惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法

摘要

本发明涉及一种惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法，其步骤如下：(1)将静压、动压或总压传感器以及温度传感器安装在喷嘴上游管道同一截面，测量该截面位置处的静压、动压或总压以及温度值；(2)测量计算测压点管道截面积和喷嘴出口面积；(3)将测出的静压、动压或总压、温度、测压点管道截面积和喷嘴出口面积值代入喷嘴喷出气体的流量计算公式：

说明书

技术领域

本发明涉及测定惰性气体灭火系统的方法，特别涉及一种惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法。

背景技术

惰性气体灭火系统喷嘴流量特性是描述喷嘴在喷射过程中气体喷射率与喷嘴静压力之间的关系。目前，喷嘴流量特性的测量主要是通过测量喷嘴入口处的静压力和钢瓶内惰性气体的质量变化量来计算喷嘴的流量特性。使用该方法，主要测定两个参数，一是测量喷嘴入口处的静压力，另一个是通过称重法测量钢瓶内的气体质量，从而得到喷嘴喷出气体的质量，再通过质量变化量求解出质量流量。由于惰性气体灭火系统喷射是一种高压高速非稳态的流动状况，应用该方法测量质量，测量过程存在相对的滞后性，且测量精度存在不足。

称重法测量钢瓶内的气体流量的原理：启动秤重台上的灭火剂钢瓶后，灭火剂钢瓶容器阀被开启，气体灭火剂通过连接管道流向喷嘴，再释放到保护空间中。当灭火剂从钢瓶喷出后，钢瓶内灭火剂的质量发生变化，初始时处于平衡状态的秤重台不再维持原来的平衡状态，随着灭火药剂的不断喷放，平衡台一端不断下沉，荷重传感器将喷放灭火剂的质量信号传输给计算机。喷嘴处安装的压力传感器将气体在管道中的压力信号也传输给计算机，计算机将采集到的质量数据和压力数据进行处理，得出喷嘴的流量曲线。但是由于输送管路的存在，荷重传感器和压力传感器采集的数据具有不同步性，所以数据存在相对的滞后性。由于两个传感器测量的数据不是瞬时的同步数据，因此，测量结果的精度也受到相应的影响，同时测量装置以及测量程序较为复杂。

发明内容

为了克服现有测量方法的不足，本发明提供一种新的测量惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的方法，该方法将通过称重法得到的喷嘴喷射流量改为通过测量管道静压、动压(或总压)以及温度值，并通过推导出的计算公式得到喷嘴流量，进而计算出喷嘴的喷射率。不仅简化了测量装置，而且提高了测量精度。

惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、将静压、动压或总压传感器以及温度传感器安装在喷嘴上游管道同一截面，测量该截面位置处的静压、动压或总压以及温度值；

(2)、测量计算测压点管道截面积和喷嘴出口面积；

(3)、将测出的静压值、动压或总压值、温度值、测压点管道截面积值和喷嘴出口面积值代入喷嘴喷出气体的流量计算公式：

$Q=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s·P_d}{\mathrm{RT}}}$①或$Q=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s(P_0-P_s)}{\mathrm{RT}}}$②

计算出Q值；其中：Q——喷嘴喷出气体的质量流量kg/s；A₀——喷嘴测压点管道截面面积m²；A₁——喷嘴出口面积m²；P_s——测量点同一截面处气体喷射的静压力Pa；P_d——测量点同一截面处气体喷射的动压力Pa；P₀——测量点同一截面处气体喷射的总压力Pa；T——测量点同一截面处气体绝热温度K；R——理想气体常数J/(mol·K)；

(4)、将计算出的喷嘴喷出气体的流量Q值再代入喷嘴的喷射率计算公式：

$\Phi =\frac{Q}{A_1}$③

计算出φ值；其中：φ——喷嘴的喷射率kg/(s·m²)；

(5)、通过数据处理方法将喷嘴在不同喷射静压力下的喷射率绘制成流量特性曲线。

本发明所产生的有益效果是：采用本方法，简化了惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量装置和测量程序，缩短了测量时间，提高了测量工作效率，同时避免了在测量过程中产生机械误差，提高了测量精度。

具体实施方式

以下对本发明作进一步说明：一种惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法包括如下步骤：

(1)、将静压、动压或总压传感器以及温度传感器安装在喷嘴上游管道同一截面，测量该截面位置处的静压、动压或总压以及温度值；

(2)、测量计算测压点管道截面积和喷嘴出口面积；

(3)、将测出的静压值、动压或总压值、温度值、测压点管道截面积值和喷嘴出口面积值代入喷嘴喷出气体的流量计算公式：

$Q=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s·P_d}{\mathrm{RT}}}$①或$Q=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s(P_0-P_s)}{\mathrm{RT}}}$②

计算出Q值；公式①用于采用静压、动压传感器进行测量计算；公式②用于采用静压、总压传感器进行测量计算；其中：Q——喷嘴喷出气体的流量kg/s；A₀——喷嘴测压点管道截面面积m²；A₁——喷嘴出口面积m²；P_s——测量点同一截面处气体喷射的静压力Pa；Pd——测量点同一截面处气体喷射的动压力Pa；P₀——测量点同一截面处气体喷射的总压力Pa；T——测量点同一截面处气体绝热温度K；R——理想气体常数J/(mol·K)；

(4)、将计算出的喷嘴喷出气体的流量Q值再代入喷嘴的喷射率计算公式：

$\Phi =\frac{Q}{A_1}$③

计算出φ值；其中：φ——喷嘴的喷射率kg/(s·m²)；

(5)、已知计算出的φ值和测出喷嘴同一截面处气体的静压力Ps值，即可找出喷嘴在气体不同喷射静压力P_s下与喷射率φ的关系，通过数据处理方法将喷嘴在气体不同喷射静压力下的喷射率绘制成流量特性曲线。

喷嘴喷出气体的流量计算公式①②的推导过程如下：

依据惰性气体灭火系统喷嘴流量系数的计算公式：

$G=\frac{Q}{A_1·\sqrt{2\rho P_s}}---\left(1\right)$

其中：G——喷嘴流量系数；Q——喷嘴喷出气体的流量kg/s；A₁——喷嘴出口面积m²；ρ——喷嘴测压点气体密度kg/m³；Ps——喷嘴测量点处气体静压力Pa；

已知公式中Q＝ρ·u·A₀    (2)

其中：u——喷嘴测量点气体流向速度m/s； A₀——喷嘴测量点管道截面面积m²；将公式(2)代入公式(1)，得：

$G=\frac{Q}{A_1·\sqrt{2\rho P_s}}=\frac{\rho ·u·A_0}{A_1\sqrt{2\rho ·P_s}}=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{1/2·\rho ·u^2}{P_s}}---\left(3\right)$

公式(3)中，已知为测量点同一截面处气体的动压P_d。因此，公式(3)简化为：

$G=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{1/2·\rho ·u^2}{P_s}}=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{P_d}{P_s}}---\left(4\right)$

又因P_d+P_s＝P₀，P₀为测量点同一截面处气体的总压力，公式(4)还可以变形为：

$G=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{P_d}{P_s}}=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{P_0-P_s}{P_s}}=\frac{A_0}{A_1}·\sqrt{\frac{P_0}{P_s}-1}---\left(5\right)$

由公式(5)可以看出，只需测量喷嘴上游管道内气体总压P₀、静压P_s、测压点管道截面面积A₀和喷嘴出口面积A₁即可计算喷嘴流量系数。

通过将公式(1)变形可得：$Q=G·A·\sqrt{2\rho ·P_s}---\left(6\right)$

又因理想气体状态方程：P_s＝ρRT    (7)

其中：R——理想气体常数，R＝8.31，J/(mol·K)；T——气体绝热温度，K。

将公式(7)代入公式(6)中，可得：

$Q=G·A·P_s\sqrt{\frac{2}{\mathrm{RT}}}---\left(8\right)$

将公式(5)代入公式(8)中，可得：

$Q=G·A·P_s\sqrt{\frac{2}{\mathrm{RT}}}=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s·P_d}{\mathrm{RT}}}=\frac{A_0^2}{A_1}\sqrt{\frac{2P_s(P_0-P_s)}{\mathrm{RT}}}---\left(9\right)$

公式(9)既是本方法步骤(3)中的喷嘴喷出气体的流量计算公式①②的原公式。由公式(9)可知，测出喷嘴入口处的静压力P_s、总压力P₀或动压力P_d、气体温度T、喷嘴测压点管道截面面积A₀、喷嘴出口面积A₁，就可以计算喷嘴喷出气体的流量Q，再通过流量Q，就可以求解出喷嘴的喷射率φ，如公式(10)所示。

$\Phi =\frac{Q}{A_1}$(10)

其中：φ——喷嘴的喷射率，kg/(s·m²)。

喷嘴的流量特性就是描述喷嘴在不同喷射压力P_s下与喷射率φ的关系。通过数据处理方法将喷嘴在不同压力下的喷射率绘制成一条曲线，该曲线称之为流量特性曲线。

因此，本发明中提出的惰性气体灭火系统喷嘴流量特性的测量方法即为：采用响应快、精度高的静压、动压(或总压)传感器以及温度传感器，安装在喷嘴上游管道同一截面，测量该截面处的静压、动压(或总压)和温度值。此外，还要测量测压点管道截面积和喷嘴出口面积。通过公式(5)、公式(9)和公式(10)计算得到惰性气体灭火系统喷嘴的流量系数、对应不同管道压力的喷嘴流量和喷嘴喷射率，从而得到惰性气体灭火系统的喷嘴流量特性曲线。