8.2 管道水力计算

8.2 管道水力计算

8.2.1 系统管道输送介质的流速应符合下列规定:
    1 储罐区泡沫灭火系统水和泡沫混合液流速不宜大于3m/s;
    2 液下喷射泡沫喷射管前的泡沫管道内的泡沫流速宜为3m/s~9m/s;
    3 泡沫-水喷淋系统、泡沫喷雾系统、中倍数与高倍数泡沫灭火系统的水和泡沫混合液在主管道内的流速不宜大于5m/s,在支管道内的流速不应大于10m/s;
    4 泡沫液流速不宜大于5m/s。
8.2.2 系统水管道和泡沫混合液管道的沿程阻力损失应按下列公式计算:
    1 当采用普通钢管时,应按下式计算:

系统水管道和泡沫混合液管道的沿程阻力损失,当采用普通钢管时,计算公式
    式中:i——管道的单位长度水头损失 (MPa/m);
              V
——管道内水或泡沫混合液的平均流速(m/s);
              
dj——管道的计算内径(m)。
    2 当采用不锈钢管或铜管时,应按下式计算:
系统水管道和泡沫混合液管道的沿程阻力损失,当采用不锈钢管或铜管时j计算公式
    式中:i——管道的单位长度水头损失(kPa/m);
             
dj——管道的计算内径(m);
             
qg——给水设计流量(m³/s);
             
Ch——海澄-威廉系数,铜管、不锈钢管取130。
8.2.3 水管道与泡沫混合液管道的局部水头损失宜采用当量长度法计算。
8.2.4 泡沫消防水泵的扬程或系统入口的供给压力应按下式计算:
泡沫消防水泵的扬程或系统入口的供给压力计算公式
    式中:H——泡沫消防水泵的扬程或系统入口的供给压力(MPa);
                Σh——管道沿程和局部水头损失的累计值(MPa);
              
P0——最不利点处泡沫产生装置或泡沫喷射装置的工作压力(MPa);
              
hz——最不利点处泡沫产生装置或泡沫喷射装置与消防水池的最低水位或系统水平供水引入管中心线之间的静压差(MPa)。
8.2.5 液下喷射系统中泡沫管道的水力计算应符合下列规定:
    1 泡沫管道的压力损失可按下式计算:
泡沫管道的压力损失计算公式
    式中:h——每10m泡沫管道的压力损失(Pa/10m);
              C
——管道压力损失系数;
              
Qp——泡沫流量(L/s)。
    2 发泡倍数宜按3计算。
    3 管道压力损失系数可按表8.2.5-1取值。
表8.2.5-1 管道压力损失系数
    4 泡沫管道上的阀门和部分管件的当量长度可按表8.2.5-2确定。
表8.2.5-1 管道压力损失系数
8.2.6 泡沫液管道的压力损失计算宜采用达西公式。确定雷诺数时,应采用泡沫液的实际密度;泡沫液黏度应为最低储存温度下的黏度。

条文说明

8.2.1 本条参照美国消防协会标准《低倍数、中倍数、高倍数泡沫灭火系统标准》NFPA11、英国标准《泡沫灭火系统标准》BS5306 Part6及现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084规定了泡沫灭火系统管道内的水、泡沫混合液流速和泡沫的流速。
    液下喷射灭火系统管道内的泡沫是一种物理性质很不稳定的流体,某些泡沫的25%析液时间约2min~3min,如其在管道内的流速过小、流动时间过长,势必造成部分液体析出,影响泡沫的灭火效果。因此,在液下喷射系统设计中,在压力损失允许的情况下应尽量提高泡沫管道内的泡沫流速。较高的泡沫流速,有利于泡沫在流动中的搅拌、混合,减少泡沫流动中的析液。
8.2.2 由于泡沫混合液中水的成分占96%以上,有的高达99%以上,它具有水流体特点,所以在水力计算时,泡沫混合液可按水对待。
    式(8.2.2-1)为舍维列夫公式。1953年,舍维列夫根据其对旧铸铁管和旧钢管所进行的实验提出了该经验公式。因此,该公式主要适用于旧铸铁管和旧钢管。
    式(8.2.2-2)为海澄-威廉公式。欧、美、日等国家或地区一般采用海澄-威廉公式,如英国标准《自动喷水灭火系统安装规则》BS5306、美国消防协会标准《自动喷水灭火系统安装标准》NFPA13、日本标准《自动消防灭火设备规则》。我国现行国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015、《室外给水设计规范》GB50013也采用该公式。
    为便于比较两个计算式计算结果之差异,将式(8.2.2-1)除以式(8.2.2-2),所得结果见式(1)。
    对于普通钢管,取 C=100,所得结果见式(2)。
系统水管道和泡沫混合液管道的沿程阻力损失,当采用普通钢管时,计算公式
   对于铜管和不锈钢管,取 C=130 ,所得结果见式。(3)
    结合本标准规定,对管径为0.025m~0.2m,流速为2.5m/s~10m/s的情况,计算得(参见图7):对于普通钢管,k介于1.1292~1.8217之间;对于铜管和不锈钢管,k2介于1.8347~2.9600之间。
图7 水力计算公式对比
    当系统采用普通钢管时,两个公式的计算结果相差不是很大,考虑到普通钢管在使用过程中由于老化和腐蚀会使内壁的粗糙度增大,进而会增大沿程水头损失。因此,宜采用计算结果比较保守的式(8.2.2-1)计算。当系统采用铜管或不锈钢管时,式(8.2.2-1)的计算结果要远大于式(8.2.2-2),若此时还用式(8.2.2-1)进行计算,势必会造成不必要的经济浪费,而且,对于不锈钢管和铜管,在使用过程中内壁粗糙度增大的情况并不十分明显,因此,宜用式(8.2.2-2)进行计算。
8.2.3 局部水头损失的计算,英、美、日、德等国家的标准均采用当量长度法。目前,现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084、《水喷雾灭火系统技术规范》GB50219、《建筑给水排水设计规范》GB50015等亦采用当量长度法,本标准和其他标准保持一致。
    有关当量长度的取值,表7综合了现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084的有关规定和《水喷雾灭火系统技术规范》GB50219条文说明的数据。
图7 局部水头损失当量长度表( m)
    注:表中过滤器当量长度的取值,由生产商提供;当异径接头的出口直径不变而入口直径提高1级时,其当量长度应增大50%;提高2级或2级以上时,其当量长度应增大1倍。
8.2.4 本条规定了水泵的扬程或系统入口的供给压力计算方法。
    现行国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》GB50084规定一些主要部件的局部水头损失可直接取值,其规定当报警阀的局部水头损失无相关数据时,湿式报警阀取值0.04MPa、干式报警阀取值0.02MPa、预作用装置取值0.08MPa、雨淋报警阀取值0.07MPa、水流指示器取值0.02MPa。
8.2.5 本条对泡沫管道的水力计算做了规定,其中第1款的泡沫管道压力损失计算式和第3款的压力损失系数是根据国内的试验和美国消防协会标准《低倍数、中倍数、高倍数泡沫灭火系统标准》NFPA11中的泡沫管道水力计算对数曲线推导而来。液下喷射的泡沫倍数一般控制在3左右,为了便于计算,圆整为3。泡沫管道上的阀门、部分管件的当量长度是参照美国的相关文献而定的。
8.2.6 达西公式是计算不可压缩液体水头损失的基本公式,因此建议采用。达西公式见式(4)。
达西公式
    式中: Pm——摩擦阻力损失( MPa);
                 f——摩擦系数;
                 L一一管道长度( m);
               
ρ一一液体密度(kg/m³);
                Q
一一流量( L/min);
                 d一一管道直径(mm)。
    摩擦系数f需要根据雷诺数查莫迪图得到。雷诺数可按式(5)进行计算。美国消防协会标准《泡沫-水喷淋与泡沫-水喷雾系统安装标准》NFPA 16 给出的莫迪图见图8和图9。
    式中: Re——雷诺数;
               
μ——绝对动力黏度(cP)。
图8 钢管莫迪图(Re≤105)
图9 钢管莫迪图(Re≤105)

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