1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。IG-541混合氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和基本計(jì)算方法-IG-541混合氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和基本計(jì)算方法一概述IG-541混合氣體滅火系統(tǒng)作為一種新型潔凈氣體滅火系統(tǒng)，由于它兼?zhèn)溆行缁稹⒕G色環(huán)保以及對(duì)人體無傷害等特性，目前已在國內(nèi)外消防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，人們?cè)诖罅繎?yīng)用它的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性質(zhì)、性能、原理等方面的量化研究卻是十分不足的。國內(nèi)至今尚無完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，尤其缺乏完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法，甚至于連基本的單元計(jì)算方法也不齊全，現(xiàn)有的一些計(jì)算公式基本上照搬了國外的書本，并且缺乏完整性和系統(tǒng)性

2、。這種理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用的反常現(xiàn)象是消防工程界特有的，也是消防系統(tǒng)建設(shè)與使用遠(yuǎn)遠(yuǎn)相脫節(jié)這一客觀情況所造成的。國外公司雖有系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以代客計(jì)算，但并不提供計(jì)算方法，我們只能是知其然而不知其所以然。為了解決我國已有IG-541滅火系統(tǒng)的設(shè)備和大量實(shí)際應(yīng)用，卻還沒有設(shè)計(jì)計(jì)算方法的突出矛盾，確保IG-541滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)先進(jìn)性、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，我們?cè)谂W(xué)習(xí)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，還必須建立自己的理論研究體系和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。本文探討了IG-541氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了和建立了IG-541滅火系統(tǒng)的基本計(jì)算方法，為科學(xué)地建立具有自主

3、知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IG-541滅火系統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件奠定了基礎(chǔ)。二系統(tǒng)特征IG-541滅火系統(tǒng)和其他固定氣體滅火系統(tǒng)比較既有共性又具有鮮明的個(gè)性。IG-541在儲(chǔ)存條件下呈氣態(tài)，比其他滅火系統(tǒng)需要更大的儲(chǔ)存容積;在高壓下儲(chǔ)存和運(yùn)行，管道的承壓能力要求亦較高，設(shè)備投資費(fèi)用大，精確計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)可以帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。IG-541滅火的有效濃度為37.5%而對(duì)人體安全的濃度為23秒及40秒，并且又要求60秒鐘內(nèi)達(dá)到滅火濃度。這也是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)格的的設(shè)計(jì)約束條件。IG-541滅火系統(tǒng)和其他滅火系統(tǒng)相比,滅火劑設(shè)計(jì)濃度以及噴射速率的容差范圍小得多，且與平常容易發(fā)生的誤解不同,寬裕的設(shè)計(jì)不僅浪費(fèi)投資，設(shè)計(jì)結(jié)果也未

4、必安全。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用精確的、全過程動(dòng)態(tài)模擬的分時(shí)計(jì)算方法。IG-541設(shè)計(jì)計(jì)算的有利條件是：物系臨界溫度低，整個(gè)過程在單一氣相下發(fā)生，可以通過嚴(yán)格的方法，借助電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確的計(jì)算。IG-541滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是要保證在裝置啟動(dòng)后的指定時(shí)間內(nèi)，防護(hù)區(qū)中的滅火劑達(dá)到設(shè)計(jì)濃度，其中計(jì)算IG-541氣體在系統(tǒng)各單元中的流動(dòng)推動(dòng)力和阻力是關(guān)鍵，二者又取決于系統(tǒng)的物性和單元的設(shè)備特征，茲在下文逐一討論。三純組份性質(zhì)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)甚多,這里只討論和IG-541系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的P-V-T性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)和遷移性質(zhì)。1基礎(chǔ)物性氮?dú)狻鍤夂投趸冀詾槌Ｒ姎怏w，其有關(guān)性質(zhì)可以從手冊(cè)中查到。茲參

5、照ChemicalPropertiesHandbook（1999）一書，將相關(guān)數(shù)據(jù)羅列如下。其他資料上除分子量以外的數(shù)據(jù)并不完全相同，但對(duì)本過程的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果影響甚微。表一.基礎(chǔ)物性和熱力學(xué)性質(zhì)名稱符號(hào)單位ArCO2N2英文名ArgonCarbondioxideNitrogen分子量Mg/mol39.94844.01028.013常冰點(diǎn)TfK83.80216.5863.15常沸點(diǎn)TbK87.28194.7077.35臨界溫度TcK150.86304.19126.10臨界壓力PcBar48.9873.8233.94臨界比容Vccm3/mol74.694.090.1臨界密度cG/cm30.5356

6、0.46820.3109臨界壓縮因子Zc無因次0.2910.2740.292偏心因子無因次0.0000.2280.040偶極距Debye0002熱性質(zhì)流體在理想氣體狀態(tài)下的熱性質(zhì)是計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。通常表達(dá)為熱容或焓的多項(xiàng)式。如:hi0=C0,i+C1,iT+C2,iT2+C3,iT3+（式1）這些多項(xiàng)式系數(shù)通常是用于相當(dāng)寬的溫度范圍，而IG541的工作溫度范圍較窄，約在200至320K之間，可以專門回歸較為簡短和精確的多項(xiàng)式。茲將APIProject44SelectedVolumeofPropertiesofChemicalCompounds所列CO2、N2的恒壓熱容CP0文獻(xiàn)值列于表二

7、。Ar的CP0受溫度影響極小，用ThePropertiesofGasesandLiquids3rdEd一書附錄中的多項(xiàng)式求得。表二.理想氣體狀態(tài)下的恒壓熱容Cal/mol/K溫度，K150200273.15298.15300400Ar4.96814.96804.96784.96784.96784.9679CO27.2287.7338.5948.8748.8949.876N26.9566.9576.9596.9616.9616.9913低壓下的氣相粘度在低壓下氣體的粘度和壓力關(guān)系不大，可以視為僅僅是溫度的函數(shù)。經(jīng)與HandbookofChemistryandPhysics,80thEd（1999

8、-2000），ChemicalPropertiesHandbook（1999）的資料上的數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)用多項(xiàng)式擬合低壓氣體的粘度的精確度不高。而用Lennard-Jones12-6分子勢(shì)能位計(jì)算，25C下的誤差降至0.1%左右。下表中Ar的數(shù)據(jù)取自美國石油學(xué)會(huì)API手冊(cè),其余數(shù)據(jù)取自ThePropertiesofGasesandLiquids,后者Ar的參數(shù)計(jì)算結(jié)果誤差較大。表三.遷移性質(zhì)-氣相粘度L-J分子勢(shì)能位ArCO2N2勢(shì)能參數(shù)/k，K124.9195.271.4碰撞半徑，3.42337.1329.124Lennard-Jones12-6分子勢(shì)能位計(jì)算低壓氣體的粘度的公式用:gas=2

9、6.69(MT)1/2/2/V（式2）式中:gas氣體粘度,PV=1.16145/T*0.14874+0.52487/exp(0.7732T*)+2.16178/exp(2.43787T*)T*=T/(/k)四混合物性質(zhì)IG-541混合氣體的配方是公開的，即52%（mol）的氮?dú)狻?0%（mol）的氬氣和8%（mol）的二氧化碳?xì)怏w。混合物物性的詳盡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。混合物的性質(zhì)主要通過“混合規(guī)則”計(jì)算求得，而這些規(guī)則則是經(jīng)過若干離散的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)來驗(yàn)證的。令混合物中i組份的含量為Xi分子分率。下標(biāo)i,j,k為組份序號(hào)，下標(biāo)m表示混合物。則有：1分子量Mm=XiMi（式3）2混合物臨界參數(shù)混合物的臨界參

10、數(shù)并不是混合物的真臨界性質(zhì)，而是用于計(jì)算混合物P-V-T性質(zhì)和熱力學(xué)函數(shù)用的參數(shù)。采用Lee-Kesler狀態(tài)方程的混合規(guī)則：Vci=ZciRTci/Pci（式4）Zci=0.29050.085i（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）Pcm=(0.29050.085m)RTcm/Vcm（式9）3IG-541在理想氣體狀態(tài)下的熱性質(zhì)系數(shù)理想氣體狀態(tài)下的熱性質(zhì)系數(shù)符合加和性，從表二的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算和單位換算得到IG541在理想氣體狀態(tài)下焓的熱性質(zhì)系數(shù)為：C

11、0=8.8(此項(xiàng)系數(shù)用來校準(zhǔn)150400K的焓值,計(jì)算偏差0.03%)C1=25.648C2=0.0005042C3=1.715E-6C4=81.04(此項(xiàng)系數(shù)取,1psia壓力下的理想氣體單質(zhì)為零熵)用以上熱性質(zhì)系數(shù)計(jì)算IG541在理想氣體狀態(tài)下的熱容、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）上述公式中的單位是:mol,K,J,Pa,上角標(biāo)0表示理想氣體狀態(tài)。4氣體混合物的粘度氣體混合物的粘度用美國石油學(xué)會(huì)APIproject44推薦的方法計(jì)算：（式13）其

12、中ij為充間參數(shù)（式14）將以上公式求得的IG-541粘度再回歸成溫度的多項(xiàng)式：m0=178.86+0.5123-0.00039（式15）（式15）中m0是IG-541在低壓下的粘度，攝氏溫度。在-10至50范圍內(nèi)回歸誤差小于0.1%。5低壓下的氣相導(dǎo)熱系數(shù)純組分的導(dǎo)熱系數(shù)由LangsChemicalHandbook15thEd（1999）查得,如下表所示:表四.氣相導(dǎo)熱系數(shù)J/s/m/K溫度,02040Ar0.01660.01760.0186CO20.01440.01600.0176N20.02410.02560.0270IG-5410.02020.02160.0228氣體混合物的氣相導(dǎo)熱系

13、數(shù)按Wassiljewa方程計(jì)算:m=(yii/yjAij)（式16）式中:m氣相混合物的導(dǎo)熱系數(shù)I組分i的氣相導(dǎo)熱系數(shù)Aij組分之間的充間作用參數(shù),用LindsayandBromley方法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常數(shù)Si=1.5Tbi;Sij=Cs(SiSj)0.5非極性氣體Cs=1用MasonandSaxena方法以及忽略充間作用參數(shù)取得的結(jié)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低壓下的氣相導(dǎo)熱系數(shù)，回歸成多項(xiàng)式：0=0.0202

14、38+6.75910-5t6.46810-8t2（式17）式中:0IG-541在低壓下的氣相導(dǎo)熱系數(shù),J/s/m/Kt攝氏溫度為便于比較和利用現(xiàn)將IG541混合氣體物理性質(zhì)及相關(guān)計(jì)算公式匯總?cè)缦拢篒G541混合氣體的物理性質(zhì)ThePROPERTIESofIG541MIXTRUE名稱符號(hào)單位氬氣二氧化碳氮?dú)釯G541英文名SymbolunitARGONCarbonDioxideNitrogenInergen分子式ArCO2N2分子量MWg/mol39.94844.01028.01334.067常沸點(diǎn)TbK87.28194.777.35臨界溫度TcK150.86304.19126.1147.7臨界

15、壓力PcBar48.9873.8233.9442.39臨界比容Vccc/mol74.694.090.183.2臨界壓縮因子Zc0.2910.2740.2920.287偏心因子OM0.0000.2230.0400.039碰撞半徑A3.4233.9413.798勢(shì)能參數(shù)/KK124.9195.271.4恒壓熱容Cp,25J/mol/K20.78537.12929.12526.429恒容熱容Cv,25J/mol/K12.47028.81420.81018.115絕熱指數(shù),251.66671.2891.4001.459低壓下氣體粘度,25P224.42150.5175.52191.42偶極距Debye

16、0000IG541分子分率YMol%40852100注:正體數(shù)值是文獻(xiàn)值,斜體數(shù)值是計(jì)算值。計(jì)算方法和依據(jù)另詳。IG541的密度:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(0,1atm)1.521kg/m3,對(duì)空氣比重1.176存儲(chǔ)狀態(tài)(20,15Mpa)233.6kg/m3IG541在低壓下的粘度多項(xiàng)式:=178.86+0.5123t-0.00039t2為絕對(duì)粘度,P;t為攝氏溫度。上式適用于-10至50。IG541在低壓下的導(dǎo)熱系數(shù)多項(xiàng)式:=202.38+0.6759t6.46810-4t2為導(dǎo)熱系數(shù),W/cm/K;t為攝氏溫度。IG541在理想氣體狀態(tài)下的焓多項(xiàng)式:H0=25.648T+5.04210-4T2+1.71

17、510-6T3上式中:H0為焓,J/mol;T為絕對(duì)溫度,T=t+273.15五壓力下的性質(zhì)1P-V-T關(guān)系表征流體壓力、比容和溫度（P-V-T）關(guān)系的方程叫著狀態(tài)方程。最簡單,也是最古老的狀態(tài)方程是理想氣體狀態(tài)方程:PV=RT式中：P-壓力PaV-比容m3/molR-氣體通用常數(shù)=8.31441T-溫度K理想氣體狀態(tài)方程對(duì)常壓常溫或高溫的“永久氣體”可以使用，但是用來計(jì)算低溫高壓氣體，或是非永久氣體誤差就比較大，對(duì)于液體則完全不適用，于是，近百年來許多科學(xué)家提出了對(duì)理想氣體定律的修正，這類方程式稱為真實(shí)氣體狀態(tài)方程。真實(shí)氣體狀態(tài)方程的通式是：PV=zRT式中z的叫做壓縮因子，表示真實(shí)氣體和理

18、想氣體的差異。文獻(xiàn)上發(fā)表的真實(shí)氣體狀態(tài)方程有二百多個(gè)。其中最準(zhǔn)確的是Lee-Kesler方程，它的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：1.在很寬的溫度壓力范圍內(nèi)有良好的準(zhǔn)確度；2.既能用于氣相也能用于液相；3.對(duì)于任何非極性流體，只需要臨界溫度、臨界壓力和偏心因子三個(gè)參數(shù)便可以求解，而這三參數(shù)都是宏觀可測(cè)量的物性；4.對(duì)于混合物利用混合規(guī)則，可以像純物質(zhì)一樣，用同樣的方程式求解；5.對(duì)于混合物，不僅能求解總性質(zhì)，還能解得偏性質(zhì)，即混合物中各個(gè)組份的性質(zhì)。在Lee-Kesler方程發(fā)表前后，還有一些優(yōu)秀的狀態(tài)方程。這些方程求解比較簡單，在一定的場合可以滿足工程計(jì)算需要，但就準(zhǔn)確度而言，還是及不上Lee-Kesler方程

19、。狀態(tài)方程不僅可以用來求解流體的密度，還可以和物質(zhì)的熱性質(zhì)系數(shù)結(jié)合起來，求得在真實(shí)流體（液體和壓力下的氣體）狀態(tài)下的熱力學(xué)性質(zhì)，傳熱性質(zhì)等等，用于流體力學(xué)、化工熱力學(xué)、工程熱力學(xué)的計(jì)算。對(duì)于滅火系統(tǒng)而言，不僅管道輸送，而且孔板節(jié)流、噴嘴噴射、氣體膨脹和壓縮的精確計(jì)算度需要用到狀態(tài)方程，因此我們選用了Lee-Kesler方程設(shè)計(jì)計(jì)算IG541混合氣體滅火系統(tǒng)。Lee-Kesler狀態(tài)方程為多參數(shù)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=b1b2/Trb3/Tr2b4/Tr3（式18-1）C

20、=c1c2/Tr+c3/Tr2（式18-2）D=d1+d2/Tr（式18-3）Vr理想對(duì)比比容=Pc*V/n/R/Tc，其中V/n稱為比容Pr對(duì)比壓力=P/PcTr對(duì)比溫度=T/TrLee-Kesler狀態(tài)方程是三參數(shù)普遍化方程，只要知道物質(zhì)的臨界壓力、臨界溫度和偏心因子就能求解。但是方程中的壓縮因子z是隱函數(shù)，要用試差法求解。表四.Lee-Kesler狀態(tài)方程系數(shù)系數(shù)簡單流體參比流體系數(shù)簡單流體參比流體b10.11811930.2026579c30.00.016901b20.2657280.331511c40.0427240.041577b30.1547900.027655d11040.15

21、54880.48736b40.0303230.203488d21040.6236890.0740336c10.02367440.03133850.653921.226c20.01869840.05036180.0601670.03754Lee-Kesler狀態(tài)方程有多達(dá)七個(gè)實(shí)根，其中只有一個(gè)或兩個(gè)實(shí)根有物理意義，要用試差法求解。本文作者曾對(duì)此作過研究，具體方法可參考烴類物理化學(xué)手冊(cè)一書。IG541氣相壓縮因子CompressibilityfactorofIG541(Z)溫度-1001020304050壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18810.

22、2360.98960.99120.99260.99380.99490.99580.996620.4720.97960.98280.98570.98810.99020.99200.993630.7080.97010.97500.97920.98280.98590.98870.991040.9440.96110.96760.97320.97800.98210.98570.988951.1790.95270.96080.96780.97370.97880.98320.987161.4150.94500.95470.96290.96990.97600.98120.985771.6510.93800.9

23、4920.95860.96670.97360.97960.984881.8870.93180.94430.95490.96400.97180.97850.984392.1230.92640.94020.95190.96190.97050.97790.9843102.3590.92190.93690.94960.96040.96970.97770.9847112.5950.91830.93430.94790.95950.96950.97810.9855122.8310.91560.93260.94700.95920.96980.97890.9868133.0670.91390.93160.946

24、70.95960.97060.98020.9884143.3020.91310.93150.94710.96050.97200.98190.9905153.5380.91330.93210.94820.96200.97390.98410.9930163.7740.91440.93360.95000.96410.97630.98680.9959Lee-Kesler狀態(tài)方程要對(duì)三個(gè)流體求解：一個(gè)是需要計(jì)算的流體，即IG541，公式中用上角標(biāo)（i）表示；一個(gè)是偏心因子為0的“簡單流體”，上角標(biāo)用（0）表示；還有一個(gè)是偏心因子為0.3978的正辛烷，叫做“參比流體”，上角標(biāo)（r）。先在對(duì)象流體的操作條

25、件求得對(duì)比壓力Pr和對(duì)比溫度TrPr=P/Pcm（式19）Tr=T/Tcm（式20）從（式18）分別求得簡單流體和參比流體的Z（0）和Z（r），然后用以下公式計(jì)算對(duì)象流體的壓縮因子Z（i）=Z（0）+Z（r）-Z（0）（i）/（r）（式21）（式20）中（i）為對(duì)象流體即IG541偏心因子m，（r）為參比流體的偏心因子=0.3978。（式21）的物理意義是：流體的壓縮因子等于同對(duì)比溫度壓力下簡單流體的壓縮因子，加上和偏心因子相關(guān)的修正值。偏心因子在微觀上反映物質(zhì)分子的大小和形狀，小的球形分子如氬氣，偏心因子等于0；宏觀上偏心因子通過物質(zhì)的對(duì)比飽和蒸汽壓來計(jì)算：=-lg(PSTr=0.7/Pc)

26、1（式21-1）（式21-1）中l(wèi)g是十進(jìn)對(duì)數(shù)，PSTr=0.7是對(duì)比溫度為0.7時(shí)的飽和蒸汽壓。據(jù)此，作者曾在70年代進(jìn)行過驗(yàn)算，由表四的系數(shù)，通過Lee-Kesler方程計(jì)算出“簡單流體”和“參比流體”氣液相逸度，求得對(duì)比溫度0.7下的相平衡和飽和蒸汽壓,按照（式21-1）定義計(jì)算簡單流體和參比流體的偏心因子，分別為：簡單流體（0）=0.00529（式21-2）參比流體（r）=0.39547（式21-3）因此，作者將（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進(jìn)行的氬氣、二氧化碳和氮?dú)獾膲嚎s因子驗(yàn)算。此項(xiàng)工作的目的一是

27、驗(yàn)算Lee-Kesler方程對(duì)于IG541組份的準(zhǔn)確性；二是比較（式21）、（式21-4）何者更符合實(shí)際情況。一般在近臨界區(qū)或高壓下P-V-T計(jì)算誤差大，為此本文選擇IG-541實(shí)際運(yùn)行范圍內(nèi)的溫度和較高的壓力。驗(yàn)算結(jié)果列于下列表格。表五.氬氣壓縮因子驗(yàn)算操作條件文獻(xiàn)值（式21）（式21）（式21-4）（式21-4）壓力溫度比容壓縮因子比容誤差比容誤差BarKcc/g無因次cc/g%cc/g%1002002.96250.71172.9616-0.03072.9571-061920.88774.63450.33144.62970.22691003005.96330.95

28、515.98150.34095.97640.21971003507.19630.98797.20910.17757.20380.10411502001.81660.65461.82510.46971.82190.28981502502.98340.96012.99790.48702.99350.33831503003.94630.94803.96730.53193.96260.41181503504.81430.91134.82380.38484.82790.2820平均誤差%0.33970.2569表六.二氧化碳?jí)嚎s因子驗(yàn)算操作條件文獻(xiàn)值（式21）（式21）（式21-4）（式21-4）溫度壓

29、力比容壓縮因子比容誤差比容誤差KBarcc/mol無因次cc/mol%cc/mol%2205.9962744.80.89972772.71.01522772.91.02362308.9351882.80.87971883.30.02881883.50.003924012.8301318.80.84791315.8-0.22981315.9-0.216825017.856941.950.8092938.71-0.3437938.86-0.327926024.194682.560.7639679.37-0.4668679.50-0.447927032.034498.020.7107495.05-0

30、.5973495.16-0.574728041.595361.840.6465359.10-0.7564359.20-0.729429053.152256.250.5649253.37-1.1223253.46-1.089530067.095164.000.4411158.60-3.2955158.67-3.2500平均誤差%0.87290.8555表七.氮?dú)鈮嚎s因子驗(yàn)算操作條件文獻(xiàn)值（式21）（式21）（式21-4）（式21-4）壓力溫度壓縮因子壓縮因子誤差壓縮因子誤差BarK無因次無因次%無因次%1002000.844990.845010.00190.84392-0.12721002500

31、.958560.960200.17130.959250.07241003001.00511.006210.11001.005380.02751003501.02691.027120.02191.02639-0.05001502000.849860.850190.03920.84897-0.10471502500.971340.973880.26170.97265002561.028240.25751.02712005111.052990.17961.051980.0835平均誤差%0.13040.0936表五、六、七的第列,是國際純和應(yīng)用化學(xué)

32、學(xué)會(huì)(IUPAC)資料上提供的數(shù)據(jù);表五、六的第列數(shù)值，由第列換算而來。這些數(shù)據(jù)表明：除了二氧化碳外，Lee-Kesler方程的計(jì)算結(jié)果皆與文獻(xiàn)值十分符合；而本文作者建議的偏心因子校正式（式21-4），比原作者提出的（式21）更準(zhǔn)確。表六所列的溫度范圍，在二氧化碳的常冰點(diǎn)和臨界點(diǎn)之間，壓力為相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓，無論對(duì)實(shí)驗(yàn)還是計(jì)算都是高誤差區(qū)。二氧化碳還有一個(gè)特殊情況：在對(duì)比溫度0.7時(shí)已經(jīng)是固相，（式21-1）的引用發(fā)生了問題，因而不同文獻(xiàn)上的偏心因子值有差異。盡管物質(zhì)固相升華壓和液相的蒸汽壓函數(shù)連續(xù)，導(dǎo)數(shù)卻不連續(xù)。相比較之下用液相的蒸汽壓外推計(jì)算偏心因子要合理一點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，TheProp

33、ertiesofGasesandLiquids3rdEd一書上的Harlacher蒸汽壓方程,從二氧化碳的冰點(diǎn)到臨界點(diǎn)度很準(zhǔn)確，由此算得的偏心因子為0.223。2熱力學(xué)差值函數(shù)熱力學(xué)差值函數(shù)的定義是：真實(shí)流體的熱力學(xué)性質(zhì)和同溫度下理想氣體的熱力學(xué)函數(shù)之差。熱力學(xué)差值函數(shù)用無因次數(shù)的形式表示，通式為：g（i）=g（0）+g（r）-g（0）（i）/（r）（式22）和g相應(yīng)的恒壓熱容、熵、焓的差值函數(shù)為：（Cp-Cp0）/R，（ss0）/R，（hh0）/RTc。由（式18）求得壓縮因子代入Lee-Kesler狀態(tài)方程的差值函數(shù)表達(dá)式，求得g（r）、g（0），經(jīng)（式21）求得g（i），然后結(jié)合（式10

34、）至（式12）即可求得真實(shí)流體在指定溫度壓力下的熱力學(xué)函數(shù)。例如h=RTc（hh0）/RTc+h0=RTc（hh0）/RTc+C1T+C2T2+C3T3+C4T4（式23）IG541在不同壓力下的焓EnthalpyatpressureofIG541(J/mol)理想氣體:溫度-1001020304050ARGONi.g.5472.05679.95887.76095.66303.46511.36719.1CO2i.g.8093.68451.18813.09179.39550.19925.410305.4N2i.g.7651.17942.08233.08524.28815.49106.89398.

35、3IG541*i.g.6815.47078.37341.67605.27869.38133.88398.7壓力下氣體：溫度-1001020304050壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18810.2366714.66984.77254.47524.07793.58062.98332.320.4726613.36890.97167.47443.17718.17992.68266.630.7086511.76797.27080.77362.77643.47922.98201.740.9446410.26703.86994.57282.97569.37

36、854.28137.651.1796308.96610.96909.07203.97496.27786.38074.561.4156208.16518.76824.37125.97424.17719.58012.571.6516108.26427.56740.77049.07353.17653.87951.681.8876009.56337.66658.46973.47283.47589.47892.092.1235912.56249.36577.76899.27215.27526.47833.7102.3595817.46162.86498.66826.87148.57464.97776.8

37、112.5955724.76078.46421.66756.17083.57404.97721.4122.8315634.75996.56346.76687.47020.37346.77667.6133.0675547.85917.26274.16620.86959.07290.27615.4143.3025464.25840.86204.06556.46899.77235.57564.8153.5385384.25767.36136.66494.36842.57182.67516.0163.7745307.95697.16071.96434.66787.47131.77468.9注：*=25

38、.648*T+0.0005042*T2+1.175e-6*T3IG541在不同壓力下的內(nèi)能InternalEnergypressureofIG541J/mol理想氣體:溫度-1001020304050ARGONi.g.3284.13408.83533.53658.23782.93907.64032.3CO2i.g.5905.66180.16458.86742.07029.67321.87618.6N2i.g.5463.15670.95878.86086.86294.96503.16711.5IG541i.g.4627.54807.24987.45167.95348.85530.15711.9壓

39、力下氣體：溫度-1001020304050壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18810.2364549.44733.64917.65101.75285.85470.15654.620.4724470.04658.84847.05034.85222.35409.75596.930.7084389.34583.04775.64967.35158.35348.85538.940.9444307.34506.24703.44899.25093.95287.75480.751.1794224.34428.74630.74830.75029.15226.35

40、422.461.4154140.44350.54557.54761.94964.25164.85364.071.6514055.84271.94484.04692.84899.15103.25305.681.8873970.84192.94410.34623.74834.05041.75247.292.1233885.54113.94336.64554.74769.04980.35189.1102.3593800.44035.04263.14485.84704.34919.25131.1112.5953715.63956.54190.04417.44639.94858.45073.6122.8

41、313631.53878.64117.34349.44575.94798.05016.4133.0673548.33801.54045.44282.04512.54738.14959.6143.3023466.43725.43974.44215.34449.84678.94903.5153.5383386.03650.43904.34149.64387.84620.34847.9163.7743307.23576.93835.44084.84326.74562.44793.0IG541在不同壓力下的熵EntropyatpressureofIG541(J/mol/K)溫度-10010203040

42、50壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.1881psia.00158150.93151.91152.85153.77154.65155.51156.340.10.024128.69129.67130.62131.53132.42133.28134.110.20.047122.93123.91124.85125.77126.65127.51128.350.30.071119.56120.54121.48122.40123.28124.14124.970.40.094117.16118.14119.09120.01120.89121.75122.580

43、.50.118115.31116.29117.24118.15119.04119.89120.730.60.142113.50114.50115.47116.41117.31118.19119.030.70.165112.21113.22114.19115.13116.03116.91117.750.80.189111.10112.11113.08114.02114.92115.80116.640.90.212110.13111.13112.10113.04113.94114.82115.6610.236109.25110.26111.23112.16113.07113.94114.7920.

44、472103.19104.22105.22106.17107.10107.99108.8530.70899.51100.58101.60102.58103.52104.43105.3040.94496.8297.9198.9699.96100.92101.84102.7451.17994.6695.7896.8697.8898.8699.80100.7161.41592.8493.9995.0996.1497.1498.1099.0271.65191.2592.4493.5794.6495.6696.6397.5781.88789.8491.0692.2193.3194.3595.3496.2

45、992.12388.5689.8190.9992.1193.1794.1895.15102.35987.3988.6889.8891.0292.1093.1394.11112.59586.3187.6388.8690.0291.1292.1693.16122.83185.3086.6587.9189.0990.2191.2792.28133.06784.3685.7487.0288.2389.3690.4491.46143.30283.4884.8986.1987.4188.5789.6690.69153.53882.6584.0885.4186.6587.8288.9289.97163.77

46、481.8783.3284.6785.9387.1188.2389.29注：表列數(shù)據(jù),參照美國API采用1K，1psia,氣體狀態(tài)下的單質(zhì)為零熵基準(zhǔn),并且考慮到IG541氣體的混合熵效應(yīng)。psia=每平方英寸磅,絕對(duì)壓力。3壓力下的粘度氣體粘度隨壓力增高而增大，氣體在壓力下的粘度由下式估算：（m-m0）m=1.08exp(1.439Prm)-exp(-1.111rm1.856)（式24）式中：m高壓下氣體的粘度，pm0低壓下氣體的粘度，Prm虛擬對(duì)比密度=m/cmm為操作條件下混合氣體的密度=n/Vcm為混合氣體的臨界密度m=Tcm1/6/（Mm1/2Pcm2/3）為物性參數(shù)由Lee-Kesl

47、er狀態(tài)方程求得的Vr計(jì)算出m，并由（式15）求得IG-541在低壓下的粘度，結(jié)合（式24）和IG-541的物性常數(shù)即可求得壓力下的粘度。IG541在不同壓力下的粘度ViscosityatpressureofIG541(P)=0。03245低壓氣體:溫度-1001020304050ARGONi.g.202.17208.53214.80220.96227.04233.02238.92CO2i.g.134.31139.15143.92148.64153.29157.89162.43N2i.g.160.91165.36169.74174.04178.27182.44186.54IG541i.g.17

48、3.68178.85183.94188.95193.88198.73203.51IG541*i.g.173.70178.86183.94188.95193.88198.73203.50注：i.g.=理想氣體IdeaGas壓力下氣體：溫度-1001020304050壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18810.236175.68180.76185.77190.71195.57200.36205.0820.472177.95182.93187.84192.69197.47202.19206.8430.708180.52185.36190.15194.

49、88199.57204.19208.7640.944183.39188.06192.69197.30201.86206.38210.8551.179186.57191.03195.48199.92204.35208.74213.0961.415190.06194.27198.51202.76207.02211.27215.5071.651193.86197.78201.77205.81209.89213.97218.0581.887197.98201.55205.27209.07212.94216.84220.7692.123202.39205.59208.99212.52216.16219.

50、86223.61102.359207.10209.88212.93216.17219.56223.04226.59112.595212.09214.41217.08220.00223.11226.36229.71122.831217.35219.17221.43224.01226.83229.82232.96133.067222.86224.14225.96228.17230.68233.42236.32143.302228.59229.31230.67232.50234.68237.13239.79153.538234.53234.66235.53236.96238.80240.96243.

51、36163.774240.65240.18240.55241.55243.04244.90247.04注：*=178.86+.5123*t-.00039*t*t4壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力增高而增大，氣體在壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)由下式估算：rm0.5（m-m0）Zc5=14.010-8exp(0.535rm)-10.5rm2（m-m0）Zc5=13.110-8exp(0.67rm)-1.069（式24）式中：m高壓下氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，J/s/m/Km0低壓下氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，J/s/m/Krm虛擬對(duì)比密度=m/cm=Tcm1/6Mm1/2/Pcm2/3為物性參數(shù),其中Pcm的單位是大氣壓。IG541

52、在不同壓力下的導(dǎo)熱系數(shù)ThermalConductivityatpressureofIG541W/cm/KZc5=0.00227溫度-1001020304050壓力MPaPrTr1.7821.8491.9171.9852.0522.1202.18800.000195.56202.38209.07215.64222.07228.38234.5610.236200.91207.53214.03220.42226.69232.84238.8820.472206.48212.86219.15225.34231.43237.42243.3030.708212.29218.40224.44230.4123

53、6.30242.10247.8140.944218.32224.13229.90235.62241.29246.89252.4251.179224.59230.05235.52240.97246.40251.79257.1161.415231.08236.16241.29246.46251.63256.78261.9071.651237.80242.45247.22252.07256.96261.86266.7681.887244.73248.92253.30257.80262.40267.03271.7092.123251.87255.55259.51263.65267.93272.2927

54、6.70102.359259.18262.34265.84269.60273.54277.61281.77112.595266.67269.26272.29275.65279.24283.01286.90122.831274.29276.30278.84281.77285.01288.46292.07133.067284.24284.24285.47287.97290.83293.96297.29143.302294.15293.32293.49294.23296.71299.51302.54153.538304.21302.53301.99302.32303.29305.08307.8316

55、3.774314.36311.84310.59310.31310.77311.81313.13注：*=202.38+.6759*t-6.468E-04*t2六.管道輸送壓力降IG-541滅火系統(tǒng)輸氣屬于“可壓縮流體輸送”，其輸送阻力計(jì)算方式分為：圖表、經(jīng)驗(yàn)公式、理論公式三類。圖表和經(jīng)驗(yàn)公式很多，大多針對(duì)特定的系統(tǒng)，并隱含了管壁粗糙度等影響輸送阻力的因素，比較簡便，適合手工計(jì)算。一般說來較新的方法求得的壓力降較小，這是因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步以及近代管道的內(nèi)壁比較為光滑的緣故。從理論推導(dǎo)的公式嚴(yán)謹(jǐn)，適合各種參數(shù)變化的場合，但是求解復(fù)雜，而且文獻(xiàn)上介紹的公式并不完全一致。本課題參考了多份資料，并經(jīng)過理論推導(dǎo)，

56、確認(rèn)以下公式適合于水平管道的壓力降計(jì)算。P12-P22=ZRmTG2fL/D+2ln（P1/P2）（式25）式中：P壓力，PaZ氣體壓縮因子，無因次Rm用重量表達(dá)的氣體通用常數(shù)=1000R/MmT絕對(duì)溫度，KG重量流率，kg/m2/sf摩擦系數(shù)，無因次L從1到2的管段長度，mD管內(nèi)徑，m下標(biāo)：1管段入口2管段出口（式25）和“EncyclopediaofChemicalProcessingandDesign”Vol22，p241（1985）上的公式一致，只是摩擦系數(shù)的單位不一樣。式中fL/D部分為摩擦阻力項(xiàng)，2ln（P1/P2）部分為氣體動(dòng)能項(xiàng)。在長距離輸送時(shí)氣體動(dòng)能項(xiàng)通常予以忽略，可是滅火系

57、統(tǒng)的管道短，氣體動(dòng)能的變化仍需考慮。流體流動(dòng)的摩擦系數(shù)f是雷諾數(shù)Re和管壁相對(duì)粗糙度的函數(shù),按雷諾數(shù)的范圍分段確定。IG-541的流動(dòng)條件在Re4000的紊流區(qū)，摩擦系數(shù)適用Colebrook式1/f0.5=-2loge/（3.7D）+2.512/Re/f0.5=-0.868589lne/（3.7D）+2.512/Re/f0.5（式26）式中：e管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度，mD管內(nèi)徑，m；e/D稱為相對(duì)粗糙度Colebrook式中的f為隱函數(shù)，求解不便，因此后來有許多學(xué)者提出了各種顯函數(shù)式，經(jīng)驗(yàn)算以下公式與Colebrook式較為符合：f=-1.325/ln（e/3.7/D）+5.75/Re0.92（式

58、27）Colebrook式經(jīng)過很多人的檢驗(yàn)，已經(jīng)被公認(rèn)。因而在計(jì)算時(shí)采用（式27）求得f初值，然后代入（式26）計(jì)算。氣體的雷諾數(shù)表達(dá)為Re=Du/（式28）式中：u氣體流動(dòng)的線速度，m/s氣體密度，kg/m3氣體粘度，Pas=m/107由于所研究對(duì)象是開口系統(tǒng)，且與大氣相通，所以如果管道不是水平安裝，或者不在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)水平面上，則還要加上位能修正項(xiàng)：P21=gc（Z1-Z2）（m-AIR）（式29）式中：P21由位能和空氣浮力產(chǎn)生的附加壓差，Pagc重力加速度=9.80665m/s2Z1,Z2管段進(jìn)出口標(biāo)高，mAIR環(huán)境大氣密度kg/m3=Pu/RAIR/TRAIR=1000R/28.964其

59、中Pu是防護(hù)區(qū)環(huán)境壓力,不是管內(nèi)壓力。該項(xiàng)對(duì)于管內(nèi)壓力損失的影響是微乎其微的。七管道熱平衡流動(dòng)系統(tǒng)的能量平衡通式是:(h2-h1)+(u22-u12)/2+gc(H2-H1)=qws（式30）就IG541滅火系統(tǒng)的具體情況而言,軸功ws=0，于是（式30）簡化成:(h2-h1)+(u22-u12)/2+g(H2-H1)=q（式31）在等溫條件下按求得（式25）求得出口壓力即可算出出口流體的h2，u2,再由（式31）計(jì)算出系統(tǒng)從環(huán)境吸收的熱量qJ/kg。消防管道的實(shí)際情況是既非等溫又非絕熱，所以實(shí)際的出口狀態(tài)參數(shù)界于等溫與絕熱之間。消防管道并不保溫，其外部傳熱受風(fēng)速限制，按王紹周所著管道工程設(shè)計(jì)

60、施工與維修一書推薦，無風(fēng)的情況下大氣與管壁的傳熱系數(shù)為4250kJ/m2/h，經(jīng)單位換算和乘以圓周率之后為36.6543.63取下限，便可得到環(huán)境向管壁的傳熱量為：Q1=36.65DOL（TuTw）（式32）式中：Q1環(huán)境向管壁的傳熱量，J/sDO管外徑，mL管段長度，mTw管外壁溫度，KTu環(huán)境溫度，KIG-541的噴射屬于不穩(wěn)定過程，起初管壁的溫度和環(huán)境相等，管內(nèi)流體首先向管壁吸熱,致使管壁溫度下降。鋼管降溫放熱量與管壁溫度降之間的關(guān)系為：Q2=449（DO2D2）/4L7800Tw=275019（DO2D2）LTw（式33）式中：Q2管壁向流體的傳熱量，JD管內(nèi)徑，mTw管壁溫度的變化，