（机械工程专业论文）esfr自动喷水灭火系统的研究.pdf

中文摘要 随着我国的经济腾飞，大空间、高堆积物场所迅速增加，如果继续沿用 现行规范，采用传统的自动喷水灭火系统将无法实现对此类场所可靠的火灾 防护。用e s f r ( “快速响应，早期抑制”) 灭火系统替代传统系统来保护大 空间、高堆积物以及火灾危险性大的场所是水喷淋系统发展的必要趋势。 本课题主要进行了下面的一些工作： 1 通过对国外e s f r 系统的最新科研成果的分析研究，及对相关样机 的充分剖析，研制开发适用于大空间和高危险性场所的理想自动喷水喷头 一e s f r 自动喷水喷头样机： 2 探索e s f r 喷头与普通喷头喷水水滴的动力学性能： 3 在试验室内建立一套完整的e s f r 喷水灭火系统，该试验室模拟一 大空间场所； 4 建立测试e s f r 喷头主要性能的试验装置，对研制开发的e s f r 喷头 样机进行功能性试验，并同国外同类产品进行对比试验，其中含性能参数比、 灭火效能比、价格比等多项指标，使样机在不断的功能试验中得以完善，最 终得出最合理的主要性能和技术参数。使之符合有关国际标准，为批量生产 提供可靠的技术资料。同时制定我国的与e s f r 自动洒水喷头相关的检测技 术标准； 5 在大空间实验室内，对于不同层高、不同危险等级的模拟火灾进行 灭火效能试验，并与普通快速喷头进行比较，分析e s f r 系统的性能和特点， 同时确定e s f r 系统的适用场所及e s f r 喷头的最佳工作参数； 6 通过对模拟火灾灭火试验的分析及对e s f r 系统的全面研究，确定 喷头和系统的应用参数，为e s f r 系统在我国的应用提供相关基础数据，为 该系统规范的制定做必要准备。 关键字：e s f r ，快速响应早期抑制，自动喷水灭火系统，水滴动力学性能 功能性试验 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y , t h ec o n c o u r s e sw i m b i gs p a c ea n d h i 曲a c c u m u l a t i o n sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y i ft h ep r e s e n t c r i t e r i o n sa r eu s e d c o n t i n u o u s l y , t h e t r a d i t i o n a la u t o m a t i c s p r i n k l e rs y s t e m s w i l ln o t p r o v i d e c r e d i b l ef i r e p r o t e c t i o n t ot h e s ea c c u m u l a t i o n s t h e s y s t e m o f e a r l y s u p p r e s s i o n - f a s tr e s p o n s e s f r ) s p r i n k l e r s w i l lb et h es u b s t i t u t i o no ft h e s y s t e m so f t r a d i t i o n a lo n e ；i ti st h ed e v e l o p m e n t a lu p t r e n d ，w h i c hc a l lp r o v i d e p r o t e c t i o nf o r w a r e h o u s es t o r a g eo f f l a m m a b l ea c c u m u l a t i o n s m a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sr r ef o l l o w e d ： 1 t h el a t e s tr e s e a r c ho nt h en a f i o n me s f ra n ds a m p l em a c h i n er e v e a lt h a t t h ee s f r s p r i n k l e r ss y s t e m s w i l lb et h ei d e a lm a c h i n et h a tf i tf o rb i gs p a c ea n d d a n g e r o u sp l a c e ， 2 s t u d i e dt h ed y n a m i c a lp e r f o r m a n c eo f d r o p l e to f t h ee s f r s p r i n k l e ra n d g e n e r a ls p r i n k l e r s 3 w i t ht h en a t i o n a ld a t u ma n d s a m p l e m a c h i n er e s e a r c h i n g , w ea r cr e a d yt o e s t a b l i s has u i to fw h o l ee s f rs p r i n k l e rs y s t e mi nt h el a b o r a t o r y , a n dt h i s l a b o r a t o r yw i l ls i m u l a t eab i gw a r e h o u s e 4 e s t a b l i s h e ds o m ee q u i p m e n t st ov e r i 母t h em a i np e r f o r m a n c eo fe s f r s p r i n k l e r , t e s t e d t h e s a m p l e m a c h i n et of u n c t i o n a l e x a m i n a t i o n ，p e r f o r m e d p a r a l l e l i n gt e s tt ot h es a m en a t i o n a lp r o d u c li n c l u d i n gs e v e r a li n d e xs u c ha s ， p a r a m e t e rc a p a b i l i t y , t h ee f f i c i e n c yo fp u t t i n go u ta f i r ea n dt h ep r i c e ，m a d et h e s a m p l em a c h i n e s f u n c t i o np r o g r e s si nt h ee x a m i n a t i o n a tl a s t ，t h e o p t i m a l c a p a b i l i t ya n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r eg o t m a d ei t a c c o r dw i t ht h e r e l a t i n g n a t i o n a ls t a n d a r da n dp r o v i d e dt h ec r e d i b l et e c h n i c a li n f o r m a t i o n a tt h es a m e t i m e ，e s t a b l i s h e dt h er e l a t i n gt e s t i n gs t a n d a r do f t h e c h i n e s e s p r i n k l e r 5 i nt h eb i gl a b o r a t o r y , t h ee x p e r i m e n t sf o rs i m u l a t i n gt h ef i r ep l u m ei n d i f f e r e n te l e v a t i o n sa n dd a n g e r o u sr a n k sw e r ec a r r i e dt h r o u 曲a tt h es a m et i m e c o m p a r e dt h er e s u l t sw i t ht h eg e n e r a ls p r i n k l e r s a n a l y z e dt h ec a p a b i l i t ya n d c h a r a c t e r i s t i co ft h ee s f r s p r i n k l e rs y s t e ma n d m a d es u r eo ft h eb e r e r p l a c e t o u s i n g t h es y s t e ma n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r sf o r w o r k i n g 6 t h r o u g hs i m u l a t i n g t h ee x a m i n a t i o no fp u r i n go u taf i r ea n dt h e i n v e s t i g a t i o no f t h ee s f rs y s t e m ，e n s u r e dt h ep a r a m e t e r so f t h es p r i n k l e r t h e n ， w eh a v eg o tt h e c o r r e l a t i n g f u n d a m e n t a ld a t at h a tt h ea p p l i c a t i o no fe s f r s p r i n k l e ri nc h i n a a n dp r e p a r e dt oe s t a b l i s has t a n d a r df o rt h es y s t e m k e yw o r d s ：e s f r , s p r i n k l e rs y s t e m ，d y n a m i c a l p e r f o r m a n c eo fd r o p l e t , f u n c t i o n a le x a m i n a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和数 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名界艮签字日期：山。3 年夕月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲添艮导师躲专弪 签字日期：2 。；年7 月日签字日期：2 ，年7 月r i i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自动喷水灭火系统及e s f r 发展综述 自古以来应用最广泛的灭火剂就是水，虽然现代科学技术日新月异，各 种人工合成灭火药剂层出不穷，但水仍以其价廉，易获取、低污染、试用性 强、灭火效果好、可靠性高等特点，作为人类首选的灭火方式。自动喷水灭 火系统自问世一百多年来，一直随着经济技术的发展不断改进和完善。 随着科学技术和工业生产的发展，逐步形成了以闭式喷头为洒水部件的 湿式系统、干式系统、予作用系统、水幕系统等自动喷水灭火系统。自动喷 水灭火系统由于具有工作性能稳定、安全可靠、使用期长、投资少、不污染 环境等优点，被广泛应用于公共建筑、工厂、仓库、大型化工生产装置等可 以用水灭火的对象和保护场所。据国外统计，自动喷水灭火系统的应用率在 五大固定灭火系统中占9 0 以上，成为火灾防护的主力军。 本世纪五十年代研制出公称尺寸1 5 皿、流量系数k = 8 0 的“标准型” 自动洒水喷头，闭式自动喷水灭火系统由湿式向干式和予作用系统发展，特 别是八十年代研制出具有迅速感知火场温度的热敏元件的快速标准喷头和 循环式感温探测器后，产生了以快速标准喷头为洒水部件的快速自动喷水灭 火系统和循环启闭自动喷水灭火系统，可在火灾初期即可发挥作用，喷水灭 火，将火在火灾发生初期扑灭，大大降低了火灾危害，为一般的民用建筑、 公用建筑、工厂、商店、仓库等建筑的火灾防护提供了有力的保证。 自动洒水喷头的发展，一直贯穿并代表着自动喷水灭火系统的发展历 史。1 9 世纪中叶，人们开始在工厂里容易发生火灾或火灾中人员不易到达 的地方安装由阀门控制喷水的钻有孔眼的水管，用于灭火。这就是自动喷水 灭火系统最原始的形式。经过一个半世纪的发展，自动喷水灭火系统已经拥 有适用于不同性质场所的多种类型喷头和多种系统类型，并且同趋完善。 在喷头出现之前，经历了钢管钻孔，为防止锈蚀堵塞孑l 眼而为孑l 眼镶嵌 铜套和利用易熔合金堵塞管孔的阶段，取得了利用易熔合金自动控制喷水范 围和水量的初步突破。 1 8 4 7 年美国帕米里发明了采用易熔合金作感温元件，可以自动开启喷 第一章绪论 水的喷头，成为最早的实用型自动洒水喷头。经过改进的帕米里喷头，生产 了约1 0 万只，在1 8 7 7 年至1 8 8 1 年的五年里成功地扑救了1 9 次纺织厂火灾， 向人们展示了自动喷水灭火系统的发展与应用前景。 帕米里的发明解决了利用安装喷头部位环境温度的上升来激发喷头开 放的关键性技术，此举对自动喷水灭火系统的发展产生了极为深远的影响， 这一开启喷头的基本原理一直被延续使用至今。 帕米里的时代的喷头都十分笨重，有的喷头竟重达1 , 3 k g ，而且喷头的 封闭性能和分散水流的效果均不理想。直到1 8 8 2 年，美国人格林奈尔发明 了撑杆型易熔合金喷头后，才实现了自动洒水喷头发展史上的又一个飞跃。 格林奈尔喷头的形状和结构与现代喷头已经很接近，因此被称作是现代喷头 的原形。格林奈尔喷头实现了水与易熔合金的隔离，极大地降低了水与易熔 合金之间的热传导，大幅度提了喷头感温的热敏性能。 玻璃泡喷头的出始于1 9 2 2 年。起初仅仅是以充装工作液的玻璃泡取代 易熔会金，十年后才有了显著的改进。玻璃泡与坐垫、调节螺钉的配合，保 证了喷头的严密性。 早期的自动洒水喷头，只控制喷头的开放和喷出的水量，并不控制洒水 分布。经过长期的应用和实验研究，人们才发现喷水的灭火效果不仅仅与喷 头的洒水量有关，同时在很大程度上取决于喷出水的均匀分布。在完成对喷 头出水均匀分布的控制后，于1 9 5 3 年研制成功当今世界各国大量生产和广 泛使用的“标准型”喷头。 小火容易被扑灭，是世人旨知的常识。喷头在火灾初期及时动作开放， 不仅可以有效地保护人身安全，而且可以有效地减少财产损失和灭火地用水 量。“标准型”喷头虽然有多种公称动作温度，但该项性能指标只能控制喷 头动作开放的温度，而不能控制当喷头受热时热敏元件温升速度的快慢。因 此，往往不同生产厂出品的相同公称动作温度的喷头，当蓬于相同条件的热 环境中时，可以表现出不同的动作时间，而且往往有较大的差异。这就是以 往没有对喷头的热敏元件性能进行控制所带来的后果。 喷头的热敏元件，不管是易熔合金还是玻璃泡，都具有一定的质量和形 状，质量将决定热敏元件自常温升湓至公称动作温度所必须吸收的总热量， 而形状则决定热敏元件在与火灾热气流进行交换时的温升速度。因此质量 第一章绪论 小、换热面积大的热敏元件将具有优良的热敏性能。 在上述理论的指导下，美国率先研制成功快速响应喷头，并在8 0 年代 开始介绍到我国。在最近的2 0 年间，快速响应喷头、大覆盖面积喷头、住 宅型喷头及使用于高堆垛仓库等特殊场所的各种大口径喷头、大水滴喷头、 快速响应一早期灭火喷头和重复启闭系统、水与泡沫联用的喷淋、细水雾系 统等新技术、新设备的相继问世和推广应用，为自动喷水灭火系统注入了更 为丰富的技术内涵，并使其应用技术和工作性能获得了一次历史性的技术进 步。 自动洒水喷头严谨的结构和严格的性能要求及检测程序，决定了它极低 的误动作率，并得到统计资料的充分证实。澳大利亚和新西兰的统计资料表 明，1 0 0 年问因系统误喷所造成的损失，仅相当于一起由自动喷水灭火系统 成功扑救的火灾损失。 据美国1 9 8 0 年1 9 8 9 年共l o 年的统计资料介绍，对于装与不装自动 喷水灭火系统的工厂和仓库，二者质检的火灾损失相差4 5 倍，安装该系统， 相当于每年挽回十几亿美元的损失。 1 9 9 1 年2 月2 3 日晚8 时，美国费城3 8 层的第一子午广场大厦2 2 层起 火。该大厦仅在3 0 层以上楼层安装有自动喷水灭火系统。消防队及时赶到， 但未能控制火灾的蔓延。至次日早上7 时，大火己蔓延至2 4 层。在牺牲3 名消防人员后，出于对安全的考虑，消防队员撤离大厦。火灾自由蔓延至 3 0 层后，在该楼层不同部位共开放了1 0 只喷头后，遏制了大火的继续蔓延。 这个案例充分说明了自动喷水灭火系统的功效。 随着工业的发展，社会经济和科学技术的迅速提高，超大规模的地上建 筑和地下建筑不断涌现。地下空间( 地下商业街、地下大型商场、地下铁道、 地下停车场等) 得到了越来越广泛的利用，地上各类高大空间建筑( 剧场、 大型商场、高架仓库、候车厅、候机厅等) 接连不断落成。这些建筑对经济 建设和城市发展起到了十分积极的作用，但同时引发了新的问题，上述建筑 场所内具有货品多、堆积高，使用的装饰材料和家具多，流动人员多，建筑 火灾荷载大，火场升温速率高，火灾发展蔓延快，热释放率大，轰然出现早， 燃烧产生的烟气量大，毒害性强，排放困难等特点，其火灾危险性和危害性 大，重大特大火灾发生频繁，火灾损失严重。对付这类建筑火灾，按现行规 3 第一章绪论 范采用普通的自动喷水灭火系统，包括以快速标准喷头为洒水部件的快速自 动喷水灭火系统和循环启闭自动喷水灭火系统，根难将灭火水量送达燃烧物 表面，使之流淌、渗透至货物内部进行控火灭火，已不能对上述高火灾危险 性场所提供有效保护。 1 1 1e s f r 自动喷水灭火系统国外发展状况 面对上述形势，美国f m 率先对自动喷水灭火技术传统观念提出了挑战， 先后用了十年时间，从其灭火机理、产品开发思路和应用技术进行了深入研 究，于八十年代末期完成了“快速响应，早期灭火”( e a r l ys u p p r e s s i o n f a s tr e s p o n s e ) 自动喷水灭火系统技术的研究开发，于九十年代初期得到 了国际消防界的认同。快速响应是指喷头热敏元件迅速感知火场温度，尽快 打开释放机构，在火势发展初期喷水灭火。早期灭火要求提高喷水强度以及 水滴穿透上升热气流的能力。而水的穿透力取决于水滴的动量m v ，那么通 过提高水滴下冲速度v 和水滴质量m 均能达到提高穿透力的目的。这项技术 己在世界范围内广泛应用。美国于九十年代初开发研制了e s f r 自动喷水灭 火系统，为新涌现的地下和地上各类高大空间建筑火灾的有效保护提供了可 靠的保证。经济和社会的发展的迅速发展，日益增多的地下建筑和太空间建 筑必将为e s f r 自动喷水灭火系统提供广阔的市场前景。从1 9 9 5 年开始，f m 又投入了对e s f r 系统再开发。 e s f r 系统属于九十年代高新技术产品，体现了水喷淋系统未来的发展 趋势。在过去十几年间美国f m 耗资十亿多美元对8 1 2 m 堆高的货架火的发 展规律及灭火效果进行了大量的实验研究，发现喷头在火场中的动作灵敏度 及其动作后水滴对上升热烟气流的穿透力对灭火效果有很大影响，并在此基 础上对传统喷头的热敏元件、溅水盘形式、框架结构、工作压力及口径进行 了刨造性的改革，并进行了大量的火灾实体试验。目前已应用于实际工程， 尤其在大空间、货物堆积高以及火灾荷载的特殊场所得到了广发使用。目前 国际标准化组织( i s o ) 正在制定相关标准，为上述系统的推广使用在技术 e 立法。 4 第一章绪论 1 1 2e s f r 自动喷水灭火系统国内技术发展概况和国内需求 随着我国经济腾飞，大空间、高堆积物场所迅速增加，我们面临同样的 问题，如果继续沿用现行规范，采用传统的自动喷水灭火系统将无法实现对 这些场所可靠的火灾防护。用e s f r 系统替代传统喷水灭火系统来保护大空 间、高堆积物以及火灾危险性大的场所是水喷淋系统发展的必要趋势。 我国经济体制改革的深入，促进了我国经济的飞速发展和科学技术的迅 速提高，促进了城市建设的繁荣，超大规模的地上建筑和地下建筑接连不断 的建成，并投入使用。城市建设迈进了世界先进水平的行列，但同时也使建 筑火灾的危险性和扑救难度加大，对消防安全提出了更高的要求。 我国八十年代初开始自动喷水灭火系统的研究，并于1 9 8 5 年制定颁布 了我国固定灭火系统的第一本规范自动喷水灭火系统设计规范，使 自动喷水灭火系统在我国得到普遍应用。由于我国对自动喷水灭火系统的研 究与应用起步较晚，与欧、美、日等经济发达国家相比，还有很大差距。在 自动喷水灭火系统技术方面，目前我们仍在沿用五十年代末发展起来的“标 准喷头”和八十年代发展起来的快速标准喷头为洒水部件的自动喷水灭火系 统对超大规模建筑和地下建筑进行保护。我们应继续紧紧跟踪国外自动喷水 灭火系统的先进技术，研制开发适应我国国情、为我国经济发展服务的新型 自动喷水灭火系统一e s f r 自动喷水灭火系统。 根据自动喷水灭火系统设计规范g b j 8 4 8 5 ，高架仓库的货架内应分 层布置喷头，分层布置喷头的高度，当储存可燃物品时，不应大于4 m ，当 储存难燃物品时，不应大于6 m 。这样的喷水系统造成喷淋管路布置上的困 难，也造成货架布置和结构改变的困难。而根据f m 公司的研究e s f r 喷水灭 火系统在顶棚高度1 2 2 m 时，不须在货架上分层布置喷头也能对堆高1 0 6 m 的高密度塑料制品箱装及散装货物提供灭火保护，对于在9 6 m 高的建筑物 平顶高度下，对堆高7 6 m 的箱装货物及泡沫塑料制品提供保护，在7 6 m 高的建筑物平顶高度下，对堆高6 1 m 的散装货物及泡沫塑料也能提供保护。 在高大空间建筑中的各类货物可自由堆放，堆积高度可自由调整，使喷淋管 道的布置，货架、货物的存放管理更简单易行。 目前国际上e s f r 自动喷水灭火系统的生产和应用主要在美国，但欧洲 第一章绪论 和其它地区发达国家也在积极的进行研究和开发。随着我国科学技术和经济 的发展，超规模高大建筑物的不断增加，e s f r 自动喷水灭火系统的研究开 发也到了非常追切的地步。 我国对上述系统研究与开发尚处于探索阶段。随着地下工程和大空间建 筑的发展以及保护臭氧层蒙特利尔议定书的实施，国内需求日趋迫切。目前， 这类系统随工程开始进口，一些国外生成产厂家开始将产品送我国国家检测 中心检测，准备在中国大量销售。尽快开发此类系统，向国内提供成套的产 品与技术，已是当前之急需。 1 2e s f r 自动洒水喷头的优点 e s f r 自动洒水喷头与普通喷头相比，其优点主要在于： ( 1 ) 灭火动作快且灭火效率显著。e s f r 洒水喷头由于采用高性能的热 敏元件，能对火灾作出快速反应并开放少数喷头迅速喷水灭火，响应速度明 显高于普通自动喷水灭火系统。 ( 2 ) e s f r 自动喷水灭火系统具有强大的喷洒能力，喷水强度为普通自 动喷水灭火系统的2 2 5 倍，灭火效率高，可达到火灾初期灭火控火的目 的。 ( 3 ) e s f r 自动喷水灭火系统喷洒的灭火水滴冲量大，可以迅速穿透上 升的热气流，达到燃烧物的表面，流淌到燃烧物的不易受水面进行灭火。 1 3国内现有工作基础及条件 公安部天津消防科学研究所对自动喷水灭火系统的研究已有十余年的 历史，已完成了常规自动喷水灭火系统的研究开发，编制了此类系统的设计 规范，并承担了大量的自动喷水灭火系统工程设计和施工，为开展本课题研 究奠定了基础。国家“八五”科技攻关子专题“高层建筑自动喷水灭火系统 新技术的研究”的完成，为本课题的实施创造了良好条件。通过十余年的研 究开发，培养了一批高中初级系统的研究人员。试验条件也在这十余年中逐 步积累起来，具有中间试验馆和配套测试系统，对已有试验条件进行必要改 造，就可满足本课题的要求。 6 第一章绪论 为了开展本课题的研究，进行了资料收集和与国外交流。仅1 9 9 5 年就两 次请美国刚自动喷水灭火技术专家来华讲学、交流，对将要开展的研究工 作有较多的理解，为本课题的开展进行了前期准备工作。 “国家消防工程技术研究中心”的组建为本课题研究成果的转化，提供 良好的中试生产和工程应用条件。 因此，在“九五”期问开展本课题的研究具有一定基础条件。 1 。4 主要技术关键、研究内容及要达到的技术经济指标 1 4 1 主要技术关键 ( 1 ) e s f r 系统的组成和结构； ( 2 ) e s f r 系统喷头的结构及系统其它部件结构； ( 3 ) 系统灭火效能的试验与测试技术； ( 4 ) 系统设计参数的确定和工程应用技术。 1 4 2 研究内容 本课题的攻关目标是研究开发适用于地下工程和大空问建筑的e s f r 自 动喷水灭火系统。为了完成该项课题的研究，将分析和讨论以下内容： ( 1 ) 紧跟园外的先进技术，查阅相关文献，探索e s f r 喷头与普通喷头喷 水水滴的动力性能，为喷头系统的设计提供理论依据； ( 2 ) 研究开发适用于大空间和高危险性场所的e s f r 自动洒水喷头样 机，建立模拟大空间场所的试验室和一套完整的e s f r 系统； ( 3 ) 选定不同层高、不同危险等级的a 类火灾进行灭火效能试验，并与 普通快速喷头比较，分析e s f r 系统的性能和特点； ( 4 ) 建立测试e s f r 喷头主要性能的试验装置，对研制开发的e s f r 喷头 样机进行功能试验，并与国外同类产品进行对比试验，确定主要性能和技术 参数，使之符合有关国际标准，为批量生产提供可靠的技术资料，为制定 e s f r 自动洒水喷头的检测技术标准提供依据； ( 5 ) 通过对模拟火灾灭火试验的分析及对e s f r 系统的全面研究，确定 系统的适用场所和应用参数。 第一章绪论 1 4 3 攻关技术路线及实施方案 ( 1 ) 攻关技术路线 a 立足于国内自行研究开发。通过借鉴美国f m 的相关研究经验，加快 科研进度，节约科研经费，提高科研水平； b 本课题要首先对系统进行分析，在此基础上进行产品的开发，将开发 的产品再组成系统，进行试验与分析，优选产品，优化系统： c 本课题研究的基础是试验，包括部件试验、系统试验两个部分，部件 试验中喷头的试验要进行冷喷和灭火试验；系统试验包括了系统冷喷试验和 实体火灾灭火试验，并以后者为主，由此确定系统的设计参数： d 系统研究开发结束后，结合工程进行工程应用研究。 ( 2 ) 实施方案 a 充分借鉴国内外最新研究成果，立足于独立研究开发： b 以应用基础研究的成果指导系统的研究与开发； c 通过系统的实体规模的冷喷和灭火试验，确定系统实际参数； d 系统的研究开发结合我研究所的另外一个项目“地下建筑与大空间建 筑消防工程新技术综合应用”进行，并创造与生产接轨的条件。 1 4 4 考核指标( 主要技术经济指标) 通过大量广泛、深入的调研，根据我国地下建筑与大空间建筑的现状和 特点以及国外相关技术的晟新发展，我们将e s f r 喷水灭火系统的技术指标 具体确定为： ( 1 ) 喷头工作压力：p 0 3 4m p a ( 2 ) 喷头口径： o1 5 1 7m m ( 3 ) 喷头的时间响应指数：r t i = 2 8 + 8 ( m s ) “ ( 4 ) 液滴冲量：0 4 1 6 k g f t 2 ( 5 ) 流量系数：1 7 0 + 1 0 ( 6 ) 保护高度：大于4m 、小于8m ( 7 ) 保护对象：严重危险等级的商品包装物 8 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 第二章e s f r 自动喷水灭火系统的 关键技术及动力学性能研究 2 。1e s f r 自动喷水灭火系统的关键技术 高大空间建筑自动喷水灭火系统应用技术的研究中，关键是喷头的构造 和性能的技术研究。因为喷头起着探测火灾、喷水灭火的作用，灭火效果在 很大程度上取决于喷头的选择和布置的合理性。因此，目前许多国家均在大 力研制和开发各种性能的喷头，如快速响应大水力喷头、大水滴喷头、自动 启闭喷头、大覆盖面侧墙型喷头等。有了具有各种特性的喷头问世，才能使 自动喷水灭火系统应用范围更广，灭火更安全可靠。例如：目前被美国消防 协会n f p a2 3 1 认可的e s f r 喷头的应用，使得大型高架仓库以及空间高度不 超过1 2 o m 的大型建筑的自动喷水灭火系统的功能更完善，灭火更安全可 靠。e s f r 喷头为自动喷水灭火系统在高大空间建筑尤其是高架仓库中的应 用，提供了更完善、更可靠的保护。 e s f r 喷头有一个快速反应热敏元件，此元件使该种喷头比传统普通喷 头反应快得多( 当库房高度超过8 0 m 时，热敏元件的快速反应尤其重要) 。 这对于保证喷头能及时开放喷水灭火至关重要，同时该喷头在高压下( 喷头 处工作压力不小于0 3 5 m p a ) 喷出大量的水( 直径1 9 m m 喷嘴，在最小压力 0 3 4 5 m p a 的作用下，e s f r 喷头喷出流量为6 3 l s ) 有足够的水流量抑制火 灾。 e s f r 喷头的另一特点是喷头在扑灭货架上部火的同时，喷头中心有一 股强大的水柱，可以穿过货架扑灭在喷头下方货架底部的火灾。因此，安装 了e s f r 喷头，就可以取消分层布置的喷头，喷头直接安装在屋面板下，喷 头间距可达3 0 5 m 。这就大大简化了系统设计，同时也提高了该系统控火、 灭火的可靠性。因为e s f r 喷头是以喷出水流的动量( 高压和大水滴) 直接作 用于火灾物体的表面。 e s f r 为了达到“快速响应，早期抑火”，有两个技术关键，第一是“快 速响应”，e s f r 的喷头上安装的玻璃球是一个具有快速反应的热敏元件。它 9 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 能够迅速感知火场的温度，尽快打开释放机构。其原理为玻璃球中充满了一 种液体，当受热的时候，液体膨胀，冲破易碎的玻璃球壁，从而打开喷头， 使具有高压的水一泻而下。第二是“早期抑火”，要达到这个目的，必须提 高喷头的喷水强度和水滴穿透火场上升热气流的能力。水滴的穿透能力取决 于水滴的动量m y ，水滴的动量越大，穿透能力越强。相较于普通的喷头， 喷水强度的提高和水滴穿透火场上升热气流能力的增强，大大提高了自动喷 水灭火系统的效能，为地下商场和高大空间建筑火灾的防护提供了有力的保 障。因此，研究如何提高水滴的动量是研制e s f r 喷头的关键所在。 2 1 1 水滴大小和速度的测量 大的水滴能够穿过上升的热气流到达燃烧物质的表面，而小的水滴可能 因为热气流的浮力作用而被热气流所带走，虽然不能到达燃烧物的表面，但 是小水滴的蒸发，吸收了空气中的热量，因此对热气流有一定的冷却作用， 从而延缓其他喷头的打开时间，节约水资源和减少水渍。因此如果能够了解 喷头喷出的水和火焰热气流之间的相互作用，那么对于研究喷头的性能有很 重要的参考作用。 现在的计算机技术已经足够的发达，能够建立火灾的动态模型，再加上 水滴的模型，就可以研究火灾过程中水滴和火焰之间复杂的相互作用过程， 从而为研究喷头的特性，设计喷头形状提供理论依据。但是，对于特定的， 已经研制出来的喷头，有些信息是不能预知的，只能通过实验的方法测定。 喷头的选择，设计对水滴尺寸的大小有直接影响。而水滴大小的影响因 素有如下几个方面： ( 1 ) 气流影响着洒水水滴的大小，而且对尺寸小的水滴的影响比尺寸大 的水滴的影响更大。气流施加一个与洒水面积交叉区域成正比的力，其中洒 水面积是洒水直径平方的函数。水滴的质量是水滴直径立方的函数，由于惯 性，水滴和气流的力产生相反的作用。 ( 2 ) 水滴的蒸发影响着水滴尺寸的大小。水滴的蒸发量的大小来自于四 个方面的影响，一是水滴的表面积大小，水滴的表面越大，蒸发量就越大； 二是水滴在气流中运动的路程的大小，路程越长，在气流中的时间越长，蒸 发量越大；三是环境温度的大小，环境温度越高，水滴蒸发得越快，蒸发量 越大；四是气流速度的大小，气流速度越快，蒸发量越大。所有这些因素都 影响着水滴的大小。 水滴的质量大小和运动速度大小决定着水滴的能量大小，水滴的运动能 1 0 第一章e s f r 的关键技术及动力学性能硼究 量越： ：，越容易穿过热气流，到达燃烧物表面。 喷头喷洒出大大小小的水滴，水滴大小的分布随着与喷头之j 训距离的变 化而发生相应的变化。喷头的设计者们希望通过了解水滴火小的分布和洒水 面积，从而判断喷头的性能，设计 新的喷头，操作条件的变化也寸水滴人 小产生着影响，比如说水压力的大小。对于我们的“快速n 向应，早期抑火” 喷头来说，希望能具有较大的水滴，以为水滴穿过热气流提供足够的能量利 冲量。 水滴尺、j 1 大小的测量方法有很多种，我们在研究过程中，曾尝试采用f 列新型方法进行测量、现做简单介绍。 照相法 照相法是利用闪光灯或者脉冲激光器照耀正在下落的水滴，用照相底片 或者摄像机记录下水滴的图像，然后对图像进行处理的方法。该方法例为用 到大量的照相底片，胶卷等存储介质，因此成本较高。 ( 2 ) 激光光学测量法 激光光学测量法，是利用激光高度的时问相干性和空间相干性进行迅速 测量的一种新型测量方法，是随着上世纪6 0 年代激光器的产生而兴起的一 种蓬勃发展的新技术。利用这种方法，可以迅速和快捷的测量出水滴的大小 及其分布，为喷头的设计提供参考。 图2 1 激光光学测量法测量系统示意图 如图2 、1 所示，采用一个t t e n e 激光器作为激光光源，用平面镜改变激 光的传输方向，使激光束照射。个由光敏二极管组成的阵列。当水滴经过阵 列屏幕位置的时候，水滴与激光束相交，挡住了激光束，在光敏二极管阵列 上形成水滴的阴影。光敏二级管将光信号转化成电信号并通过计算机与其的 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 接口写入计算机中，计算机通过图像信号的处理就可以分析出水滴的直径大 小。通过在上述系统中加入一个定时系统和软件检测光敏二极管的状态，可 以测定水滴运动的速度。具体方法是记录下千分之一秒时问段内阴影的起点 和终点，从而可以根据速度位移公式： 一 s a t 计算出水滴的速度大小和方向。在计算的过程中，假设水滴是球形的， 因此阴影是圆形的，位移是两个阴影圆圆心之间的距离。如图2 2 所示。 ( 2 1 ) 图2 2 水滴运动阴影示意图 现在己知水滴的直径大小和速度大小，就可以算出水滴的平均直径大小 和平均动量大小，在喷头的设计中，我们应该选择水滴平均直径大的，平均 能量大的喷头，以达到快速灭火的目的。 ( 3 ) 多普勒相位干涉测量法( p d i ) s h e p p a i d 等人曾经采用了粒予成像测速法( p ：p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) 测量水滴的下落速度，但是这种测量方法不能够提供水滴的大 小信息或者说水滴的大小和速度之间的相关性信息。而多普勒相位干涉测量 法( p d i ：p h a s ed o p p l e ri n t e r f e r o m e t r y ) 既可以测量水滴的大小，也可以测量 出水滴的速度。 j o h n fw i d m a n n 等人运用多普勒相位干涉测量法测量并研究了水滴的 大小和运动速度。采用的装置如图2 3 所示。装置分为两部分：相位多普勒 测量装置( p h a s ed o p p l e ri n t e r f e r o m e t e r ) 和一个实时信号分析仪( r e a l t i m e s i g n a la n a l y z e r ) 。该套装置用一个多波长的a r 离子激光器作为相干光源， 发射的绿光( 2 = 5 1 4 5 r i m ) 和蓝光( 五= 4 8 8 n m ) 分别测量水滴轴向和径向的速 度大小。激光通过一个光学系统之后照射喷头喷出的水滴，水滴散射激光形 成明暗交替的干涉条纹，光电倍增管接收此光信号，转换成电信号传到实时 信号分析仪，计算机经过处理，统计就可以得到喷头喷出的水滴的信息。 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 1 3 圃 艟 1 b 涮 蜊 h o 山 呷 h 圈 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 2 1 2 水滴冲力实验 e s f r 喷头对喷洒水滴穿透火场上升热气流的能力提出了更高的要求， 而正如前所述，水滴的穿透力取决于水滴的动量m y 。水滴冲力实验就是利 用水滴冲量测试装置，测试喷水灭火系统在冷喷的情况下，水滴的动量大小 的一种研究性实验。可以为喷头的主要尺寸，结构形式，溅水盘形式及喷头 口径等的设计提供参考作用。 2 2 实际喷水密度a d d a d d ( t h ea c t u a ld e i v e r e dd e n s i t y ) 即为实际喷水密度。在过去的 二十年中，工业产品获得的空前的，前所未有的发展，仓库中堆满了各种各 样的易燃的人工合成材料，货架的高度越来越高。在这样的新环境下，火灾 发生的时候，火苗具有极高的热释放率和超过l o m s 的热气流速度。普通的 喷头灭火系统已经不能胜任这种新的形势，新的情况，这个问题有待e s f r 这个新型的喷头来解决。 f m r c 为了研究喷头的性能，在其早期的“快速响应，早期抑火”研究 项目中，首先提出了实际喷水密度a d d 的概念。喷头的a d d 是指水穿过火焰， 喷洒到燃烧着的货物顶部的单位面积单位时间的水量，单位为l m i n m 2 。实 际喷水密度a d d 与火焰的特性，热释放率，着火位置，天花板净高，水流速 度，喷洒形状和水漓大小分布等众多因素有关。热释放率越大，a d d 越小， 水流速度越大，单位时间内喷出的水越多，a d d 也越大。我们把能够抑制火 灾所需要的喷洒到火灾燃烧物表面的最小喷水密度叫做必须喷水密度r d d ( t h er e q u i r e dd e l i v e r e dd e n s i t y ) 。我们期望我们的实际喷水密度a d d 能够大于必须喷水密度r d d ，这个时候就能够实现抑火的目的。 因此，研究在各种火灾情况下实际喷水密度a d d 的变化规律对于预测和 研究洒水喷头的性能具有很重要的意义。由于众多的影响原因和因素，到目 前为止，a d d 的相关性能还没有得到确立。h e s k e s t a d 曾采用模拟实验做过 相关的工作，他把喷头的运转模式分为重力系统和动量系统。在重力系统中， 喷头喷出的水滴如果以自由落体速度下落的话，除了稍微冷却一下热气流之 外，毫无别的效果。如果热气流产生的力大于重力的话，水滴将向相反方向 4 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 运动，不能进入火焰内部到达燃烧物表面，从而达不到灭火的目的，这个时 候的永的穿透率( 水的穿透率即热喷和冷喷时喷水密度大小的比率) 就很小。 在动量系统中，水受到向下的巨大的压力，从两具有极赢的喷水密度和水滴 冲量，热气流受到强烈的抑制， 为了研究a d d 的特性，我们参照美国f mt a k s a n gc h a r t 和h s i a n g c h e n g k u n g 等人进行的实验，进行了相关研究和分析。 2 2 1a d d 的测量 实验目的：通过模拟货架着火研究热释放率，水流速率，喷头布置对实 际喷水密度a d d 的影响。选择三种e s f r 喷头，c 型1 7 3 2 一i n 公称直径2 0 m m ； f 型1 2 一i n ，公称直径1 5 m m ；g 型l 2 一i n ，公称直径1 5 m r a 。f 型和c 型具 有相同的溅水盘( d e f l e c t o r ) ，但支撑臂更小。测量时，仿真货架置于喷头 的正下方。5 组热对流释放率5 0 0 ，1 0 0 0 ，1 5 0 0 ，2 0 0 0 和2 5 0 0 k w 。每个喷头 的流量为9 5 ，1 4 0 ，1 7 0 ，2 1 2l m i n 。 彭 汐 n ， ( o )j ： ： ： 瓤勰 - + 5 3 3 c m f u e l t n k tl 一 2 - 2 9 e m e 1 图2 4 火灾模拟装置顶视图 i_，l_-t 第二章e s f r 的关键技术及动力学性能研究 图2 4 是实验装置的顶视图。试验装置包含两个部分：1 ) 火灾模拟器； 2 ) 集水盘。火灾模拟装置是由9 个燃烧喷嘴组成，以庚烷为燃料。八个喷嘴 等距离地分布在直径为1 2 2 m 的蹰上，剩下的一个喷嘴位于圆心，在一个直 径为1 0 2 c m 的空气偏导器之上，偏导器之下是一个直径为2 0 3 a m 的气孔， 提供向上的气流。可以通过改变喷嘴的性能调节产生的热对流释放率。加压 存储的庚烷在一个燃料箱中，用等长的6 4 m m 的铜管和各个喷嘴相连，使 得各个喷嘴以同样的速率喷放庚烷气体。西1 2 7 咖的水冷套包裹着铜管，用 以冷却集水盘上方的铜管。集水盘由2 0 个小盘组成。 喷嘴组成的阵列在集水盘上方1 5 ，2 a m 。外围的八个喷嘴呈放射状地分 布，朝向整个装置的中轴线。通过调节喷嘴与水平面之间的夹角，可以改变 产生的火焰的热释放率，达至q