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干粉滅火系統計算研究

作者:韓德洲 宋旭東  
評論: 更新日期:2011年06月26日

?  對于水平放置的管道,周建剛等人進行的系統試驗研究結果[3]表明,當μ=0.0286-0.143時:
    λz=0.07(g·d)0.7/υq1.4   ?。?)
  當υq=20m/s時,對不同直徑的管道,用式(8)計算出的結果如表3所示。


?  當μ=0.15時,依據表2和表3中的數據,計算出不同的管道直徑條件下,λz/μ在λq+λz/μ中所占比例如表4所示。

  表4中的結果表明:λz/μ在λq+λz/μ中占比例不超過10%,所以在工程實際計算時,一般可忽略λz/μ項,亦即:
    △p/l=λq·ρq·υq2/(2d)    (9)
  依據理想氣體狀態(tài)方程,得驅動氣體密度ρq的表達式為:
    ρq=p·M/(R·T)   ?。?0)
  式中的p取計算管段末端的壓力pe,則有:
    pq=pe·M/(R·T)   ?。?1)
  驅動氣體在管道中的流速υq可由其流量Q‘(Q‘=μ·Q/ρq)和管道內徑d表示,即有:
    υq=4μ·Q/(π·ρq·d2)    (12)
  將式(11)和式(12)代入式(9)得:
    △p/l=8R·T·μ2·λq·Q2/(π2·M·pe·d5)   ?。?3)
  當△p/l以MPa/m作單位,pe以MPa作單位,d以mm作單位時,式(13)
變?yōu)椋?br />     △p/l=8000R·T·2·λq·Q2/(π2·M·pe·d5)    (14)
式中:△p/l-管道每單位長度上的壓力損失,MPa/m;
   R-摩爾氣體常數,8.31441J/(mol·K);
   T-環(huán)境的絕對溫度,K;
   Q-管道中的干粉輸送速率,kg/s;
   π-圓周率;
   M-驅動氣體的摩爾質量,kg/mol;
   pe-管段末端壓力,MPa;
   d-管道直徑,mm。

3 泄壓口面積的確定
  當干粉滅火系統工作時,將突然向防護區(qū)內噴放大量的氣-固兩相流體,從而導致防護區(qū)內的壓力急劇上升,為了避免防護區(qū)的圍護結構因壓力過大而遭到破壞,必須設置泄壓口,以便使過量的氣固兩相流體及時地從防護區(qū)排放出去。因此,泄壓口面積的確定,應以防護區(qū)圍護結構所能承受的壓力為依據。
  由于防護區(qū)圍護結構外部的壓力是大氣壓,而內部壓力的極限值是防護區(qū)圍護結構的允許壓力px,以過泄壓口水平中心線的水平面為水平基準面,列泄壓口內側過水斷面到泄壓口外側過水斷面的無粘性流體伯努利方程得:
    p1/(ρ1·g)=υ2/(12g)
解之得:υ=(2p1/ρ1)1/2     (16)
  式中的p1取為防護區(qū)圍護結構的允許壓力px;密度ρ1應該是干粉、驅動氣體和防護區(qū)內原有空氣組成的混合物的密度。考慮到防護區(qū)內原有的空氣體積與噴射出的驅動氣體體積相比,可以忽略;此外,當驅動氣體減壓到大氣壓時,其體積遠遠大于干粉體積,所以通過泄壓日離開防護區(qū)的流體流,主要是驅動氣體。因此,為使問題簡化,ρ1取驅動氣體離開防護區(qū)時的密度,即:
    ρ1=M·pa/(R·T)    (17)
式中:M-驅動氣體的摩爾質量,kg/mol;
   pa-大氣壓,取pa=1.01×103pa;
  即:ρ1=1.01×105M/(R·T)   ?。?8)
  代入式(16)得:
    υ=(2R·T·px/(1.01×105M))1/2    (19)
  這里的υ就是驅動氣體離開防護區(qū)時的流動速度近似值,如將其視為驅動氣攜帶著干粉從防護區(qū)排出的速度,則由流體流動的連續(xù)性得關系式:
    Ax·υ·t=m/ρs+μ·m/ρ1(20)
  上式等號右邊的兩項分別是噴射的干粉體積和驅動氣體體積,其中ρs是干粉的真實密度。由于干粉自然堆積時的孔隙率(孔隙體積與干粉自然堆積體積之比)一般為60%,所以有:
    ρs=2.5ρf(21)
將式(18)和(21)代入式(20),整理后得:
    Ax=(m/t)[1/(2.5ρf)+μ·R·T/(1.01×105M)]/υ
     =Q0[1/2.5ρf)+μ·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×2.5ρf]+μ[R/(2×1.01×105)]1/2}
     =Q0[T/(M·px)]1/2[31.17M/(T·ρf)+6.42×10-3μ]
即泄壓口面積的計算式為:
    Ax=Q0[T/(M·px)]1/2[31.17M/(T·ρf)+6.42×10-3μ]   ?。?2)
式中:Ax-泄壓口面積,m2;
   Q0-干管的干粉輸送速率,kg/s;
   T-環(huán)境的絕對溫度,K;
   M-驅動氣體的摩爾質量,kg/mol;
   px-防護區(qū)圍護結構的允許壓力,pa;
   ρf-干粉滅火劑的松密度,kg/m3;
   μ-驅動氣體系數。

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