（机械工程专业论文）二氧化碳灭火系统阀门等效长度测试装置的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 金曩群 l 签字目期：2 口理年2 月2 5 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘壁可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名金羹祥导师签名 私易嘲 签字日期：幼口2 年2 月2 弓日签字日期：刎年1 2 月? 歹日 中文提要 中文提要 二氧化碳灭火系统是气体自动灭火系统之一，也是目前我国消防产品中实际 生产量较大的一类产品。容器阀、选择阀、单向阀等管道阀门作为二氧化碳系统 中的主要组成部分，它们的结构和性能对二氧化碳灭火系统的设计和正常运行起 到重要的作魇。因此，建造套二氧化碳灭火系统溺门等效长度检测装置是非常 必要的，具有明显的社会效益和经济效益。 二氧化碳在二氧化碳灭火系统管道中流动有热量的输入，二氧化碳液体不断 的吸收热量，使之汽化，它的流动属于随机的气液两相流。管内气液两相流动局 部阻力的测定，虽然经过多年的研究，仍未获得满意的解决。二氧化碳灭火系统 阀门等效长度检测装置是依据中华人民麸和国国家标准g b1 6 6 6 9 - 1 9 9 6 二氧化 碳灭火系统及部件通用技术条件( g e n e r a lt e c h n i c a ls p e c i f i c a f i o m f o r c o m p o n e n t so f c a r b o n d i o x i d ef i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m s ) 中的关于二氧化碳灭火系 统容器阀、选择阀、单向阀的性能要求及检验规则设计的。流体介质采用大于5 的清水，在试验管路中建立雷诺数至少为1 x 1 0 5 的流态，测量水的流量及阀门 ( 容器阀应装配所用的虹吸管) 两端的压差。将流量、压差、管道内径等参数， 按在常温下水流通过管道的黑森一威廉额( h a z e n - - w i l l i a m s ) 公式计算阀门的等 效长度。整个试验装置的设计包括管道设备的设计、装置的配电设计、装置的自 动控镪设计。 二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置是针对g b1 6 6 6 9 1 9 9 6 标准的实 施而研制的。试用情况表明：该试验装置设计合理、结构紧凑、性能稳定可靠， 其整体技术性能已经满足产品的检测和实际工程设计计算的要求 关键词；二氧化碳、灭火系统、容器阈、选择阀、单向阀、等效长度、局部阻力 英文提要 a b s t r a c t c o n t a i n e rv a l v e s ，s e l e c t o rv a l v e s ，c h e c kv a l v e sa r eap a r to fc a i r nd i o x i d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，i t i s i m p o r t a n t f o r d e s i g n m a n dr u n n i n gc a r b o nd i o 矗d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e mt ot h e i r s t r u c t u r ea n df u n c t i o n a tp r e s e n t ，t h eo u t p u to f c o n t a i n e rv a l v e s ，s e l e c t o rv a l v e s ，c h e c kv a l v e si sg r e a ti nt h ee x t i n g u i s h i n gp r o d u c t f o ro u r c o u n t r y , s o ，i ti sv e r yn e c e s s a r y t ob u i l d i n gat e s td e v i c e o f e q u i v a l e n tl e n g t h f o rv a l v eo fc a r b o nd i o ) 【i d ee x t i n g u i s h i n g s y s t e m i ti so b v i o u s l yp r o v i d e d w i t hs o c i a l a n de c o n o m i c a lb e n e f i t f l o w i n g t h el i q u i do f c a r b o nd i o x i d e a b s o r b s q u a n t i t y o f h e a ti nt h e p i p e l i n eo f c a r b o nd i o x i d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m b e c a u s e t h e l i q u i do f c a r b o n d i o x i d e c o n t i n u a l l y a b s o l b s q u a n t i t yo f h e a t , i t i sb o i l e d a w a y 只o w i n g t h e l i q u i do f c a r b o n d i o x i d e b e l o n g t ot h es t o c h a s t i cg a s - l i q u i df l u i do f t h et w o p o s t u r e s a l t h o u g hi th a s b e e nr e s e a r c h e dm a n y y e a r st ot e s t i n gp a r tr e s i s t a n c eo f g a s - l i q u i d f l u i do f t h et w o p o s t u r e si nt h ep i p e l i n e ，i ti m ts a t i s f a c t o r i l yr e s o l v e d 。r e s e a r c h i n gf o rt e s t i n gd e v i c e t oe q u i v a l e n tl e n g t hf o rv a l v eo fc a r b o nd i o x i d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m i sa c c o r d i n gt o t h e p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n ac o u n t r ys t a n d a r d ( o b t1 6 6 6 9 1 9 9 6 g e n e r a lt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s f o rc o m p o n e n t so fc a r b o nd i o x i d ef i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s ) i t c o n s t i t u t e sp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t a n dm e t h o do ft e s tf o rc o n t a i n e r v a l v e s ，s e l e c t o r v a l v e s ，c h e c kv a l v e so fc a r b o nd i o x i d ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m f l u i da d e p tc l e a n n e s s w a t e rw h o s e t e m p e r a t u r e a r eh i g h e r5 0 c i nt h ep i p e l i n eo f t e s t , r e l 1 0 5 ，t h ef l o w o fw a t e ra n dp f 鹳s i 鹏o fv a l v e si s m e a s u r e d f l o w , p r e s s u r e ，i n s i d ed i a m e t e ro f p i p e l i n e c a l c u l a t e e q u i v a l e n tl e n g t h o fv a l v e s a c c o r d i n g t of o r m u l ao f h a z e n - - w i l l i a m s d e s i g n i n gt h ed e v i c eo f t e s tc o n s i s t so fp i p e l i n ea n de q u i p m e n t ， e q u i p p i n ge l e c t r i c i t ya u t o m a t i c c o n t r 0 1 t e s t i n g d e v i c ee q u i v a l e n tl e n g t hf o rv a l v eo f c a r b o nd i o x i d e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m i s s a t i s f i e dw i t h 衅t i c a l 嘶r j i l 喀p r o b a t i o nm a n i f e s tr e a s o n a b l ed e s i g n ，l l a l n o rs t r u c t u r e ， r e l i a b l e c a p a b i l i t y t ot e s td e v i c e 关键词：c a r b o nd i o x i d e ，e x t i n g u i s h i n gs y s t e m ，c o n t a i n e rv a l v e s ，s e l e c t o rv a l v e s ， c h e c k v a l v e s ，e q u i v a l e n tl e n g t h , p a r tr e s i s t a n c e 、 2 第一章前言 第一章前言 容器阀、选择阀、单向阀等管道阀门作为二氧化碳系统中的主要组成部分， 它们的结构和性能对二氧化碳灭火系统的设计和正常运行起到重要的作用。上 述产品的性能鉴定以及生产、销售过程中的质量监督均要进行阀门性能试验， 因此，建造一套二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置是非常必要的，具有 明显的社会效益和经济效益，目前，国内没有此类阀门的等效长度的测试装置， 为了完善国家固定灭火系统检测中心的检测手段。公安部将二氧化碳灭火系统 阀门等效长度测试装置的研究列为部级科研项目。 对于一套二氧化碳灭火系统的管路而言，在进行管鼹故设计对要诗算恕整 个管网的压力损失，才能合理的设计出整个管网的管径及布置。管路中的压力 损失一般包括以下两部分：沿程损失、局部损失。分述如下： 1 、沿程损失 在边壁沿程不变的管路上，流速也基本上是治程不变的。流动阻力只有沿 程不变的切应力，称为沿程阻力。克服沿程阻力引起的能量损失，称为沿程损 失。由于沿程损失分布在整个管段的全程，与管段的长度成正比，所以也称为 长度损失。 沿程水头损失的计算公式为： ，：五三立【1 一) d 2 9 如写成压强形式，则为： 酽a 吉譬 m z ， 式中h f 一一沿程损失m ； p f - 一沿程损失p a l 一管长m ： 4 苎二皇塑童 d 一一管径m ； v 一一断面平均流速m s ： g 一一重力加速度m s 2 ： p 密度k g m 3 ； 九一沿程阻力系数。 2 、局部阻力 在边界剧烈变化的区域，由于出现了旋涡区和速度的改变，流动阻力大大 增加，形成比较集中的能量损失。这种阻力称为局部阻力。其相应的能量损失 称为局部损失。 局部水头损失的计算公式为： = f 丢 ( 1 _ 3 ) 如写成压强形式，则为： p 。= 车( 1 - 4 ) 式中h 。一一局部损失h i ： p 一局部损失p a ； 1 一一管长i l l ； d 一一管径i n ： v 一一断面平均流速m s ； g 一一重力加速度m s 2 ； p 一一目亭度k g i n 3 ； 一局部阻力系数。 局部损失一般折算成某一管段的沿程损失。其折算长度称为等效长度( l e ) ， 即按下式计算： = f 譬= 专譬 第一章前言 l e ：f 旦( 卜5 ) 。旯 管路的总压力损失p 应为管路的沿程损失p ，与管路全部局部损失p m 之和， 即： p 2 哆+ 只 r = 昙譬o + 如) ( - - o ) 阀门所产生的局部损失作为管路阻力损失的组成部分，阀门的等效长度的 测定将直接影响到管路设计的合理往与正确佳。 目前，二氧化碳灭火系统阀门的等效长度还不能通过理论分析的方法的方 法确定。这方面的理论研究尚处于探索阶段，还未达到实际应用的程度。必须 借助于实验得来的经验公式或系数来确定阀门的等效长度。确定二氧化碳灭火 系统阀门的等效长度的基本方法仍是进行对阀门的实体试验，所以二氧化碳系 统阀门等效长度检测装置是不可缺少的技术装备。 试用情况表明：该试验装置设计合理、结构紧凑、节能高效、性能稳定可 靠，其整体技术性能已经满足实际设计计算和工程的实际需要。 6 第二章二氧化碳灭火系统概述 第二章= 氧化碳灭火系统概述 因为容器阀、选择阀、单向阀等管道阀门是二氧化碳灭火系统中的重要组 成部分，所以首先必须了解二氧化碳自动灭火系统的组成和工作原理。 由于c 0 2 灭火剂具有毒性低、不污损设备、绝缘性能好、灭火能力强等优 点，在国际上得到了非常广泛的应用。卤代烷灭火系统中氟氯烃对地球大气臭 氧层的破坏作用，公安部和消防行业管理办公室以公消 1 9 9 6 1 6 9 号文明确规定， 对应设置气体灭火系统的场所推荐使用二氧化碳灭火系统，并由全国消防标准 化技术委员会于1 9 9 6 年制定了二氧化碳灭火系统及部件通用技术条件 f g b t 1 6 6 6 9 1 9 9 6 ) 的国家标准。二氧化碳自动灭火系统具有自动启动、手动启 动及机械应急启动功能。它可以扑灭气体、液体或可熔化的固体( 如石蜡、沥 青等) 火灾，固体表面火灾及部份固体( 如棉花、纸张) 的深位火灾、电气火 灾。由于二氧化碳灭火剂价格低廉且不污物品、无水渍、不导电、灭火功能强、 故特别适用于电子计算机房、数据储存库、中心控制室、通讯机房、配电房、 图书馆、档案馆、博物馆、飞机库、汽车库、船舱、棉花、烟草、皮毛储存库 以及生产作业火灾危险场所，如浸槽、烘干设备、炊事炉灶、喷漆生产线、煤 粉仑等。 一、二氧化碳灭火系统分类 二氧化碳灭火系统分为两种类型，即全淹没系统和局部应用系统。按使用 方式不同又可分为组合分配系统和单元独立系统。 组合分配系统是一套灭火剂贮存装置，通过选择阀和单向阀的控制，保护 多个防护区的灭火系统。 二、二氧化碳灭火系统的组成 二氧化碳灭火系统的组成一般包括如下部分：储气钢瓶、电磁阁及主动容 器闶、从动容器阀、导管、单向阀、压力继电器、选择阀、泄气泄压二用阀、 泄气安全二用阀、金属软管、喷嘴眺及启动系统的管路附件、灭火剂输送管路 附件、检漏装置和储气瓶支架等，( 见图2 - 1 二氧化碳灭火系统组成) 。其中 容器阀、选择阀、单向闽等管道阀门的结构和性能对系统的设计和正常运行起 到重要的作用。 7 第二章二氧化碳灭火系统概述 1 1 、灭火剂储瓶( 含容器阀及虹吸管) ； 2 、集流管( 连接各储瓶出口 3 、储瓶出口的连接软管； 4 、单向阀； 5 、分区释放的选择阁； 6 、启动装置( 包括气动、电磁、机械、手动等方式) 7 、喷头； 8 、火灾探测器； 9 、报警和摔制设备； l o 、灭火剂管道； 1 l 、探测、控制线路 图2 - 1 二氧化碳灭火系统组成 3 第二章二氧化碳灭火系统概述 广 l 图2 - 2 二氧化碳灭火系统控制系统方框图 三、二氧化碳灭火系统的控制程序 一个完整的二氧化碳灭火系统控制程序程序大致包括如图2 - 2 的内容与环 节。当被保护的区域发生火灾，某感烟或感温探测器最先捕捉到火警信息输给 报警控制设备；继而又有另一个探测器捕捉到火警信息输给报警控制设备，形成 “与门”。此时，即行发出火灾报警信号及发送灭火指令。灭火指令和火灾报警 亦可由人目测后人为发出。灭火指令下达至灭火系统启动安排一延迟过程，一般 规定为o - 3 0 s ，可根据实际情况设定。这一段时间是留给人们安全撤离灭火区域 用的。 9 第二章二氧化碳灭火系统概述 ( 1 ) 单元独立系统工作原理 当保护区发生火情时，灭火系统有三种启动方式： 自动启动：此时感滠探测器、感烟探测器发出火灾信号报警灭火控铝4 装置 发出联动指令，关闭联锁设备，发出灭火指令，则电磁阀动作刺破主动容器阀膜 片，释放启动气体，开启各储气瓶容器闽，从而释放灭火剂，实施灭火。 电气手动启动：在自动控制状态，仍可人工按下手动按钮进行紧急启动。 机械应急启动：在灭火控制装置不能发出灭火指令时，可采用机械应急启动， 此时可用力追击电磁阀推杆或拉开容器阀上的各凸轮搬手，便各容器阎打开，释 放灭火剂，实施灭火。 ( 2 ) 组合分配系统工作原理 组合分配系统是由套灭火装置通过选择阀和气控单向阀的控制，保护多个 防护区的灭火系统，除采用选择阀和气控单向阁组合分配控制外，其余与单元独 立系统相同。 1 0 第三章阀门结构及阻力分析 第三章阀门结构及阻力分析 一、容器阀 1 、阀门结构( 见图3 - 1 1 ) 3 1 阀门结构 技术特性 1 、公称通径d n ： 2 、设计压力p ： 3 、工作温度t ： 4 、介质： 1 、0 型密闭圈1 7 2 6 5 6 2 、嵌条 3 、阀体 4 、紧钉螺钉m 6 木8 5 、先导阀 6 、0 型密闭圈3 5 5 1 8 7 、顶秆 8 、阀芯组成 9 、垫片 l o 、阀盖 1 1 、弹簧 1 2 、安全阀螺钉 1 3 、压片 1 4 、安全膜片 1 5 、垫片 1 6 u 。 1 5 m p 8 。 0 4 9 。c 。 c o ：。 图3 - 1 1 容器阀结构图 第三章阀门结构及阻力分析 2 、工作原理 容器阀是配置在混合气体容器瓶上的快速开启阀，用于充装和快速施放混合 气体灭火剂。应急时可手动打开。阎上还设有安全膜片，当容器瓶内气压超过设 定值时，膜片可自动破裂泄压。 3 、用途 容器阀是灭火系统中重要的部件之一，安装在贮瓶的出口端，用于封存和释 放灭火剂。容器阀与贮瓶相连，平时关闭，当发生火灾时，控制盘发出指令，打 开容器阀，释放灭火帮，实施灭火。 二、选择阀 l 、阀体结构( 见图3 - 1 2 ) 2 、工作原理：当选择耀对应的保护区发生火警对。火灾报警控制器输出 d c 2 4 v 电流，打开选择阀对应的启动瓶，氨气通过控制管路、驱动气缸，也可 扳动转臂把选择阀打开，继续通过控制管路，单向阀，启动c 0 2 储存瓶，c 0 2 灭火剂通过液体单向阀、集流管、选择阀及管网喷射到相应的保护区。 3 、技术参数： 型号公称通径工作压力开启压力连接方式当量长度( m ) ( m m )f m p a )0 v l p a ) z e ) 珏 2 5 1 22 51 2 1 or c l 2 z e 3 2 1 23 21 2 1 0 r c l 3 z e ) 口4 0 1 24 01 2 1o r c l 5 z 巨蹬5 0 1 1 25 01 2 l ，or c 2 6 z e x f 6 5 1 26 51 2 l0 r c 2 8 z e ，口8 0 ，1 28 01 2 1 0法兰 1 0 z e ) 匹1 0 0 1 21 0 01 2 1 o法兰 1 2 z e x f l 2 5 】21 2 51 2 1 o法兰 1 4 4 、孀途 选择阀是由阀体部分气缸部分组成，安装在组合分配系统的各集气管口上。 当防区需实施灭火时，来自主动瓶中的控制气体进入气缸活塞推动上端的连动 片，使锁住阎体上的杠杆松开。从出气口流向启动气体控制管路，分别开启主动 第三章阀门结构及阻力分析 瓶容器阀和各从动瓶容器阀，释放出储气瓶中的灭火剂。汇集于集气管中的灭火 剂推开选择阀活塞进入阀体，从接管中流向该选择阀控制的防区管网，由喷嘴喷 出，实施灭火。 1 、螺钉m i o x 3 51 3 、气缸活塞 2 、阀体1 4 、手柄 3 、o 型密闭圈3 2 * 3 11 5 、密封垫 4 、阀芯1 6 、螺钉m 6 6 5 、o 型密闭圈4 0 * 3 1 1 7 、接头 6 、o 型密闭圈1 8 1 6 51 8 、密封垫 7 、0 型密闭圈4 6 2 * 3 5 51 9 、螺$ t m 4 2 5 8 、阀盖 2 0 、气缸盖 9 、试压盖2 l 、止退销 1 0 、0 型密闭圈1 2 1 92 2 、弹簧 i i 、0 型密闭圈1 8 2 4 2 3 、紧钉螺钉 1 2 、弹簧 图3 - 1 2 选择阀结构图 第三章阀门结构及阻力分析 三、单向阀 1 、阀体结构( 见图3 1 3 ) 1 、阀体 2 、空用弹簧挡圈 3 、挡板 4 、钢球 5 、0 型密闭圈 6 、0 型密闭圈 图3 - 1 3 单向阀结构舀 2 、工作原理 液体单向阊安装在集流管上，通过高压胶管与储存瓶相连接，各瓶c 0 2 灭 火剂通过液体单向阀进入集流管，向保护区释放c 0 2 灭火剂，液体单向阀可防 止c 0 2 灭火剂从集流管倒流回储存瓶。 技术参数： 3 、用途 液体单向阖安装在各集流管的进口上，通过金属软管与容器襁蛉二氧化碳 出气口相连接。用于防止灭火剂从集流管中倒流至储气瓶中。同时还保证储气 瓶组在检修，更换过程中，灭火系统铯正常使用。 第三章阀门结构及阻力分析 3 2 二氧化碳灭火剂性质 二氧化碳灭火剂是一种最常见的气体灭火剂，原因是其毒性远比卤代烷灭 火剂低。到目前为止，尽管出现了多种高效的气体灭火剂，由于二氧化碳易于 制造，价格低廉，仍在很多方面得到应用。因为二氧化碳灭火系统管道中的灭 火剂是二氧化碳，所以要研究其阀门等效长度就必须了解二氧化碳的物理性质。 二氧化碳又称为碳酸气，再标准状况下是一种无色无味的气体。它的有关物 理性质常数见表3 2 1 。 表3 - 2 1 二氧化碳的物理性质 名称二氧化碳 分子式c 0 2 分子量 4 4 0 1 熔点( 5 2 6 9 k p a ，o c ) 5 6 6 沸点( 1 0 1 3 k p a ，o c )7 8 5 ( 升华) 密度( 0 0 c ，液态，彰c m 3 ) 0 9 1 4 密度( 0 0 c ，气态，乩) 1 9 7 7 比重( 气体，空气一1 )1 5 2 9 折射率( 气体，( n - 1 ) * 1 0 6 ，d 线，0 0 c ，1 0 1 3 k p a ) 4 4 8 1 粘度( 气体，2 0 0 c ，( p as ) )1 4 7 1 0 表面张力( 液体，5 22 0 c ，n m ) o 0 1 6 5 临界温度( o c ) 3 1 3 5 临界压力( k p a ) 7 3 9 5 临界密度( g c m 3 )0 4 6 熔解热( 熔点，k j k g ) 1 8 9 7 蒸发热( 溶点，k j k 2 )5 7 7 比热容( 气体，1 5 。c ，恒压，k j k g ) 0 8 3 3 导热率( 气体，o o c ，j 瓜g j 【) 0 1 4 7 第三章阀门结构及阻力分橱 二氧化碳有三种物理状态，即气态、液态、固态。二氧化碳以那种物理状态 存在决定于它的温度和压力。图3 - 2 1 是在体积恒定的条件下，温度和压力的二 氧化碳的物理状态变化影响的关系曲线。曲线中的a 点是临界点，与此点对应 的临界温度和临界压力分别为3 1 3 5 0 c 和7 ，3 9 5 m p a 。当体系的温度超过临界温 度，它不受压力的影响，完全以气态的形式存在。随着温度的升高，压力急剧上 升。曲线中的b 点为二氧化碳的三相点，与它相对应的温度压力分别为5 66 0 c 和o ，5 2 6 m p a 。在三相点，它以气、液、固三种物理状态共存。在5 6 6 0 c 3 1 3 5 的温度范围内，以气相和液相两种形式存在，气相和液相的比例由容器内的温度 和压力决定。体系的温度低于5 6 6 0 c 时，只以一相的形式存在。在三相点以上， 压力随温度的上升而增加，随着压力的上升，液相上方的蒸汽密度也增加。与次 相反，随着温度的上升，液体的密度下降。当体系的温度上升到临界点a ( 3 1 3 5 0 c ) 时液体的密度与蒸汽的密度相等，因此液相不能保持了( 见表2 - 2 2 ) 。 图3 2 1 密闭容器内二氧化碳压力与温度的关系 1 6 第三章阀门结构及阻力分析 嘉 ，- 2 - 2 密闭容器内的二氧化碳密度与温度的关系 温度( o c )压力( k p a )液体密度( 酊c m 3 )气体密度( e c m 3 ) 03 4 7 50 9 1 40 0 9 6 53 9 5 20 8 8 80 , 1 1 4 1 04 4 7 90 8 5 6 0 1 3 3 1 55 0 6 60 ，8 1 40 1 5 8 2 05 7 0 50 7 6 6 0 1 9 0 2 56 4 1 4o 7 0 3 0 2 4 0 3 07 1 6 40 5 9 8 0 3 3 4 3 1 3 57 3 8 70 4 6 4 0 4 6 4 当通过排放口将钢瓶中的二氧化碳蒸汽放出时，钢瓶中的压力就会下降，部 分液相二氧化碳蒸发，留下的液体逐步变冷。当压力降低到o 5 1 7 m p a 时，留下 的液体会转变为干冰，相应的温度为5 6 6 0 c ，压力进一步降低到与大气压相等 时，干冰的温度将将到7 9 0 c 。向大气中排放液体二氧化碳时，其过程与上述的 情况是一样的。大部分液体闪蒸成大量的二氧化碳气体，另一部分则变为干冰。 二氧化碳灭火器就是采用这一原理灭火的。 1 7 第三章阀门结构及阻力分析 3 ，3 二氧化碳灭火剂滚态及阻力分析 由3 2 二氧化碳的性质可知，二氧化碳在二氧化碳灭火系统管道中流动均随 机气液两相流。 在单相流动中，我们对层流和紊流采用不同的物理模型来进行分析。在两相 流中，流型与它每一个相的流量、热负荷、压力、通道的几何形状帮位置等因素 有关。因此，在两相流动中，必须先了解流动属于何种流型，才有可能比较好地 作出合适的理论模型，以进行流动特性的研究。 流型及其转换研究一般研究两相流的最终目的是要求得出一种给定流动工 况下的特性是一项基础性工作。在有热量输入的情况下，两相流是一个传热学和 流体力学的综合问题：一方面热量的输入引起相的变化，因而引起了两个相分布 的变化，也即流型的变化：另一方面由于沿程压降引起了流体动力特性的变化。 二氧化碳在二氧化碳灭火系统管道中流动有热量的输入，二氧化碳液体不断 的吸收热量，使之汽化。它的流动属于随机的气液两相流。二氧化碳灭火剂在管 道中受热蒸发液相发生相变逐渐交为气相，或困气体的体膨胀系数较之液体大 得多而使气体的体积明显地不断膨胀，因此，二氧化碳灭火剂的流型沿流动方向 不断变化。沿流向因蒸发不断增加，流体的含气量不断增加，流型也就从气泡流 过渡到弹状流、乳沫状流、环状流、雾状流和单相蒸汽流转变。因为在受热情 况下流型的演变需要一定的时间和距离以达到流体的平衡，而这与热负荷、压力 等因素有关。因此，上述各种流型所占有的区间。在不同的热负荷和压力可能延 伸或缩短，个别区间甚至不会出现。对于二氧化碳灭火系统中的压力管两相流的 流型，在较高的压力下。气液两相流的流型与环境压力下的流型相似。但是由于 气相介质在较高压力下密度较大，且在相同气速下气相具有更大的动量，因此流 型之间的转换条件在不同环境压力下有所不同。 二氧化碳两相流流经各类管件的局部阻力损失是由于局部阻力和流速变化 即动能的变化所引起的。气渡两相流局部阻力的产生与单向介质流动相似，决定 于附面层的脱离和涡流区的大小。但是还受流动机构的影响，同样的局部管件 其上下游的流动机构不同，就有可能有不同的阻力系数。这种情况己被许多实验 第三章阀门结构及阻力分析 所证实。但是在目前对流动机构尚不能十分肯定的判明与确定的情况下，对局部 阻力的计算，仍是按均流模型与分流模型来进行分析计算。 1 9 第四章总体设计方案 第四章总体设计方案 4 1 设计依据 一、参照标准 二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置的设计是根据中华人民共和国国 家标准g b t1 6 6 6 9 1 9 9 6 二氧化碳灭火系统及部件通用标准技术条件( g e n e r a l t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sf o rc o m p o n e n t so f c a r b o nd i o x i d ef i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m s ) 中的关于二氧化碳灭火系统容器阀、选择阀、单向阀的性能要求及检验规则。 二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置的设计中一些性能参数主要参照 以下标准： 1 、i s o d p8 4 7 6 二氧化碳和卤代烷灭火系统部件； 2 、i s o6 1 8 3 消防保护设备二氧化碳系统设计和安装规范； 3 、b s5 3 0 6 p a r t 4 ：1 9 8 6 室内灭火装置和设备( 二氧化碳系统规范) ； 4 、n f p a1 2 二氧化碳灭火系统； 5 、g b5 0 1 9 3 二氧化碳灭火系统设计规范 二、容器阀、选择阀、单向阀的检验规则 g b t1 6 6 6 9 1 9 9 6 二氧化碳灭火系统及部件通用标准技术条件中规定了 二氧化碳灭火系统容器阀、选择阀、单向阀的检验规则( 表3 - 1 一1 ) 。 由表4 - 1 1 可知二氧化碳灭火系统容器阁、选择阀、单向阀的检验规则中都 包含等效长度测定着一项目。- - 氧化碳灭火系统及部件通用标准技术条件中 对容器阀、选择阀、单向阀等效长度测定具体规定如下： 1 、容器阀 第4 , 2 1 0 条容器阀的局部阻力损失等效长度表示法 容器阀、虹吸管及连接管头时产生的局部阻力损失要由在设计上与其连接的 管道的等效长度表示。 第四章总体设计方案 按5 11 规定的方法测得的容器阀等效长度值不应超过设计值的+ 1 0 。 表4 - 1 1 容器阀、选择阀、单向阀的检验规则 部件名称a 类项目b 类项目 外观检验振动试验 强度试验等效长度测定 密封试验盐雾腐蚀试验 容器阀超压试验冲击试验 温度循环泄露试验手动操作试验 工作可靠性试验最小最大工作压力可靠性试验 安全泄放装置动作试验 观外检验等效长度测定 强度试验盐雾腐蚀试验 单向阀密封试验 单向阀反向泄漏试验 单向阀开启压力试验 工作可靠性试验 观外检验等效长度试验 选择阀强度试验手动操作试验 密封试验盐雾腐蚀试验 工作可靠性试验 2 、选择阀 第4 5 6 器阀的局部阻力损失一等效长度表示法 容器阀、虹吸管及连接管头时产生的局部阻力损失要由在设计上与其连接的 管道的等效长度表示。 按5 1 1 规定的方法测得的容器阀等效长度值不应超过设计值的+ l o 。 3 、单向阀 2 1 第四章总体设计方案 第4 6 8 器阀的局部阻力损失等效长度表示法 容器阀、虹吸管及连接管头时产生的局部阻力损失要由在设计上与其连接的 管道的等效长度表示。 按5 1 l 规定的方法测得的容器阀等效长度值不应超过设计值的+ 1 0 。 其中第5 1 1 条是这样规定的：容器阉、选择阀、单向阀等效长度测定按 g b7 9 5 。8 9 卤代烷灭火系统容器阀性能要求和实验方法中5 1 0 规定的实验 顺序进行实验，其结果应分别符合二氧化碳灭火系统及部件通用标准技术条件 中的4 2 1 0 、4 5 6 、4 68 要求。( 注：容器阀在实验对应装虹吸管) 二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置就是按照以上的技术依据来设计 的，以满足实际工程的需要。 第四章总体设计方案 4 。2 试验公式确定 局部损失的种类繁多，体形各异，其边壁的变化大多比较复杂，加以紊流本 身的复杂性，多数局部阻力损失的计算，还不能从理论上解决，必须借助于实验 得来的经验公式或系数。虽然如此，对于局部阻力和局部损失的规律进行一些定 性的分析还是必要的。它虽然解决不了局部损失的计算问题，但对于解释和估计 局部阻力的大小，研究改善管道工作条件和减少局部损失的措施，以及提出正确、 合理的设计方案等方面，都能给我们定性的指导。 工业管道的摩阻公式通常是经验公式，其形式为； 一p ：r 里二 ( 4 2 1 ) 上d ” 阻力系数r 仅是管道粗糙度的函数，具具有稳定指数和系数的。r 方程仅对 一定流体粘度( 据此推导出方程) 及雷诺数和管径通常限于一定的范围内才正确 的。在其适用的范围内此方程才能适用。 在常温下水流通过管道的黑森威廉斯( h a z e n - - - w i l l i a m s ) 公式就是这种形 式对r 给出的： r ：1 0 6 7 5 1 ( 4 2 - 2 ) c “ 取n = 1 8 5 2 ；m = 4 8 7 0 4 ；c 决定于粗糙度如下： c = 1 4 卜及其光滑的直管、石棉、水泥管： c = 1 3 0 一十分光滑管道、混凝土管、新铸铁管； c = t 2 0 一木板拼接管、新焊接钢管； c = il 卜陶瓷管、新铆接钢管： c = 1 0 0 一用过多年的铸铁管： c = 9 5 用过多年的铆接钢管 c = 6 0 - 8 0 一恶劣条件下的旧管道。 二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置管道采用镀锌钢管，则c = 1 2 0 。 将n = 1 8 5 代入( 3 2 2 ) 可得： 第四章总体设计方案 式： r = l 。6 7 5 可1 ( 4 - 2 - 3 ) 将m = 48 7 ；n = l5 8 ；公式( 4 2 3 ) 代入( 4 - 2 1 ) 可得； 嘶，s 筘 三= 1 。6 7 5 _ p c 。l u l s d l ，4 8 7 一( 4 2 - 4 ) 存二氢化磷灭，火系缔中阀门等效长度枪测是依据公式( 4 2 0 ) 可得如下公 k = 等裂篙竽佴2 剐 1 t 。一 6 0 5 1 0 1 0 0 1 弱 。 式中 k 一样品和试验管道的等效长度m ： p 一压差值p a ； d 一管道的实际内径m ： c 一测量管路粗糙度系数，镀锌管取1 2 0 ； q 一水流量1 m i n ； 管路中流体必须建立雷诺数至少l x l 0 5 的流态，公式( 4 - 2 5 ) 才能适用， 雷诺数由下式得出： r e ：生( 4 - 2 6 ) ， 式中 s 一管道中水流速m s ； d 一管道的实际内径1 3 1 ； v 广水的比容m 3 k g ； 扯水的动力粘度k g m s o 第四章总体设计方案 接自来水 接自来水 4 3 试验装置组成 图4 - 3 1 等效长度试验装置( - - ) 7 图4 - 3 - 2 等效长度试验装置( 二) 一、试验装置的组成 根据二氧化碳灭火系统阀门等效长度检测装置的设计是根据中华人民共和 国国家标准g b t1 6 6 6 9 - 1 9 9 6 二氧化碳灭火系统及部件通用标准技术条件 ( g e n e r a lt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s f o r c o m p o n e n t s o fc a r b o nd i o x i d ef i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m s ) 中的关于二氧化碳灭火系统容器阔、选择阀、单向阀的性 能要求及检验规则，确定二氧化碳灭火系统阀门等效长度试验装置的构成如图 4 - 3 1 、4 - 3 - 2 。图4 - 3 1 为选择阀、单向阀等效长度试验装置，图4 - 3 1 为容器阀 第四章总体设计方案 等效长度试验装置( 容器阀在试验时应装虹吸管) 。试验装置各部分组成如下 1 、钢瓶； 2 、被测样品( 容器闽、选择阀、单向阀) ； 3 、水泵：型号为k q l 6 5 i 0 0 ( i ) n = 3 k w 4 、水箱：外形尺寸1 5 0 0 * t 5 0 0 * 1 5 0 0 ，由玻璃钢制作； 5 、流量计： 6 、压差计测点 7 、阀门：型号为：d 7 1 x - 10 8 、单向阀：型号为h h 4 9 x 1 0 二、试验装置的安装要求 该试验装置的安装应满足以下的要求： 1 、装置中管道采用镀锌钢管，丝接。管道设置必要的固定支架，以减小振 动。 2 、为了减少水泵的振动与噪音，水泵与基础问配z l 型联接板并加隔振器， 隔振器用膨胀螺栓固定在基础上，水泵的进出口两端管道采用橡胶挠性 接头联接。 3 、涡街流量传感器安装 a 、传感器应水平安装或垂直安装在流体由上而下流动的与其公称通径相应 的管道上。 b 、管道内的流体的流动方向必须与传感器上的流量标志相符。被测介质必 须充满管道，仪表的轴线与管道的轴线一致。 o 、该涡街流量传感器为速度式仪表，为了保证测量精度，安装时传感器的 上、下游必须有足够的直管段。 d 、表体与前后直管段的凸台法兰之间用石棉橡胶垫密封，表体用双头螺栓 夹紧。 e 、尽管传感器在设计中采取一些抗振动噪声的方法，由于传感器的检测头 对冲击和振动较为敏感，所以，仍希望传感器的安装要选择在机械振动 第四章总体设计方案 小或冲击振动小的场所，如有必要还可以在传感器的前后管路上尽量采 用减振措施，如减振的支架或吸振的软橡胶支垫等，以保证测量的准确 性。 第四章总体设计方案 4 4 试验装置自动控制系统 本装置自动控制部分是由涡街流量传感器( 反馈环节) 、数字流量显示仪、 定量器( 绘定环节) 、比较单元、变频调速器( 控制器) 水泵( 执型器) 流量( 被 控对象) 等组成的闭环控制系统( 见图4 _ 4 1 、4 4 2 、4 4 - 3 ) 。 图4 - 4 1 定流量自控系统框图 第四章总体设计方案 l 1 l ，2 b 8 0 v 1 3 n p e b v 一5 0 0 v - 4 图4 4 2 定流量自控系统接线图 第四章总体设计方案 图4 4 3 定流量自控系统自控屏布置图 一、涡街流量传感器 1 工作原理： 如下图4 4 - 霉所示在流体中垂直于流向插入一根非流线型柱状物体即为旋 涡发生体。当流速大于一定值时，在柱状物的下游两侧将产生两列旋转方向相反、 交替出现的旋涡，这两列平行的涡歹g 称为卡门涡街。 实验证明，当涡列间隔h 与旋涡之间的距离l 满足下列关系 h ，l 卸2 8 1 第四章总体设计方案 ，- u 7u 一。e j i n 1 一、审、$ - 图4 4 4 涡街流量传感器原理图 时，卡门涡街才是稳定的，所产生的单侧旋涡频率f 和流体速度之问存在如下 关系： f - = s t u d ( 4 - 4 1 ) 式中：u 一旋涡发生体两侧的流速，m s ： d 一旋涡发生体的迎流面最大宽度，m ： s t 一斯特罗哈尔数( 无量钢。当旋涡发生体几何形状确定时，在一定的 雷诺数范围内为常数) 。 流体的平均流速u 与卡门旋涡产生频率f 成i e l p , ，测得f 可求得u ，由u 可 求得被测的容积流量。 在管道中插入旋涡发生体时，假设在旋涡发生体处，流体面积为f ，管 道内径为d ，旋涡发生体柱宽为d ，则旋涡发生体处的流通截面积为： f = 斗书而两 m a 哟 当d d l 的最小流量 q 见表( 4 5 2 ) 和图( 4 - 5 一1 ) 第四章总体设计方案 表4 _ 5 - 1 水的粘滞系数和密度 温度( 。c )粘滞系数( 1 0 p a s ) 密度( k g m 3 ) 51 5 1 91 0 0 0 1 0l _ 3 0 89 9 9 7 1 51 1 49 9 9 1 2 01 0 0 59 9 8 2 2 50 8 9 49 9 7 1 表4 _ 5 2 不同水温时满足r e ) 10 s 的最小流量 公称直径计算内径流量5 0 c流量1 0 。c流量1 5 0 c流量2 0 0 c流量2 5 。c o nm矿hm 3 h一hm 3 h 莳h d n l 5 0 0 1 66 95 95 14 54 0 d n 2 0 0 0 2 19 o7 86 86 o5 3 d n 2 50 0 2 7 1 1 61 0