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二氧化碳均相流延迟时间的计算方法
日期：2024-11-10 18:16
浏览次数：3007
摘要：
王 煜 彤
（天津市兆龙软件开发有限公司 天津市 300384）
*近，许多人在设计低压二氧化碳灭火系统时碰到了“低压二氧化碳均相流延迟时间”的计算问题。一些单位根据美国NFPA 12《二氧化碳灭火系统设计标准》为国外工程或外资工程设计低压二氧化碳灭火系统时也遇到了类似问题。根据我国规范计算时，这一时间往往相当长，而且规范规定的允许时间也很长，经常不能满足实际灭火的要求。这一问题给设计人员带来很大困难。美国NFPA 12标准中虽给出了液态二氧化碳吸收管道热量产生的蒸发量，但并未明确给出“二氧化碳均相流延迟时间”的计算公式。于是很多人提出：如何解决这一问题。本文就此提出了一些粗浅的见解供讨论。
我国GB50193-93 《二氧化碳灭火系统设计规范》中第4.0.7A条规定：低压二氧化碳均相流的延迟时间，对全淹没系统和局部应用系统分别不大于60s和30s。其延迟时间可按下式计算：
td=[ MgCp(T1- T2)/0.507Q ]+[16850Vd /Q ] (1)
式中 td------ 低压二氧化碳均相流的延迟时间（s）;
Mg ------- 管道质量 (kg);
Cp ----- 管道金属材料的平均比热；钢管可取0.46 kJ/kg ℃;
T1 ----- 二氧化碳喷射前管道的平均温度（℃）；可取环境平均温度；
T2 ----- 低压二氧化碳的平均温度（℃）；取– 20.6 ℃;
Vd ----- 管道容积（m3）”。
Q ------ 二氧化碳在管道内的质量流量 (kg/min)。
规范编制说明中对此条的解释是：“本条是等效采用ISO 6183”。对公式的来由未做进一步说明。
从规范的(4.0.7A)式中可以看出：它包含了两部分时间，
即 td=t1+t2
t1是二氧化碳流入管网后因吸收管壁热量产生的蒸气全部排出管网所需要的时间。
t2是液态二氧化碳充满管网的时间。
其中，t1等于液态低压二氧化碳流入管道后从管壁吸收热量所产生的二氧化碳蒸气质量（kg）除以二氧化碳在管道内的质量流量(kg/s)，单位是秒。
液态低压二氧化碳在管道内的蒸发量取决于管道降温产生的总热量与液态低压二氧化碳蒸发潜热之比。我国规范和NFPA 12标准中都给出了因液态二氧化碳吸收管壁热量产生的蒸气质量计算公式：
W= Mg Cp (T1 --T2)/H (kg) ---------------------------（2）
（1）式中**部分t1是二氧化碳流入管网后因吸收管壁热量所产生的蒸气全部排出管网所需要的时间。这一时间等于液态低压二氧化碳流入管道后从管壁吸收热量所产生的二氧化碳蒸气质量（kg）除以二氧化碳在管道内的质量流量(kg/s)，单位是（sec）。
液态低压二氧化碳在管道内的蒸发量取决于管道降温产生的总热量与液态低压二氧化碳蒸发潜热之比。我国规范和NFPA 12标准中都给出了因液态二氧化碳吸收管壁热量产生的蒸气质量计算公式，如（3）式：
W= Mg Cp (T1- T2)/H (kg) ---------------------------（3）
其中 H是液态CO2的蒸发潜热(kJ/kg)。我国规范中给出了低压二氧化碳的蒸发潜热值：H = 276.3 kJ/kg (NFPA 12标准中给出的低压二氧化碳的蒸发潜热值是：H = 279 kJ/kg)。
CO2蒸气全部排出管网所需要的时间应当是吸收管壁热量所产生的二氧化碳蒸气的质量与低压二氧化碳在管道内的质量流量之比
t1= W/Q (min) 或 t1= 60W/Q (sec)
将（1）式代入
t1= 60 Mg Cp(T1-T2)/ (276.3Q) (sec)
或 t1=MgCp(T1-T2)/(4.605Q) (sec)
但是，我国规范 (4.0.7A)式中给出的关系是：
t1=Mg Cp(T1- T2)/0.507Q (sec)
下面来进一步探讨造成这一巨大差别的原因。
从形式上看，我国规范 (4.0.7A)计算公式中的分子与（3）式完全相同，是管道降温释放的总热量（kJ）；分母（0.507Q）中的系数0.507的来源，可能是将Q这一质量流量除以常温和一个大气压条件下二氧化碳的密度（1.972 kg/m3）后所得到的体积流量(m3/min)；但未考虑低压液态CO2的蒸发潜热H (276.3kJ/kg)和质量流量应当是秒流量这两个因素。所以，式中分子的单位是kJ而分母的单位是m3/ min；但计算结果t1的单位却是sec。这显然是一个错误。
(4.0.7A)式中**部分t2是假定管道内二氧化碳两相流在平均压力为1.3Mpa、密度为280.8 kg/ m3条件下的体积流量（m3/s）得到的
t2 = 60 Vd /（Q/280.8）= 16850Vd /Q (s)
事实上，二氧化碳蒸气全部排出管网后，管网中不可能出现一段时间的真空，二氧化碳的气-液两相流（即规范中所说的均相流）就应该随着蒸气的排空充满了管网，所以这段液态二氧化碳充满管网的时间是否还应重复计入低压二氧化碳“均相流的延迟时间”值得探讨。我们认为不应再考虑。NFPA 12中也未提及此项要求。
因此，低压二氧化碳均相流的延迟时间是否应按下式计算：
td = 60 MgCp (T1 -T2)/276.3Q (sec)
或 td= Mg Cp (T1 -T2)/4.506Q (sec)
若环境温度为T1=20℃，且Cp= 0.46 kJ/kgK，T2=-20.6℃（喷放初期二氧化碳蒸气在管道内的平均温度），将其代入上式，即可得到上述条件下的简化公式：
td=4.14Mg/Q (sec)
式中Mg是钢管的质量（kg）；Q是低压CO2的质量流量(kg/min)。
计算*不利点喷头处低压二氧化碳均相流的延迟时间，应从储罐出口开始，逐个管段进行，直到*不利点处的喷头，并将沿程各管段的计算时间累加即可。
另外，从（1）式可见：减短延迟喷射时间的**办法就是合理布置管网,尽量缩短管长和通过严格计算尽量减小管径，从而使管道质量下降。其他因素都是不可调整的。
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