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七氟丙烷設(shè)計中防護(hù)區(qū)開瀉壓口的必要性
簡介: 通過對《某單位危險品倉庫七氟丙烷
關(guān)鍵字:七氟丙烷滅火系統(tǒng) 泄壓口 理想氣體狀態(tài)方程 道爾頓定律
先前看到《消防技術(shù)與產(chǎn)品信息》2003年第3期一篇題為《某單位危險品倉庫七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計的幾點體會》的文章,我認(rèn)為其中的防護(hù)區(qū)壓強(qiáng)的計算方法不妥;后又看到第9期也有一篇題為《對七氟丙烷氣體消防防護(hù)區(qū)泄壓口計算的商榷》文章對其提出質(zhì)疑,但我覺得前者還有一些根本性的錯誤后者沒有提到,而且后者有一些觀點我認(rèn)為也值得商榷,故認(rèn)為有必要對此問題再深入分析計算,希望對大家在具體工程設(shè)計中能夠起到參考作用。
1 氣瓶里七氟丙烷不是以氣態(tài)儲存的
從第3期作者把滅火劑總量W=560ke除以氣瓶充裝密度P=614.7 kg/m3,得出氣瓶內(nèi)氣相容積Vt=0.911m3并直接代人后面的計算公式中可看出,作者誤以為七氟丙烷在氣瓶里是氣態(tài)儲存的,從而導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)嚴(yán)重偏差(這一點第9期作者并未提到)。
由于七氟丙烷在20℃時的蒸氣壓僅為0.391MPa(絕壓),因此它充裝到氣瓶里只需很低的壓力就可保持液態(tài),但由于它的蒸氣壓太低,靠它自身的蒸氣壓不可能使它快速地從系統(tǒng)中輸送到防護(hù)區(qū),為此在氣瓶中充裝足夠重量的七氟丙烷滅火劑后,另外充進(jìn)干燥的氮氣加壓到2.5MPa或4.2MPa。因此在氣瓶里儲存的主要是液相的七氟丙烷和氣相的氮氣,另有少量溶解于七氟丙烷中的氮氣和揮發(fā)在氮氣中的七氟丙烷蒸氣(后兩者基本可忽略)。
2 采用理想氣體狀態(tài)方程定溫狀態(tài)下的簡化式P·V=C對混合氣體進(jìn)行計算
在計算方法上,第9期作者在“存在的問題”中3.1“V氣的容積是對應(yīng)儲存氣壓2580kPa時的容積,而不是噴口壓力1151 kPa的容積”的這個觀點是正確的,但對3.3條提到的“P·V=C是理想氣體狀態(tài)方程P·V/T·R=C在定溫狀態(tài)下的簡化式,由于不同氣體的氣體常數(shù)R不同,防護(hù)區(qū)是氣體滅火劑與空氣的混合氣體,故不應(yīng)套用該簡化公式計算”這一觀點我認(rèn)為值得商榷。
其實P·V/T·R=C這一公式首先是由P·V/T·Rm=C為涉及氣體質(zhì)量計算而推導(dǎo)出來的,后者才是原本的理想氣體狀態(tài)方程。前者中R=Rm/M,為每kg理想氣體的氣體常數(shù),隨氣體的分子量變化而變化,M為每千摩爾氣體質(zhì)量,而Rm是每千摩爾理想氣體的氣體常數(shù),稱為通用氣體常數(shù),也稱普適氣體恒量,不會隨氣體的分子量變化而改變。也就是說,只要不需用該方程計算涉及氣體質(zhì)量的問題,都可用后者的簡化式P·V=C來計算各種氣體包括混合氣體壓力和體積的變化。
3 要求出防護(hù)區(qū)內(nèi)壓,只需計算新增氣體的分壓
至于第9期作者在“存在的問題”中3.2條“理想氣體狀態(tài)方程的計算壓力應(yīng)以絕對壓力計算,但所得結(jié)果應(yīng)大于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”中的前半點我是認(rèn)同的(但無證據(jù)顯示第3期作者不是采用絕壓來計算),但對后半點我認(rèn)為應(yīng)看具體計算方式而定。按作者的本意應(yīng)該是認(rèn)為在理想氣體狀態(tài)方程中,應(yīng)把原防護(hù)區(qū)中空氣的量加上噴放后增加的氣體的量,求出混合后防護(hù)區(qū)的絕對壓力且其數(shù)值應(yīng)大于一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。這計算方法本沒有錯誤,但在該條件下會使計算過程復(fù)雜化。
由于理想氣體混合物各組成分子間沒有內(nèi)聚力作用且分子體積可以不計,各組成氣體的分子間互相不影響各自行為。根據(jù)道爾頓定律:“理想氣體混合物的壓力等于各組成氣體分壓力的總和”。因為防護(hù)區(qū)原來的表壓為零,因此只需計算出氮氣和藥劑噴放到防護(hù)區(qū)分散、氣化后的氣體分壓之和即為全封閉條件下防護(hù)區(qū)受的內(nèi)壓壓強(qiáng),從而大大簡化了計算過程。
4 藥劑噴放后防護(hù)區(qū)理論內(nèi)壓壓強(qiáng)的合理計算
藥劑噴放后對防護(hù)區(qū)的增壓應(yīng)主要計算氣態(tài)的氮氣膨脹和液態(tài)的七氟丙烷氣化兩方面。
仍以第3期的油漆庫為例:
氣瓶總?cè)莘eV瓶=0.911m3;氣瓶表壓Pt=2500kPa(原Pt=2580kPa可能是絕壓,現(xiàn)取20C時的標(biāo)準(zhǔn)充裝壓力);藥劑量Ⅳ=560 kg;防護(hù)區(qū)體積V防=835.2 m3。
4.1 計算防護(hù)區(qū)中氮氣的分壓
4.1.1 先算出氣瓶內(nèi)液相容積和氣相容積
DBJ 15—23—1999中已給出七氟丙烷20C時的液體密度r=1407 kg/m3
V液=W/r=560/1407=0.398 m3
Vt=V瓶一V液=0.911-0.398=0.513 m3
4.1.2 用理想氣體狀態(tài)方程在定溫狀態(tài)下的簡化式計算防護(hù)區(qū)中新增的氮氣分壓
由于氣瓶中還留有1 bar絕壓的氮氣,原液相部分容積可近似認(rèn)為是被七氟丙烷蒸氣填充,故噴放到防護(hù)區(qū)那部分氮氣的絕壓基本等于原氣瓶表壓。
P氣·V氣=P氮·V防
P氮=2500X0.513/835.2=1.54 kPa
4.2 計算防護(hù)區(qū)中七氟丙烷汽化后的分壓
4.2.1 先算出七氟丙烷汽化后在常壓下的體積:
由DBJ 15—23—1999中S=K1+K2T可算出七氟丙烷20℃常壓下過熱蒸氣比容為0.1373m3/kg。
V藥=W·S=560X0.1373=76.89 m3
4.2.2 算出防護(hù)區(qū)中七氟丙烷汽化后的分壓
P?!藥=P藥·V防
P藥=101X 76.89/835.2=9.30 kPa
4.3 防護(hù)區(qū)中新增氮氣和七氟丙烷蒸氣分壓之和為
P氮+P藥=10.84 kPa
必須考慮到七氟丙烷汽化要吸收大量的熱量,會使防護(hù)區(qū)溫度明顯下降,從而抵消了一部分壓強(qiáng),從DBJl5—23—1999中規(guī)定“防護(hù)區(qū)的最低環(huán)境溫度不應(yīng)低于-10℃(條文說明中解釋:是依據(jù)七氟丙烷的沸點,以保證七氟丙烷噴放到防護(hù)區(qū)后能迅速汽化的要求)以及七氟丙烷在常壓下的沸點-16.4℃可推測出:七氟丙烷汽化后防護(hù)區(qū)平均溫度下降不應(yīng)大于6℃。用理想氣體狀態(tài)方程在定容狀態(tài)下的簡化式P/T=C可算出溫度下降導(dǎo)致的最大可能壓降P溫=2.29kPa(具體計算過程不再列出)。最后得出全封閉條件下防護(hù)區(qū)的內(nèi)壓壓強(qiáng)最小值
P防=P氮+P藥一P溫=8.55 kPa。
由于我未能得到七氟丙烷氣化潛熱的數(shù)據(jù),導(dǎo)致以上的計算不很精確,但應(yīng)與實際比較接近。
通過以上計算得出,系統(tǒng)噴放后,油漆庫受的內(nèi)壓壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的最低允許壓強(qiáng),應(yīng)設(shè)泄壓口或者設(shè)不上鎖的可外開彈簧門或設(shè)彈性閉門器的外開門。
5 對開泄壓口的建議
由以上的計算數(shù)據(jù)可看出:對防護(hù)區(qū)內(nèi)壓影響最明顯的是七氟丙烷蒸氣分壓P藥,P氮和P溫由于互相抵消后數(shù)值很小,在粗略的計算中可不用考慮。由于P藥與實際滅火濃度成正比,所以實際滅火濃度大小決定了防護(hù)區(qū)內(nèi)壓的高低(高原、高山地區(qū)還應(yīng)乘以海撥高度修正系數(shù)K)。而七氟丙烷在通常的應(yīng)用中滅火濃度在8%以上,與上例中的8.3%差不多,故通常P防都應(yīng)大于8 kPa,遠(yuǎn)超出NFPA—12A中規(guī)定的各種建筑物的最低允許壓強(qiáng),且這突然增高的壓力會嚴(yán)重危害未能及時疏散人員的安全,另外DBJ 15-23-1999中規(guī)定的七氟丙烷設(shè)計用量已包含了從泄壓口的流失,只要泄壓口按規(guī)范設(shè)置就不需增加。故建議除有特殊要求通過計算能保證安全的場合,所有采用七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)保護(hù)的防護(hù)區(qū)都應(yīng)設(shè)泄壓口或者設(shè)不上鎖的可外開彈簧門或設(shè)彈性閉門器的外開門。
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