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建筑消防给水和自喷灭火系统中的洒水喷头及流量系数分析

时间:2023-10-08 理论教育 版权反馈
【摘要】:不安装释放机构而使喷口处于“常开”状态的洒水喷头,称为开式洒水喷头。表15洒水喷头流量系数注:流量系数K的英制单位为gpm/pai0.5。在《自喷系统设计规范》中,此类洒水喷头被称为“扩展覆盖喷头”。

建筑消防给水和自喷灭火系统中的洒水喷头及流量系数分析

1.洒水喷头分类

洒水喷头是自喷系统的出水组件,有闭式洒水喷头和开式洒水喷头两种类型。

闭式洒水喷头由框架、溅水盘和释放机构等零部件组成,此类喷头的常态是喷口被释放机构封闭,使喷头处于“常闭”状态。不安装释放机构而使喷口处于“常开”状态的洒水喷头,称为开式洒水喷头。释放机构中的热敏元件,常温状态下用于支撑释放机构,使喷头的喷口封闭,形成闭式喷头,开启闭式喷头的性能指标为“公称动作温度”。当置于系统中的闭式喷头遭遇火灾时,处于热环境中的热敏元件将在被加热到公称动作温度时动作,使释放机构脱落,并在入口水压的作用下打开喷口,喷口出水撞击溅水盘后,形成花洒状的均匀喷洒状态。

如上所述,闭式喷头可在其热敏元件达到规定温度时自动开启喷口并对出水均匀喷洒,因此闭式喷头具有相当于定温探测器、温控阀和花洒布水器的功能。安装闭式喷头的自喷系统,可在设置场所发生火灾时自动开启起火区域上方的闭式喷头,发挥自动探测火灾和确定起火位置、由开启的闭式喷头控制喷水面积、按预定的喷水强度均匀喷水的作用。

洒水喷头可按安装方式、流量系数、单只喷头保护面积、热敏元件、公称动作温度、响应时间指数、结构特点、应用场所等进行分类。

洒水喷头按安装方式可分为:下垂型喷头、直立型喷头、通用型喷头和边墙型喷头等。

下垂于配水支管安装,出水射流向下冲击溅水盘的称为下垂型喷头;直立于配水支管安装,出水射流向上冲击溅水盘的称为直立型喷头;既可下垂于配水支管安装,又可直立于配水支管安装的称为通用型喷头(曾被称为“普通型喷头”);背靠邻近墙安装,将水向前方及两侧喷洒的同时向背后墙面喷洒一定水量的称为边墙型喷头,边墙型喷头有下垂型、直立型、水平型和通用型四种类型。

2.洒水喷头性能参数

洒水喷头的流量系数、应用压力、单只喷头的保护面积,以及闭式喷头的公称动作温度、响应时间指数等,是影响自喷系统灭火效能的重要参数。

1)流量系数

洒水喷头的流量系数根据式(27)确定:

式中 K——流量系数(min·MPa0.5);

   q——喷头流量(L/min);

   P——喷头工作压力(MPa)。

产品标准规定的喷头流量测量方法(装置见图12):在稳定的喷头工作压力0.05 MPa,0.15 MPa,0.25 MPa,0.35 MPa,0.45 MPa下测量流量。实验用仪表:压力表0.5级,流量计1.0级。喷头的工作压力应按压力表的显示值以及自压力表至喷头之间的压力差(即水头损失)进行修正。喷头流量的实际测量值与按式(27)计算的数值,在0.1 MPa工作压力下的误差,K=80喷头为±4 L/min,K=115喷头为±6 L/min。

我国《自喷系统设计规范》(1985年版)曾经将公称口径为15 mm、流量系数K=80的洒水喷头,命名为“标准喷头”。现行规范则称为“标准流量喷头”。

洒水喷头流量系数见表15。

表15 洒水喷头流量系数

注:流量系数K的英制单位为gpm/pai0.5

在产品标准规定的测试条件下,下垂型喷头和直立型喷头向下喷洒的水量应为喷头出水量的80%~100%,通用型喷头向下喷洒的水量应为喷头出水量的40%~60%。边墙型喷头用于喷湿背后墙面的水量不得少于3.5%,喷湿背后墙面范围的上限位置,低于溅水盘水平位置的距离不应大于1.22 m。

2)保护面积

现行规范参照美国标准,将K=80喷头称为标准流量喷头,将与K=80喷头具有相同额定保护面积的喷头统称为“标准覆盖面积喷头”。不同流量系数的标准覆盖面积喷头,例如K=80喷头与K=115喷头,二者的额定保护面积相同,但喷水强度[L/(min·m2)]不同。在我国的自喷系统产品标准中,此类“标准覆盖面积喷头”的品种较少。

相同流量系数的洒水喷头可以具有不同的额定保护面积,可使洒水覆盖较大面积的洒水喷头,在产品标准中被称为“扩大覆盖面积喷头”(EC),其定义为:具有比常规洒水喷头更大的特定保护面积的洒水喷头。在《自喷系统设计规范》中,此类洒水喷头被称为“扩展覆盖喷头”。

我国标准中提出的公称口径为10 mm,15 mm,20 mm的标准覆盖面积喷头的流量系数K分别为57,80,115。

我国《自喷系统设计规范》没有规定K=57喷头的应用条件。

我国标准中提出的扩大覆盖面积喷头(EC)的公称口径为15 mm,20 mm,其流量系数K为80,115,160,200。

我国《自喷系统设计规范》仅对K=115扩大覆盖面积喷头规定了应用条件。

3)公称动作温度

闭式喷头处于热环境中时,其热敏元件将在预定的温度范围内动作。闭式喷头标称的动作温度,称为“公称动作温度”。

按采用的热敏元件分类,闭式喷头有玻璃泡喷头和易熔合金喷头两种类型,相应的公称动作温度及颜色标志如表16所列。

表16 闭式喷头的公称动作温度及颜色标志

(续表)

4)响应时间指数

响应时间指数(Response Time Index,RTI)是度量闭式喷头热敏性能的指标,其计算式为

式中 RTI——闭式喷头响应时间指数,公制单位为(m·s)0.5,英制单位为(ft·s)0.5

   τ——时间常数(s);

   u——气流速度(m/s)。

闭式喷头的响应时间指数与其热敏元件制作材料的比热、热敏元件的表面积以及热敏元件在热环境中向喷头体的导热损失等因素有关。比热小、表面积大、导热损失小的热敏元件,在热环境中的升温速度快,温度升至公称动作温度的时间短,可提高闭式喷头的热敏感性能,缩短闭式喷头在火场中的动作时间。

闭式喷头的响应时间指数应在进行标准插入实验后按式(29)确定:

式中 tr——标准插入实验测得的闭式喷头动作时间(s);

   u——实验装置测量段的热气流速度(m/s);

   ΔTea——闭式喷头公称动作温度与环境温度的温度差(℃);

   ΔTg——实验装置测量段热气流温度与环境温度的温度差(℃);

   C——导热系数(m·s)0.5

进行标准插入实验的实验装置为一套恒温恒速热风洞装置。实验装置测量段的气流温度与气流速度见表17。(www.xing528.com)

表17 实验装置测量段的气流速度与气流温度

例如,闭式喷头试样的公称动作温度为68℃,实验装置测量段的气流温度稳定在197℃、气流速度稳定在2.56 m/s后,将在环境温度条件下经过恒温处理的闭式喷头试样突然插入实验装置测量段,测量闭式喷头试样的动作时间。

按照响应时间指数对闭式喷头分类,可分为标准响应喷头、快速响应喷头和特殊响应喷头三种类型。

(1)快速响应喷头的响应时间指数不超过50(m·s)0.5,导热系数不超过1.0(m·s)0.5

(2)特殊响应喷头的响应时间指数介于50(m·s)0.5和80(m·s)0.5之间,导热系数不超过1.0(m·s)0.5

(3)标准响应喷头的响应时间指数介于80(m·s)0.5和350(m·s)0.5之间,导热系数不超过2.0(m·s)0.5

玻璃泡直径d=3 mm的闭式喷头,RTI≈30(m·s)0.5,玻璃泡直径d=5 mm的闭式喷头,RTI≈100(m·s)0.5,已经淘汰使用的玻璃泡直径d=8 mm闭式喷头,RTI值更高。

3.特殊类型喷头及新型喷头

1)特殊类型喷头

特殊类型喷头包括平齐式喷头、嵌入式喷头、隐蔽式喷头和干式直立喷头等。产品标准按照安装时的定位要求,区分平齐式喷头、嵌入式喷头与隐蔽式喷头:

(1)喷头体的全部或部分(包括接口螺纹)处于吊顶下平面以上位置,而部分或全部热敏元件必须处于吊顶下平面以下位置的为平齐式喷头。

(2)喷头体的全部或部分(不包括接口螺纹)处于嵌入吊顶内的护罩内的为嵌入式喷头。

(3)带有装饰盖板的嵌入式喷头为隐蔽式喷头。

干式直立喷头由短管和安装在短管出口的闭式喷头组成。在闭式喷头完好时,短管入口处的密封件阻止配水支管内的水进入短管,使短管处于无水状态。一旦闭式喷头开启,供水即进入短管。

2)新型喷头

针对特定应用场所研制的新型洒水喷头包括:用于保护仓库的早期抑制快速响应(ESFR)喷头、家用喷头和超大口径喷头等。

早期抑制快速响应喷头的RTI≤28±8(m·s)0.5,玻璃泡直径d=2.4 mm,流量系数K为161,202,242,363。我国《自喷系统设计规范》按160,200,240,360取值。

早期抑制快速响应喷头的特点是响应时间指数小、工作压力高、喷水的动量大、穿透力强,可增大实际送达燃烧面的灭火水量,因此直接冷却燃烧的能力强。

家用喷头是一种安装在家庭和其他类似居住空间内,在预定的温度范围内自行启动,按设计洒水形状和流量在设计保护范围内洒水的一种快速响应喷头。

家用喷头的RTI≤24(m·s)0.5,最低工作压力为0.05 MPa。

家用喷头特有的参数(表18):

(1)设计长度(A)——家用喷头设计保护面积的长度(m)。

(2)设计宽度(B)——家用喷头设计保护面积的宽度(m)。

(3)设计流量——家用喷头能够有效保护特定保护面积的最小流量(L/min)。

表18 单只家用喷头的有效保护面积(A×B)及相应的最小流量

设置场所中的家用喷头应连续喷湿一定范围的墙面,喷湿墙面范围的上缘至吊顶的距离应不大于711 mm。设计保护面积为正方形的家用喷头,用于喷湿保护区域内墙面的水量,不应小于喷头洒水量的5%;设计保护面积为长方形的家用喷头,用于喷湿保护区域内墙面的水量,不应小于式(30)的要求:

式中 W——受水墙面上接收水量在喷头出水量中的占比(%);

   L1——受水墙面的长度(m);

   L——保护区域的周长(m)。

检测家用喷头灭火性能的火灾实验室,规格如下:

(1)非边墙型家用喷头:长度为2L,宽度为W,高度为2.4 m;

(2)边墙型家用喷头:长度为2W+2.7(m),宽度为L,高度为2.4 m。

家用型喷头在产品标准规定的灭火性能试验中,应满足下列要求:

(1)吊顶(H=2.4 m)下76 mm处的最高温度不应超过315℃;

(2)地面以上1.6 m处的最高温度不应超过93℃,且试验期间连续2 min内的平均温度不应超过54℃;

(3)吊顶表面背后6 mm处吊顶材料的最高温度不应超过260℃。

测量上述温度指标的目的:①控制吊顶下方空间的最高温度;②控制人体耐热能力最差部位所处空间的最高温度;③控制吊顶材料的温度。

3)洒水喷头性能代号

洒水喷头的性能代号如表19所列。

表19 洒水喷头性能代号

快速响应喷头、特殊响应喷头在性能代号前面分别添加“K-”“T-”,扩大覆盖面喷头在性能代号后面添加“EC”,带涂层喷头、带防水罩(《自喷系统设计规范》称“集热挡水罩”)喷头在性能代号前面分别添加“C-”“S-”。

洒水喷头型号及规格举例:

(1)K-ZSTX 15~68℃,表示公称口径为15 mm、公称动作温度为68℃的下垂型快速响应喷头;

(2)ZSTBZ 20~93℃,表示公称口径为20 mm、公称动作温度为93℃的直立边墙型喷头;

(3)C-ZSTBS-EC 20~68℃,表示公称口径为20 mm、公称动作温度为68℃、带涂层的水平边墙型扩大覆盖面喷头;

(4)ESFR-363 74℃U,表示流量系数K=363、公称动作温度为74℃的直立型早期抑制快速响应喷头。

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