NOVEC1230灭火剂管路沿程压力损失计算方法

张孝华，孙骞

(中国船舶重工集团第七二六研究所，上海 201108)



NOVEC1230灭火剂管路沿程压力损失计算方法

张孝华，孙骞

(中国船舶重工集团第七二六研究所，上海 201108)

分析气体灭火系统规范采用的中期压力计算方法，假定NOVEC1230灭火剂在管路中为液相流动，根据流体力学管流损失的达西公式和阻力平方区的尼古拉茨公式，结合沿程阻力损失系数分析，得到NOVEC1230灭火剂管路沿程压力损失的计算公式，计算NOVEC1230系统喷头末端的压力，并同试验测量值进行对比，计算值与测量值的误差在10%以内，满足相关标准中关于精度的要求。

清洁气体；气体灭火系统设计；中期压力计算方法；沿程压力损失系数

NOVEC1230是由美国3M公司于2000年研发成功的一种新型清洁气体灭火剂[1]。该型灭火剂设计灭火浓度为4%～6%，系统启动后10 s内释放完毕，可应用于全淹没或局部气体灭火系统，具有对臭氧层无破坏、温室效应低，以及设计安全阈值高等特点，是目前最理想的卤代烷1301替代产品[2-3]。

目前，国外的相关清洁气体灭火系统标准(NFPA2001、ISO14520)都并未给出清洁气体灭火系统的设计方法，而通过采用对灭火系统生产厂商认证时需提供设计软件，且以设计软件的计算结果同试验测量值的误差在一定范围内(美国UL认证为10%，英国LPCB认证为20%)来确保生产厂商的系统设计有效性，验证的方法及过程由认证机构提供和开展[4-6]。我国气体灭火系统规范《气体灭火系统设计规范》(GB50270—2006)(以下简称《规范》)中，对于七氟丙烷气体灭火系统，采用中期压力计算方法，通过寻找灭火剂释放过程中的中期压力，计算管路沿程的压力损失和高程差带来的压力损失，从而最终得到灭火系统喷头末端的压力值[7]。

考虑假定NOVEC1230灭火剂在管路中为液相流动，根据流体力学管流损失的达西公式和阻力平方区的尼古拉茨公式，并通过对沿程阻力损失系数的分析，得到NOVEC1230灭火剂管路沿程压力损失的计算公式，对该计算方法的准确性进行验证。

1 理论分析

1.1 NOVEC1230灭火剂物理性质

NOVEC1230灭火剂在标准大气压下的沸点为49.2 ℃，形态为液体，密度为1.6×103kg/m3，NOVEC1230与七氟丙烷灭火剂的物理性质对比见表1。

表1 NOVEC1230与七氟丙烷灭火剂物理性质对比

由表1可见，在相同条件下，NOVEC1230具有比七氟丙烷更高的沸点和更低的饱和蒸汽压。因此，借鉴《规范》中七氟丙烷管路流动的假设，即灭火剂在灭火管路中的流动基本为液相流，且喷放过程为一等温绝热过程，采用中期压力计算方法，依据流体力学的管流阻力损失计算基本公式和阻力平方区的尼古拉茨公式，建立NOVEC1230灭火剂管路流动的计算方法。

1.2 中期压力计算方法

由于灭火剂释放的过程为压力、流量随时间变化的动态过程，求解过程很繁杂，也不适用于工程应用计算，因此，《规范》给出了中期压力计算方法的近似计算方法进行计算。中期压力计算方法定义灭火剂储存容器中50%灭火剂由喷头喷出的时刻为灭火剂释放的过程中点，以过程重点的压力作为喷放过程的平均压力，则喷放过程起点的压力即为平均压力，以管路流动的平均流量为流量，通过圆管内的管流阻力损失计算方法，计算灭火剂喷头末端的压力[7]。

(1)

(2)

式中：pm为过程中点时储存容器内压力，MPa；p0为灭火剂储存容器的增压压力，MPa，；W为设计灭火剂用量，kg；V0为喷放前，全部储存容器内的气相总容积，m3；γ为OVEC1230灭火剂的液体密度，kg/m3；Vp为管网的管道内容积，m3；n为储存容器的数量，个；Vb为储存容器的容量，m3；η为充装密度，kg/m3。

喷头工作压力按照以下公式计算。

(3)

高程压头按照以下公式计算。

(4)

式中：H为过程中点时，喷头高度相对储存容器内液面的位差，m；γ为NOVEC1230灭火剂的液体密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2。

1.3 管路沿程压力损失计算

基于灭火剂在灭火管路中的流动基本为液相流，且喷放过程为一等温绝热过程这一假设，灭火剂在管路中的流动可视为圆管流动，其沿程阻力采用达西公式计算。

(5)

式中：hf为水头损失，m；λ为沿程阻力系数；l为管路计算长度，m；d为管路直径，m；v为液体流速，m/s；g为重力加速度，9.81 m/s2。

尼古拉茨通过实验对管中沿程阻力做了全面研究。管壁的绝对粗糙度Δ不能表示出管壁粗糙度的确切状况及其与流动阻力的关系，而相对粗糙度K/d可以表示出管壁粗糙状况与流动阻力的关系，是不同性质或不同大小的管壁粗糙状况的比较标准。尼古拉茨在不同相对粗糙度K/d的管路中，进行阻力系数λ的测定，分析λ与Re及K/d的关系，得到尼古拉茨实验曲线[8-9]，见图1。

由图1可以看到，管道中的流动可以分为5个区域。

5个阻力区的范围及λ的计算公式见表2。

NOVEC1230灭火剂在管路中的流动，其雷诺数为

(6)

式中：vc为流体的流速，m/s；d为圆管直径，m；υ为流体的运动粘度系数，m2/s；Q为流体的质量流量，kg/s；ρ为流体的密度，kg/m3。

NOVEC1230在25 ℃时的运动粘度系数为0.39×10-6m2/s，带入可得25 ℃时的Re。

表2 5个阻力区的范围与λ计算公式

而对于管径与流量的选取关系，借鉴七氟丙烷初选管径的流量与管径关系可知

5.1×106

参照尼古拉茨实验曲线可知：此时NOVEC1230灭火剂在管路中的流动处于阻力平方区，即使在K/d达到0.000 99的情况下。

因此，选用粗糙紊流区的沿程阻力系数计算公式

(7)

采用达西公式计算水头损失，则管路中的压力损失可表达为

(8)

式中：Δp为计算管段阻力损失，MPa；l为管道计算等效长度，m；Q为管道设计流量，kg/s；d为管道内径，mm。

对于气体灭火系统采用镀锌管，当量粗糙高度为0.10～0.20 mm，采用均值0.15 mm[9-10]，代入压力损失计算公式可得

(9)

2 计算值与试验结果对比

为验证沿程压力损失计算方法的准确性，分别采用工作压力为2.5 MPa的单钢瓶和2个钢瓶的NOVEC1230灭火系统，按照中期压力计算方法进行管路设计，并开展喷放试验，测量喷头的工作压力，与计算值进行对比分析。

2.1 单气瓶系统对比分析

单气瓶灭火系统采用的钢瓶容积为106 L，充装密度为1.047 kg/L，瓶头阀出口高度为1.5 m，管路中安装有一个分配阀，系统喷放时间为9.0 s。图2为单气瓶灭火系统的管路图。

单气瓶系统的管路信息见表3。其中，其他等效长度是指钢瓶、瓶头阀、释放软管、单向阀、变径、三通、管路上分配阀等管阻的等效长度。

表3 单气瓶系统的管路信息

常用消防管道的外径、内径、壁厚与公称直径的关系见表4。

采用以上管路参数按照中期压力计算方法开展计算，可得单气瓶系统的相关数据如下。

中期压力pm=0.856 1 MPa；

高程压头ph=-0.003 9 MPa。

试验过程中，测量所得喷头工作压力值为0.518 MPa，计算精度为ε1=6.5%

表4 常用消防管道的外径、内径、壁厚与公称直径的关系 mm

2.2 2个气瓶系统对比分析

2个气瓶采用钢瓶容积为106 L，充装密度为1.047 kg/L，瓶头阀出口高度为1.5 m，，管路中安装有1个分配阀，系统喷放时间为9.2 s。2个气瓶灭火系统的管路见图3。

表5为2个气瓶系统的管路信息表。其中，其他等效长度是指钢瓶、瓶头阀、释放软管、单向阀、变径、三通、管路上分配阀等管阻的等效长度。

表5 2个气瓶系统的管路信息

结合表3的管径参数表，采用表4的管路参数按照中期压力法开展计算，可得2个气瓶系统的相关输入如下。

中期压力pm=0.929 5 MPa。

高程压头ph=0.041 6 MPa。

试验过程中，测量所得喷头工作压力值为0.530 MPa，计算精度ε2=2.6%。

3 结论

通过单气瓶、2个气瓶灭火系统喷放压力测量值与所提出的中期压力计算方法及沿程压力损失计算公式计算值对比发现：采用本文中期压力计算方法及沿程压力损失计算公式计算所得结果与测量值误差分别为6.5%和2.6%，能够满足ISO14520《气体灭火系统》中关于设计计算值与测量值小于10%的要求[3]，具有较高的计算精度。

[1] 张国璧.新一代哈龙灭火剂[J].消防科学与技术，2004，23(4)；369-371.

[2] NFPA. Standard on clean agent fire extinguishing systems：NFPA2001[S]. Quincy：NFPA，2015 edition.

[3] ISO. Gaseous fire-extinguishing system：ISO14520 [S]. Switzerland：ISO，2006 edition.

[4] 吴晓伟.舰船绿色环保灭火剂选型分析[J].船舶，2011，22(6)；29-34.

[5] 彭玉辉.舰船哈龙灭火剂的替代产品和气体灭火剂选型分析[J].中国舰船研究，2007，2(5)；72-75.

[6] 朱渝生.对几种哈龙灭火剂替代品性能的初探[J].消防技术与产品信息，2003(4)：44-45.

[7] 中华人民共和国公安部.气体灭火系统设计规范：GB50370[S].北京：中国计划出版社，2005.

[8] 谢振华.工程流体力学[M].北京：冶金工业出版社，2013.

[9] 李家星，赵振兴.水力学[M].南京：河海大学出版社，2001.

[10] 王煜彤，王致新.七氟丙烷和三氟甲烷阻力损失的计算方法[J].消防技术与产品信息，2004(6)；9-11.

On the Calculation Method of Pressure Loss for Pipe of Novec1230 Clean Agent

ZHANG Xiao-hua, SUN Qian

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

Based on the middle-pressure calculation method used in GB50370 Gaseous Fire-extinguish System Code, the coefficient of pipe pressure loss for Novec1230 agent was analyzed acording to the Darcy formula on the pressure loss in round-pipe and Nikuradse formula in drag square zone. The nozzle pressure of a single cylinder fire-extinguishing system and a two cylinder fire-extinguishing system was calculated. The calculation result was compared with the measured value to validate the accuracy of the calculation method. The error between calculation result and measured value is under 10%, so that the proposed method can reach the requirement of relative standard.

clean agent; design of gaseous fire-extinguishing system; middle-pressure calculation method; coefficient of pipe pressure loss

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.005

2017-01-08

国家部委基金资助项目

张孝华(1980—)，男，硕士，高级工程师

研究方向：气体灭火技术

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0021-05

修回日期：2017-03-07