新型水噴淋噴頭的設計研究

王善超 李本利 王勇 張福東

摘要：目前，市場上存在各種樣式的水噴淋噴頭，對于小流量水噴淋噴頭來說，主要的滅火機理是利用噴頭噴出的水在濺水盤的四周形成錐型的水流密封圈來達到窒息滅火的作用。文章通過對現(xiàn)有的下垂式小流量噴頭進行結(jié)構(gòu)上的改進，使濺水盤正下方出水，在水流密封窒息作用的基礎上，形成對水流密封圈內(nèi)部的降溫作用，以達到加速滅火的效果，并且對新型噴頭的出水效果加以理論計算驗證。

關鍵詞：水噴淋噴頭;結(jié)構(gòu)設計;理論計算分析;三維構(gòu)圖

1? 水噴淋噴頭的研究

1.1? 研究現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，噴頭的種類越來越多，功能化也越來越明顯。包光宏等人通過實驗模擬和計算機模擬對噴頭的設計安裝進行了理論研究;張紅杰對自動噴水滅火系統(tǒng)中噴頭的種類、性質(zhì)以及特點進行了詳細的研究;徐得潛等人對自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭流量的計算方法進行了詳細研究;黃曉家等人通過利用FDS模擬軟件對自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭的噴水強度進行了詳細的研究;楊衛(wèi)東對水噴淋噴頭的發(fā)展做了詳細的研究，這些學者的研究對本文新型水噴淋噴頭的設計研究提供了大量的幫助。

1.2? 研究意義

當下，各種結(jié)構(gòu)類型的建筑大量興建，比如高架貨倉、大跨度廠房等，在發(fā)展經(jīng)濟的同時，給建筑防火工作也帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。建筑內(nèi)一旦發(fā)生火災，在火災發(fā)展初期階段，噴頭并不會動作，火勢發(fā)展蔓延。在水噴淋系統(tǒng)完好的情況下，在火災發(fā)展初期能夠有效控制火勢發(fā)展蔓延的便是自動噴水滅火系統(tǒng)，自動噴水滅火系統(tǒng)主要包括水流報警裝置、水噴淋噴頭以及報警閥組等組成，而水噴淋噴頭作為感溫元件以及啟動水噴淋系統(tǒng)的元件，其作用是十分重要的[1]。在本文中，通過對下垂式噴頭進行改進，改變易熔元件或者金屬泡下部濺水盤的構(gòu)造，在符合《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》的設計要求基礎上，通過設計安裝出水篩網(wǎng)，增加水流密封圈內(nèi)部的出水量，對密封圈的內(nèi)部環(huán)境進行降溫處理，減少滅火的時間。

2? 水噴淋噴頭的概述

2.1? 水噴淋噴頭的分類以及工作原理

自動噴水滅火系統(tǒng)的水噴淋噴頭的種類有多種形式，其中最常見的有以下幾種類型。按照噴頭的安裝方式分為直立型噴頭、下垂型噴頭、邊墻型噴頭、吊頂型噴頭等[2];按照噴頭的結(jié)構(gòu)，大體上分為閉式噴頭、開式噴頭以及其他類型噴頭;按照熱敏性能可以分為標準噴頭、特殊響應噴頭以及快速響應噴頭[3]。

直立型噴頭：直立安裝，自動噴水滅火系統(tǒng)管道噴出的水流向上，在濺水盤的阻擋作用下，向下噴濺，大約有60%～80%的水量會灑向下方，少量一部分噴向吊頂。下垂型噴頭：下垂安裝，自動噴水滅火系統(tǒng)管道噴出的水流向下直接沖擊濺水盤，由于濺水盤結(jié)構(gòu)的不同，形成不同類型的液滴分布，約有80%～100%的水量直接灑向下方。邊墻型噴頭：一般情況下靠墻安裝，在一定的保護面積內(nèi)，將水向一邊噴灑的噴頭[4]。

在不同的場所應用不同功能的噴頭，例如，在辦公室、飯店、賓館等場所一般安裝標準噴頭，防止誤噴等意外情況發(fā)生;在養(yǎng)老院、醫(yī)院等場所由于人員特征的特殊性，一旦發(fā)生火災，勢必會因為疏散困難而造成很大的傷亡，所以在這種特殊場所一般安裝快速響應噴頭，以保證噴頭在火災發(fā)展初期進行動作，撲滅初期火災或者阻止火勢的蔓延擴大，為人員疏散提供充足的時間，減少人員傷亡。

噴頭動作的機理是由于周圍環(huán)境溫度升高，達到噴頭的公稱溫度，環(huán)境溫度繼續(xù)升高，在噴頭達到公稱溫度后，熱敏元件就會斷裂，熱敏元件主要有兩種形式：一種是易熔合金噴頭，另一種是玻璃泡的噴頭。比較常見的就是玻璃泡在周圍環(huán)境達到一定溫度后，就會炸裂，形成一個不堵塞的通路，此時，自動噴水滅火系統(tǒng)當中的水便會從噴頭中噴出進行滅火。在《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》（GB50084-2001）中，公稱溫度動作范圍在57～343℃，并根據(jù)適用范圍分成不同的等級，以保證不同場所的環(huán)境根據(jù)各自的等級選用適合的噴頭[5]。噴頭的布置以及流量也應具有一定的規(guī)范性，能夠在水量一定的情況下保證滅火的效率。

2.2? 現(xiàn)有的下垂式水噴淋噴頭的缺陷

第一，對于大流量噴頭來說，由于水量大，所以噴頭整個下方基本都會有水流分布，滅火效率較好，但是對于貨物的水漬損失比較大，甚至導致火勢沒有蔓延的地方也同樣產(chǎn)生了水漬損失，無疑造成了較大的財產(chǎn)損失。

第二，對于小流量噴頭來說，由于水量比較小，所以不會造成較大的水漬損失，但是在噴頭出水后正下方會存在沒有水流分布或者水量很少的現(xiàn)象，主要依靠窒息滅火的工作原理，導致滅火時間相對比較長，滅火效率相對較低。

3? 新型噴頭的設計以及實驗理論計算

3.1? 新型噴頭的設計

針對上述問題，對現(xiàn)有小流量噴頭結(jié)構(gòu)進行研究改進，為了使小流量噴頭增加滅火效率，通過對熱敏元件下方的濺水盤進行研究，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。在現(xiàn)有的噴頭中，主要是通過在濺水盤中間位置增加螺母對熱敏元件進行加固，使其固定不動，通過分析利弊，將濺水盤中部的螺母設計成出水篩網(wǎng)，使出水篩網(wǎng)與濺水盤是一體的，能夠充分保證熱敏元件（玻璃泡）固定不動，并不改變現(xiàn)有的主要依靠形成錐型水流密封窒息的滅火機理。在水流密封的基礎上，增加濺水盤正下方的出水量，增加水流密封圈內(nèi)部的冷卻作用，提高滅火效率。

另外，根據(jù)新型噴頭的設計，濺水盤中的出水篩網(wǎng)出水口呈現(xiàn)規(guī)律分布。出水篩網(wǎng)剖面圖如圖3所示，出水口結(jié)構(gòu)分布如圖4所示。在本文的設計當中，中間5個孔為沒有斜度的直通孔，在直通孔四周設計了20個存在一定斜度的直通孔，在噴頭進行動作后，無論著火點是否在濺水盤玻璃泡正下方，假如不在正下方，那么當水噴淋噴頭動作之前，火勢必然已經(jīng)發(fā)展蔓延，出水篩網(wǎng)出水口呈現(xiàn)規(guī)律分布的好處是液滴的落水點在地面上會呈現(xiàn)一個規(guī)律的形狀，能夠充分保證整個密封圈內(nèi)部的降溫冷卻作用。雖然從中部出水篩網(wǎng)噴出的水量占噴頭總出水量的很少一部分，但是也能夠通過出水篩網(wǎng)出水口均勻的結(jié)構(gòu)分布，達到在水流密封圈內(nèi)形成一個均勻的降溫的效果。另外，這些直通孔可以根據(jù)貨物對水漬損失受損的嚴重程度來改變直通孔的直徑，一方面，可以減少滅火的時間，另一方面，也可以減少水漬給貨物帶來的損失。

3.2? 理論計算過程

通過將改進前后的噴頭接入自動噴水滅火系統(tǒng)管道中，通過給定數(shù)據(jù)計算在2min內(nèi)容量瓶收集熱敏元件正下方水量的情況，計算噴頭出水總量，進而計算改進前后濺水盤正下方位置占噴頭出水總量的比率，并且對改進前后的情況進行比對。

3.2.1? 噴頭、水壓的選擇

噴頭選擇高度為55.6mm的下垂式噴頭，螺紋接口為18mm，玻璃泡的直徑為5mm，濺水盤的直徑為25.7mm，出水篩網(wǎng)單個出水口為0.5mm，實驗器材總共設置25個出水口。改進前，濺水盤中間采用螺母進行加固熱敏元件，在改進后，選擇4mm厚的出水篩網(wǎng)進行加固熱敏元件，其他變量保持不變，保證實驗的準確性。

在水壓選擇方面，按照《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》輕危險級、中危險級場所中各配水管入口的壓力均不宜大于0.4MPa。實驗充分考慮了出水篩網(wǎng)的效果，最終選擇的出水管道壓力為0.4MPa[6]。

3.2.2? 實驗數(shù)據(jù)計算

噴頭出水總流量依據(jù)公式：[7]

其中，Q：噴頭流量（L/min）;P：噴頭的工作壓力（MPa）;K：噴頭的流量系數(shù)。

按照《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》要求，根據(jù)管道口徑的不同，選取不同的噴頭流量系數(shù)，目前比較常見的流量系數(shù)有80和115，在本文中，選取K=80來進行計算。那么經(jīng)理論計算在2min的噴頭總流量Q=101.28 L。

從表格數(shù)據(jù)我們可以明顯地看到，在改進之前2min濺水盤正下方理論上噴出的水量大約在0.8L左右，而改進后加裝出水篩網(wǎng)后濺水盤下方的水量，經(jīng)計算理論的出水量為9.68L，改進前濺水盤下方中間水量占噴頭總出水量的0.79%，加了出水篩網(wǎng)之后的下方中間位置水量占噴頭總出水量的9.6%，從理論計算數(shù)據(jù)表明，在當前形成水流密封圈滅火條件的基礎上，通過安裝出水篩網(wǎng)，對濺水盤正下方火源附近進行冷卻降溫處理，使得滅火效果得到很大的改善。

3.2.3? 噴頭液滴路徑對比

在本文中，除了對噴頭流量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算，還有一項比較重要的工作，就是對噴頭出水后的路徑進行對比分析。在改進前，由于熱敏元件下方的結(jié)構(gòu)是堵住的，用來頂住熱敏元件，熱敏元件破碎后，液滴的流動路徑沿著濺水盤向四周擴散，形成一個錐型的水流密封圈，改進前液滴路徑分布圖如圖5所示;在改進后，由于濺水盤中間加裝了出水篩網(wǎng)，所以在水流密封圈的基礎上，在密封圈內(nèi)部形成均勻的液滴分布，改進后的液滴路徑分布圖如圖6所示。

那么，從圖中我們可以看出，在改進前，沒有安裝出水篩網(wǎng)，導致濺水盤正下方液滴基本沒有分布，滅火機理主要是形成水流密封圈，對著火部位主要采用窒息滅火的原理，濺水盤正下方溫度比較高，采用窒息滅火，滅火效率較低;而在改進后，除了形成水流密封層進行窒息滅火的基礎上，濺水盤下方會形成液滴分布，對著火區(qū)域進行降溫冷卻，使得滅火效率大大改善。這是一個噴頭的工作范圍，在《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》中，要求噴頭的布置應當根據(jù)自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭的流量系數(shù)、系統(tǒng)的噴水強度以及工作壓力等確定，那么在建筑內(nèi)多個噴頭共同作用下，將會更加凸顯新型水噴淋噴頭的優(yōu)勢。

4? 結(jié)語

本文首先對水噴淋噴頭的研究現(xiàn)狀進行分析以及對水噴淋噴頭的分類、動作機理進行介紹。通過使用Solidworks以及畫圖軟件對新型噴頭的結(jié)構(gòu)進行設計研究，結(jié)合當前現(xiàn)行《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》的相關設計規(guī)范，通過給定數(shù)值進行理論計算研究，對改進前后濺水盤正下方出水流量進行對比。另外，通過數(shù)據(jù)分析，對噴頭改進前后液滴的的分布路徑進行對比研究，經(jīng)過理論計算，突出了新型小流量水噴淋噴頭在滅火中的優(yōu)勢，具有較高的實用性。

參考文獻：

[1]楊衛(wèi)東.自動噴頭的發(fā)展[J].消防科技，1997（02）：12-13.

[2]楊丙杰.高大空間建筑自動噴水滅火系統(tǒng)應用研究[D].天津：天津大學，2014.

[3]張洪杰.自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭類型、特點及應用[J].工程建設與設計，2002（06）：24-26.

[4]杜坤.自動噴水滅火系統(tǒng)噴頭布置優(yōu)化研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[5]王曉慧.ESFR自動噴水滅火系統(tǒng)在高架倉庫中的應用探討[J].粘接，2020，44（11）：93-96+138.

[6]GB50084-2001（2005年版）.自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范[S].2005.

[7]樊建軍，方茜，周鴻，等.自動噴水滅火系統(tǒng)中噴頭間流量關系及設計流量計算[J].建筑科學，2008（09）：60-62+90.

Design and research of new type water spray nozzle

Wang Shanchao， Li Benli， Wang Yong， Zhang Fudong

（Chinese people's Police University，Hebei Langfang 065000）

Abstract：At present， there are various types of water sprinklers in the market. For small flow water sprinklers， the main fire-fighting mechanism is to use the water from the sprinkler to form a cone-shaped water flow seal around the splash pan to achieve the effect of suffocation fire-fighting. In this paper， the structure of the existing drooping small flow sprinkler is improved， so that the water comes out right below the splash plate. On the basis of the choking effect of the water flow seal， the cooling effect inside the water flow seal ring is formed， so as to achieve the effect of accelerating fire extinguishing. The water effect of the new sprinkler is verified by theoretical calculation.

Keywords：water spray nozzle;structure design;theory calculation analysis;

three dimensional structure