氣體滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的確定

1、氣體滅火系統(tǒng)初始計(jì)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(guó)家規(guī)范和一些地方標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各種氣體滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的確定方法和存在的問題，并提出了新的計(jì)算方法關(guān)鍵詞：氣體滅火系統(tǒng) 初始計(jì)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(guó)普遍應(yīng)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(diǎn)是：滅火劑存儲(chǔ)在高壓儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)的。不同滅火劑的存儲(chǔ)壓力也不完全相同。IG-541和高壓二氧化碳的存儲(chǔ)壓力為15MPa或20MPa; 低壓二氧化碳的存儲(chǔ)壓力為2.1MPa左右; 七氟丙烷的存儲(chǔ)壓力為2.5、4.2MPa或5.6MPa；三氟甲烷的存儲(chǔ)壓力為4.2MPa等等。值得注意的是：儲(chǔ)存壓力所用的數(shù)據(jù)是表壓，但計(jì)算過程中使用的初始計(jì)算壓力都是絕對(duì)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(dāng)于大氣壓，儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)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(dòng)過程則是變壓力源開口系統(tǒng)中的流動(dòng)過程。此外，除了儲(chǔ)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(dāng)壓力達(dá)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(dòng)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(dòng)過程，且各種系統(tǒng)的流態(tài)也不完全相同，所以給設(shè)計(jì)計(jì)算帶來了很大困難。目前，國(guó)內(nèi)外在各種氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中為了簡(jiǎn)化計(jì)算都假設(shè)滅火劑噴放過程中儲(chǔ)存容器內(nèi)的壓力為某個(gè)恒定值。這個(gè)壓力被稱為氣體滅火系統(tǒng)的

4、“初始計(jì)算壓力”或“起點(diǎn)計(jì)算壓力”。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體滅火系統(tǒng)噴放過程的研究還不夠，所以不同標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中給出的初始計(jì)算壓力的計(jì)算方法也不盡相同，并且現(xiàn)有的這些計(jì)算方法還不同程度的存在一些問題。本文將從理論上對(duì)各種氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)中如何確定初始計(jì)算壓力的方法進(jìn)行討論并給出相應(yīng)的計(jì)算公式。一、 噴放過程中氣體滅火劑在儲(chǔ)存容器中膨脹的熱力學(xué)過程1、 儲(chǔ)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(chǔ)存容器內(nèi)或管道中都是單相氣態(tài)。其流動(dòng)過程屬于可壓縮氣體在開口系統(tǒng)中的高速單相流動(dòng)。由于這些氣體密度較

5、小、且遠(yuǎn)離液態(tài)，所以可認(rèn)為是理想氣體。2、 儲(chǔ)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?cè)诟邏簝?chǔ)存容器內(nèi)是液態(tài)，開始噴放后壓力降低到其蒸汽壓時(shí)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(xué)中認(rèn)為與理想氣體的定義差別甚大，稱之為“實(shí)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(chǔ)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(dòng)過程可認(rèn)為是單相液態(tài)流。常溫下蒸氣壓明顯低于儲(chǔ)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(chǔ)在容器內(nèi)。這類滅火劑在開始噴放時(shí)

6、需靠裝在同一容器中的其它氣體（如氮?dú)猓┡蛎洰a(chǎn)生的壓力推動(dòng)從儲(chǔ)存容器中排出。存儲(chǔ)狀態(tài)為液態(tài)，但在儲(chǔ)存溫度下蒸氣壓接近于儲(chǔ)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(dòng)即可將滅火劑從容器中排出。由上述可見，不同存儲(chǔ)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(chǔ)存容器中膨脹的熱力學(xué)過程及在管道內(nèi)的流動(dòng)過程也不完全相同。因此，在確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的初始計(jì)算壓力之前，首先應(yīng)對(duì)噴放滅火劑時(shí)儲(chǔ)存容器內(nèi)氣體膨脹的熱力學(xué)過程以及滅火劑在管道內(nèi)的流動(dòng)過程加以分析。我國(guó)氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50370-2005和一些地方標(biāo)準(zhǔn)中，計(jì)算七氟丙烷滅火系統(tǒng)

7、的初始計(jì)算壓力時(shí)，都認(rèn)為噴放時(shí)氣體在儲(chǔ)存容器中膨脹的熱力學(xué)過程是理想氣體的“等溫過程”，即儲(chǔ)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(guān)系是一條雙曲線。事實(shí)上，隨著壓力下降儲(chǔ)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(shí)間很短，滅火劑幾乎來不及通過容器壁與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，所以各種氣體滅火系統(tǒng)噴放時(shí)滅火劑在儲(chǔ)存容器內(nèi)膨脹的熱力學(xué)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(jì)算方法計(jì)算氣體滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力并不妥當(dāng)。氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)

8、范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)DB61/296-2000潔凈氣體IG541滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范在計(jì)算IG-541滅火系統(tǒng)儲(chǔ)存容器中氣體的膨脹過程時(shí)，就認(rèn)定是“絕熱過程”。對(duì)于絕熱過程，壓力P與比容v（密度的倒數(shù)）之間的關(guān)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(chǔ)存壓力為2.5MPa的七氟丙烷儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)的氮?dú)獍凑战^熱膨脹的理論計(jì)算結(jié)果。不同顏色的曲線

9、代表充裝率不同時(shí)的情況。充裝率越小表示儲(chǔ)罐內(nèi)原始存儲(chǔ)的滅火劑與氮?dú)獾谋戎翟降?，即氮?dú)獾谋壤酱?，因而壓力下降越緩慢。因此，設(shè)計(jì)氣體滅火系統(tǒng)時(shí)，一旦遇到噴頭壓力過低不能滿足規(guī)范要求時(shí)，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(jì)算壓力和噴頭壓力。 圖1 按照等熵絕熱過程理論計(jì)算時(shí)，儲(chǔ)瓶?jī)?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(shí)這一理論，國(guó)外有人專門對(duì)僅帶有一個(gè)噴頭、充裝壓力為2.5MPa的七氟丙烷滅火系統(tǒng)儲(chǔ)存容器內(nèi)的壓力及噴頭處的壓力隨噴射時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)存容器的充裝率為1120 kg/m3。 實(shí)驗(yàn)

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(chǔ)存容器內(nèi)氣體的壓力。開始噴放的初期，儲(chǔ)存容器內(nèi)的氮?dú)鈮毫ν蝗幌陆?，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?dú)鈮毫Φ耐苿?dòng)下流入并充滿管道。其后，氮?dú)鈮毫Τ史€(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(gè)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(dòng)七氟丙烷液體活塞運(yùn)動(dòng)。但接近10秒時(shí)，因管道內(nèi)的滅火劑已接近噴射完畢，管道末端的瞬時(shí)壓力可能低于七氟丙烷的蒸氣壓。這時(shí)，部分剩余液態(tài)滅火劑蒸發(fā)，造成噴頭壓力瞬時(shí)波動(dòng)然后迅速下降。比較圖1和圖2 可見，滅火劑在儲(chǔ)存容器內(nèi)的熱力學(xué)過程確實(shí)更

11、接近于儲(chǔ)存容器中氣體的絕熱膨脹過程。圖2 七氟丙烷儲(chǔ)存容器內(nèi)的壓力及噴頭壓力隨噴射時(shí)間的實(shí)際變化關(guān)系二、 現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)氣體滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的規(guī)定和存在的問題 我國(guó)國(guó)家規(guī)范及某些地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)氣體滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力作了一些規(guī)定。例如：二氧化碳滅火系統(tǒng)國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力為5.17MPa；低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力為2.07MPa。氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和早先發(fā)布的一些地方標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)目前國(guó)內(nèi)已普遍應(yīng)用的七氟丙烷滅火系統(tǒng)都規(guī)定初始計(jì)算壓力應(yīng)按“中期壓力”計(jì)算。但給定的“中期壓力”計(jì)算公式有所不同。例如：廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算公式是： Pm = P0V0/ (V0+M/2 +Vg) - (3) 式中 Pm- 儲(chǔ)存容器內(nèi)藥劑噴放一半時(shí)“中期狀態(tài)”的壓力（絕對(duì)壓力） P0 儲(chǔ)存壓力（絕對(duì)壓力） V0 噴放前儲(chǔ)存容器內(nèi)氣相容積的總和。V0 = n Vb(1- / ) n儲(chǔ)存容器的數(shù)量 Vb單個(gè)儲(chǔ)存容器的容積 -滅火劑充裝率 滅火劑液體密度 M 滅火劑設(shè)計(jì)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(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的七氟丙烷滅火系統(tǒng)

13、“中期壓力”計(jì)算公式與（3）式完全相同。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 01-75-2003潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收規(guī)范中給出的七氟丙烷滅火系統(tǒng)“中期壓力”計(jì)算公式則是： Pm = P0V0/ (V0+M/2) - (4)上述各種規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法都認(rèn)定儲(chǔ)存容器內(nèi)的氣體膨脹是“等溫過程”的理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。對(duì)于三氟甲烷滅火系統(tǒng)，廣西地方標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，查曲線可知：三氟甲烷的蒸氣壓約為4.18MPa。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出三氟甲烷滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的計(jì)算方法。國(guó)家氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50370 2005發(fā)布前，只

14、有陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)給出了IG-541滅火系統(tǒng)的“中期壓力”的計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，IG-541滅火系統(tǒng)并未明確給出初始計(jì)算壓力，只給出了一個(gè)“孔板前壓力”。其計(jì)算公式為： Pm = P0 0.525V0/ (V0+ V1+ 0.4V2) 1.45 -(5´)從（5）和(5´)式的表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)所給出(5)式中系數(shù)0.3642是0.5的1.457次方，即認(rèn)為“中期”是按噴放設(shè)

15、計(jì)用量的50%考慮的。而國(guó)家規(guī)范中則認(rèn)為“中期”應(yīng)按噴放設(shè)計(jì)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(chǔ)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?jī)?chǔ)存氣體噴放95%的一半時(shí)，儲(chǔ)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(guó)NFPA 2001潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中也未給出如何確定IG-541滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的方法。上述種種情況說明：我國(guó)對(duì)氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算中首先必須考慮給定初始計(jì)算壓力的意見是一致

16、的，但是對(duì)于如何確定初始計(jì)算壓力的方法還沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中對(duì)所規(guī)定的計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，IG-541滅火系統(tǒng)按絕熱過程考慮；但在同一規(guī)范中對(duì)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(biāo)準(zhǔn)中，處理同類問題的基本思路并不統(tǒng)一。這當(dāng)然對(duì)我國(guó)正確設(shè)計(jì)氣體滅火系統(tǒng)不利。再加上國(guó)外以“保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)”為名不公開所有潔凈氣體滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算方法。首當(dāng)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(jì)算壓力應(yīng)如何確定。

17、三、 “理想氣體”和“實(shí)際氣體”在分析氣體滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力時(shí)，除了要考慮氣體在儲(chǔ)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(diǎn)，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(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(yuǎn)，且在某些情況下還會(huì)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(xué)中被稱為“實(shí)際氣體”。實(shí)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(diǎn)

18、是臨界點(diǎn)。C點(diǎn)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?yàn)槎栊詺怏w滅火系統(tǒng)無論在存儲(chǔ)狀態(tài)或流動(dòng)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(shí)際噴放過程中滅火劑壓力始終高于其蒸氣壓，儲(chǔ)存容器內(nèi)只有氮?dú)馀蛎涀鳛橥苿?dòng)力，而氮?dú)獠荒芤暈椤皩?shí)際氣體”，所以應(yīng)按“理想氣體”考慮。 圖 3 實(shí)際氣體的p-v圖只有儲(chǔ)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(chǔ)存容器內(nèi)的膨脹就是典型的“實(shí)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(guān)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(yuǎn)，越接近于理想氣體，曲線關(guān)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(chǔ)溫度低于其臨界溫度，所以開始噴放后儲(chǔ)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(chǔ)存狀態(tài)是液態(tài)，其壓力相當(dāng)于n點(diǎn)。開始噴放后，隨著儲(chǔ)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(dāng)壓力沿n-m曲線從儲(chǔ)存壓力點(diǎn)n逐漸下降到該氣體的蒸氣壓（2點(diǎn)）時(shí)開始?xì)饣?。隨著蒸發(fā)、膨脹過程的進(jìn)展

20、，氣體的比容繼續(xù)增大，密度相應(yīng)減小，在容器內(nèi)形成了氣-液兩相狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明：對(duì)于實(shí)際氣體，如果溫度不變，雖然氣體的比容從2點(diǎn)到1點(diǎn)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(huì)隨體積膨脹而下降。因此，對(duì)于這類“實(shí)際氣體”類的氣體滅火劑，用蒸氣壓作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始計(jì)算壓力是適宜的。四、七氟丙烷滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力 我國(guó)現(xiàn)有各種地方標(biāo)準(zhǔn)和最近發(fā)布的氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的初始計(jì)算壓力，即“中期壓力”的計(jì)

21、算公式都是首先假定了七氟丙烷存儲(chǔ)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(jì)算公式都是在這一假定的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)與廣東省和上海市地方標(biāo)準(zhǔn)以及氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的不同點(diǎn)僅在于前者認(rèn)為氣體膨脹過程只是在儲(chǔ)存容器內(nèi)進(jìn)行的；后者則認(rèn)為這一膨脹過程不僅在容器內(nèi)進(jìn)行，還應(yīng)包括整個(gè)管道系統(tǒng)。前已論述，這一膨脹過程不應(yīng)是“等溫過程”，而應(yīng)是“絕熱過程”。此外，七氟丙烷常溫下存儲(chǔ)壓力為2.5MPa和4.2MPa時(shí)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(dòng)滅火劑經(jīng)管道從噴頭噴出。所以，儲(chǔ)壓式七氟丙烷滅火系統(tǒng)噴放時(shí)只

22、能靠預(yù)儲(chǔ)在儲(chǔ)瓶中的高壓氮?dú)庠谌萜鲀?nèi)膨脹作為動(dòng)力才行，所以開始噴放后，是氮?dú)庠趦?chǔ)瓶這一“閉口系統(tǒng)”中的絕熱膨脹將液態(tài)滅火劑推出儲(chǔ)瓶（其膨脹過程恰如氮?dú)庠跉飧字信蛎浲苿?dòng)一個(gè)液體活塞）。而液態(tài)滅火劑進(jìn)入管道后在管道內(nèi)的流動(dòng)則是液體在“絕熱開口系統(tǒng)”中的流動(dòng)過程，且接近于單相液態(tài)流。因此，當(dāng)七氟丙烷滅火劑從噴頭噴出1/2時(shí)，管道中仍應(yīng)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(jì)算公式應(yīng)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(chǔ)壓力相比甚小，儲(chǔ)存容器中的氣體基本上是氮?dú)?，所以膨脹過程應(yīng)按照氮?dú)舛?/p>

23、是七氟丙烷蒸氣的絕熱膨脹考慮。因?yàn)榈獨(dú)獾谋葻岜?k = 1.4，所以七氟丙烷滅火系統(tǒng)的“中期壓力”應(yīng)按下列方程計(jì)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(guān)，所以必須規(guī)定其最大充裝量。我國(guó)氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，充裝量不應(yīng)大于1120kg；焊接容器增壓壓力為4.2MPa時(shí)，充裝量不應(yīng)大于950kg；無縫容器增壓壓力為2.5MPa時(shí)，充裝量不應(yīng)大于1120kg；容器增壓壓力為5.6MPa時(shí)，充裝量不應(yīng)大于1080kg。 五、二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力問題二氧化碳滅火

24、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)存方式可分為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)。管網(wǎng)起點(diǎn)計(jì)算壓力（絕對(duì)壓力）；高壓系統(tǒng)應(yīng)取5.17MPa，低壓系統(tǒng)應(yīng)取2.07MPa”。該條文的說明中進(jìn)一步說：“··· 這和ISO 6183的觀點(diǎn)是一致的。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用了平均儲(chǔ)存壓力的概念。經(jīng)征求意見，這里改稱為起點(diǎn)計(jì)算壓力”。但是，各國(guó)規(guī)范一致規(guī)定高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計(jì)算壓力為5.17MPa（750 PSI）；低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的計(jì)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(jì)算壓力要用一個(gè)固定的“平均儲(chǔ)存壓力”？

25、這個(gè)“平均儲(chǔ)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(gè)“平均儲(chǔ)存壓力”作為初始計(jì)算壓力呢？美國(guó)NFPA 12二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)A-1-10.5中說：“開始噴放后，低壓二氧化碳儲(chǔ)罐中的壓力將會(huì)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(jì)算時(shí)流量方程中采用的計(jì)算壓力(絕對(duì)壓力)為300PSI(2068 kPa)。高壓二氧化碳系統(tǒng)中的存儲(chǔ)壓力與環(huán)境溫度有關(guān)，假定常溫是70（21），噴放過程中儲(chǔ)瓶中的平均壓力(絕對(duì)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(jì)算中”。但是，這一解釋也并不十分清楚。通過對(duì)二氧化碳相圖（圖4）的分析就可以了解其原因所在：當(dāng)二氧化碳溫度高于-56.6時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(diǎn)。高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在常溫和15MPa的儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)瓶中的二氧化碳溫度也會(huì)下降。若二氧化碳的儲(chǔ)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(zhǔn)確，所以美國(guó)NFPA12標(biāo)準(zhǔn)<Standard on Carbon Dioxide Extinguishing Systems>將其取為.整數(shù)750psi.（5.17MPa）。因此，儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)二氧化碳開始噴放后，當(dāng)其壓力降至5.17MPa時(shí)，液態(tài)二氧化碳即將開始蒸發(fā)。從這時(shí)起,儲(chǔ)瓶?jī)?nèi)的二氧化碳即進(jìn)入了典型的“實(shí)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(chǔ)存容器內(nèi)的壓力基本保持恒定，進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定階段（參見圖3）。因此，美國(guó)NFPA12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將大大低于存儲(chǔ)壓力的750psi作為高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的初始計(jì)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(chǔ)罐內(nèi)-19±1的溫度下存儲(chǔ)，且其儲(chǔ)存壓力為2.1MPa（表壓）左右，僅略高于-18時(shí)的相變壓力，開始噴放后儲(chǔ)罐內(nèi)溫度若按-18計(jì)算，這一溫度下二氧化碳的蒸氣壓為303.76psi，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)計(jì)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(chǔ)存壓力”作為起點(diǎn)計(jì)算壓力的問題。因此，在按兩相流進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首先要決定如何確定起點(diǎn)計(jì)算壓力（即初始計(jì)算壓力）。對(duì)于高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)它不應(yīng)是存儲(chǔ)壓力（表壓為15 MPa或20MPa）。因?yàn)榇鎯?chǔ)壓力只是開始噴放瞬時(shí)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(jì)算壓力（絕對(duì)壓力）為5.17MPa，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的起點(diǎn)初始計(jì)算壓力為2.07MPa的原因就在于這兩個(gè)壓力分別為16左右（考慮到噴放時(shí)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(chǔ)溫度）時(shí)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(guó)規(guī)范中定的高壓和低壓二氧化碳滅火系

30、統(tǒng)的起點(diǎn)計(jì)算壓力5.17Mpa和2.07Mpa)是從NFPA標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算壓力規(guī)定數(shù)值的來歷。通過50多年工程設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，這兩個(gè)規(guī)定值是合理的、實(shí)用的。當(dāng)然，從另一個(gè)方面看，這個(gè)壓力值本身并不是絕對(duì)的。如果不考慮必須與美國(guó)通用的英制標(biāo)準(zhǔn)完全對(duì)應(yīng)的話，從更便于計(jì)算考慮，我國(guó)規(guī)范完全可以將5.17和2.07MPa這兩個(gè)初始計(jì)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(jì)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(chǔ)壓力，所以它無需氮?dú)饧訅?。此外，三氟甲烷的臨界溫度是25.9，接近于常溫，所以噴放時(shí)隨著壓力下降，儲(chǔ)存容器中的液態(tài)三氟甲烷會(huì)較快地蒸發(fā)，從而不斷提供高壓三氟甲烷蒸氣，使儲(chǔ)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(shí)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(guān)系圖 三氟甲烷滅火系統(tǒng)的充裝壓力為4.2MPa時(shí)，最大充裝密度的規(guī)定值是860kg/m 3。當(dāng)環(huán)境溫度超過25.9時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)溫度達(dá)到50時(shí)，容

32、器內(nèi)的壓力將高達(dá)15Mpa以上。當(dāng)充裝密度低于860kg/m 3且溫度為15-20時(shí)，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(jì)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(jì)算壓力宜采用3.7Mpa（絕對(duì)壓力）。 七、IG-541 滅火系統(tǒng)的初始計(jì)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(chǔ)，可認(rèn)為是理想氣體。噴放時(shí)在儲(chǔ)存容器中的膨脹過程由于既無功耗且在極短的噴放時(shí)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 2001潔凈氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：“IG-541滅火系統(tǒng)無需設(shè)定最大充裝率”。但是，這類氣體滅火劑開始噴放后在儲(chǔ)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(guó)家規(guī)范未發(fā)布前，只有陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)給出了IG-541滅火系統(tǒng)“中期壓力”計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范國(guó)家規(guī)范中IG-541滅火系統(tǒng)的“孔板前壓力”實(shí)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(chǔ)量95%的