NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失計(jì)算方法

張孝華，孫騫

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二六研究所，上海 201108)

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NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失計(jì)算方法

張孝華，孫騫

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二六研究所，上海 201108)

分析氣體滅火系統(tǒng)規(guī)范采用的中期壓力計(jì)算方法，假定NOVEC1230滅火劑在管路中為液相流動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)管流損失的達(dá)西公式和阻力平方區(qū)的尼古拉茨公式，結(jié)合沿程阻力損失系數(shù)分析，得到NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失的計(jì)算公式，計(jì)算NOVEC1230系統(tǒng)噴頭末端的壓力，并同試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算值與測(cè)量值的誤差在10%以內(nèi)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于精度的要求。

清潔氣體；氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)；中期壓力計(jì)算方法；沿程壓力損失系數(shù)

NOVEC1230是由美國(guó)3M公司于2000年研發(fā)成功的一種新型清潔氣體滅火劑[1]。該型滅火劑設(shè)計(jì)滅火濃度為4%～6%，系統(tǒng)啟動(dòng)后10 s內(nèi)釋放完畢，可應(yīng)用于全淹沒或局部氣體滅火系統(tǒng)，具有對(duì)臭氧層無破壞、溫室效應(yīng)低，以及設(shè)計(jì)安全閾值高等特點(diǎn)，是目前最理想的鹵代烷1301替代產(chǎn)品[2-3]。

目前，國(guó)外的相關(guān)清潔氣體滅火系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA2001、ISO14520)都并未給出清潔氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，而通過采用對(duì)滅火系統(tǒng)生產(chǎn)廠商認(rèn)證時(shí)需提供設(shè)計(jì)軟件，且以設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)測(cè)量值的誤差在一定范圍內(nèi)(美國(guó)UL認(rèn)證為10%，英國(guó)LPCB認(rèn)證為20%)來確保生產(chǎn)廠商的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效性，驗(yàn)證的方法及過程由認(rèn)證機(jī)構(gòu)提供和開展[4-6]。我國(guó)氣體滅火系統(tǒng)規(guī)范《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50270—2006)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中，對(duì)于七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，采用中期壓力計(jì)算方法，通過尋找滅火劑釋放過程中的中期壓力，計(jì)算管路沿程的壓力損失和高程差帶來的壓力損失，從而最終得到滅火系統(tǒng)噴頭末端的壓力值[7]。

考慮假定NOVEC1230滅火劑在管路中為液相流動(dòng)，根據(jù)流體力學(xué)管流損失的達(dá)西公式和阻力平方區(qū)的尼古拉茨公式，并通過對(duì)沿程阻力損失系數(shù)的分析，得到NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失的計(jì)算公式，對(duì)該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 理論分析

1.1 NOVEC1230滅火劑物理性質(zhì)

NOVEC1230滅火劑在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)為49.2 ℃，形態(tài)為液體，密度為1.6×103kg/m3，NOVEC1230與七氟丙烷滅火劑的物理性質(zhì)對(duì)比見表1。

表1 NOVEC1230與七氟丙烷滅火劑物理性質(zhì)對(duì)比

由表1可見，在相同條件下，NOVEC1230具有比七氟丙烷更高的沸點(diǎn)和更低的飽和蒸汽壓。因此，借鑒《規(guī)范》中七氟丙烷管路流動(dòng)的假設(shè)，即滅火劑在滅火管路中的流動(dòng)基本為液相流，且噴放過程為一等溫絕熱過程，采用中期壓力計(jì)算方法，依據(jù)流體力學(xué)的管流阻力損失計(jì)算基本公式和阻力平方區(qū)的尼古拉茨公式，建立NOVEC1230滅火劑管路流動(dòng)的計(jì)算方法。

1.2 中期壓力計(jì)算方法

由于滅火劑釋放的過程為壓力、流量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程，求解過程很繁雜，也不適用于工程應(yīng)用計(jì)算，因此，《規(guī)范》給出了中期壓力計(jì)算方法的近似計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。中期壓力計(jì)算方法定義滅火劑儲(chǔ)存容器中50%滅火劑由噴頭噴出的時(shí)刻為滅火劑釋放的過程中點(diǎn)，以過程重點(diǎn)的壓力作為噴放過程的平均壓力，則噴放過程起點(diǎn)的壓力即為平均壓力，以管路流動(dòng)的平均流量為流量，通過圓管內(nèi)的管流阻力損失計(jì)算方法，計(jì)算滅火劑噴頭末端的壓力[7]。

(1)

(2)

式中：pm為過程中點(diǎn)時(shí)儲(chǔ)存容器內(nèi)壓力，MPa；p0為滅火劑儲(chǔ)存容器的增壓壓力，MPa，；W為設(shè)計(jì)滅火劑用量，kg；V0為噴放前，全部?jī)?chǔ)存容器內(nèi)的氣相總?cè)莘e，m3；γ為OVEC1230滅火劑的液體密度，kg/m3；Vp為管網(wǎng)的管道內(nèi)容積，m3；n為儲(chǔ)存容器的數(shù)量，個(gè)；Vb為儲(chǔ)存容器的容量，m3；η為充裝密度，kg/m3。

噴頭工作壓力按照以下公式計(jì)算。

(3)

高程壓頭按照以下公式計(jì)算。

(4)

式中：H為過程中點(diǎn)時(shí)，噴頭高度相對(duì)儲(chǔ)存容器內(nèi)液面的位差，m；γ為NOVEC1230滅火劑的液體密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2。

1.3 管路沿程壓力損失計(jì)算

基于滅火劑在滅火管路中的流動(dòng)基本為液相流，且噴放過程為一等溫絕熱過程這一假設(shè)，滅火劑在管路中的流動(dòng)可視為圓管流動(dòng)，其沿程阻力采用達(dá)西公式計(jì)算。

(5)

式中：hf為水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路計(jì)算長(zhǎng)度，m；d為管路直徑，m；v為液體流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2。

尼古拉茨通過實(shí)驗(yàn)對(duì)管中沿程阻力做了全面研究。管壁的絕對(duì)粗糙度Δ不能表示出管壁粗糙度的確切狀況及其與流動(dòng)阻力的關(guān)系，而相對(duì)粗糙度K/d可以表示出管壁粗糙狀況與流動(dòng)阻力的關(guān)系，是不同性質(zhì)或不同大小的管壁粗糙狀況的比較標(biāo)準(zhǔn)。尼古拉茨在不同相對(duì)粗糙度K/d的管路中，進(jìn)行阻力系數(shù)λ的測(cè)定，分析λ與Re及K/d的關(guān)系，得到尼古拉茨實(shí)驗(yàn)曲線[8-9]，見圖1。

由圖1可以看到，管道中的流動(dòng)可以分為5個(gè)區(qū)域。

5個(gè)阻力區(qū)的范圍及λ的計(jì)算公式見表2。

NOVEC1230滅火劑在管路中的流動(dòng)，其雷諾數(shù)為

(6)

式中：vc為流體的流速，m/s；d為圓管直徑，m；υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，m2/s；Q為流體的質(zhì)量流量，kg/s；ρ為流體的密度，kg/m3。

NOVEC1230在25 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)為0.39×10-6m2/s，帶入可得25 ℃時(shí)的Re。

表2 5個(gè)阻力區(qū)的范圍與λ計(jì)算公式

而對(duì)于管徑與流量的選取關(guān)系，借鑒七氟丙烷初選管徑的流量與管徑關(guān)系可知

5.1×106

參照尼古拉茨實(shí)驗(yàn)曲線可知：此時(shí)NOVEC1230滅火劑在管路中的流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，即使在K/d達(dá)到0.000 99的情況下。

因此，選用粗糙紊流區(qū)的沿程阻力系數(shù)計(jì)算公式

(7)

采用達(dá)西公式計(jì)算水頭損失，則管路中的壓力損失可表達(dá)為

(8)

式中：Δp為計(jì)算管段阻力損失，MPa；l為管道計(jì)算等效長(zhǎng)度，m；Q為管道設(shè)計(jì)流量，kg/s；d為管道內(nèi)徑，mm。

對(duì)于氣體滅火系統(tǒng)采用鍍鋅管，當(dāng)量粗糙高度為0.10～0.20 mm，采用均值0.15 mm[9-10]，代入壓力損失計(jì)算公式可得

(9)

2 計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證沿程壓力損失計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，分別采用工作壓力為2.5 MPa的單鋼瓶和2個(gè)鋼瓶的NOVEC1230滅火系統(tǒng)，按照中期壓力計(jì)算方法進(jìn)行管路設(shè)計(jì)，并開展噴放試驗(yàn)，測(cè)量噴頭的工作壓力，與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 單氣瓶系統(tǒng)對(duì)比分析

單氣瓶滅火系統(tǒng)采用的鋼瓶容積為106 L，充裝密度為1.047 kg/L，瓶頭閥出口高度為1.5 m，管路中安裝有一個(gè)分配閥，系統(tǒng)噴放時(shí)間為9.0 s。圖2為單氣瓶滅火系統(tǒng)的管路圖。

單氣瓶系統(tǒng)的管路信息見表3。其中，其他等效長(zhǎng)度是指鋼瓶、瓶頭閥、釋放軟管、單向閥、變徑、三通、管路上分配閥等管阻的等效長(zhǎng)度。

表3 單氣瓶系統(tǒng)的管路信息

常用消防管道的外徑、內(nèi)徑、壁厚與公稱直徑的關(guān)系見表4。

采用以上管路參數(shù)按照中期壓力計(jì)算方法開展計(jì)算，可得單氣瓶系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)如下。

中期壓力pm=0.856 1 MPa；

高程壓頭ph=-0.003 9 MPa。

試驗(yàn)過程中，測(cè)量所得噴頭工作壓力值為0.518 MPa，計(jì)算精度為ε1=6.5%

表4 常用消防管道的外徑、內(nèi)徑、壁厚與公稱直徑的關(guān)系 mm

2.2 2個(gè)氣瓶系統(tǒng)對(duì)比分析

2個(gè)氣瓶采用鋼瓶容積為106 L，充裝密度為1.047 kg/L，瓶頭閥出口高度為1.5 m，，管路中安裝有1個(gè)分配閥，系統(tǒng)噴放時(shí)間為9.2 s。2個(gè)氣瓶滅火系統(tǒng)的管路見圖3。

表5為2個(gè)氣瓶系統(tǒng)的管路信息表。其中，其他等效長(zhǎng)度是指鋼瓶、瓶頭閥、釋放軟管、單向閥、變徑、三通、管路上分配閥等管阻的等效長(zhǎng)度。

表5 2個(gè)氣瓶系統(tǒng)的管路信息

結(jié)合表3的管徑參數(shù)表，采用表4的管路參數(shù)按照中期壓力法開展計(jì)算，可得2個(gè)氣瓶系統(tǒng)的相關(guān)輸入如下。

中期壓力pm=0.929 5 MPa。

高程壓頭ph=0.041 6 MPa。

試驗(yàn)過程中，測(cè)量所得噴頭工作壓力值為0.530 MPa，計(jì)算精度ε2=2.6%。

3 結(jié)論

通過單氣瓶、2個(gè)氣瓶滅火系統(tǒng)噴放壓力測(cè)量值與所提出的中期壓力計(jì)算方法及沿程壓力損失計(jì)算公式計(jì)算值對(duì)比發(fā)現(xiàn)：采用本文中期壓力計(jì)算方法及沿程壓力損失計(jì)算公式計(jì)算所得結(jié)果與測(cè)量值誤差分別為6.5%和2.6%，能夠滿足ISO14520《氣體滅火系統(tǒng)》中關(guān)于設(shè)計(jì)計(jì)算值與測(cè)量值小于10%的要求[3]，具有較高的計(jì)算精度。

[1] 張國(guó)璧.新一代哈龍滅火劑[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2004，23(4)；369-371.

[2] NFPA. Standard on clean agent fire extinguishing systems：NFPA2001[S]. Quincy：NFPA，2015 edition.

[3] ISO. Gaseous fire-extinguishing system：ISO14520 [S]. Switzerland：ISO，2006 edition.

[4] 吳曉偉.艦船綠色環(huán)保滅火劑選型分析[J].船舶，2011，22(6)；29-34.

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[7] 中華人民共和國(guó)公安部.氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50370[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

[8] 謝振華.工程流體力學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013.

[9] 李家星，趙振興.水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2001.

[10] 王煜彤，王致新.七氟丙烷和三氟甲烷阻力損失的計(jì)算方法[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2004(6)；9-11.

On the Calculation Method of Pressure Loss for Pipe of Novec1230 Clean Agent

ZHANG Xiao-hua, SUN Qian

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

Based on the middle-pressure calculation method used in GB50370 Gaseous Fire-extinguish System Code, the coefficient of pipe pressure loss for Novec1230 agent was analyzed acording to the Darcy formula on the pressure loss in round-pipe and Nikuradse formula in drag square zone. The nozzle pressure of a single cylinder fire-extinguishing system and a two cylinder fire-extinguishing system was calculated. The calculation result was compared with the measured value to validate the accuracy of the calculation method. The error between calculation result and measured value is under 10%, so that the proposed method can reach the requirement of relative standard.

clean agent; design of gaseous fire-extinguishing system; middle-pressure calculation method; coefficient of pipe pressure loss

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.005

2017-01-08

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

張孝華(1980—)，男，碩士，高級(jí)工程師

研究方向：氣體滅火技術(shù)

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0021-05

修回日期：2017-03-07