IG-541混合气体灭火系统设计理论和基本计算方法

IG-541混合气体灭火系统设计理论和基本计算方法

一．概述

IG-541混合气体灭火系统作为一种新型洁净气体灭火系统，由于它兼备有效灭火、绿色环保以及对人体无伤害等特性，目前已在国内外消防领域得到广泛应用。然而，人们在大量应用它的同时，对系统性质、性能、原理等方面的量化研究却是十分不足的。国内至今尚无完整的系统设计规范，尤其缺乏完整的系统设计计算理论和方法，甚至于连基本的单元计算方法也不齐全，现有的一些计算公式基本上照搬了国外的书本，并且缺乏完整性和系统性。这种理论研究远远落后于实际应用的反常现象是消防工程界特有的，也是消防系统建设与使用远远相脱节这一客观情况所造成的。国外公司虽有系统设计软件可以代客计算，但并不提供计算方法，我们只能是知其然而不知其所以然。为了解决我国已有IG-541灭火系统的设备和大量实际应用，却还没有设计计算方法的突出矛盾，确保IG-541灭火系统设计的科学先进性、安全可靠性和经济合理性，达到优化设计的目的，我们在努力学习和吸收国外先进技术的同时，还必须建立自己的理论研究体系和设计计算方法。本文探讨了IG-541气体灭火系统设计计算的理论依据，在此基础上推导了和建立了IG-541灭火系统的基本计算方法，为科学地建立具有自主知识产权的IG-541灭火系统计算机设计软件奠定了基础。

二．系统特征

IG-541灭火系统和其他固定气体灭火系统比较既有共性又具有鲜明的个性。IG-541在储存条件下呈气态，比其他灭火系统需要更大的储存容积;在高压下储存和运行，管道的承压能力要求亦较高，设备投资费用大，精确计算和优化设计可以带来明显的经济效益。

IG-541灭火的有效浓度为>37.5% 而对人体安全的浓度为<42.8%，同时满足以上条件必须严格控制储存量，并且对于防护区

域有相应要求。IG-541灭火系统的使用条件要求，系统开启后，90%药剂喷放时间应>23秒及<40秒，并且又要求60秒钟内达到灭火浓度。这也是一个相当严格的的设计约束条件。IG-541灭火系统和其他灭火系统相比,灭火剂设计浓度以及喷射速率的容差范围小得多，且与平常容易发生的误解不同,宽裕的设计不仅浪费投资，设计结果也未必安全。因此，系统设计应采用精确的、全过程动态模拟的分时计算方法。

IG-541设计计算的有利条件是：物系临界温度低，整个过程在单一气相下发生，可以通过严格的方法，借助电子计算机进行精确的计算。

IG-541灭火系统设计的主要目标是要保证在装置启动后的指定时间内，防护区中的灭火剂达到设计浓度，其中计算IG-541气体在系统各单元中的流动推动力和阻力是关键，二者又取决于系统的物性和单元的设备特征，兹在下文逐一讨论。

三．纯组份性质

物质的物理化学性质甚多,这里只讨论和IG-541系统设计有关的P-V-T性质、热力学性质和迁移性质。

1．基础物性

氮气、氩气和二氧化碳皆为常见气体，其有关性质可以从手册中查到。

兹参照《Chemical Properties Handbook》（1999）一书，将相关数据罗列如下。其他资料上除分子量以外的数据并不完全相同，但对本过程的设计计算结果影响甚微。

表一. 基础物性和热力学性质

2．热性质

流体在理想气体状态下的热性质是计算热力学性质的基础。通常表达为热容或焓的多项式。如:

h i0 = C0, i + C1, i T + C2, i T 2 + C3, i T3 +…（式1）

这些多项式系数通常是用于相当宽的温度范围，而IG541的工作温度范围较窄，约在200至320K之间，可以专门回归较为简短和精确的多项式。兹将API Project44《Selected Volume of Properties of Chemical Compounds》所列CO2、N2的恒压热容C P0文献值列于表二。Ar的C P0受温度影响极小，用《The Properties of Gases and Liquids》3rd Ed一书附录中的多项式求得。

表二. 理想气体状态下的恒压热容[Cal/mol/K]

3．低压下的气相粘度

在低压下气体的粘度和压力关系不大，可以视为仅仅是温度的函数。

经与《Handbook of Chemistry and Physics》, 80th Ed （1999-2000），《Chemical Properties Handbook》（1999）的资料上的数据比较，发现

用多项式拟合低压气体的粘度的精确度不高。而用Lennard-Jones 12-6分子势能位计算，25 C下的误差降至0.1%左右。下表中Ar的数据取自美国石油学会API手册,其余数据取自《The Properties of Gases and Liquids》,后者Ar的参数计算结果误差较大。

表三.迁移性质---气相粘度

Lennard-Jones 12-6分子势能位计算低压气体的粘度的公式用:

ηgas = 26.69(MT)1/2/σ2/ΩV（式2）式中:ηgas气体粘度,[μP]

Ω

= 1.16145/ T* 0.14874+0.52487/ exp (0.7732T*)+2.16178/ exp V

(2.43787T*)

T* = T/( /k)

四．混合物性质

IG-541混合气体的配方是公开的，即52%（mol）的氮气、40%（mol）的氩气和8%（mol）的二氧化碳气体。

混合物物性的详尽实验数据很少。混合物的性质主要通过“混合规则”计算求得，而这些规则则是经过若干离散的实验点来验证的。

令混合物中i组份的含量为Xi分子分率。下标i,j,k为组份序号，下标m表示混合物。则有：

1．1．分子量

Mm = ΣXiMi

（式3）

2．2．混合物临界参数

混合物的临界参数并不是混合物的真临界性质，而是用于计算混合物P-V-T性质和热力学函数用的参数。

采用Lee-Kesler状态方程的混合规则：

Vci =ZciRTci/Pci （式4）

Zci =0.2905 – 0.085ωi （式5）

Vcm = 0.125ΣΣXjXk( Vcj1/3 + Vck1/3)

（式6）T cm =

0.125ΣΣXjXk(Vcj1/3+Vck1/3)3(Tcj+Tck)2/Vcm （式7）

ωm = Σxiωi （式8）Pcm = (0.2905 – 0.085ωm)RTcm/Vcm

（式9）

3．3．IG-541在理想气体状态下的热性质系数

理想气体状态下的热性质系数符合加和性，从表二的数据经过计