低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的結(jié)冰和爆震問(wèn)題

1、 低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的結(jié)冰和爆震問(wèn)題王致新,王煜彤（天津市兆龍軟件開(kāi)發(fā)XXX，天津 300384）摘 要：研究了低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)噴放時(shí)產(chǎn)生干冰堵塞和因爆震造成管網(wǎng)破裂的原因，并定量地給出了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的極限條件。關(guān)鍵詞：低壓二氧化碳滅火系統(tǒng) 初始?jí)毫?干冰 爆震 與高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)相比較，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)具有儲(chǔ)存壓力低、管道配件簡(jiǎn)單、便于安裝、占地面積小、不易漏氣和可多次噴放等優(yōu)點(diǎn)。但是，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，在噴放時(shí)管道、閥門等處容易形成二氧化碳凝結(jié)產(chǎn)生干冰造成管道阻塞，甚至因流速超過(guò)當(dāng)?shù)匾羲俣l(fā)生“爆震”使管道爆裂。近年來(lái)因設(shè)計(jì)不當(dāng)這種情況屢有發(fā)生，并造成了嚴(yán)重?fù)p

2、失。這一問(wèn)題已給我國(guó)更廣泛地使用低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)造成嚴(yán)重障礙。迄今尚未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行定量分析的文獻(xiàn)資料。本文就此進(jìn)行了理論分析并給出了定量求解公式。1、二氧化碳滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的確定 （）圖1 二氧化碳的相圖在低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)中，滅火劑存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐中。儲(chǔ)存壓力為2.1 MPa左右，存儲(chǔ)溫度為-19±1，儲(chǔ)存狀態(tài)為液態(tài)。從圖1給出的二氧化碳三相圖可知：在此溫度存儲(chǔ)條件下二氧化碳的相變壓力約為2.07MPa（英制壓力300PSI。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)是按英制壓力單位的整數(shù)值確定的初始計(jì)算壓力。我國(guó)規(guī)范中定的起始計(jì)算壓力則是直接從英制壓力單位換算成公制單位得到的，沒(méi)有化成整數(shù)）。低于

3、這個(gè)壓力時(shí)，二氧化碳開(kāi)始蒸發(fā)氣化，在管道中形成氣液兩相流。二氧化碳蒸汽作為動(dòng)力推動(dòng)了兩相流的運(yùn)動(dòng)，所以我國(guó)規(guī)范中將2.07 MPa定為低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的起始計(jì)算壓力。但高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)中，滅火劑儲(chǔ)存壓力為15或20 MPa。常溫下二氧化碳?xì)?液相變壓力約為5.17MPa（英制壓力750PSI）。開(kāi)始噴放時(shí)二氧化碳基本上仍是液體，滅火劑本身沒(méi)有足夠的蒸氣壓作為初始推動(dòng)力，因此只能靠充裝時(shí)儲(chǔ)瓶中保留的15或20MPa高壓空氣的膨脹作為初始動(dòng)力。開(kāi)始噴放后壓力迅速下降，一旦壓力降到 5.17 MPa 之下，二氧化碳即開(kāi)始蒸發(fā)產(chǎn)生后續(xù)動(dòng)力，并能在此壓力下維持一段時(shí)間。因此，規(guī)范中規(guī)定的高壓二氧

4、化碳滅火系統(tǒng)起始計(jì)算壓力為5.17 MPa。2、低壓二氧化碳在管道中流動(dòng)的基本規(guī)律 2.1 管道中流速的確定低壓二氧化碳開(kāi)始噴放時(shí)，由于滅火劑儲(chǔ)存容器的容積很大，開(kāi)始噴放后，雖然壓力下降不如高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)那樣劇烈，但是，由于低溫下液態(tài)二氧化碳的蒸汽氣壓與儲(chǔ)存壓力接近，所以隨著壓力下降液態(tài)二氧化碳也將大量汽化，并且在管道中比高壓二氧化碳更快地形成均勻兩相流，而且氣相所占比例更大，更接近于單相氣體流動(dòng)。另一方面，隨著二氧化碳?jí)毫ο陆?，其體積迅速膨脹，因而在管道中的流速迅速增加。由于流速快，管道長(zhǎng)度有限，所以低溫滅火劑通過(guò)管壁從外界吸收的熱量可忽略不計(jì)。因之，從熱力學(xué)的角度講，二氧化碳在開(kāi)口管

5、道內(nèi)的流動(dòng)可認(rèn)為是絕熱的開(kāi)口系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程。開(kāi)口系統(tǒng)中單位質(zhì)量工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的能量守恒方程為：q=(u2-u1)+(p2v2-p1v 1)+(V2²-V1²)/2+g(Z2-Z1)+w -（1）其中 q -熱量 u - 比內(nèi)能，是氣體分子和原子的動(dòng)能和和原子間引力形成的位能P -壓力v -比容，(p2v2-p1v 1)是促使氣體流動(dòng)的推動(dòng)功V -流速Z -標(biāo)高w -容積所作的功。腳標(biāo)1表示上游節(jié)點(diǎn)，腳標(biāo)2表示下游節(jié)點(diǎn)。必須注意：（1）式與流體力學(xué)中未考慮熱能的影響時(shí)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械能能量守恒定律，即Bernoulli方程的表達(dá)式Z g + (Pv) + (V2/2)

6、 = 常數(shù) 有所不同。（1）式是包含熱能在內(nèi)的廣義能量守恒定律,即熱力學(xué)第一定律。 動(dòng)能修正系數(shù)，用以修正斷面流速不均勻的影響。工程上常取=1。（1）式說(shuō)明：穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)接受的熱除了一部分用于對(duì)外做功外，另一部分用于使流過(guò)系統(tǒng)的工質(zhì)（此處就是二氧化碳）增加內(nèi)能、宏觀動(dòng)能和重力位能。對(duì)于絕熱過(guò)程，q=0。如果忽略摩擦損失所造成的功耗，則w=0。由于熱力學(xué)中焓的定義 h=u+pv 焓代表了氣體的內(nèi)能和促使氣體流動(dòng)的推動(dòng)功。所以 h2 - h1 =(u2-u1)+(p2v 2-p1v 1)于是（1）式變?yōu)椋篽1 - h2= (V2²-V1²)/2+g(Z2-Z1) V2&#

7、178;= V1²+2（h1 - h2）- g(Z2-Z1) -(2) 對(duì)于理想氣體，如果比熱為定值，則 （h1 - h2）=Cp（T1 -T2）所以（2）式可寫為 V 2²=V 1²+2Cp（T1 -T2）- g(Z2-Z1)對(duì)于等熵絕熱系統(tǒng) pv k = 常數(shù) -(3) 其中 k-定壓比熱和定容比熱之比， k=Cp/CV ，比熱隨溫度不同而異。溫度為-18時(shí)，二氧化碳的比熱比 k=1.3074 Cp-CV = R ，v是二氧化碳的比容， R是二氧化碳的氣體常數(shù)R=0.1889 kJ / (kg K)則 V2²= V1²+2k/(k-1)R(

8、T1 -T2) - g(Z2-Z1) V2²= V1²+2k/(k-1)RT1(1-T2/ T1) - g(Z2-Z1) 根據(jù)理想氣體方程 P2 v2/P1 v 1 =T2/T1 從（3） P1/P2= (v2/ v1) k 代入上式可得到：T2/T1 = (v 1 /v 2) k-1 = (P2/P1) (k-1)/ k -(4)所以 V2=V1²+2k/(k-1) RT11-(P2/P1) (k-1)/ k - g(Z2-Z1)0.5 -(5) 可認(rèn)為儲(chǔ)罐引升管進(jìn)口的流速V1=0。因此，根據(jù)上、下游節(jié)點(diǎn)壓力比P2/P1、上游節(jié)點(diǎn)溫度T1、上游節(jié)點(diǎn)處的流速V1即

9、可從（5）式計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的流速。 2-2下游節(jié)點(diǎn)溫度的確定從（4）式即可得到下游節(jié)點(diǎn)處的當(dāng)?shù)販囟?T2 = T1 (P2/P1) (k-1)/ k （K） -（6）亦即下游節(jié)點(diǎn)處的溫度取決于上游節(jié)點(diǎn)處的溫度和上、下游節(jié)點(diǎn)的高度差及壓差之比。3、二氧化碳的三相圖 從圖1可以看出：二氧化碳是具有三相點(diǎn)的氣體。當(dāng)二氧化碳溫度高于-56.6時(shí)，隨著壓力增加滅火劑將從氣態(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，且溫度高于一定值時(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)。 由（6）式此

10、可見(jiàn)：在壓力高于三相點(diǎn)壓力且上游節(jié)點(diǎn)處二氧化碳的溫度和上、下游節(jié)點(diǎn)處二氧化碳的壓力比P2/P1已知時(shí)，計(jì)算得到的下游節(jié)點(diǎn)處二氧化碳的溫度只要低于三相點(diǎn)溫度（-56.6），該點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生干冰凍結(jié)現(xiàn)象。4、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)中的結(jié)冰和爆震從二氧化碳的三相圖可見(jiàn)：低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在噴放初期，管道內(nèi)的壓力從零背壓開(kāi)始上升，所以瞬時(shí)壓力會(huì)低于0.517MPa，這時(shí)如果氣態(tài)二氧化碳在管道內(nèi)溫度低于-56.6，就會(huì)產(chǎn)生干冰顆粒。這種氣-固兩相流就可能瞬間在某些地方發(fā)生凍結(jié)；管道內(nèi)充滿滅火劑后，即使壓力已高于0.517MPa，但溫度若仍低于-56.6時(shí)，管道內(nèi)的液-固兩相流也會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生干冰和擴(kuò)大冰凍范圍。

11、例如，當(dāng)某一部件上游節(jié)點(diǎn)處二氧化碳兩相流的溫度為-18（255K）時(shí)，求通過(guò)該部件后不產(chǎn)生干冰凍結(jié)的極限減壓比是多少。由（6）式 P2/P1 =（T2/T1）k / (k-1) =（216.4/255）1.3074 / 0.3074 = 0.4975 -（7）這就是極限減壓比。壓力下降時(shí)流速增大，當(dāng)流速增大到等于當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)就會(huì)由于“音障”而無(wú)法流動(dòng)。一旦流速突破音障，就會(huì)發(fā)生“爆震”。爆震的巨大威力常會(huì)造成管道破壞甚至發(fā)生爆炸。一旦管道內(nèi)產(chǎn)生了干冰，發(fā)生凍結(jié)處的孔口面積就會(huì)減小，壓降將進(jìn)一步增加，所以下游溫度將進(jìn)一步下降。這種惡性循環(huán)不僅會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)面積迅速增大甚至?xí)l(fā)生堵塞。一旦發(fā)生堵塞，上游

12、壓力將隨溫度的增高而加大。如果上游管道中未安裝到儲(chǔ)罐的回流閥或安全閥，就可能造成管道破裂。此外，由于干冰凍結(jié)使孔口縮小造成的流速增加是無(wú)法通過(guò)（5）式計(jì)算得到的。因此，一旦產(chǎn)生干冰后，在管道尚未完全堵死之前更容易發(fā)生爆震。等熵絕熱流動(dòng)時(shí)當(dāng)?shù)匾羲?VC =2RT k/(k+1) 1/2 T為下游節(jié)點(diǎn)處的當(dāng)?shù)販囟龋↘），可由（6）式確定。因?yàn)槎趸嫉臍怏w常數(shù)R=188.9 （J/kg K）, 比熱比 k=1.3074所以二氧化碳的當(dāng)?shù)匾羲倥c當(dāng)?shù)販囟戎g的關(guān)系是 VC =14.63 T 1/2 (m/s) -（8）這就是防止產(chǎn)生爆震的臨界流速。從（5）式計(jì)算得到的流速不得大于或等于（8）式給出的臨

13、界流速，否則就會(huì)發(fā)生爆震。為了安全起見(jiàn)，極限減壓比和臨界流速都應(yīng)加一個(gè)安全系數(shù)。低壓二氧化碳通過(guò)一根管段或一個(gè)部件時(shí)的減壓比P2/P1不宜小于0.6；且任何部位的流速均不宜大于13.2 T 1/2 m/s。此外，任何節(jié)點(diǎn)處的溫度都不宜低于223 K（-50）。由以上論述可見(jiàn)：設(shè)計(jì)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)時(shí)，必須進(jìn)行嚴(yán)格的壓力和流量計(jì)算；與此同時(shí)還必須對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的滅火劑流速和溫度進(jìn)行計(jì)算，否則就無(wú)法確保噴放過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生干冰或出現(xiàn)爆震。最近，天津兆龍軟件公司開(kāi)發(fā)了一種國(guó)際首創(chuàng)的新版二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。它不僅可用其精確、且極為簡(jiǎn)單的計(jì)算方法 1對(duì)均衡或非均衡系統(tǒng)計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)和管段的壓力和流量，

14、而且能根據(jù)本項(xiàng)研究成果計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)處二氧化碳?xì)饬鞯牧魉俸蜏囟?。如果?jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)任何部位可能產(chǎn)生干冰或發(fā)生爆震，就會(huì)立即發(fā)出橙色預(yù)警信號(hào)，以便設(shè)計(jì)師及時(shí)進(jìn)行修正，避免因設(shè)計(jì)失誤造成嚴(yán)重后果。一旦溫度氣流溫度低于二氧化碳的冰點(diǎn)或流速達(dá)到或超過(guò)當(dāng)?shù)匾羲伲绦蚓蜁?huì)立即終止運(yùn)算，并給出紅色報(bào)警提示。結(jié)論 本文首先給出了確定高、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)初始計(jì)算壓力的依據(jù)，然后根據(jù)工程熱力學(xué)原理，從廣義能量守恒定律出發(fā)導(dǎo)出了二氧化碳在管道中穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的基本方程和流速及溫度與壓降比之間的函數(shù)關(guān)系。從而確定了產(chǎn)生干冰的極限降壓比和臨界流速，并為新版二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件提供了設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)可能產(chǎn)生干冰凍結(jié)和發(fā)生爆震給出橙色預(yù)警信號(hào)的理論依據(jù)。參 考 文 獻(xiàn)1 王致新、王煜彤：“二氧化碳滅火系統(tǒng)傳統(tǒng)計(jì)算方法的新突破” 亞洲消防 2005.12 P 61-64作 者 簡(jiǎn) 介王致新，研究員，獲國(guó)務(wù)院特殊津貼的專家。天津市兆龍軟件開(kāi)發(fā)XXX總經(jīng)理。王煜彤，天津大學(xué)畢業(yè)，工學(xué)學(xué)士。南開(kāi)大學(xué)工商管理MBA碩士。.高級(jí)程序員。天津市兆龍軟件開(kāi)發(fā)XXX技術(shù)開(kāi)發(fā)部經(jīng)理。通信位置