IG541混合气体灭火系统设计理论和基本计算方法.docx

1、IG541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

2、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

3、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

4、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

5、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ArgonCarbon dioxideNitrogen分子量Mg/mol 39.948 44.010 28.013常冰点TfK 83.80216.58 63.15常沸点TbK 87.28194.70 77.35临界温度TcK150.86 304.19126.10临界压力PcBar 48.98 73.82 33.94临界比容Vccm3/mol 74.6 94.0 90.1临界密度cG/cm3 0.5356 0.4682 0.3109临界压缩因子

6、Zc无因次 0.291 0.274 0.292偏心因子无因次 0.000 0.228 0.040偶极距Debye 0 0 02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, iT 2 + 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API Project44Selected Volume of Properties of Chemical Compounds所列CO2、N2

7、的恒压热容CP0文献值列于表二。Ar的CP0受温度影响极小，用The Properties of Gases and Liquids3rd 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温度，K150200273.15298.15300400Ar4.96814.96804.96784.96784.96784.9679CO2 7.228 7.733 8.594 8.874 8.894 9.876N2 6.956 6.957 6.959 6.961 6.961 6.9913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Handb

8、ook 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L-J分子势能位ArCO2N2势能参数 /k，K124.9195.271.4碰撞半径，3.42

9、337.1329.124Lennard-Jones 12-6分子势能位计算低压气体的粘度的公式用: gas = 26.69(MT)1/2/2/V （式2） 式中: gas 气体粘度,P V = 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。

10、 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 = XiMi （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 0.085i （式5） Vcm = 0.125XjXk( Vcj1/3 + Vck1/3) （式6） Tcm = 0.125XjXk(Vcj1/3+Vck1/3)3(Tcj+Tck)2/Vcm （式7） m = xii （式8）

11、Pcm = (0.2905 0.085m)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150400K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

12、= C0 + C1T + C2T 2 + C3T3 （式11） s0 = C1 lnT + 2C2T + 3C3T2/2 + C4 - R lnP （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API project 44推荐的方法计算： （式13） 其中ij为充间参数 （式14） 将以上公式求得的IG-541粘度再回归成温度的多项式： m0 = 178.86 + 0.5123- 0.00039 （式15）（式15）中m0 是IG-541在低压下的粘度， 摄氏温度。在-10至50范围内回归误差小于0.1

13、%。5 5 低压下的气相导热系数 纯组分的导热系数由Langs Chemical Handbook15th Ed（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 = (yii /yjAij) （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Lindsay and Bromley方法

14、Aij = 0.251+(i/j)(Mj/Mi) 0.75 (T+Si)/ (T+Sj)0.52(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Mason and Saxena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 + 6.75910-5t 6.46810-8t2 （式17）式中: 0 IG-541在低压下的气相导热系数, J/s/m/K t摄氏温度为便于

15、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The PROPERTIES of IG541 MIXTRUE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

16、子Zc0.2910.2740.2920.287偏心因子OM0.0000.2230.0400.039碰撞半径A3.4233.9413.798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, 25 1.66671.2891.4001.459低压下气体粘度, 25 P224.42150.5175.52191.42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

17、依据另详。IG541的密度: 标准状态 (0,1 atm) 1.521kg/m3, 对空气比重 1.176 存储状态(20,15Mpa) 233.6kg/m3IG541在低压下的粘度多项式: = 178.86 + 0.5123t - 0.00039t2 为绝对粘度,P; 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 6.46810-4t2 为导热系数,W/cm/K; t为摄氏温度。IG541在理想气体状态下的焓多项式: H0= 25.648T + 5.04210-4T2 + 1.71510-6T3 上式中: H0为焓,J/m

18、ol; T为绝对温度,T = t + 273.15五压力下的性质1P-V-T关系表征流体压力、比容和温度（P-V-T）关系的方程叫着状态方程。最简单,也是最古老的状态方程是理想气体状态方程:PV=RT 式中 ：P-压力PaV-比容m3/molR-气体通用常数 = 8.31441T-温度K理想气体状态方程对常压常温或高温的“永久气体”可以使用，但是用来计算低温高压气体，或是非永久气体误差就比较大，对于液体则完全不适用，于是，近百年来许多科学家提出了对理想气体定律的修正，这类方程式称为真实气体状态方程。真实气体状态方程的通式是：PV=zRT式中z的叫做压缩因子，表示真实气体和理想气体的差异。文献上

19、发表的真实气体状态方程有二百多个。其中最准确的是Lee-Kesler方程，它的优点体现在： 1.在很宽的温度压力范围内有良好的准确度；2.既能用于气相也能用于液相；3.对于任何非极性流体，只需要临界温度、临界压力和偏心因子三个参数便可以求解，而这三参数都是宏观可测量的物性；4. 对于混合物利用混合规则，可以像纯物质一样，用同样的方程式求解；5. 对于混合物，不仅能求解总性质，还能解得偏性质，即混合物中各个组份的性质。在Lee-Kesler方程发表前后，还有一些优秀的状态方程。这些方程求解比较简单，在一定的场合可以满足工程计算需要，但就准确度而言，还是及不上Lee-Kesler方程。 状态方程不

20、仅可以用来求解流体的密度，还可以和物质的热性质系数结合起来，求得在真实流体（液体和压力下的气体）状态下的热力学性质，传热性质等等，用于流体力学、化工热力学、工程热力学的计算。对于灭火系统而言，不仅管道输送，而且孔板节流、喷嘴喷射、气体膨胀和压缩的精确计算度需要用到状态方程，因此我们选用了Lee-Kesler方程设计计算IG541混合气体灭火系统。 Lee-Kesler状态方程为多参数方程，其形式是： z = Pr/Vr/Tr = 1 + B/Vr + C/Vr2 + D/Vr5 + c4（+/Vr2）exp（-/Vr2）/ Tr5 /Vr2 （式18） 其中： B = b1 b2/Tr b3/

21、 Tr2 b4/ Tr3 （式18-1） C = c1 c2/Tr + c3/ Tr2 （式18-2） D = d1 + d2/Tr （式18-3） Vr理想对比比容 = Pc* V/n/R/Tc，其中V/n称为比容 Pr对比压力 = P/Pc Tr对比温度 = T/Tr Lee-Kesler状态方程是三参数普遍化方程，只要知道物质的临界压力、临界温度和偏心因子就能求解。但是方程中的压缩因子z是隐函数，要用试差法求解。 表四. Lee-Kesler状态方程系数系数简单流体参比流体系数简单流体参比流体b10.11811930.2026579c30.00.016901b20.2657280.331

22、511c40.0427240.041577b30.1547900.027655d11040.1554880.48736b40.0303230.203488d21040.6236890.0740336c10.02367440.03133850.653921.226c20.01869840.05036180.0601670.03754 Lee-Kesler状态方程有多达七个实根，其中只有一个或两个实根有物理意义，要用试差法求解。本文作者曾对此作过研究，具体方法可参考烃类物理化学手册一书。IG541气相压缩因子 Compressibility factor of IG541 (Z)温度-100 10

23、20304050压力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18810.2360.98960.99120.99260.99380.99490.99580.996620.4720.97960.98280.98570.98810.99020.99200.993630.7080.97010.97500.97920.98280.98590.98870.991040.9440.96110.96760.97320.97800.98210.98570.988951.1790.95270.96080.96780.97370.97880.98320.987161.4150.

24、94500.95470.96290.96990.97600.98120.985771.6510.93800.94920.95860.96670.97360.97960.984881.8870.93180.94430.95490.96400.97180.97850.984392.1230.92640.94020.95190.96190.97050.97790.9843102.3590.92190.93690.94960.96040.96970.97770.9847112.5950.91830.93430.94790.95950.96950.97810.9855122.8310.91560.932

25、60.94700.95920.96980.97890.9868133.0670.91390.93160.94670.95960.97060.98020.9884143.3020.91310.93150.94710.96050.97200.98190.9905153.5380.91330.93210.94820.96200.97390.98410.9930163.7740.91440.93360.95000.96410.97630.98680.9959 Lee-Kesler状态方程要对三个流体求解：一个是需要计算的流体，即IG541，公式中用上角标（i）表示；一个是偏心因子为0的“简单流体”，上

26、角标用（0）表示；还有一个是偏心因子为0.3978的正辛烷，叫做“参比流体”，上角标（r）。先在对象流体的操作条件求得对比压力Pr和对比温度Tr Pr = P / Pcm （式19） Tr = T / Tcm （式20） 从（式18）分别求得简单流体和参比流体的Z（0）和Z（r），然后用以下公式计算对象流体的压缩因子 Z（i） = Z（0）+ Z（r）- Z（0） （i）/（r） （式21） （式20）中（i）为对象流体即IG541偏心因子m，（r）为参比流体的偏心因子 = 0.3978。（式21）的物理意义是：流体的压缩因子等于同对比温度压力下简单流体的压缩因子，加上和偏心因子相关的修正值。

27、偏心因子在微观上反映物质分子的大小和形状，小的球形分子如氩气，偏心因子等于0；宏观上偏心因子通过物质的对比饱和蒸汽压来计算： = - lg (PSTr=0.7/Pc) 1 （式21-1）（式21-1）中lg是十进对数，PSTr=0.7是对比温度为0.7时的饱和蒸汽压。据此，作者曾在70年代进行过验算，由表四的系数，通过Lee-Kesler方程计算出“简单流体”和“参比流体”气液相逸度，求得对比温度0.7下的相平衡和饱和蒸汽压, 按照（式21-1）定义计算简单流体和参比流体的偏心因子，分别为：简单流体 （0）= 0.00529 （式21-2）参比流体 （r）= 0.39547 （式21-3）因此，作者将（式21）改成：Z（i） = Z（0）+ （i）-（0） /（r）-（0） Z（r）- Z（0） （式21-4）以下是采用上述方法进行的氩气、二氧化碳和氮气的压缩因子验算。此项工作的目的一是验算Lee-Kesler方