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书书书 给水排水 V o l . 3 8 增刊 2 0 1 23 7 7 自动喷水-泡沫联用灭火系统的理论分析 郭 建 伟 ( 现代建筑设计集团华东建筑设计研究院有限公司, 上海 2 0 0 0 0 2) 摘要 介绍了自动喷水-泡沫联用系统的工作原理及主要设计参数的选取, 深入分析了该系统 的水力学特点。计算表明, 在完全紊流状态下, 比例混合器的混合比不随流量的改变而变化; 系统的 主要水头损失发生在比例混合器、 报警阀及节流孔板处, 管路水头损失相对较小, 为泡沫罐集中布 置、 比例混合器分散于管网的布置形式提供了理论依据。最后对自动喷水-泡沫联用系统的应用现 状及发展趋势进行了展望。 关键词 泡沫喷淋系统 比例混合器 泡沫罐 地下车库 T h e o r e t i c a n a l y s i s o f c o m b i n e d s y s t e m o f a u t o m a t i c s p r i n k l e r w i t h l o w ? e x p a n s i o n f o a m G u o J i a n w e i ( E a s t C h i n a A r c h i t e c t u r a l D e s i g n & R e s e a r c h I n s t i t u t e C o. ,L t d., S h a n g h a i X i a n D a i A r c h i t e c t u r a l D e s i g n(G r o u p)C o. ,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 0 0 2,C h i n a) A b s t r a c t:I n t h i s p a p e r,t h e a u t h o r s t a t e s t h e p r i n c i p l e a n d d e s i g n p a r a m e t e r s o f c o m b i n e d s y s t e m o f a u t o m a t i c s p r i n k l e r w i t h l o w-e x p a n s i o n f o a m. T h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c o f t h i s s y s t e m w a s d e e p l y a n a l y z e d . T h e r e s u l t s s h o w e d m i x t u r e r a t i o o f t h e f o a m p r o p o r t i o n e r w a s i n v a r i a b l e w i t h f l o w r a t e u n d e r t u r b u l e n c e,a n d t h e m a i n h e a d l o s s h a p p e n e d i n t h e f o a m p r o p o r t i o n e r, w a r n i n g v a l v e a n d t h e t h r o t t l e o r i f i c e ,o n t h e o p p o s i t e,t h e l o s s o f p i p e w o r k s w a s s m a l l,w h i c h p r o v i d e d t h e o r e t i c r e a s o n a b l e p r o o f f o r t h e l a y o u t p a t t e r n o f c e n t r a l i z e d a r r a n g e m e n t o f f o a m t a n k w i t h f o a m p r o p o r t i o n e r l o c a t e d i n t h e c e n t r e o f p i p e w o k s i n c u t-u p. I n t h e e n d,t h e a p p l i c a t i o n a n d s c i e n t i f i c t e n d e n c i e s i n t h i s f i e l d w e r e p r o s p e c t e d . K e y w o r d s:F o a m s p r i n k l e r f i r e e x t i n g u i s h i n g s y s t e m;F o a m p r o p o r t i o n e r;F o a m t a n k; U n d e r g r o u n d g a r a g e 0 前言 随着民用建筑领域向超限高、 大体积、 多功能方 向的发展, 其地下车库的火灾危险等级逐渐提高, 许 多车库规模达到Ⅰ类汽车库标准, 根据《 汽车库、 修 车库、 停车场设计防火规范》 ( G B 5 0 0 6 7—1 9 9 7) 规 定, 建议优先采用自动喷水-泡沫联用灭火系统。 该系统的设计与用于油罐等含油类区域的单独泡沫 灭火系统有一定区别。具体体现在:①该系统平时 喷淋管网中充满的是水, 只是在发生火灾时3m i n 内实现水-泡沫的转换, 用泡沫进行灭火1 0m i n; ②该系统利用喷淋管网中的压力水流在比例混合器 处造成的负压抽吸完成水与泡沫的精确混合。 系统主要由泡沫罐、 比例混合器、 湿式报警阀等 组成, 不同厂家产品其控制方式可能有些差异, 但基 本原理相同。目前工程上较常用的系统形式如图1。 其工作原理为: 当闭式喷头的玻璃球因火灾而爆破 后, 管网中的水流向该喷头, 此时湿式报警阀打开, 同时一部分水经延时器驱动水力警铃 报 警, 安 装 于 3 7 8 给水排水 V o l . 3 8 增刊 2 0 1 2 图1 自动喷水-泡沫联用系统工作原理示意 支管上的水流指示器将水流信号传输到控制器, 延 时器计时至延时期满后, 启动加压开启阀, 释放泡沫 储罐内处于受压状态的泡沫灭火剂, 泡沫灭火剂经 管道流向比例混合器, 并在比例混合器内与压力水 按一定的比例混合形成混合泡沫液流向喷头实施 灭火。 1 设计参数的选取 一般来讲, 地下车库为中危险Ⅱ级, 系统的基本 设计参数按照表1进行选取。对于该系统, 泡沫灭 火剂成分及混合浓度的选择对其灭火效果有较大影 响。目前应用于地下车库的泡沫喷淋系统的泡沫灭 火剂一般为水成膜泡沫灭火剂A F F F(a q u e o u s f i l m f o r m i n g f o a m) 。该灭火剂有6%、 3%轻水型泡沫 灭火剂(A F F F ) 和 6%、3%轻水酒精型水成膜泡沫 灭火剂(A F F F/AT C) [1]。普通 A F F F 对于非水溶 性和极性的液体火灾有较好的效果, 其主要的灭火 机理为窒息效果; 然而其对极性溶剂火灾如醇、 醚等 的灭火效果有限, 这是因为极性溶剂能很快吸收泡 沫中的水份, 破坏其有效覆盖表面; 而 A F F F/AT C 由于其含有极易析出的高分子物质, 在极性溶剂将 泡沫液中的水分吸收同时析出的高分子物质在极性 表1 自动喷水-泡沫联用系统在地下车库应用的设计参数选取 项目数值 泡沫混合液供给强度/L/ (m i nm2) 8 供给时间/m i n 1 0 喷头灭火要求的最低工作压力/MP a 0. 1 系统的作用面积/m2 1 6 0 比例混合器后喷淋管网的有效容积/L ≤7 2 0 系统设计流量/L/m i n ≥1 2 8 0 注: 设计流量的确定应考虑是否有机械停车位及其型式。 溶剂表面形成凝聚性聚合层,从而阻 止 极 性 溶 剂 对 泡 沫 的 进 一 步 破 坏[ 2,3]。当存放配用无铅汽油燃 料 汽 车 时, 美 国3 M 公 司 推 荐 采 用6% A F F F/AT C。 因此, 灭火剂种类及浓度的选择主 要取决于实际火灾的种类。在设计中 选择较高的混合浓度, 仅增加了泡沫罐 的设计容积, 适当增加了系统的造价, 但 灭火效果却得到了显著提高。 确定了泡沫灭火剂的浓度及成分后, 需要明确 系统的形式。目前实际主要有两种做法: 一种是参 照标准图集0 4 S 2 0 6-4 0将泡沫罐分散布置于管网 的中心, 保证比例混合器后喷淋管网满足4L/s流 量下水到泡沫液的转换时间不大于3m i n。该种布 置形式泡沫罐设置数量较多, 占用建筑面积较大, 管 理困难, 但系统可靠性较高。另一种为泡沫罐集中 设置于报警阀间, 而比例混合器分散设置于喷淋管 网的中心, 这种布置方式节省了泡沫罐的设置数量、 所需机房面积较小, 缺点是由于设置了长距离泡沫 液输送管, 可靠性相对降低。随着国内各厂家比例 混合器性能的提高, 泡沫罐集中布置、 比例混合器分 散布 置 于 管 网 中 心 的 布 置 方 式 得 到 有 效 推 广 应用[ 4]。 2 系统的水力学原理 比例混合器是该系统的核心组件, 其性能直接 决定了泡沫液的实际混合比和灭火效果。目前该系 统中应用的比例混合器为多为负压式类型, 因此, 可 以通过水力学的计算公式进行推导。由于各个厂家 的比例混合器的负压产生原理不同, 但总的来讲是 在混合器内部设置了喷嘴或孔板, 利用高速水流产 生的负压将泡沫从泡沫罐中抽吸出来。从计算简图 ( 见图2 ) 可以看出, 实际上就是水力学上并联管路 的计算问题。从 A 点开始, 大部分压力水通过湿式 报警阀后, 经 A-B ′ -D管路流向比例混合器D点; 同时小部分压力水经 A-B 管路进入泡沫液储罐 后, 等量的泡沫液经 C-D 管路流向 D 点。对于 A -B ′ -D管路, 主要的水头损失为报警阀处局部水 头损失、A-B ′ -D的管路水头损失( 包括沿程及局 部损失, 以下同) 以及比例混合器处局部水头损失; 给水排水 V o l . 3 8 增刊 2 0 1 23 7 9 图2 自动喷水-泡沫联用系统计算示意 而A-B-C-D管路的水头损失包括A-B管路水 流引起的损失、C-D管路泡沫液流引起的水头损 失、 节流孔板( 也可用减压阀代替) 局部水头损失。 以下列出了涉及的计算公式: 比例混 合 器 处 喷 嘴 或 孔 板 引 起 的 局 部 水 头 损失[ 5]: h0= Q 2 2 0F 2 02g ( 1) 管路的摩阻损失: h=λL D v 2 2g ( 2) 报警阀处的水头损失: Hk=0. 0 0 8 6 9Q 2 ( 3) 根据并联管路水头损失相同原理hA-B-C-D= hA-B ′ -D得: hA-B+hC-D+h节流孔板=hA-D+h报警阀+h比例混合器 ( 4) 代入得: λA-B LA-B d 5 8m 2 Q 2 0 g +λC-DL C-D d 5 8m 2 Q 2 0 g +δ8 m 2 Q 2 0 g d 4 =λA-DL A-D D 5 8(1-m) 2 Q 2 0 g +0. 0 0 8 6 9(1-m) 2 Q 2 0+ (1-φ) ( 1-m) 2 Q 2 0 2 0F 2 02g ( 5) 去掉Q 2 0后得: λA-B LA-B d 5 8m 2 g +λC-DL C-D d 5 8m 2 Q 2 0 g +δ8 m 2 g d 4 =λA-DL A-D D 5 8(1-m) 2 g +0. 0 0 8 6 9(1-m) 2+ (1-φ) ( 1-m) 2 2 0F 2 02g ( 6) 式中hA-B— — —节点 A 到B的管路水头损失,m; hC-D— — —节点C到 D的管路水头损失,m; hA-D— — —节点 A 到 D的管路水头损失,m; h0— — —喷嘴处的局部水头损失,m; Q— — —流经喷嘴的水流量,m 3/ s; Q0— — —泡沫喷淋系统设计流量,m 3/ s; F0— — —喷嘴的过流面积,m 2, 喷嘴孔径的大 小取决于设计流量及喷嘴处水头损 失( 一般控制在6~1 0m) ; α0— — —喷嘴流量系数; g— — —重力加速度,m/s 2; λ— — —管道的摩阻系数, 根据R e和K/D查 阅莫迪图读取( R e为雷诺数,K/D为 相对粗糙度) ; δ— — —节流孔板的局部水头损失系数; φ— — —比例混合器处水与泡沫液混合产生 的局部水头损失系数, 一般为0. 3 5; L— — —管道长度( 包括局部水头管件水头损失 折合的当量长度在内) ,m; D、d— — —分别为喷淋主干管、 泡沫输送液管 径,m; m— — —泡沫液与水的混合比。 从式(6) 可见, 假 定 水 流 完 全 处 于 紊 流 状 态 下, 根据尼古拉兹试验规律, λ只与管道的相对粗 糙度K/D有 关, 与R e无 关, 此 时 泡 沫 液 与 水 的 混合比m不随设计流量Q0的改变而变化, 从而 保证在一定流量范围内水与泡沫液的精确混合。 这对于 喷 淋 系 统 非 常 重 要, 因 为 实 际 发 生 火 灾 时, 该系统的实际输出流量是逐渐变大的。混合 比的有效保障 才 能 更好地发挥 该 系 统 的 火 灾 初 期灭火效果。 为了更好地探讨该系统的水力特点, 拟通过实 际计算说明。计算条件如下:A 节点处管径D= 1 5 0mm, 设计流量Q0采用3 2L/s, 混合比取6 % , 比 例混合器内部喷嘴孔径为=7 0mm,LA-B=1 0m, LC-D=1 5 0m。泡沫液管道通过流量为q=0. 0 6 3 8 0 给水排水 V o l . 3 8 增刊 2 0 1 2 3 2=1. 9 2(L/s) , 选用d= 5 0mm, 流速v= 0 . 9 8m/s。 各管路的水头损失计算详见表2。 比例混合器处局部水头损失为: h0= Q 2 2 0F 2 0 2g= ( 3 0 . 0 8/1 0 0 0) 2 0 . 6 1 6 2( 1/4 3 . 1 4 0 . 0 7 2)2 2 9 . 8 1= 8 . 2 1( m) 。 表2 计算实例管路水力计算 管段 编号 设计 流量 /L/s 管径 DN /mm 设计 流速 v /m/s 雷诺数 R e 管道的 比阻λ 管长 L /m 沿程 损失 /m 总损失( 局 部损失系 数取0. 2) /m A-B 1. 9 2 5 0 0. 9 8 4 8 4 6 7 0. 0 3 5 3 1 0 0. 3 5 0. 5 C-D 1. 9 2 5 0 0. 9 8 2 4 5 0 0 0. 0 3 5 3 1 5 0 5. 3 6. 4 A-D 3 0. 0 8 1 5 0 1. 7 0 2 5 2 2 2 6 0. 0 3 5 2 1 5 0 5. 2 6. 3 报警阀处局部水头损失为:Hk=0. 0 0 8 6 9Q 2= 0. 0 0 8 6 93 0. 0 8 2=7. 8( m) ( 由于目前报警阀水头 损失公式不完善, 计算结果比实际值偏大, 此处仍取 4m) 。 则A-D水管路的总水头损失为:HA-D=6. 3 +4+8. 2 1=1 8. 5 1(m) 。 则A-B-C-D泡沫管路上节流孔板的水头损 失应为: h=1 8 . 5 1-6 . 4-0 . 5-8 . 2 10 . 3 5=8 . 7 3 (m) 。 考虑设置两级节流孔板, 每级的阻力系数δ= 8. 7 329. 8 1/ (20 . 9 8 2) =8 9。 查阅节流孔板局部阻力系数表[ 6]得, 孔板的孔 径为dk=5 00. 4=2 0(mm) 。 以上的计算表明, 压力水管路(A-D) 的水头损 失与泡沫液输送管路(A-B-C-D) 水头损失相 当; 对于整个系统主要的水头损失发生在比例混 合器、 报警阀及节流孔 板 处。因 此, 将 比 例 混 合 器延伸到喷淋管网的中 心 从水 力 学 上 是 可 以 实 现泡沫液与水的有效混合。但是距离过大, 相应 的水头损失会增加, 不同支路之间的配水均匀性 显著降低, 泡沫液输送管的事故危险性增大。目 前工程上应用的泡沫液 输 送管 最 大 距 离 一 般 控 制在2 0 0m, 这基本能够满足目前较大的单体建 筑项目设计需要。 3 实际应用中存在的问题及该技术的展望 目前民用建筑领域涉及的自动喷水-泡沫喷淋 系统设计一般由设备商出深化图纸, 设计人员应对 其进行深入的理论计算复核以保证系统的最佳效 果。从以上的计算可以看出, 泡沫比例混合器的水 头损失一般为6~1 0m, 因此考虑到水流指示器前 的管道压力不超过0. 4 MP a, 所以比例混合器前进 水压力最多0. 5MP a, 因此进水压力如果过大则需 要设置减压孔板以满足规范要求。对于大型汽车库 考虑到各区水力的非均匀性, 建议适当增大泡沫罐 的容积以提高其安全性。 自动喷水-泡 沫 喷 淋 系 统 作 为 一 种 新 型 的 复合灭火 技术, 在 我 国的试验研究 还 很 薄 弱, 从 而限制了 该 系 统 的 优 化 及 推 广 应 用。比 例 混 合 器是该系统的核心元件, 对其水力性能的研究及 优化是未来的研究方向, 并且比例混合器内部喷 嘴大小的选用 是 按 设计流量抑 或 某 一 小 流 量 来 选取( 按照设计流量选取的喷嘴在火灾初期小流 量时还应保障泡沫液与水的有效混合) 以及泡沫 液罐、 电磁( 动) 阀、 管 道 的防腐技术也是值得深 入探讨的。 参考文献 1 郑和, 杨利剑, 齐文明. 复式车库闭式水成膜泡沫喷淋灭火系统设 计.中国给水排水,2 0 0 0,1 6(4) :3 7~3 8 2 胡雨前.大型地下汽车库自动喷水-泡沫联用灭火系统设计. 给 水排水,2 0 0 8, 3 4(1 1) :8 0~8 2 3 魏彤, 朱红卫. 机械式立体停车库水成膜泡沫喷淋灭火系统设计. 消防技术与产品信息,2 0 0 3, (5) :3 3~3 4 4 梁振越. Ⅰ类地下 汽 车 库 泡 沫 喷 淋 灭 火 系统 设 计. 给水排水, 2 0 0 7,3 3(1 0) :9 4~9 6 5 张连城. 压力比例混合器的原理和理论计算. 消防技术与产品信 息,2 0 0 4, ( 1) :2 4~2 8 6 中国建筑标准设计研究院. 全国民用建筑工程设计技术措施-给 水排水.北京: 中国计划出版社,2 0 0 9. 2 5 6~2 5 7 ※通讯处:2 0 0 0 0 2上海市江西中路2 4 6号5楼 电话:1 3 9 1 7 4 4 0 3 7 1 E-m a i l:g j w 1 4 3 9 7@e c a d i . c o m 收稿日期: 2 0 1 1-0 4-0 7 修回日期: 2 0 1 2-0 6-0 6
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