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二氧化碳均相流延遲時(shí)間的計(jì)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(fā)有限公司 天津市 300384）
*近，許多人在設(shè)計(jì)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)時(shí)碰到了“低壓二氧化碳均相流延遲時(shí)間”的計(jì)算問題。一些單位根據(jù)美國NFPA 12《二氧化碳滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為國外工程或外資工程設(shè)計(jì)低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)時(shí)也遇到了類似問題。根據(jù)我國規(guī)范計(jì)算時(shí)，這一時(shí)間往往相當(dāng)長，而且規(guī)范規(guī)定的允許時(shí)間也很長，經(jīng)常不能滿足實(shí)際滅火的要求。這一問題給設(shè)計(jì)人員帶來很大困難。美國NFPA 12標(biāo)準(zhǔn)中雖給出了液態(tài)二氧化碳吸收管道熱量產(chǎn)生的蒸發(fā)量，但并未明確給出“二氧化碳均相流延遲時(shí)間”的計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第4.0.7A條規(guī)定：低壓二氧化碳均相流的延遲時(shí)間，對全淹沒系統(tǒng)和局部應(yīng)用系統(tǒng)分別不大于60s和30s。其延遲時(shí)間可按下式計(jì)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(shí)間（s）;
Mg ------- 管道質(zhì)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(huán)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(nèi)的質(zhì)量流量 (kg/min)。
規(guī)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(jìn)一步說明。
從規(guī)范的(4.0.7A)式中可以看出：它包含了兩部分時(shí)間，
即 td=t1+t2
t1是二氧化碳流入管網(wǎng)后因吸收管壁熱量產(chǎn)生的蒸氣全部排出管網(wǎng)所需要的時(shí)間。
t2是液態(tài)二氧化碳充滿管網(wǎng)的時(shí)間。
其中，t1等于液態(tài)低壓二氧化碳流入管道后從管壁吸收熱量所產(chǎn)生的二氧化碳蒸氣質(zhì)量（kg）除以二氧化碳在管道內(nèi)的質(zhì)量流量(kg/s)，單位是秒。
液態(tài)低壓二氧化碳在管道內(nèi)的蒸發(fā)量取決于管道降溫產(chǎn)生的總熱量與液態(tài)低壓二氧化碳蒸發(fā)潛熱之比。我國規(guī)范和NFPA 12標(biāo)準(zhǔn)中都給出了因液態(tài)二氧化碳吸收管壁熱量產(chǎn)生的蒸氣質(zhì)量計(jì)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(wǎng)后因吸收管壁熱量所產(chǎn)生的蒸氣全部排出管網(wǎng)所需要的時(shí)間。這一時(shí)間等于液態(tài)低壓二氧化碳流入管道后從管壁吸收熱量所產(chǎn)生的二氧化碳蒸氣質(zhì)量（kg）除以二氧化碳在管道內(nèi)的質(zhì)量流量(kg/s)，單位是（sec）。
液態(tài)低壓二氧化碳在管道內(nèi)的蒸發(fā)量取決于管道降溫產(chǎn)生的總熱量與液態(tài)低壓二氧化碳蒸發(fā)潛熱之比。我國規(guī)范和NFPA 12標(biāo)準(zhǔn)中都給出了因液態(tài)二氧化碳吸收管壁熱量產(chǎn)生的蒸氣質(zhì)量計(jì)算公式，如（3）式：
W= Mg Cp (T1- T2)/H (kg) ---------------------------（3）
其中 H是液態(tài)CO2的蒸發(fā)潛熱(kJ/kg)。我國規(guī)范中給出了低壓二氧化碳的蒸發(fā)潛熱值：H = 276.3 kJ/kg (NFPA 12標(biāo)準(zhǔn)中給出的低壓二氧化碳的蒸發(fā)潛熱值是：H = 279 kJ/kg)。
CO2蒸氣全部排出管網(wǎng)所需要的時(shí)間應(yīng)當(dāng)是吸收管壁熱量所產(chǎn)生的二氧化碳蒸氣的質(zhì)量與低壓二氧化碳在管道內(nèi)的質(zhì)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(guī)范 (4.0.7A)式中給出的關(guān)系是：
t1=Mg Cp(T1- T2)/0.507Q (sec)
下面來進(jìn)一步探討造成這一巨大差別的原因。
從形式上看，我國規(guī)范 (4.0.7A)計(jì)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(shù)0.507的來源，可能是將Q這一質(zhì)量流量除以常溫和一個(gè)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(tài)CO2的蒸發(fā)潛熱H (276.3kJ/kg)和質(zhì)量流量應(yīng)當(dāng)是秒流量這兩個(gè)因素。所以，式中分子的單位是kJ而分母的單位是m3/ min；但計(jì)算結(jié)果t1的單位卻是sec。這顯然是一個(gè)錯(cuò)誤。
(4.0.7A)式中**部分t2是假定管道內(nèi)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(shí)上，二氧化碳蒸氣全部排出管網(wǎng)后，管網(wǎng)中不可能出現(xiàn)一段時(shí)間的真空，二氧化碳的氣-液兩相流（即規(guī)范中所說的均相流）就應(yīng)該隨著蒸氣的排空充滿了管網(wǎng)，所以這段液態(tài)二氧化碳充滿管網(wǎng)的時(shí)間是否還應(yīng)重復(fù)計(jì)入低壓二氧化碳“均相流的延遲時(shí)間”值得探討。我們認(rèn)為不應(yīng)再考慮。NFPA 12中也未提及此項(xiàng)要求。
因此，低壓二氧化碳均相流的延遲時(shí)間是否應(yīng)按下式計(jì)算：
td = 60 MgCp (T1 -T2)/276.3Q (sec)
或 td= Mg Cp (T1 -T2)/4.506Q (sec)
若環(huán)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(nèi)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(zhì)量（kg）；Q是低壓CO2的質(zhì)量流量(kg/min)。
計(jì)算*不利點(diǎn)噴頭處低壓二氧化碳均相流的延遲時(shí)間，應(yīng)從儲罐出口開始，逐個(gè)管段進(jìn)行，直到*不利點(diǎn)處的噴頭，并將沿程各管段的計(jì)算時(shí)間累加即可。
另外，從（1）式可見：減短延遲噴射時(shí)間的**辦法就是合理布置管網(wǎng),盡量縮短管長和通過嚴(yán)格計(jì)算盡量減小管徑，從而使管道質(zhì)量下降。其他因素都是不可調(diào)整的。
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