低压二氧化碳灭火系统的结冰和爆震问题

低压二氧化碳灭火系统的结冰和爆震问题

王致新,王煜彤

（天津市兆龙软件开发有限公司，天津 300384）

摘要：研究了低压二氧化碳灭火系统喷放时产生干冰堵塞和因爆震造成管网破裂的原因，并定量地给出了产生这些现象的极限条件。

关键词：低压二氧化碳灭火系统初始压力干冰爆震

与高压二氧化碳灭火系统相比较，低压二氧化碳灭火系统具有储存压力低、管道配件简单、便于安装、占地面积小、不易漏气和可多次喷放等优点。但是，低压二氧化碳灭火系统如果设计不当，在喷放时管道、阀门等处容易形成二氧化碳凝结产生干冰造成管道阻塞，甚至因流速超过当地音速而发生“爆震”使管道爆裂。近年来因设计不当这种情况屡有发生，并造成了严重损失。这一问题已给我国更广泛地使用低压二氧化碳灭火系统造成严重障碍。迄今尚未发现国内外对此问题进行定量分析的文献资料。

本文就此进行了理论分析并给出了定量求解公式。

1、二氧化碳灭火系统初始计算压力的确定

（℃）

图1 二氧化碳的相图

在低压二氧化碳灭火系统中，灭火剂存储在储罐中。储存压力为2.1 MPa左右，存储温度为-19±1℃，储存状态为液态。从图1给出的二氧化碳三相图可知：在此温度存储条件下二氧化碳的相变压力约为2.07MPa（英制压力300PSI。美国标准是按英制压力单位的整数值确定的初始计算压力。我国规范中定的起始计算压力则是直接从英制压力单位换算成公制

单位得到的，没有化成整数）。低于这个压力时，二氧化碳开始蒸发气化，在管道中形成气液两相流。二氧化碳蒸汽作为动力推动了两相流的运动，所以我国规范中将2.07 MPa定为低压二氧化碳灭火系统的起始计算压力。

但高压二氧化碳灭火系统中，灭火剂储存压力为15或20 MPa。常温下二氧化碳气-液相变压力约为5.17MPa（英制压力750PSI）。开始喷放时二氧化碳基本上仍是液体，灭火剂本身没有足够的蒸气压作为初始推动力，因此只能靠充装时储瓶中保留的15或20MPa高压空气的膨胀作为初始动力。开始喷放后压力迅速下降，一旦压力降到5.17 MPa 之下，二氧化碳即开始蒸发产生后续动力，并能在此压力下维持一段时间。因此，规范中规定的高压二氧化碳灭火系统起始计算压力为5.17 MPa。

2、低压二氧化碳在管道中流动的基本规律

2.1 管道中流速的确定

低压二氧化碳开始喷放时，由于灭火剂储存容器的容积很大，开始喷放后，虽然压力下降不如高压二氧化碳灭火系统那样剧烈，但是，由于低温下液态二氧化碳的蒸汽气压与储存压力接近，所以随着压力下降液态二氧化碳也将大量汽化，并且在管道中比高压二氧化碳更快地形成均匀两相流，而且气相所占比例更大，更接近于单相气体流动。

另一方面，随着二氧化碳压力下降，其体积迅速膨胀，因而在管道中的流速迅速增加。由于流速快，管道长度有限，所以低温灭火剂通过管壁从外界吸收的热量可忽略不计。因之，从热力学的角度讲，二氧化碳在开口管道内的流动可认为是绝热的开口系统稳定流动过程。

开口系统中单位质量工质稳定流动过程的能量守恒方程为：

q={(u2-u1)+(p2v2-p1v 1)+(V2²-V1²)/2+g(Z2-Z1)+w} ---------------（1）其中q --热量

u -- 比内能，是气体分子和原子的动能和和原子间引力形成的位能

P --压力

v--比容，(p2v2-p1v 1)是促使气体流动的推动功

V --流速

Z --标高

w --容积所作的功。

脚标1表示上游节点，脚标2表示下游节点。

必须注意：（1）式与流体力学中未考虑热能的影响时稳定流动过程中的机械能能量守恒定律，即Bernoulli方程的表达式

Z g + (P v) + (αV2/2) = 常数

有所不同。（1）式是包含热能在内的广义能量守恒定律,即热力学第一定律。

α—动能修正系数，用以修正断面流速不均匀的影响。工程上常取α=1。

（1）式说明：稳定流动过程中系统接受的热除了一部分用于对外做功外，另一部分用于使流过系统的工质（此处就是二氧化碳）增加内能、宏观动能和重力位能。

对于绝热过程，q=0。

如果忽略摩擦损失所造成的功耗，则w=0。

由于热力学中焓的定义h=u+p v

焓代表了气体的内能和促使气体流动的推动功。

所以h2- h1 =(u2-u1)+(p2v 2-p1v 1)

于是（1）式变为：h1 - h2= (V2²-V1²)/2+g(Z2-Z1)

V2²=V1²+2[（h1 - h2）-g(Z2-Z1) ]----------------------(2)对于理想气体，如果比热为定值，则（h1 - h2）=C p（T1 -T2）

所以（2）式可写为V 2²=V 1²+2[C p（T1 -T2）-g(Z2-Z1)]

对于等熵绝热系统p v k = 常数---------------------------------------------(3)

其中k--定压比热和定容比热之比， k=C p/C V ，比热随温度不同而异。温度为-18 ℃时，二氧化碳的比热比k=1.3074

C p-C V =R ，v是二氧化碳的比容，R是二氧化碳的气体常数R=0.1889 kJ / (kg K)

则V2²= V1²+2{[k/(k-1)]R(T1 -T2) -g(Z2-Z1)}

V2²= V1²+2{[k/(k-1)]RT1(1-T2/ T1) -g(Z2-Z1)}

根据理想气体方程P2v2/P1v 1 =T2/T1

从（3）P1/P2=(v2/ v1) k 代入上式可得到：

T2/T1 =(v 1 /v 2) k-1=(P2/P1) (k-1)/ k -----------------(4) 所以

V2={V1²+2{[k/(k-1)] RT1[1-(P2/P1) (k-1)/ k -g(Z2-Z1)]}0.5 ----(5)

可认为储罐引升管进口的流速V1=0。因此，根据上、下游节点压力比P2/P1、上游节点温度T1、上游节点处的流速V1即可从（5）式计算得到每个节点处的流速。

2-2下游节点温度的确定

从（4）式即可得到下游节点处的当地温度

T2 = T1 (P2/P1) (k-1)/ k （K） ----------------------（6）亦即下游节点处的温度取决于上游节点处的温度和上、下游节点的高度差及压差之比。

3、二氧化碳的三相图

从图1可以看出：二氧化碳是具有三相点的气体。当二氧化碳温度高于-56.6℃时，随着压力增加灭火剂将从气态转变为液态。在压力高于0.517MPa，且温度低于-56.6℃时，液态二氧化碳将固化成为干冰。压力低于0.517MPa，且温度高于一定值时，干冰将直接升华成为气态二氧化碳。所以0.517MPa和-56.6℃处称为三相点。

由（6）式此可见：在压力高于三相点压力且上游节点处二氧化碳的温度和上、下游节点处二氧化碳的压力比P2/P1已知时，计算得到的下游节点处二氧化碳的温度只要低于三相