度為l的1、2兩斷面進(jìn)行積分得p12-p22=2000R·T·Z·Q2(㏑w2+λl)(1-13)Mn·S2w12D在實(shí)際應(yīng)用中，認(rèn)為對數(shù)項(xiàng)比摩擦損失比較小，可忽略，另又，管道截面積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斷面壓力，Pa；p2——2斷面壓力，Pa；λ——IG-541氣體摩擦阻力系數(shù)。λ=0.11(Δ/D)0.25，式中，對于無縫鋼管，管道當(dāng)量糙粒高度Δ=0.2mm，管道內(nèi)徑D，單位mm；Q——IG-541氣體質(zhì)量流量，㎏/s；D——管道內(nèi)徑，m；l——管道的計(jì)算長度，m；T——絕對溫度，K；Z——壓縮因子。4.1系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算時(shí)，應(yīng)采用防護(hù)區(qū)的正常環(huán)境溫度；4.2滅火劑的噴射時(shí)間應(yīng)保證在60s之內(nèi)達(dá)到最小設(shè)計(jì)濃度的95%，見表4.2；表4.2IG-541氣體噴射時(shí)間設(shè)計(jì)濃度%（V/V）噴射時(shí)間（s）設(shè)計(jì)濃度%（V/V）噴射時(shí)間（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管道容積與儲(chǔ)存容器的最大容積比應(yīng)小于66%；4.4；4.5IG-541氣體在管網(wǎng)內(nèi)流速小于0.5倍音速，即161m/s。正常環(huán)境溫度為20℃的5.1計(jì)算滅火劑用量M=2.303VS·lg(100)V·SS100-c5.2計(jì)算管道壓力降5.2.1管段的計(jì)算長度應(yīng)為管道的實(shí)際長度與管道附件當(dāng)量長度之和。管道附件的當(dāng)量長度見表5.2.1。表5.2.1管道附件的當(dāng)量長度管道公稱直徑（mm）螺紋連接焊接90°彎頭（m）三通的直通部分（m）三通的側(cè)通部分（m）90°彎頭（m）三通的直通部分（m）三通的側(cè)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經(jīng)計(jì)算，管道容積與儲(chǔ)存容器的最大容積比小于66%；；IG-541氣體在管網(wǎng)內(nèi)流速為42m/s<161m/s。計(jì)算結(jié)果：主管徑為DN65。6結(jié)束語IG-541氣體在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)（流速小于0.5倍音速）的熱力過程認(rèn)為等溫過程是符合實(shí)際情況的。由于本人才學(xué)淺薄，加之研究能力有限，難免有不妥之處。讀者有云，其憫撰勞而賜之斧正焉，企予望之！參考文獻(xiàn)：1DG/TJ08-306-2001惰性氣體IG-541滅火系統(tǒng)技術(shù)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