干粉灭火系统计算研究

干粉灭火系统计算研究干粉灭火系统计算研究 为了给干粉灭火系统设计及其设计规范的编写 提供依据 本文研究了干粉灭火系统 干粉输送管理的有关参数计算 结 果如下 1 管道直径的确定管道直径的确定 干粉灭火系统管道内径由其中通过的气 固两相流体的体积 和适宜的流动速度决定 前者可依据管道中需要输送的干粉量 驱动气体的种类 驱动气体系数 环境温度和管道中的压力计 算出来 而后者则需要通过试验确定 为使干粉灭火系统管道内干粉与驱动气体不分离 干粉 驱 动气体二相流必须维持一定流速 这就要求管道内的干粉输送 速率不得小于最小允许值 qmin 基于这一原则 为了建立管道 内径与干粉输送速率的具体关系式 引用英国标准推荐试验数 据 1 英国标准指出 为了保证干粉在管道中不发生沉积 要 求内径为 27mm 管道中 干粉的最小输送速率 qmin 为 1 5 s 由此得管道内径 d 内与管道内干粉的输送速率 q 之间的关系式 d 内 kd q 1 2 22 q 1 2 1 式中 kd 管径系数 为了对比 将美国和日本的数据列于表 1 2 4 表 1 中的数据表明 无论是美国的数据 还是日本的数据 都与英国的数据非常接近 这就进一步肯定了式 1 的可靠性 在这里应该指出的是 利用式 1 计算得到的是最大管径 值 根据需要 实际管径值应取比计算值较小的恰当数值 根 据管道内经济流速的要求 最终确定的管径值不宜小于计算值 的二分之一 2 系统工作压力的确定系统工作压力的确定 干粉灭火系统管道工作压力是保证干粉灭火系统能正常工 作的必要条件 通常包括管道中损失的压力 喷头的工作压力 因位置高度不同而引起的表 1 美国和日本的 qmin 与 d 内的关 系平均管径系数 kd 值压力差等 一般情况下 后两项比较容易 确定 无需更多讨论 在这里我们主要分析一下管道中的压力 损失 干粉灭火系统管道中流动的是气 固两相流体 就输送对象 而言 与粉状物料的气体输送相同 所以管道中的压力损失情 况也必然与之相似 粉体高浓度气体输送的试验研究结果 5 表明 管道中的压 力损失计算式为 p pq pz 2 式中 p 管道中的压力损失 pa pq 气体流动引起的压力损失 pa 即 pq q l q q2 2d 3 pz 气体携带的粉状物料引起的压力损失 pa 即 pz q l q q2 2 d 4 所以有 p q z l q q2 2d 5 或 p l q z q q2 2d 6 式中 p l 管道每单位长度上的压力损失 pa m q 驱动气体的沿程阻力损失系数 z 干粉的附加沿程阻力损失系数 驱动气体系数 q 驱动气体的密度 kg m3 q 驱动气体在管道中的流动速度 m s d 管道内径 m l 管道长度 m 由于驱动气体在管道中的流动速度很大 所以沿程阻力损 失系数 q 按水力粗糙管的情况计算 即 q 1 14 2lg 0 39 d 2 7 式中 0 39 是镀锌钢管的绝对糙度 6 mm 对不同的管道直径 用式 7 计算出的结果如表 2 所示 对于水平放置的管道 周建刚等人进行的系统试验研究结 果 3 表明 当 0 0286 0 143 时 z 0 07 g d 0 7 q1 4 8 当 q 20m s 时 对不同直径的管道 用式 8 计算出的 结果如表 3 所示 当 0 15 时 依据表 2 和表 3 中的数据 计算出不同的 管道直径条件下 z 在 q z 中所占比例如表 4 所示 表 4 中的结果表明 z 在 q z 中占比例不超过 10 所以在工程实际计算时 一般可忽略 z 项 亦即 p l q q q2 2d 9 依据理想气体状态方程 得驱动气体密度 q 的表达式为 q p m r t 10 式中的 p 取计算管段末端的压力 pe 则有 pq pe m r t 11 驱动气体在管道中的流速 q 可由其流量 q q q q 和管道内径 d 表示 即有 q 4 q q d2 12 将式 11 和式 12 代入式 9 得 p l 8r t 2 q q2 2 m pe d5 13 当 p l 以 mpa m 作单位 pe 以 mpa 作单位 d 以 mm 作 单位时 式 13 变为 p l 8000r t 2 q q2 2 m pe d5 14 式中 p l 管道每单位长度上的压力损失 mpa m r 摩尔气体常数 8 31441j mol k t 环境的绝对温度 k q 管道中的干粉输送速率 kg s 圆周率 m 驱动气体的摩尔质量 kg mol pe 管段末端压力 mpa d 管道直径 mm 3 泄压口面积的确定泄压口面积的确定 当干粉灭火系统工作时 将突然向防护区内喷放大量的气 固两相流体 从而导致防护区内的压力急剧上升 为了避免防 护区的围护结构因压力过大而遭到破坏 必须设置泄压口 以 便使过量的气固两相流体及时地从防护区排放出去 因此 泄 压口面积的确定 应以防护区围护结构所能承受的压力为依据 由于防护区围护结构外部的压力是大气压 而内部压力的 极限值是防护区围护结构的允许压力 px 以过泄压口水平中心 线的水平面为水平基准面 列泄压口内侧过水断面到泄压口外 侧过水断面的无粘性流体伯努利方程得 p1 1 g 2 12g 解之得 2p1 1 1 2 16 式中的 p1 取为防护区围护结构的允许压力 px 密度 1 应 该是干粉 驱动气体和防护区内原有空气组成的混合物的密度 考虑到防护区内原有的空气体积与喷射出的驱动气体体积相比 可以忽略 此外 当驱动气体减压到大气压时 其体积远远大 于干粉体积 所以通过泄压日离开防护区的流体流 主要是驱 动气体 因此 为使问题简化 1 取驱动气体离开防护区时的 密度 即 1 m pa r t 17 式中 m 驱动气体的摩尔质量 kg mol pa 大气压 取 pa 1 01 103pa 即 1 1 01 105m r t 18 代入式 16 得 2r t px 1 01 105m 1 2 19 这里的 就是驱动气体离开防护区时的流动速度近似值 如将其视为驱动气携带着干粉从防护区排出的速度 则由流体 流动的连续性得关系式 ax t m s m 1 20 上式等号右边的两项分别是喷射的干粉体积和驱动气体体 积 其中 s 是干粉的真实密度 由于干粉自然堆积时的孔隙率 孔隙体积与干粉自然堆积体积之比 一般为 60 所以有 s 2 5 f 21 将式 18 和 21 代入式 20 整理后得 ax m t 1 2 5 f r t 1 01 105m q0 1 2 5 f r t 1 01 105m 2r t px 1 01 105m 1 2 q0 t m px 1 21 1 01 105 1 2m 2r 1 2t 2 5 f r 2 1 01 105 1 2 q0 t m px 1 2 31 17m t f 6 42 10 3 即泄压口面积的计算