低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的結冰和爆震問題

1、 低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的結冰和爆震問題王致新,王煜彤（天津市兆龍軟件開發(fā)有限公司，天津 300384）摘 要：研究了低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)噴放時產(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。關鍵詞：低壓二氧化碳滅火系統(tǒng) 初始壓力 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)具有儲存壓力低、管道配件簡單、便于安裝、占地面積小、不易漏氣和可多次噴放等優(yōu)點。但是，低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)如果設計不當，在噴放時管道、閥門等處容易形成二氧化碳凝結產(chǎn)生干冰造成管道阻塞，甚至因流速超過當?shù)匾羲俣l(fā)生“爆震”使管道爆裂。近年來因設計不當這種情況屢有發(fā)生，并造成了嚴重

2、損失。這一問題已給我國更廣泛地使用低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)造成嚴重障礙。迄今尚未發(fā)現(xiàn)國內外對此問題進行定量分析的文獻資料。本文就此進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，滅火劑存儲在儲罐中。儲存壓力為2.1 MPa左右，存儲溫度為-19±1，儲存狀態(tài)為液態(tài)。從圖1給出的二氧化碳三相圖可知：在此溫度存儲條件下二氧化碳的相變壓力約為2.07MPa（英制壓力300PSI。美國標準是按英制壓力單位的整數(shù)值確定的初始計算壓力。我國規(guī)范中定的起始計算壓力則是直接從英制壓力單位換算成公制單位得到的，沒有化成整數(shù)）。低

3、于這個壓力時，二氧化碳開始蒸發(fā)氣化，在管道中形成氣液兩相流。二氧化碳蒸汽作為動力推動了兩相流的運動，所以我國規(guī)范中將2.07 MPa定為低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)的起始計算壓力。但高壓二氧化碳滅火系統(tǒng)中，滅火劑儲存壓力為15或20 MPa。常溫下二氧化碳氣-液相變壓力約為5.17MPa（英制壓力750PSI）。開始噴放時二氧化碳基本上仍是液體，滅火劑本身沒有足夠的蒸氣壓作為初始推動力，因此只能靠充裝時儲瓶中保留的15或20MPa高壓空氣的膨脹作為初始動力。開始噴放后壓力迅速下降，一旦壓力降到 5.17 MPa 之下，二氧化碳即開始蒸發(fā)產(chǎn)生后續(xù)動力，并能在此壓力下維持一段時間。因此，規(guī)范中規(guī)定的高壓二

4、氧化碳滅火系統(tǒng)起始計算壓力為5.17 MPa。2、低壓二氧化碳在管道中流動的基本規(guī)律 2.1 管道中流速的確定低壓二氧化碳開始噴放時，由于滅火劑儲存容器的容積很大，開始噴放后，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。另一方面，隨著二氧化碳壓力下降，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，管道長度有限，所以低溫滅火劑通過管壁從外界吸收的熱量可忽略不計。因之，從熱力學的角度講，二氧化碳在開口

5、管道內的流動可認為是絕熱的開口系統(tǒng)穩(wěn)定流動過程。開口系統(tǒng)中單位質量工質穩(wěn)定流動過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 - 比內能，是氣體分子和原子的動能和和原子間引力形成的位能P -壓力v -比容，(p2v2-p1v 1)是促使氣體流動的推動功V -流速Z -標高w -容積所作的功。腳標1表示上游節(jié)點，腳標2表示下游節(jié)點。必須注意：（1）式與流體力學中未考慮熱能的影響時穩(wěn)定流動過程中的機械能能量守恒定律，即Bernoulli方程的表達式Z g + (Pv) + (V2/2

6、) = 常數(shù) 有所不同。（1）式是包含熱能在內的廣義能量守恒定律,即熱力學第一定律。 動能修正系數(shù)，用以修正斷面流速不均勻的影響。工程上常取=1。（1）式說明：穩(wěn)定流動過程中系統(tǒng)接受的熱除了一部分用于對外做功外，另一部分用于使流過系統(tǒng)的工質（此處就是二氧化碳）增加內能、宏觀動能和重力位能。對于絕熱過程，q=0。如果忽略摩擦損失所造成的功耗，則w=0。由于熱力學中焓的定義 h=u+pv 焓代表了氣體的內能和促使氣體流動的推動功。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，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) 可認為儲罐引升管進口的流速V1=0。因此，根據(jù)上、下游節(jié)點壓力比P2/P1、上游節(jié)點溫度T1、上游節(jié)點處的流速V1

9、即可從（5）式計算得到每個節(jié)點處的流速。 2-2下游節(jié)點溫度的確定從（4）式即可得到下游節(jié)點處的當?shù)販囟?T2 = T1 (P2/P1) (k-1)/ k （K） -（6）亦即下游節(jié)點處的溫度取決于上游節(jié)點處的溫度和上、下游節(jié)點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的氣體。當二氧化碳溫度高于-56.6時，隨著壓力增加滅火劑將從氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)。在壓力高于0.517MPa，且溫度低于-56.6時，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，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。 由（6）式

10、此可見：在壓力高于三相點壓力且上游節(jié)點處二氧化碳的溫度和上、下游節(jié)點處二氧化碳的壓力比P2/P1已知時，計算得到的下游節(jié)點處二氧化碳的溫度只要低于三相點溫度（-56.6），該點就會產(chǎn)生干冰凍結現(xiàn)象。4、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)中的結冰和爆震從二氧化碳的三相圖可見：低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)在噴放初期，管道內的壓力從零背壓開始上升，所以瞬時壓力會低于0.517MPa，這時如果氣態(tài)二氧化碳在管道內溫度低于-56.6，就會產(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；管道內充滿滅火劑后，即使壓力已高于0.517MPa，但溫度若仍低于-56.6時，管道內的液-固兩相流也會繼續(xù)產(chǎn)生干冰和擴大冰凍范圍

11、。例如，當某一部件上游節(jié)點處二氧化碳兩相流的溫度為-18（255K）時，求通過該部件后不產(chǎn)生干冰凍結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。壓力下降時流速增大，當流速增大到等于當?shù)匾羲贂r就會由于“音障”而無法流動。一旦流速突破音障，就會發(fā)生“爆震”。爆震的巨大威力常會造成管道破壞甚至發(fā)生爆炸。一旦管道內產(chǎn)生了干冰，發(fā)生凍結處的孔口面積就會減小，壓降將進一步增加，所以下游溫度將進一步下降。這種惡性循環(huán)不僅會導致凍結面積迅速增大甚至會發(fā)生堵塞。一旦發(fā)生堵塞，上

12、游壓力將隨溫度的增高而加大。如果上游管道中未安裝到儲罐的回流閥或安全閥，就可能造成管道破裂。此外，由于干冰凍結使孔口縮小造成的流速增加是無法通過（5）式計算得到的。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。等熵絕熱流動時當?shù)匾羲?VC =2RT k/(k+1) 1/2 T為下游節(jié)點處的當?shù)販囟龋↘），可由（6）式確定。因為二氧化碳的氣體常數(shù)R=188.9 （J/kg K）, 比熱比 k=1.3074所以二氧化碳的當?shù)匾羲倥c當?shù)販囟戎g的關系是 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）式計算得到的流速不得大于或等于（8）式給出的

13、臨界流速，否則就會發(fā)生爆震。為了安全起見，極限減壓比和臨界流速都應加一個安全系數(shù)。低壓二氧化碳通過一根管段或一個部件時的減壓比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)點處的溫度都不宜低于223 K（-50）。由以上論述可見：設計低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)時，必須進行嚴格的壓力和流量計算；與此同時還必須對每個節(jié)點處的滅火劑流速和溫度進行計算，否則就無法確保噴放過程中不會產(chǎn)生干冰或出現(xiàn)爆震。最近，天津兆龍軟件公司開發(fā)了一種國際首創(chuàng)的新版二氧化碳滅火系統(tǒng)設計軟件。它不僅可用其精確、且極為簡單的計算方法 1對均衡或非均衡系統(tǒng)計算出各節(jié)點和管段的壓力和流量

14、，而且能根據(jù)本項研究成果計算出每個節(jié)點處二氧化碳氣流的流速和溫度。如果計算過程中發(fā)現(xiàn)任何部位可能產(chǎn)生干冰或發(fā)生爆震，就會立即發(fā)出橙色預警信號，以便設計師及時進行修正，避免因設計失誤造成嚴重后果。一旦溫度氣流溫度低于二氧化碳的冰點或流速達到或超過當?shù)匾羲伲绦蚓蜁⒓唇K止運算，并給出紅色報警提示。結論 本文首先給出了確定高、低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)初始計算壓力的依據(jù)，然后根據(jù)工程熱力學原理，從廣義能量守恒定律出發(fā)導出了二氧化碳在管道中穩(wěn)定流動時的基本方程和流速及溫度與壓降比之間的函數(shù)關系。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)設計軟件提供了設計過程中對可能產(chǎn)生干冰凍結和發(fā)生爆震給出橙色預警信號的理論依據(jù)。參 考 文 獻1 王致新、王煜彤：“二氧化碳滅火系統(tǒng)傳統(tǒng)計算方法的新突破” 亞洲消防 2005.12 P 61-64作 者 簡 介王致新，研究員，獲國務院特殊津貼的專家。天津市兆龍軟件開發(fā)有限公司總