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二氧化碳均相流延遲時間的計算方法

日期：2024-12-19 17:01
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摘要：
王 煜 彤
 （天津市兆龍軟件開發有限公司 天津市 300384）
 
*近，許多人在設計低壓二氧化碳滅火系統時碰到了“低壓二氧化碳均相流延遲時間”的計算問題。一些單位根據美國NFPA 12《二氧化碳滅火系統設計標準》為國外工程或外資工程設計低壓二氧化碳滅火系統時也遇到了類似問題。根據我國規范計算時，這一時間往往相當長，而且規范規定的允許時間也很長，經常不能滿足實際滅火的要求。這一問題給設計人員帶來很大困難。美國NFPA 12標準中雖給出了液態二氧化碳吸收管道熱量產生的蒸發量，但并未明確給出“二氧化碳均相流延遲時間”的計算公式。于是很多人提出：如何解決這一問題。本文就此提出了一些粗淺的見解供討論。
 
我國GB50193-93 《二氧化碳滅火系統設計規范》中第4.0.7A條規定：低壓二氧化碳均相流的延遲時間，對全淹沒系統和局部應用系統分別不大于60s和30s。其延遲時間可按下式計算： 
 td=[ MgCp(T1- T2)/0.507Q ]+[16850Vd /Q ]                    (1)
式中 td------ 低壓二氧化碳均相流的延遲時間（s）;
Mg ------- 管道質量 (kg);
Cp ----- 管道金屬材料的平均比熱；鋼管可取0.46 kJ/kg ℃;
T1 ----- 二氧化碳噴射前管道的平均溫度（℃）；可取環境平均溫度；
T2 ----- 低壓二氧化碳的平均溫度（℃）；取– 20.6 ℃;
Vd ----- 管道容積（m3）”。
Q ------ 二氧化碳在管道內的質量流量 (kg/min)。
規范編制說明中對此條的解釋是：“本條是等效采用ISO 6183”。對公式的來由未做進一步說明。
從規范的(4.0.7A)式中可以看出：它包含了兩部分時間，
即       td=t1+t2
t1是二氧化碳流入管網后因吸收管壁熱量產生的蒸氣全部排出管網所需要的時間。
   t2是液態二氧化碳充滿管網的時間。
其中，t1等于液態低壓二氧化碳流入管道后從管壁吸收熱量所產生的二氧化碳蒸氣質量（kg）除以二氧化碳在管道內的質量流量(kg/s)，單位是秒。
液態低壓二氧化碳在管道內的蒸發量取決于管道降溫產生的總熱量與液態低壓二氧化碳蒸發潛熱之比。我國規范和NFPA 12標準中都給出了因液態二氧化碳吸收管壁熱量產生的蒸氣質量計算公式：
               W= Mg Cp (T1 --T2)/H   (kg)    ---------------------------（2）
（1）式中**部分t1是二氧化碳流入管網后因吸收管壁熱量所產生的蒸氣全部排出管網所需要的時間。這一時間等于液態低壓二氧化碳流入管道后從管壁吸收熱量所產生的二氧化碳蒸氣質量（kg）除以二氧化碳在管道內的質量流量(kg/s)，單位是（sec）。
液態低壓二氧化碳在管道內的蒸發量取決于管道降溫產生的總熱量與液態低壓二氧化碳蒸發潛熱之比。我國規范和NFPA 12標準中都給出了因液態二氧化碳吸收管壁熱量產生的蒸氣質量計算公式，如（3）式：
               W= Mg Cp (T1- T2)/H   (kg)    ---------------------------（3）
其中 H是液態CO2的蒸發潛熱(kJ/kg)。我國規范中給出了低壓二氧化碳的蒸發潛熱值：H = 276.3 kJ/kg  (NFPA 12標準中給出的低壓二氧化碳的蒸發潛熱值是：H = 279 kJ/kg)。
 
CO2蒸氣全部排出管網所需要的時間應當是吸收管壁熱量所產生的二氧化碳蒸氣的質量與低壓二氧化碳在管道內的質量流量之比
            t1= W/Q (min)   或 t1= 60W/Q (sec)
將（1）式代入
            t1= 60 Mg Cp(T1-T2)/ (276.3Q) (sec)
或          t1=MgCp(T1-T2)/(4.605Q)   (sec)
   但是，我國規范 (4.0.7A)式中給出的關系是：
t1=Mg Cp(T1- T2)/0.507Q (sec) 
下面來進一步探討造成這一巨大差別的原因。
從形式上看，我國規范 (4.0.7A)計算公式中的分子與（3）式完全相同，是管道降溫釋放的總熱量（kJ）；分母（0.507Q）中的系數0.507的來源，可能是將Q這一質量流量除以常溫和一個大氣壓條件下二氧化碳的密度（1.972 kg/m3）后所得到的體積流量(m3/min)；但未考慮低壓液態CO2的蒸發潛熱H (276.3kJ/kg)和質量流量應當是秒流量這兩個因素。所以，式中分子的單位是kJ而分母的單位是m3/ min；但計算結果t1的單位卻是sec。這顯然是一個錯誤。
(4.0.7A)式中**部分t2是假定管道內二氧化碳兩相流在平均壓力為1.3Mpa、密度為280.8 kg/ m3條件下的體積流量（m3/s）得到的
                t2 = 60 Vd /（Q/280.8）= 16850Vd /Q   (s)
事實上，二氧化碳蒸氣全部排出管網后，管網中不可能出現一段時間的真空，二氧化碳的氣-液兩相流（即規范中所說的均相流）就應該隨著蒸氣的排空充滿了管網，所以這段液態二氧化碳充滿管網的時間是否還應重復計入低壓二氧化碳“均相流的延遲時間”值得探討。我們認為不應再考慮。NFPA 12中也未提及此項要求。
因此，低壓二氧化碳均相流的延遲時間是否應按下式計算：
            td = 60 MgCp (T1 -T2)/276.3Q  (sec)
或            td= Mg Cp (T1 -T2)/4.506Q    (sec)
若環境溫度為T1=20℃，且Cp= 0.46 kJ/kgK，T2=-20.6℃（噴放初期二氧化碳蒸氣在管道內的平均溫度），將其代入上式，即可得到上述條件下的簡化公式：
            td=4.14Mg/Q   (sec)
 
式中Mg是鋼管的質量（kg）；Q是低壓CO2的質量流量(kg/min)。
計算*不利點噴頭處低壓二氧化碳均相流的延遲時間，應從儲罐出口開始，逐個管段進行，直到*不利點處的噴頭，并將沿程各管段的計算時間累加即可。
另外，從（1）式可見：減短延遲噴射時間的**辦法就是合理布置管網,盡量縮短管長和通過嚴格計算盡量減小管徑，從而使管道質量下降。其他因素都是不可調整的。
 
 
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轉載88消防
 
本文刊登于《消防技術及產品信息》2007年第6期