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《ChemicalPropertiesHandbook》（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名称符号单位ArCO2N2英文名ArgonCarbondioxideNitrogen分子量Mg/mol39.94844.01028.013常冰点TfK83.80216.5863.15常沸点TbK87.28194.7077.35临界温度TcK150.86304.19126.10临界压力PcBar48.9873.8233.94临界比容Vccm3/mol74.694.090.1临界密度ρcG/cm30.53560.46820.3109临界压缩因Zc无因次0.2910.2740.292子偏心因子ω无因次0.0000.2280.040偶极距Debye0002．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:hi0=C0,i+C1,iT+C2,iT2+C3,iT3+…（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APIProject44《SelectedVolumeofPropertiesofChemicalCompounds》所列CO2、N2的恒压热容CP0文献值列于表二。Ar的CP0受温度影响极小，用《ThePropertiesofGasesandLiquids》3rdEd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]温度，K150200273.15298.15300400Ar4.96814.96804.96784.96784.96784.9679CO27.2287.7338.5948.8748.8949.876N26.9566.9576.9596.9616.9616.9913．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《HandbookofChemistryandPhysics》,80thEd（1999-2000），《ChemicalPropertiesHandbook》（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-Jones12-6分子势能位计算，25C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《ThePropertiesofGasesandLiquids》,后者Ar的参数计算结果误差较大。表三.迁移性质---气相粘度L-J分子势能位ArCO2N2势能参数/k，K124.9195.271.4碰撞半径σ，Å3.42337.1329.124Lennard-Jones12-6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]ΩV=1.16145/T*0.14874+0.52487/exp(0.7732T*)+2.16178/exp(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）Tcm=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算和单位换算得到IG541在理想气体状态下焓的热性质系数为：C0=8.8(此项系数用来校准150400K的焓值,计算偏差0.03%)C1=25.648C2=0.0005042C3=1.715E-6C4=81.04(此项系数取,1psia压力下的理想气体单质为零熵)用以上热性质系数计算IG541在理想气体状态下的热容、焓和熵的公式是：Cp0=C1+2C2T+3C3T2（式10）h0=C0+C1T+C2T2+C3T3（式11）s0=C1lnT+2C2T+3C3T2/2+C4-RlnP（式12）上述公式中的单位是:[mol,K,J,Pa],上角标0表示理想气体状态。4．4．气体混合物的粘度气体混合物的粘度用美国石油学会APIproject44推荐的方法计算：ninijjijijimxx111（式13）其中Φij为充间参数5.0225.05.0181jiijjiijMMMM（式14）将以上公式求得的IG-541粘度再回归成温度的多项式：ηm0=178.86+0.5123ｔ-0.00039ｔ２（式15）（式15）中ηm0是IG-541在低压下的粘度，ｔ摄氏温度。在-10至50℃范围内回归误差小于0.1%。5．5．低压下的气相导热系数纯组分的导热系数由《Lang`sChemicalHandbook》15thEd（1999）查得,如下表所示:表四.气相导热系数[J/s/m/K]温度,℃02040Ar0.01660.01760.0186CO20.01440.01600.0176N20.02410.02560.0270IG-5410.02020.02160.0228气体混合物的气相导热系数按Wassiljewa方程计算:m=Σ(yii/ΣyjAij)（式16）式中:m气相混合物的导热系数I组分i的气相导热系数Aij组分之间的充间作用参数,用LindsayandBromley方法Aij=0.25{1+[(ηi/ηj)(Mj/Mi)0.75(T+Si)/(T+Sj)]0.5}2(T+SiJ)/(T+Si)（式16-1）其中:Sutherland常数Si=1.5Tbi;Sij=Cs(SiSj)0.5非极性气体Cs=1用MasonandSaxena方法以及忽略充间作用参数取得的结果和上述方法偏差不大于1%。按以上方法求得IG-541在0、20、40℃低压下的气相导热系数，回归成多项式：0=0.020238+6.75910-5t–6.46810-8t2（式17）式中:0IG-541在低压下的气相导热系数,[J/s/m/K]t摄氏温度[℃]为便于比较和利用现将IG541混合气体物理性质及相关计算公式汇总如下：IG541混合气体的物理性质ThePROPERTIESofIG541MIXTRUE名称符号单位氩气二氧化碳氮气IG541英文名SymbolunitARGONCarbonDioxideNitrogenInergen分子式ArCO2N2分子量MWg/mol39.94844.01028.01334.067常沸点TbK87.28194.777.35临界温度TcK150.86304.19126.1147.7临界压力PcBar48.9873.8233.9442.39临界比容Vccc/mol74.694.090.183.2临界压缩因子Zc0.2910.2740.2920.287偏心因子OM0.0000.2230.0400.039碰撞半径ΩA3.4233.9413.798势能参数/KK124.9195.271.4恒压热容Cp,25℃J/mol/K20.78537.12929.12526.429恒容热容Cv,25℃J/mol/K12.47028.81420.81018.115绝热指数γ,25℃1.66671.2891.4001.459低压下气体粘度μ,25℃μP224.42150.5175.52191.42偶极距Debye0000IG541分子分率YMol%40852100注:正体数值是文献值,斜体数值是计算值。计算方法和依据另详。IG541的密度:标准状态(0℃,1atm)1.521[kg/m3],对空气比重1.176存储状态(20℃,15Mpa)233.6[kg/m3]IG541在低压下的粘度多项式:μ=178.86+0.5123×t-0.00039×t2μ为绝对粘度,[μP];t为摄氏温度。上式适用于-10至50℃。IG541在低压下的导热系数多项式:=202.38+0.6759t–6.468×10-4t2为导热系数,[μW/cm/K];t为摄氏温度。IG541在理想气体状态下的