陈建;李鑫;胡俊康;王建勇
【摘 要】针对七氟丙烷气体灭火系统管网设计过程中管网压力损失计算的问题,提出了一种基于修正系数的七氟丙烷气体灭火系统管网沿程压力损失计算方法.结合热量传递与伯努利方程推导了灭火系统管道压力损失计算公式,依据管网管道参数和设计流量的关系计算了其对应最小雷诺数,并根据雷诺数大小确定了相应管道的沿程压力损失系数计算值;进而修正了沿程压力损失计算公式,并采用CFD方法求解了压力损失修正系数;最后以七氟丙烷气体灭火系统为例进行了实验验证.研究结果表明:该计算方法对七氟丙烷气体灭火系统管网压力损失计算有效可行.%Aiming at calculating the pressure loss along pipeline during the process of pipe network design of Heptafluoropropane gas fire ex-tinguishing system,a calculation method of pressure loss along pipeline of heptafluoropropane gas fire extinguishing system based on correc-tion coefficient was proposed. The calculation formula for pressure loss along pipeline of fire extinguishing system was deduced by combining heat transfer with Bernoulli equation.According to the relationship between the pipe network parameters and its designi ng flow, the corre-sponding minimum Reynolds number was calculated,and the coefficient of pressure loss along pipeline was determined according to the value of Reynolds number. Further,the calculation formula of pressure loss along pipeline was modified,and the correction coefficient was solved by using CFD. Finally,the pressure loss calculation formula was tested through an experiment of heptafluoropropane gas fire extinguishing system. The results indicate that the calculation method for pipe network pressure loss of heptafluoropropane gas fire extinguishing system ac-curate and feasible.
高频预热机【期刊名称】《机电工程》
【年(卷),期】2018(035)001
【总页数】6页(P22-27)
【关键词】七氟丙烷;管网设计;沿程压力损失;修正系数;CFD
【作 者】陈建;李鑫;胡俊康;王建勇
【作者单位】浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江 杭州310014;浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江 杭州310014;浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江 杭州310014;浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,浙江 杭州310014
【正文语种】中 文
【中图分类】TH49;X932
0 引 言
七氟丙烷气体灭火系统管网设计中管网压力损失计算是制约灭火系统管网设计的瓶颈环节。管网压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失，虽然沿程压力损失尚不能从理论上很完善地解决，但针对不同介质大量相关研究已广泛开展。Bullen P R等[1]通过理论分析和实验验证，计算了不可压缩湍流收缩管的压力损失及其压力损失系数。Niessner H[2]等采用能量系数和动量系数法计算压力损失。刘洪义[3]针对氮气高压可压缩特性，研究了氮
气(IG100)气体灭火系统管道压力损失。刘洪波等[4-5]应用CFD模拟三氟甲烷气体灭火系统，研究了三氟甲烷管网中压力损失的计算方法。王致新等[6]通过研究洁净气体灭火剂在储存容器内的膨胀过程和在管道中流动过程的基本规律，提出管道内沿程压力损失的计算公式。李萍等[7]分别采用Darcy-Weisbach公式和AMESim软件计算了挖掘机工作装置液压管路系统的压力损失。于伟江[8]计算了几种自动喷水灭火系统枝状管网立管与配水管之间不同铺设方式的压力损失。Roslund J[9]通过分析热水管网的流动特性，提出了复杂热水管网系统压力损失计算方法。Onea A等[10]应用CFD模拟热交换器，研究了热交换器各个局部组件的压力损失。万会雄等[11]在考虑管道内液压介质与外部环境热交换的情况下，研究了超长管道液压系统的压力损失计算方法。辛喆等[12]利用计算流体力学软件FIRE和发动机热力循环软件BOOST相耦合的方法，对SCR催化器压力损失进行了计算。针对七氟丙烷，《气体灭火系统设计规范》认为七氟丙烷在系统管网中流动状态处于紊流粗糙区，并给出了半经验压力降计算公式[13]。而在工程实际中管网管道粗糙度存在差异，王煜彤等[14]研究了镀锌钢管绝对粗糙度K值等于0.15 mm情况下的七氟丙烷灭火系统阻力损失计算公式。同时，七氟丙烷在喷放过程中，如果不考虑气化、高压氮气融入问题，理论计算与实际也会产生较大误差。杨志远等[15]对七氟丙烷气体灭火系统工作状态进行了模拟试验，指出在理论计算时须考虑它的某些二相流特征。
目前对七氟丙烷气体灭火系统管网压力损失研究还不够深入。本研究拟尝试对七氟丙烷气体灭火系统管网压力损失计算公式进行修正，以提高管网沿程压力损失计算的准确性与方便性。
固定顶尖1 沿程压力损失理论模型
管流示意图如图1所示。
图1 管流示意图
七氟丙烷液体在水平圆管内流动，在管内取半径为r长度为l的微小圆柱体，两端面液体速度、压力、温度、高度分别为v1、v2、P1、P2、T1、T2、Z1、Z2。
由伯努利方程可得：
(1)
式中：α1，α2—速度系数；hf—圆管沿程压力损失；
从1-1截面到2-2截面，如果考虑七氟丙烷的温度变化，那么从外界吸收的热量为：
q=cm(T2-T1)
(2)
式中：c—七氟丙烷热比容；q—七氟丙烷吸热量.
因此，如果温度变化对压力的影响也考虑在内，在保证单位统一的条件下可得：
hf=
βcm(T1-T2)
(3)
式中:β—七氟丙烷灭火剂管流热交换修正系数。
由于是水平圆管，Z1=Z2，α1=α2，v1=v2，式(3)可简化为：
异丙醇钛(4)
因此，两端面压力差为：
尼龙包胶线
ΔP=P1-P2=ρghf+ρgβcm(T2-T1)
(5)
将达西公式[16]代入式(5)可得：
(6)
式中：λ—沿程压力损失系数；ρ—七氟丙烷密度，kg/m3。
2 基于管网管径最小设计流量的λ计算方法
灭火管网管道的沿程压力损失系数λ的选取是压力损失计算准确性的关键之一。管网不同流态其雷诺数(Re)不同，对应的λ的计算公式也不同。其中，雷诺系数(Re)的计算公式为：
(7)
式中：d—管道直径，mm；v—流体流速，m/s；ρ—七氟丙烷液体密度，为1 407 kg/m3；μ—七氟丙烷液体的动力粘度，取值2.26×10-4 Pa.s。
漂浮箱
在七氟丙烷气体灭火系统中，管道管径一般根据管道的流量来确定[17]，其具体的选取原则如表1所示。
表1 管道管径选取原则管道流量大小Q/(kg·s-1)管道直径选取范围d/mmQ≤6d=(12～20)Q6<Q≤160d=(8～16)Q真空垫
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