NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失計算方法

張孝華，孫騫

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

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NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失計算方法

張孝華，孫騫

(中國船舶重工集團第七二六研究所，上海 201108)

分析氣體滅火系統規范采用的中期壓力計算方法，假定NOVEC1230滅火劑在管路中為液相流動，根據流體力學管流損失的達西公式和阻力平方區的尼古拉茨公式，結合沿程阻力損失系數分析，得到NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失的計算公式，計算NOVEC1230系統噴頭末端的壓力，并同試驗測量值進行對比，計算值與測量值的誤差在10%以內，滿足相關標準中關于精度的要求。

清潔氣體；氣體滅火系統設計；中期壓力計算方法；沿程壓力損失系數

NOVEC1230是由美國3M公司于2000年研發成功的一種新型清潔氣體滅火劑[1]。該型滅火劑設計滅火濃度為4%～6%，系統啟動后10 s內釋放完畢，可應用于全淹沒或局部氣體滅火系統，具有對臭氧層無破壞、溫室效應低，以及設計安全閾值高等特點，是目前最理想的鹵代烷1301替代產品[2-3]。

目前，國外的相關清潔氣體滅火系統標準(NFPA2001、ISO14520)都并未給出清潔氣體滅火系統的設計方法，而通過采用對滅火系統生產廠商認證時需提供設計軟件，且以設計軟件的計算結果同試驗測量值的誤差在一定范圍內(美國UL認證為10%，英國LPCB認證為20%)來確保生產廠商的系統設計有效性，驗證的方法及過程由認證機構提供和開展[4-6]。我國氣體滅火系統規范《氣體滅火系統設計規范》(GB50270—2006)(以下簡稱《規范》)中，對于七氟丙烷氣體滅火系統，采用中期壓力計算方法，通過尋找滅火劑釋放過程中的中期壓力，計算管路沿程的壓力損失和高程差帶來的壓力損失，從而最終得到滅火系統噴頭末端的壓力值[7]。

考慮假定NOVEC1230滅火劑在管路中為液相流動，根據流體力學管流損失的達西公式和阻力平方區的尼古拉茨公式，并通過對沿程阻力損失系數的分析，得到NOVEC1230滅火劑管路沿程壓力損失的計算公式，對該計算方法的準確性進行驗證。

1 理論分析

1.1 NOVEC1230滅火劑物理性質

NOVEC1230滅火劑在標準大氣壓下的沸點為49.2 ℃，形態為液體，密度為1.6×103kg/m3，NOVEC1230與七氟丙烷滅火劑的物理性質對比見表1。

表1 NOVEC1230與七氟丙烷滅火劑物理性質對比

由表1可見，在相同條件下，NOVEC1230具有比七氟丙烷更高的沸點和更低的飽和蒸汽壓。因此，借鑒《規范》中七氟丙烷管路流動的假設，即滅火劑在滅火管路中的流動基本為液相流，且噴放過程為一等溫絕熱過程，采用中期壓力計算方法，依據流體力學的管流阻力損失計算基本公式和阻力平方區的尼古拉茨公式，建立NOVEC1230滅火劑管路流動的計算方法。

1.2 中期壓力計算方法

由于滅火劑釋放的過程為壓力、流量隨時間變化的動態過程，求解過程很繁雜，也不適用于工程應用計算，因此，《規范》給出了中期壓力計算方法的近似計算方法進行計算。中期壓力計算方法定義滅火劑儲存容器中50%滅火劑由噴頭噴出的時刻為滅火劑釋放的過程中點，以過程重點的壓力作為噴放過程的平均壓力，則噴放過程起點的壓力即為平均壓力，以管路流動的平均流量為流量，通過圓管內的管流阻力損失計算方法，計算滅火劑噴頭末端的壓力[7]。

(1)

(2)

式中：pm為過程中點時儲存容器內壓力，MPa；p0為滅火劑儲存容器的增壓壓力，MPa，；W為設計滅火劑用量，kg；V0為噴放前，全部儲存容器內的氣相總容積，m3；γ為OVEC1230滅火劑的液體密度，kg/m3；Vp為管網的管道內容積，m3；n為儲存容器的數量，個；Vb為儲存容器的容量，m3；η為充裝密度，kg/m3。

噴頭工作壓力按照以下公式計算。

(3)

高程壓頭按照以下公式計算。

(4)

式中：H為過程中點時，噴頭高度相對儲存容器內液面的位差，m；γ為NOVEC1230滅火劑的液體密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2。

1.3 管路沿程壓力損失計算

基于滅火劑在滅火管路中的流動基本為液相流，且噴放過程為一等溫絕熱過程這一假設，滅火劑在管路中的流動可視為圓管流動，其沿程阻力采用達西公式計算。

(5)

式中：hf為水頭損失，m；λ為沿程阻力系數；l為管路計算長度，m；d為管路直徑，m；v為液體流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2。

尼古拉茨通過實驗對管中沿程阻力做了全面研究。管壁的絕對粗糙度Δ不能表示出管壁粗糙度的確切狀況及其與流動阻力的關系，而相對粗糙度K/d可以表示出管壁粗糙狀況與流動阻力的關系，是不同性質或不同大小的管壁粗糙狀況的比較標準。尼古拉茨在不同相對粗糙度K/d的管路中，進行阻力系數λ的測定，分析λ與Re及K/d的關系，得到尼古拉茨實驗曲線[8-9]，見圖1。

由圖1可以看到，管道中的流動可以分為5個區域。

5個阻力區的范圍及λ的計算公式見表2。

NOVEC1230滅火劑在管路中的流動，其雷諾數為

(6)

式中：vc為流體的流速，m/s；d為圓管直徑，m；υ為流體的運動粘度系數，m2/s；Q為流體的質量流量，kg/s；ρ為流體的密度，kg/m3。

NOVEC1230在25 ℃時的運動粘度系數為0.39×10-6m2/s，帶入可得25 ℃時的Re。

表2 5個阻力區的范圍與λ計算公式

而對于管徑與流量的選取關系，借鑒七氟丙烷初選管徑的流量與管徑關系可知

5.1×106

參照尼古拉茨實驗曲線可知：此時NOVEC1230滅火劑在管路中的流動處于阻力平方區，即使在K/d達到0.000 99的情況下。

因此，選用粗糙紊流區的沿程阻力系數計算公式

(7)

采用達西公式計算水頭損失，則管路中的壓力損失可表達為

(8)

式中：Δp為計算管段阻力損失，MPa；l為管道計算等效長度，m；Q為管道設計流量，kg/s；d為管道內徑，mm。

對于氣體滅火系統采用鍍鋅管，當量粗糙高度為0.10～0.20 mm，采用均值0.15 mm[9-10]，代入壓力損失計算公式可得

(9)

2 計算值與試驗結果對比

為驗證沿程壓力損失計算方法的準確性，分別采用工作壓力為2.5 MPa的單鋼瓶和2個鋼瓶的NOVEC1230滅火系統，按照中期壓力計算方法進行管路設計，并開展噴放試驗，測量噴頭的工作壓力，與計算值進行對比分析。

2.1 單氣瓶系統對比分析

單氣瓶滅火系統采用的鋼瓶容積為106 L，充裝密度為1.047 kg/L，瓶頭閥出口高度為1.5 m，管路中安裝有一個分配閥，系統噴放時間為9.0 s。圖2為單氣瓶滅火系統的管路圖。

單氣瓶系統的管路信息見表3。其中，其他等效長度是指鋼瓶、瓶頭閥、釋放軟管、單向閥、變徑、三通、管路上分配閥等管阻的等效長度。

表3 單氣瓶系統的管路信息

常用消防管道的外徑、內徑、壁厚與公稱直徑的關系見表4。

采用以上管路參數按照中期壓力計算方法開展計算，可得單氣瓶系統的相關數據如下。

中期壓力pm=0.856 1 MPa；

高程壓頭ph=-0.003 9 MPa。

試驗過程中，測量所得噴頭工作壓力值為0.518 MPa，計算精度為ε1=6.5%

表4 常用消防管道的外徑、內徑、壁厚與公稱直徑的關系 mm

2.2 2個氣瓶系統對比分析

2個氣瓶采用鋼瓶容積為106 L，充裝密度為1.047 kg/L，瓶頭閥出口高度為1.5 m，，管路中安裝有1個分配閥，系統噴放時間為9.2 s。2個氣瓶滅火系統的管路見圖3。

表5為2個氣瓶系統的管路信息表。其中，其他等效長度是指鋼瓶、瓶頭閥、釋放軟管、單向閥、變徑、三通、管路上分配閥等管阻的等效長度。

表5 2個氣瓶系統的管路信息

結合表3的管徑參數表，采用表4的管路參數按照中期壓力法開展計算，可得2個氣瓶系統的相關輸入如下。

中期壓力pm=0.929 5 MPa。

高程壓頭ph=0.041 6 MPa。

試驗過程中，測量所得噴頭工作壓力值為0.530 MPa，計算精度ε2=2.6%。

3 結論

通過單氣瓶、2個氣瓶滅火系統噴放壓力測量值與所提出的中期壓力計算方法及沿程壓力損失計算公式計算值對比發現：采用本文中期壓力計算方法及沿程壓力損失計算公式計算所得結果與測量值誤差分別為6.5%和2.6%，能夠滿足ISO14520《氣體滅火系統》中關于設計計算值與測量值小于10%的要求[3]，具有較高的計算精度。

[1] 張國璧.新一代哈龍滅火劑[J].消防科學與技術，2004，23(4)；369-371.

[2] NFPA. Standard on clean agent fire extinguishing systems：NFPA2001[S]. Quincy：NFPA，2015 edition.

[3] ISO. Gaseous fire-extinguishing system：ISO14520 [S]. Switzerland：ISO，2006 edition.

[4] 吳曉偉.艦船綠色環保滅火劑選型分析[J].船舶，2011，22(6)；29-34.

[5] 彭玉輝.艦船哈龍滅火劑的替代產品和氣體滅火劑選型分析[J].中國艦船研究，2007，2(5)；72-75.

[6] 朱渝生.對幾種哈龍滅火劑替代品性能的初探[J].消防技術與產品信息，2003(4)：44-45.

[7] 中華人民共和國公安部.氣體滅火系統設計規范：GB50370[S].北京：中國計劃出版社，2005.

[8] 謝振華.工程流體力學[M].北京：冶金工業出版社，2013.

[9] 李家星，趙振興.水力學[M].南京：河海大學出版社，2001.

[10] 王煜彤，王致新.七氟丙烷和三氟甲烷阻力損失的計算方法[J].消防技術與產品信息，2004(6)；9-11.

On the Calculation Method of Pressure Loss for Pipe of Novec1230 Clean Agent

ZHANG Xiao-hua, SUN Qian

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

Based on the middle-pressure calculation method used in GB50370 Gaseous Fire-extinguish System Code, the coefficient of pipe pressure loss for Novec1230 agent was analyzed acording to the Darcy formula on the pressure loss in round-pipe and Nikuradse formula in drag square zone. The nozzle pressure of a single cylinder fire-extinguishing system and a two cylinder fire-extinguishing system was calculated. The calculation result was compared with the measured value to validate the accuracy of the calculation method. The error between calculation result and measured value is under 10%, so that the proposed method can reach the requirement of relative standard.

clean agent; design of gaseous fire-extinguishing system; middle-pressure calculation method; coefficient of pipe pressure loss

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.005

2017-01-08

國家部委基金資助項目

張孝華(1980—)，男，碩士，高級工程師

研究方向：氣體滅火技術

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0021-05

修回日期：2017-03-07