細(xì)水霧防滴漏裝置的應(yīng)用與設(shè)計(jì)優(yōu)化

洪 亮

合肥科大立安安全技術(shù)有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230088

正文：

引言

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)是目前正在普及的滅火系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)為綠色環(huán)保、高效節(jié)能、水漬損失小等，廣泛應(yīng)用于主機(jī)機(jī)房、電纜隧道、檔案庫及柴油發(fā)電機(jī)房等場所，用于替代傳統(tǒng)的鹵代烷氣體滅火劑。但由于檔案庫對水漬損失要求很高，而主機(jī)機(jī)房、電纜隧道和柴油發(fā)電機(jī)房等場所包含有電氣設(shè)備，對水滅火的絕緣性能要求也很高。而當(dāng)細(xì)水霧噴頭在系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，不再有動力繼續(xù)維持高壓噴灑時(shí)，會噴出小股水柱，對電氣設(shè)備的保護(hù)有一定影響。因此，需要從快速封堵噴頭出口，降低管道內(nèi)余水壓力等幾方面同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)在關(guān)機(jī)后迅速關(guān)閉噴頭噴孔，在細(xì)水霧水漬損失小的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步降低，從而更加適應(yīng)各種常見保護(hù)場所的應(yīng)用。

1 噴頭防滴漏的必要性

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的噴頭霧化方式一般有離心霧化、壓力霧化、兩相流霧化、撞擊霧化和其他方式（如超聲波、靜電、預(yù)加熱等）。常見的產(chǎn)品化的噴頭一般都為離心式細(xì)水霧噴頭，因?yàn)樵擃愋蛧婎^結(jié)構(gòu)相對簡單，又不會使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，同時(shí)又能保證良好的霧化性能。該類型噴頭的工作原理是一定的壓力作用下，通過切向孔（通常為兩個(gè)以上或成對布置）進(jìn)入旋流室，并在其中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時(shí)以一定的軸向速度向噴口方向推進(jìn)，臨近噴口時(shí)受旋流室壁面限制而收縮，從噴口旋轉(zhuǎn)著向外噴出，從而形成霧滴直徑Dv0.99＜100μm的細(xì)水霧對火源進(jìn)行氣化冷卻、隔氧窒息、阻隔熱輻射，最終撲滅火焰。

用于主機(jī)機(jī)房和檔案庫這類應(yīng)用場所的細(xì)水霧噴頭由于更注重滅火效率，因此通常會采用工作壓力10MPa或者更高壓力的高壓細(xì)水霧噴頭，提高壓力的同時(shí)保持總的流量基本不變，則需要減小噴頭的噴口直徑，也就會提高水流噴出的速度，這同時(shí)會使噴霧效果提高，使霧滴直徑Dv0.99進(jìn)一步減小到50μm左右，大大提高了滅火效率，使得滅火總用水量減少。但是另一方面會使得水泵到噴頭之間的主管道內(nèi)的壓力提高，而噴頭的噴口直徑減小會使得主管道內(nèi)存留的余水正在水泵停機(jī)后無法快速排空，使得噴頭會繼續(xù)持續(xù)噴水。

而細(xì)水霧噴頭流量與壓力的關(guān)系一般通過經(jīng)驗(yàn)公式表示為：

式中：Q為噴頭流量，單位為L/min ；

K為噴頭流量系數(shù)，該數(shù)值與噴頭結(jié)構(gòu)相關(guān)；

P為噴頭的工作壓力，單位為MPa 。

由該公式可見，壓力變低之后會導(dǎo)致噴頭的流量變低，也就是同樣噴口處的出口速度變低，使得霧化效果變低，甚至成為直接噴射的水流。而流量降低之后又反過來使得主管道內(nèi)的壓力下降速度變低，使得在低壓情況下的噴水時(shí)間變長。而主管道內(nèi)壓力下降速度同時(shí)又和主管道內(nèi)原來充水的體積相關(guān)，充水體積越大，該下降速度越慢。因此，設(shè)計(jì)一組試驗(yàn)對給定主管道內(nèi)充水體積條件下，不同流量系數(shù)的噴頭泄壓能力進(jìn)行測量記錄。由于工程上一般系統(tǒng)停機(jī)時(shí)會關(guān)閉相應(yīng)保護(hù)分區(qū)的控制閥，所以只考慮分區(qū)內(nèi)的管道容積即可，因此選用50m長的DN40管道來替代分區(qū)內(nèi)的管道容積進(jìn)行測試，末端安裝一只流量系數(shù)2.8和0.7的噴頭各進(jìn)行一次試驗(yàn)，記錄下管道內(nèi)壓力和時(shí)間變化的曲線，見圖1 ，其中上方曲線為小流量系數(shù)0.7的噴頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，下方曲線為大流量系數(shù)2.8的噴頭實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 細(xì)水霧管道余水壓力和時(shí)間關(guān)系圖

由該關(guān)系圖可見，在高壓力情況下，壓力降低速度是比較快的，從系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)管道內(nèi)壓力11.4MPa降低到1.0MPa左右，2.8流量系數(shù)的噴頭用時(shí)28s左右，而0.7流量系數(shù)的噴頭用時(shí)則在34s左右，兩者差距并不大。但之后低壓力情況下，兩者泄壓時(shí)間有了很明顯差距，最終2.8流量系數(shù)噴頭完全排空余水用時(shí)約13min37s ，而0.7流量系數(shù)噴頭則用時(shí)24min49s 。這對檔案庫這類水漬損失要求高的場所是不可能接受的噴水時(shí)間，可能會因泡水而損壞到檔案文檔。因此必須要減少在系統(tǒng)關(guān)機(jī)之后噴頭自然泄壓的噴水時(shí)間。

2 噴頭防滴漏接頭

由圖1同時(shí)可以看出，只要在某個(gè)壓力相對較高的時(shí)候，通過某種裝置阻斷主管道里的水流進(jìn)入噴頭，就可以大大降低持續(xù)噴水時(shí)間?，F(xiàn)在常用的阻斷裝置其實(shí)是一種高壓單向閥接頭，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2 。當(dāng)壓力達(dá)到開啟壓力時(shí)候，彈簧被壓縮，活塞開啟使水流流出進(jìn)入噴頭；而壓力到關(guān)閉壓力時(shí)，活塞關(guān)閉使管道里的水不再進(jìn)入噴頭。由于噴頭的噴孔直徑通常只有1mm左右，所以在無擾動的情況下，靠水的表面張力就能阻止水滴下落。

該種防滴漏接頭由于開啟時(shí)需要一定壓力壓縮彈簧，所以會對水流的壓力有一定損失。安裝接頭后，由于出口端噴頭多出了一定擁塞，會提高前段管道的壓力并同時(shí)降低噴頭實(shí)際的流量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得在不同流量噴頭情況，該壓力損失約為1.1MPa～0.6MPa ，對工程設(shè)計(jì)影響很大。并且由于是利用彈簧來進(jìn)行控制開閉，因此達(dá)到開啟壓力時(shí)該接頭并不是一下完全開啟，而是需要一定時(shí)間逐漸對彈簧進(jìn)行壓縮；同理該接頭在關(guān)閉的時(shí)候也不是立刻恢復(fù)到完全關(guān)閉狀態(tài)，同樣是需要一定時(shí)間來恢復(fù)彈簧壓縮變形的。因此其效果并不是直接從對應(yīng)壓力處直接關(guān)閉，而是會多花一定時(shí)間。同樣以流量系數(shù)2.8和0.7的噴頭各進(jìn)行一次試驗(yàn)，測試用的接頭的彈簧動作的行程為16.5mm ，設(shè)計(jì)的封堵壓力為0.4MPa 。安裝防滴漏接頭前后的壓力和時(shí)間的關(guān)系曲線對比分別見圖3和圖4 。最終2.8流量系數(shù)噴頭完全關(guān)閉用時(shí)約58s ，而0.7流量系數(shù)噴頭則用時(shí)105s 。

圖2 細(xì)水霧防滴漏接頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 流量系數(shù)2.8噴頭壓力和時(shí)間關(guān)系圖

圖4 流量系數(shù)0.7噴頭壓力和時(shí)間關(guān)系圖

可見使用防滴漏接頭的確有明顯效果，但并不能完全解決噴頭低壓噴水滴水的問題，尤其是噴頭流量系數(shù)越小，噴頭噴口也就越小，噴水時(shí)間也就越長。此外接頭內(nèi)的彈簧關(guān)閉壓力越高效果越好，彈簧的壓縮行程越短效果越好，但做到這兩點(diǎn)的同時(shí)也會提高噴頭壓力損失，并且增加了接頭的制造難度。因此需要再另外尋找辦法解決系統(tǒng)滴漏的問題。

3 防滴漏控制閥

前面試驗(yàn)時(shí)預(yù)設(shè)了50m長的管道的條件，而這個(gè)主管道內(nèi)充水體積和管道壓力下降關(guān)系很大，余水越多，噴頭安裝越少，壓力下降越慢，則噴水時(shí)間也就越長。因此將控制管道水流的控制閥改成專用的防滴漏控制閥，該閥門的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5 。關(guān)閉閥門后，泵到閥門之間的主管道內(nèi)的充水雖然依然帶壓，但無法影響到閥門后到噴頭之間管道的壓力，同時(shí)旁路與后段管道聯(lián)通將管道內(nèi)帶壓力的余水通過旁路泄出，即可快速降低管道內(nèi)壓力。

圖5 防滴漏球閥工作原理圖

再次重復(fù)之前試驗(yàn)，依然采用流量系數(shù)2.8和0.7的兩種噴頭作為對比，防滴漏球閥安裝在管道的前段，后段管道依然保持50m長度。測得無防滴漏接頭情況下，2.8流量系數(shù)噴頭完全關(guān)閉用時(shí)約13s ，而0.7流量系數(shù)噴頭則用時(shí)24s ；而同時(shí)安裝有防滴漏接頭情況下，2.8流量系數(shù)噴頭完全關(guān)閉用時(shí)約7s ，而0.7流量系數(shù)噴頭則用時(shí)13s 。大大降低了系統(tǒng)關(guān)機(jī)后，噴頭持續(xù)噴水的時(shí)間。

4 結(jié)束語

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)防滴漏設(shè)計(jì)依然還有很多細(xì)節(jié)可以繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，比如防滴漏接頭及安裝立管、噴頭內(nèi)的水是無法通過防滴漏球閥泄壓排出，依然是通過噴頭噴孔噴出水來完成泄壓，而當(dāng)噴孔較小的情況下，噴水時(shí)間依然會持續(xù)十幾秒?？梢钥紤]在控制閥后的分區(qū)內(nèi)適當(dāng)位置加入一個(gè)空氣罐，在系統(tǒng)復(fù)位的同時(shí)開啟，利用壓縮空氣對管路進(jìn)行吹掃。壓縮空氣可以在低壓條件下幫助噴頭噴出的水霧達(dá)到細(xì)水霧要求，而不會成股噴出或者直接滴下。今后還將繼續(xù)對防滴漏要求高的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)的研究改進(jìn)，以便更加適應(yīng)各種特殊場所的需求。