压力比例混合器的原理和理论计算.doc

张连城(国内贸易工程设计研究院, 北京100037)摘要: 主要介绍压力比例混合器的基本原理, 详细阐述以节流元件分为三种压力比例混合器的优缺点, 并重点推荐以喷嘴为节流体的压力比例混合器。同时对其进行精细的计算, 以达到混合比的正确度。最后介绍压力比例混合器的优缺点 及注意事项。关键词: 压力比例混合器; 原理; 理论; 计算为并联管路 (见图 2)。前言泡沫消防系统的一个重要环节 比例混合器, 除采用环泵式的比例混合器外, 压力比例混合器也已 在泡沫消防系统中占有重要分量, 由于它在灭火中能 产生高质量的泡沫及操作简单方便等优点, 已在石油 消防系统中广泛采用。压力比例混合器按其节流件来区分, 可分为三种 形式, 第一种是孔板, 其构造简单, 但其混合比的准确 度较差; 第二种节流件是喷嘴, 其混合比的准确度高于孔板, 但构造较孔板复杂; 第三种是文特利管, 其特点 是它的几何形状使流体流过文特利管的压力损失比前 二种节流件要小, 但节流元件的研究和成熟条件还不 像前二种那样深入。对比之下, 本文将选择喷嘴作为节 流元件进行介绍。1图 2 并联管路由于二条管路的直径大小不一样, 装有节流件的 主管路, 其流过的流量 Q 0 大于流过支管的流量 q, 当 改变二条管路的直径的大小, 可以使 Q 0 与 q 形成一定 的比例。 二条管路连接点的始点前和终点后的流量为 Q , 其基本公式:(1)(2)Q = Q 0 + qH = h式中: Q 主管喷嘴前后的流量 (L s) ,Q 0 喷嘴口的流量 (L s) ,q 支管内的流量 (L s) ,H 喷嘴前后的压差 (m ) ,h 支管总的阻力 (m )。压力比例混合器的原理压力比例混合器是根据节流压差流量计和并联管 路的原理进行研究的, 现用图来说明:( 1) 由于压差喷嘴, 使喷嘴前后形成压力差 ( 见图1)。2( 3) 将支管分割成二段 ( 见图 3) , 即 l = l1 + l2 , 中间连接上一个容器, 内装泡沫液, 由于压力传递, l1 内 的 q 不断补充进容器内, 容器内的泡沫液被挤出容器,即有同样的 q 进入 l2 , q 流量的水在容器内由于比重小 于泡沫液, 因此浮在容器上部, 不与泡沫液混合, 当泡沫液通过 l2 进入主管后与主管内的流量 Q 0 混合成混 合液, 这就是无隔膜的压力比例混合器。为了保证混合比的准确, 可加大支管直径, 支管上装设一个节流孔图 1 压差喷嘴使喷嘴前后形成压力差( 2) 移去水银压差计, 使支管连接起来, 就组成不主管内径: D 内 (m ) ,支管内径: d 内 (m )。312原始数据确定的原则D 内 一般按管内的流速为 215 m s 左右来确定,或按消防系统的泡沫管道直径来决定,D 0 应满足喷嘴前后的压力损失不大于 5 7 m 的 要求,d 内 应满足管内的沿程磨阻和局部磨阻应小于支 管总磨阻的 50% 为宜,Q 为消防需要的一次最大混合液流量,Q 0 由混合比决定,q 由混合比决定。313喷嘴前后的压力差计算图 3 被分割成二段的支管增设一个隔离袋 ( 见图 4) , 这就是有隔膜的压力比例 混合器。公式: Q 0 = F 02g H(3)Q 0(4)公式: H =2 F 2 2g0式中: 流量系数,F 0 喷嘴口径截面积 (m 2 ) ,4F 0(5)公式: D 0 =图 4 增设隔离袋的容器D 0 喷嘴口径 (m )。a. 喷嘴的选型及 的计算当 D 内 50 mm 时, 喷嘴的口径与管道内径 D 内3压力比例混合器的理论计算混 合器的流程图 ( 见图 5) , 其进行计算主要根据的平方比 m = D 0 D 内 , 在满足 0105 0145 时, 可采图 5 混合器的流程图311计算的原始数据主管混合液流量 (水的流量) : Q (L s) ,混合比: 6% ,通过喷嘴的水流量: Q 0 = 0194Q (L s) ,支管流体的流量: q= 0106Q (L s) ,图 6 喷嘴的原始流量系数 0水 水的动力黏度 (k g sm 2 ) ,g 重力加速度 (m s2 )。用标准化乙型喷嘴。原始流量系数 0 可以根据 m查得 (见上页图 6) ,当 R eD R e极限 时, 0 可 不 必 校 正, 即 =R e极限 时, 则需校正。 公式: = 0 k km式中: 0 原始流 量 系数,k 对黏度的 校正系数,km 对管壁粗 糙 度 的 校 正 系数。0 , 如 R eD 4Q 0 公式: vD =( )8D 内314支管内水和泡沫液流动时形成磨阻的水力计算由于主管内水的流动使喷嘴前后所形成的压力差(6)H克服支管内液体流动的磨阻 h , h 由四部分组成。(9)公式: h = h 1 + h 2 + h 3 + h 附加公式: h = H式中: h 支管磨阻 (m ) ,h 1 支管内水所形成的沿程磨阻和局部磨阻(m ) ,h 2 支管内泡沫液流动所形成的沿程磨阻和极 限 流 量 系 数 图 8根据直径比 D 0 D 内 查取 km局部磨阻 m ) ,(R e极限、k 、km可 根 据 直h 附加 由于喷嘴口的涡流及支管和主管交接点二股水流冲击所形成的磨阻 (m ) ,h 3 支管上节流孔板形成的局部磨阻 (m )。a. 输水支管 l1 段管道沿程磨阻和局部磨阻 h 1 的 计算(1) 原始数据支管直径: d 支 (mm ) , 支管内径: d 内 (m ) , 支管长度: l1 (m ) ,支管流量: q (L s)。(2) 计算径比 D 0 D 内 查图表即可, 见图 7、图 8、表 1。v 2 l1 支公式:h 1 =1 d 内 + 2 1()102g式中: 1 l1 管段磨阻系数,2 1 局部磨损系数之和,v 支 支管内的流速 (m s)。沿程磨阻系数 1 由雷诺数 R e水 决定, 因此先计算R e水。图 7 根据直径比 D 0 D 内 查取 k 表 1 根据直径比 D 0 D 内 查取 R e极限v 支 r d 内 r 水公式: R e水 =(11)r g式中: v 水 支管流速 (m s) ,水 水的动力黏度 (k g sm 2 ) ,R e水 水的雷诺数。 一般水在管内的流态为紊流状态且当:3000 R e水 59. 7 时, 为水力光滑区87b. 主管雷诺数 R eD 的计算59. 7vD D 内vD r D 内 r 水公式: R e1 =(12)87公式: R eD =( )=7水水 r g2e公式: =(13)式中: vD 主管道内水的流速 (m s) ,D 内 主管内径 (m ) ,水 水的比重 (k gm 3 ) ,d 内式中: 相对粗糙度 (m ) ,e 绝对粗糙度, 一般可用绝对粗糙度的平均直径比D 0D 内极限雷诺数R e极限喷嘴直径比D 0D 内极限雷诺数R e极限喷嘴0. 200. 300. 400. 500. 550. 606900072000820001000001110001470000. 650. 700. 750. 800. 85-178000189000197000200000-值 k 代替 (m )。0. 3164(14)公式:1 =4R e水式中: 1 水力光滑区的沿程磨阻系数。b. 输送泡沫液支管 l2 段管道沿程磨阻和局部磨 阻 h 2 的计算(1) 原始数据支管直径 d 2 (mm ) ,支管内径 d 内 (m ) ,支管长度 l2 (m )。(2) 计算v 2 l2 支公式:h 2 =2 d 内 + 2 2()152g式中: 2 l2 管段磨阻系数,2 2 局部磨阻系数之和。v 支 r d 内 r 液公式: R e液 =()16液 r g图 9 节流孔板的局部阻力系数液 泡沫液的比重 (k gm 3 ) ,液 泡沫液的动力黏度 (k g sm 2 )。4 算例411主管计算a. 已知条件D = 1594. 5 mmD 内 = 150 mm = 0. 015 mD = 70 mm = 0. 07 mQ = 48 L s= 0. 048 m 3 sQ 0 = 480. 94= 45. 12 L s= 0. 04512 m 3 sq= 480. 06= 2. 88 L s= 0. 00288 m 3 s b. 计算喷嘴压力差 H0. 3164公式:2 =(17)4R e液l2 支管局部磨阻系数之和 2 2 必须进行校正, 2 公式:2 2 =(18)2 0式中: 2 0 原始局部磨阻系数之和。c. h 附加 的磨阻计算公式:h 附加 =H(19)式中: h 附加 主管与支管交接口的磨阻损失 (m ) , 经验系数, = 0135。d. 输水管段 l1 上装设的节流孔板的局部磨阻h 3 的计算当m = D 22220 D 内 = 70 150 = 01218 , 符合 0105m 20 mm , 就可直接采用标准0145, 所以可采用标准化乙型喷化喷嘴, 同时当 m R e极限 , 所以 0 不必校正, 则流量系数 =0 =1. 002。公式:d 0 = m 0 r d 内(m )Q 20H =2 r F 20 r 2g调节节流孔板的孔径, 可以调节混合比。259. 7 = 33166 为水力光滑区0. 045123000 R e液 = 6. 9 m1. 0022 r 0. 003842 r 19. 62870. 3164= 0. 3164 = 0. 04F 0 = 0. 785D 2 =412支管计算0 0. 785 0. 072 = 0. 00384 m 2=20. 250. 254. 081Re液原始局部磨阻系数需校正a. 输水支管 l1 段管道沿程磨阻与局部磨阻 h 1 计 0. 422 2 =4. 4 r 0. 022 =4. 4 r 0. 022 = 8算(1) 已知条件d 支 = 57315 mmd 内 = 50 mm = 0. 05 ml1 = 2. 9 mq= 2. 88 L s= 0. 00288 m 3 s(2) 计算v 2l2支h 2 = (2+ 2 2 )d 内2g2= (0. 04 r 4. 5 + 8)1. 46 =1. 26 m0. 05c. h 附加 水力磨阻计算19. 62h 附加 = r H = 0. 35 6. 9 = 2. 41 md. 节流孔板磨阻计算v 支 r d 内 r 水R e水 =h 3 =H -(h 1 +h 2 + h 附加 )1. 26 + 2. 41) = 1. 87 m水 r g= 6. 9 -(1. 36 +1. 46 0. 05 1000 =744130. 0001 9. 81e. 节流孔板的孔径 d 0 的计算59. 7 =665 -765 lg2v 支33166 =R e1 R e水 R e2 = h 3 =0872g= 283937h 3 r 2g1. 87 19. 62 0 = 17. 2122 2e = 0. 0002 =v 支1. 46中: =0. 008 md 内0. 05根据 0 查表 (图 9) , 得 m 0 = 01531d 0 = m 0 d 内 = 0. 53150= 26. 6 mm则 R e1 R e水 R e2 为过渡区1. 116. 8 +1= - 1. 8lg7. 4R e水1 = 0. 02985压力比例混合器的优点和注意事项原始局部阻力系数见表 2表 2 原始局部阻力系数5. 1压力比例混合器的优点(1) 磨阻损失小, 在设计时一般定为 5 7 m , 因此在泡沫泵的压力计算时, 只需计算泡沫产生器的工作压力、安装高度、管路磨阻及压力比例混合器的压力损 失 即 可, 不 必 非 像 环 泵 式 比 例 混 合 器 那 样 达 到9 k g cm 2 以上, 因此可减小泡沫泵的功率, 节省能耗。( 2) 是一种正压式混合器, 在设计时, 根据地形可 设置在罐区附近, 利用清水管网供水, 既可节省专用泡 沫管道, 节省投资, 又可使泡沫供给时间缩短, 及时灭 火。(3) 提高了灭火系统的可靠性, 对泡沫产生量不同 的泡沫产生器供给混合液时, 不必调拨指针, 混合比能自动调节。特别对离消防泵房距离不等的油罐, 对距离 远的油罐, 当泵压增加后, 泡沫量也随之增加, 此时其 混合比保持不变, 可保证泡沫质量。这种无级自动调节 混合比的性能在实用中已得到证实。2 0 不必校正, 则 2 1 = 2 0 = 414v 2 l1 支h 1 =1 d 内 + 2 12g22. 91. 46= (0. 0298 r4. 4)+=1. 36 m0. 0519. 624 0. 00288v 支 =1. 46 m s3. 1416 0. 052b. 输液支管 l2 段沿程磨阻与局部磨阻 h 2 的计算(1) 已知条件l2 = 415 m(2) 计算5. 2压力比例混合器的注意事项(1) 压力比例混合器的支管在主管上的连接点, 其(下转第 15 页)1. 46 0. 05 1100雷诺数 R e液 =0. 002 9. 8180= 40810. 0196管件名称数量090弯头21122球阀10. 5进口10. 5出口11. 02 04. 4另外, IG 541 系统压力 高 ( 20压 力 15M P a )、气相高程阻力小, 输送距离远 ( 可达 100 m )、垂直输送能 力强 (可达 30 m ) , 对防护区分散、管网复杂、输送距离远、垂直落差大的工程尤其适用。但是 IG 541 的灭火机理为物理灭火方式, 灭火效 率低, 需要更多的药剂用量和贮存钢瓶、更粗的喷放管道、占用较大的储瓶间, 工程投资较大。 由于其灭火剂 密度和空气接近, 不能用于局部应用, 也不能扑救固体物质深位火灾和高温封闭空间 ( 400)。 另外, IG 541对人员有一定伤害, 在人员密集场所慎重使用。216 三氟甲烷灭火系统三氟甲烷灭火系统的灭火效果和环保性能介于七 氟丙烷和 IG 541 系统之间, 由于其灭火剂合成比较容易, 灭火剂价格低于七氟丙烷, 其灭火浓度和灭火剂储瓶数量远低于 IG 541, 所以, 工程造价低于七氟丙烷和IG541。三氟甲烷最大特点是对人员的安全系数高, 最适 宜保护人员经常活动或人员密集的场所。另外, 三氟甲 烷灭火效率较高, 灭火剂输送能力强于七氟丙烷, 可以 在有些场所替代哈龙或七氟丙烷, 但也有一定毒性且目前尚无设计规范。217 气溶胶灭火系统气溶胶具有灭火效率高、灭火速度快、对大气臭氧 层无损耗、可常压贮存、工程造价低等优点, 近几年发 展迅速。 由于其设备结构简单、不占或占地面积小、安装方便, 特别适用于小防护区、电缆沟、地下通道、地板 或吊顶夹层等场所。气溶胶灭火剂不完全燃烧产生的气体污染环境,固体微粒的产生对灭火现场有污染和腐蚀作用, 灭 A类火有一定困难。公消 (2001) 207 号附件 2 规定: 气溶 胶灭火系统不能用于保护经常有人场所, 不能保护易燃、易爆场所, 在技术没有过关且未通过国家质检中心型式检验之前, 不能用于管网输送系统、不能保护精密 仪器和设备、不能使用多机联用系统保护较大空间场 所。参考文献:ISO 14520. 气体灭火系统物理性能和系统设计, 第 9 部分、第 10 部分、第 15 部分.12N F PA 22001.(1999).洁 净 气 体 灭 火 剂 及 灭 火 系 统 设 计 规 范联合国环境署. 哈龙替代技术方案选择委员会研究报告(1994).谢德隆等. 谈现阶段卤代烃灭火剂及灭火系统的替代选 择, 给水排水增刊 (1999).宋旭东. 洁净气体灭火系统. 公安部天津消防研究所.杜兰萍等. 哈龙灭火剂替代品及哈龙灭火系统替代技术 的分析与展望, 2002 年中国消防行业资讯大全 ( 技术交流).陈映雄. 气体灭火系统使用现状浅析. 消防技术与产品信 息, 2003 (3).朱渝生. 对几种哈龙灭火剂替代品性能的初探