氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算公式探討

賴(lài)海靈　豐漢軍　賀宇飛　郭進(jìn)軍

摘要：氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)過(guò)程可能是介于等溫過(guò)程（等焓）與可逆絕熱過(guò)程（等熵）之間的一種特殊的復(fù)雜過(guò)程，其設(shè)計(jì)計(jì)算是重點(diǎn)難點(diǎn)之一。通過(guò)流體伯諾里方程推導(dǎo)了管道沿程壓強(qiáng)損失計(jì)算公式、氣體密度計(jì)算公式、剩余量計(jì)算公式、開(kāi)口補(bǔ)償量公式以及管段末端馬赫數(shù)計(jì)算公式，希望能給同行起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：理想氣體；歐拉方程；伯諾里方程；氣體密度；管段末端馬赫數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU892? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）11-0010-03

氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)管道內(nèi)的氣體流動(dòng)過(guò)程是介于等溫過(guò)程（等焓）與可逆絕熱過(guò)程（等熵）之間的一種特殊的復(fù)雜過(guò)程，氮?dú)庠趦?chǔ)存容器里初始?jí)簭?qiáng)為15MPa、20MPa，噴放過(guò)程中儲(chǔ)存容器里壓強(qiáng)不斷降低，到噴頭末端剩余壓強(qiáng)通常為1～3MPa，要完全精確計(jì)算是非常困難的。GB50370—2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的公式：減壓孔板后壓強(qiáng)P2=δ·P1，P1為當(dāng)滅火劑噴出量為設(shè)計(jì)用量50%時(shí)的儲(chǔ)存容器壓強(qiáng)；δ落壓比在0.52～0.60中選用，也是經(jīng)驗(yàn)值；管網(wǎng)的壓強(qiáng)都是在P1、P2基礎(chǔ)上計(jì)算，與管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行壓強(qiáng)并不完全相符。因?yàn)榈獨(dú)鉁缁鹣到y(tǒng)與IG541滅火系統(tǒng)的滅火劑種類(lèi)不同，故兩種滅火劑的壓強(qiáng)系數(shù)（Y）、密度系數(shù)（Z）、等效孔口單位面積噴射率（qc）均不同，所以GB50370—2005提供的IG541計(jì)算公式不能直接用于氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)計(jì)算[1]。

1 基本理論

表1為0℃時(shí)1L的氮?dú)獾膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理想氣體狀態(tài)方程、范德瓦爾斯方程所得數(shù)據(jù)的比較。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在約20MPa條件下，理想氣體PV值與真實(shí)氣體僅差（1.0483-1.000）/1.0483=4.61%，誤差在工程中可以接受，因此理想氣體狀態(tài)公式可以用于氮?dú)鉁缁鹣到y(tǒng)，GB50370—2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的中期壓強(qiáng)公式也是按理想氣體公式推導(dǎo)得出[2]。

2 中期壓強(qiáng)公式推導(dǎo)

3 管道壓強(qiáng)公式推導(dǎo)

4 氣體密度公式推導(dǎo)

5 氣體流速及馬赫數(shù)公式推導(dǎo)

惰性氣體在管道中流動(dòng)的同時(shí)，其體積迅速膨脹，因而在管徑不變的管道中，質(zhì)量流量不變的條件下，隨著管長(zhǎng)的增加，氣體在管道中的體積流量和流速都將迅速增大。當(dāng)管長(zhǎng)增加到某一數(shù)值時(shí)，流速就會(huì)達(dá)到音速。一旦某一管段中的某個(gè)截面的流速達(dá)到了音速，就會(huì)出現(xiàn)“音障”阻礙流體流動(dòng)，流速突破音障時(shí)還將產(chǎn)生劇烈的“爆震”。為避免可能給系統(tǒng)造成的嚴(yán)重破壞，必須控制噴放速度。

6 泄漏量公式推導(dǎo)

7 等效孔口單位面積噴射率公式推導(dǎo)

8 結(jié)論

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)宏.IG541氣體滅火系統(tǒng)管網(wǎng)壓力損失計(jì)算公式推導(dǎo)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2001（6）：35-36.

[2]王致新，王煜彤.IG541滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算方法[C]//“力堅(jiān)杯”全國(guó)氣體消防學(xué)術(shù)交流大會(huì)，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2003.

Discussion on calculation formula

of nitrogen fire extinguishing system design

Lai Hailing， Feng Hanjun， He Yufei， Guo Jinjun

（Guangzhou Design Institute， Guangdong Guangzhou 510620）

Abstract：The gas flow process in the pipeline of the nitrogen fire extinguishing system may be a special and complicated process between the isothermal process （isenthalpy） and the reversible adiabatic process （isentropy）， and its design and calculation is one of the key and difficult points. Through the fluid Bernoli equation， the pressure loss calculation formula， the gas density calculation formula， the residual amount calculation formula， the opening compensation formula and the Mach number calculation formula at the end of the pipe segment are derived， hoping to provide references for peers.

Keywords：ideal gas; Euler equation; Bernoulli equation; gas density; Mach number at the end of pipe segment