紀(jì) 元，李元洲，匡萃芃，李 政，李 健，李成龍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

不同類型噴頭滅火有效性研究

紀(jì) 元，李元洲＊，匡萃芃，李 政，李 健，李成龍

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥，230026）

通過實(shí)驗(yàn)研究了不同類型噴頭對滅木垛火的影響。實(shí)驗(yàn)采用了ZSTX和ZSTP兩種類型噴頭，在不同的水壓力下滅木垛火，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場觀測和測得的煙氣溫度，煙氣組分變化來分析對比滅火的效果和對煙氣的影響。通過對比分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知ZSTX噴頭在0.2MPa的水壓力下可以實(shí)現(xiàn)滅火，ZSTP噴頭在0.4MPa才可以實(shí)現(xiàn)滅火。噴淋實(shí)現(xiàn)滅火時(shí)產(chǎn)生的CO比只能實(shí)現(xiàn)控火產(chǎn)生的CO少。

滅火效果；噴頭類型；CO濃度

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，大量新型建筑不斷涌現(xiàn)，這些新型建筑的新不僅體現(xiàn)在建筑材料上，也體現(xiàn)在建筑的形式上。這些新型建筑的出現(xiàn)為建筑防火提出了新的要求，尤其是對于消防噴淋提出了較高的要求。

自動(dòng)噴淋系統(tǒng)是建筑消防系統(tǒng)的重要組成部分［1］，在火災(zāi)初期起到滅火或者控火災(zāi)發(fā)展的作用。Heskestad［2］提出了噴頭響應(yīng)方程并引入了 C-factor，由于噴淋啟動(dòng)后有大量的小水滴懸浮在噴頭的周圍的空氣中，這些水滴的存在對于其它噴頭啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。Chow［3］等首先關(guān)注了噴淋在大空間建筑中的應(yīng)用問題，研究了噴頭響應(yīng)時(shí)間與響應(yīng)時(shí)間參數(shù)之間的關(guān)系，其意義十分重大。Bullen［4］等于1974年首先探討了噴淋水滴與煙氣的相互作用的相關(guān)問題，假定煙氣層的厚度是不變的，水滴的粒徑是相同的，基于以上的假設(shè)，得出水滴的拖拽力與煙氣浮力之間的比值作為穩(wěn)定性判據(jù)。Morgan［5］等提出了一個(gè)新的模型，假設(shè)液滴具有一定的粒徑分布，對煙氣與水滴作用的模型進(jìn)行了分析。對于噴淋作用下滅火效果的研究，游宇航［6，7］、李思成［7－9］等更多地關(guān)注于噴淋壓力 對于滅火效果的影響，做了一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得出了噴淋滅火與控火之間存在臨界壓力。但他們只是在一種噴頭下的滅火效果對比，對于不同種噴頭的滅火效果沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，所以本文在原來的基礎(chǔ)上采用ZSTP和ZSTX兩種噴頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得出這兩種噴頭的滅火效果的差異。

筆者通過10組實(shí)驗(yàn)工況，研究了ZSTX與ZSTP兩種噴頭滅火效果，分析了兩種噴頭滅火的特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用的小室尺寸為3m×4m×4m，小室前門開口寬度為1.6m，門高度2m，在小室內(nèi)距左側(cè)墻50cm處，有一列熱電偶，如圖1所示，這些熱電偶位于左側(cè)墻的中線位置，8個(gè)熱電偶距地面的距離分別是0.31m，0.72m，1.15m，1.42m，1.68m，1.98m，2.12m，2.34m。小室內(nèi)的噴頭位于小室的中間位置，小室后方的窗戶關(guān)閉，門開啟，實(shí)驗(yàn)中采用的兩種噴頭ZSTX和ZSTP。用到的兩噴頭都是15mm口徑，流量系數(shù)均為80。在噴頭的正下方放置木垛，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的火源為一個(gè)木垛時(shí)，將木垛的中心對應(yīng)噴頭，木垛四側(cè)分別與小室的墻平行。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中的火源為兩個(gè)木垛時(shí)，將木垛前后位置放置，噴頭正好位于兩個(gè)木垛中間的正上方。木垛的木條采用干燥的普通杉木，木垛本身的尺寸為0.6m×0.6m×0.4m，木條長0.6m，截面尺寸為0.025m×0.025m。間隙比為1∶2，共有16層，每層9根木條。測量煙氣組分的testo-350探測頭位于門沿上方，可以測量CO，NO，H2等多種氣體成分。實(shí)驗(yàn)中的噴淋在木垛點(diǎn)燃后240s啟動(dòng)，木垛先被澆上一定量的乙醇，然后點(diǎn)燃開始計(jì)時(shí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)場景圖Fig.1 Placement of experiment apparatus

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Experiment conditions

2 結(jié)果與討論

在ZSTX噴頭實(shí)驗(yàn)中，木垛被乙醇引燃，火焰高度大約在0.5m左右，由于木垛引燃用的是乙醇，火焰呈淡藍(lán)色，隨著燃燒的進(jìn)行，火焰由淡藍(lán)色轉(zhuǎn)為黃色，火焰高度逐漸增高，最高可達(dá)到約1.5m，200s后木垛整個(gè)都在燃燒。小室內(nèi)的煙氣層與空氣層有明顯的分層現(xiàn)象。240s木垛達(dá)到完全燃燒狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)噴淋。隨著240s噴淋的啟動(dòng)，出現(xiàn)較多的淺顏色煙氣涌出小室。ZSTX噴頭啟動(dòng)后，火焰受到抑制，火焰高度降低很多。如圖2所示為ZSTX噴頭0.15MPa啟動(dòng)前后一個(gè)木垛火的變化。

圖2 ZSTX噴頭在0.15MPa水壓時(shí)滅一個(gè)木垛火的啟動(dòng)前后圖像對比Fig.2 The situation before and after sprinkler operating of 0.15MPa ZSTX nozzle

圖3 ZSTX水噴淋作用下0.31m處溫度Fig.3 Temperature at the height of 0.31m under sprinkler of ZSTX

從圖3可知，噴淋240s啟動(dòng)，燃燒初期0.31m處煙氣很少，當(dāng)噴淋啟動(dòng)后大量煙氣沉降。實(shí)驗(yàn)1中，0.31m處溫度下降到40℃左右。實(shí)驗(yàn)2中，0.31m處溫度下降至40℃。實(shí)驗(yàn)4中，0.31m處溫度下降到50℃。這三種工況下噴淋不能將火撲滅，木垛火繼續(xù)燃燒。

實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)5中，0.31m處溫度在噴淋啟動(dòng)后迅速下降到20℃左右?？梢詫?shí)現(xiàn)滅火，實(shí)驗(yàn)3滅火用時(shí)70s，實(shí)驗(yàn)5滅火用時(shí)140s。ZSTX噴頭的噴淋可以實(shí)現(xiàn)滅火的壓力為0.2MPa。

從圖4中可知，實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)5中，2.34m高度處的溫度在噴淋啟動(dòng)后200s即降至25℃，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)4在溫度下降至50℃。

圖4 ZSTX水噴淋作用下2.34m處溫度Fig.4 Temperature at the height of 2.34m under sprinkler of ZSTX

圖5 ZSTX水噴淋作用下CO濃度變化Fig.5 CO concentration under sprinkler of ZSTX

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)1中產(chǎn)生的CO濃度最大350ppm，最大濃度出現(xiàn)在650s-750s間，由于實(shí)驗(yàn)1中噴淋壓力0.1MPa不能實(shí)現(xiàn)滅火，木垛燃燒與噴淋滅火達(dá)到一定平衡，只能起到一定控火作用，在木垛火燃燒至600s后，由于木垛燃燒了很大部分，噴淋的滅火作用強(qiáng)于木垛燃燒，這時(shí)木垛明火即將熄滅，不完全燃燒增強(qiáng)，產(chǎn)生了大量CO。實(shí)驗(yàn)2中CO濃度高達(dá)550ppm，CO濃度在400s之后到800s一直處于上升趨勢，實(shí)驗(yàn)2中噴淋0.15MPa不能將火撲滅，但是對火的抑制作用大于實(shí)驗(yàn)1中的噴淋，所以在木垛燃燒后期的不完全燃燒程度更大，產(chǎn)生的CO濃度大于實(shí)驗(yàn)1。實(shí)驗(yàn)3中產(chǎn)生的CO的量也是很低的，最高只有350ppm。CO最大濃度在470s出現(xiàn)，是一個(gè)峰值，隨后CO濃度下降。由于實(shí)驗(yàn)3中，0.2MPa噴淋可以將火撲滅，所以CO出現(xiàn)峰值，峰值時(shí)刻對應(yīng)的就是木垛火被撲滅的時(shí)候。

實(shí)驗(yàn)4中CO濃度高達(dá)1800ppm。實(shí)驗(yàn)5中只有900ppm。實(shí)驗(yàn)4不能實(shí)現(xiàn)滅火，所以CO濃度沒有明顯峰值，而實(shí)驗(yàn)5中可以實(shí)現(xiàn)滅火，在470s－570s出現(xiàn)峰值，這時(shí)也是木垛火被撲滅之時(shí)。

對于實(shí)驗(yàn)3，實(shí)驗(yàn)5，由于這兩種工況噴淋壓力下，噴淋噴出的水滴量最多，而且水滴的速度最大，動(dòng)量最大，穿透性很強(qiáng)，水滴可以深入木垛內(nèi)部進(jìn)行滅火，因此表現(xiàn)為滅火作用。對于實(shí)驗(yàn)1，噴淋壓力很小，噴出的水量最少，水滴速度最小，所以對木垛的燃燒抑制作用很小，同時(shí)CO增加量較少。對于實(shí)驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)4，噴淋噴出的水量較多，動(dòng)量較大，但是不足以將火撲滅，而又對火產(chǎn)生了較大的抑制作用，所以木垛的不完全燃燒加劇，產(chǎn)生了大量CO。

在ZSTP噴頭實(shí)驗(yàn)中，隨著240s噴淋的啟動(dòng)，火焰高度并未有較大下降，只是火焰變細(xì)，這主要是由于ZSTP噴頭的濺水盤較大且方向是向四周上方，所以噴頭將水滴更多的灑向了四周，而木垛火源位于噴頭的正下方。圖6所示為ZSTP噴頭0.15 MPa啟動(dòng)前后一個(gè)木垛火的變化。

圖6 ZSTP噴頭在0.15MPa水壓時(shí)滅一個(gè)木垛火的啟動(dòng)前后圖像對比Fig.6 The situation before and after sprinkler operating of 0.15MPa ZSTX nozzle

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)6中0.31m處下降至58℃，實(shí)驗(yàn)7中0.31m處溫度下降至42.9℃，實(shí)驗(yàn)8中0.31m處溫度下降至22.7℃，實(shí)驗(yàn)9中0.31m溫度下降至65.1℃，實(shí)驗(yàn)10中0.31m處溫度下降至21.7℃。實(shí)驗(yàn)觀測到，實(shí)驗(yàn)10中噴淋可以實(shí)現(xiàn)滅火，在噴淋啟動(dòng)后80s將木垛火撲滅，實(shí)驗(yàn)8中沒有將1個(gè)木垛火撲滅，不過很好的抑制了其燃燒。

由于ZSTP噴頭灑水的形式是包絡(luò)型，兩個(gè)木垛擺放時(shí)，木垛邊緣可以被水灑到，所以能夠?qū)崿F(xiàn)滅火，而一個(gè)木垛時(shí)，由于正好處于噴頭的正下方，噴灑到木垛上的水很少，所以木垛火不能被撲滅。

圖7 ZSTP噴淋作用下的0.31m處溫度變化Fig.7 Temperature at the height of 0.31m under sprinkler of ZSTP

圖8 ZSTP噴淋作用下的2.34m處溫度變化Fig.8 Temperature at the height of 2.31m under sprinkler of ZSTP

實(shí)驗(yàn)8，實(shí)驗(yàn)10中，噴淋啟動(dòng)后2.34m處溫度均下降至22℃，而其他噴淋壓力下的2.34m高度處溫度下降到50℃左右。0.4Mpa的ZSTP噴淋可以較好地實(shí)現(xiàn)滅火控火，而其他工況壓力下的ZSTP噴淋則不能很好實(shí)現(xiàn)滅火控火。

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)6中的CO最高濃度達(dá)到550ppm。實(shí)驗(yàn)7中CO濃度最高達(dá)到800ppm。實(shí)驗(yàn)8中CO最高濃度達(dá)到200ppm。實(shí)驗(yàn)6既不能實(shí)現(xiàn)滅火，對火的抑制作用也很弱，木垛的不完全燃燒程度不強(qiáng)，所以產(chǎn)生的CO較少。實(shí)驗(yàn)7不能實(shí)現(xiàn)滅火，但對火的抑制燃燒作用明顯。所以使得木垛不完全燃燒增強(qiáng)，產(chǎn)生最多的CO。實(shí)驗(yàn)8中可以實(shí)現(xiàn)滅火，所以CO濃度較少。

實(shí)驗(yàn)9中CO濃度高達(dá)1300ppm，實(shí)驗(yàn)10中CO濃度達(dá)到325ppm。

圖9 ZSTP噴淋作用下CO濃度變化Fig.9 CO concentration under sprinkler of ZSTP

由于ZSTP普通噴淋噴出的水量中間分布較少，而實(shí)驗(yàn)中的木垛放置于小室正中間，所以實(shí)驗(yàn)10中2個(gè)木垛比實(shí)驗(yàn)8中1個(gè)木垛火先熄滅。實(shí)驗(yàn)7，實(shí)驗(yàn)9，噴出的水量較實(shí)驗(yàn)10和實(shí)驗(yàn)8要少，不能實(shí)現(xiàn)滅火，但能抑制木垛火燃燒，使其不充分燃燒，所以產(chǎn)生的CO是最多的。實(shí)驗(yàn)6中噴淋水量最少，不能滅火也不能有效抑制燃燒，所以降溫只降至50℃。由于噴淋不能抑制燃燒，不完全燃燒并未加劇，產(chǎn)生的CO也不是太多。

3 結(jié)論

通過小室實(shí)驗(yàn)分析，得出了下面幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）ZSTX噴頭噴淋0.2MPa噴淋壓力可以實(shí)現(xiàn)滅一個(gè)木垛火，兩個(gè)木垛火；0.1MPa噴淋壓力不能實(shí)現(xiàn)滅火；0.15MPa噴淋壓力不能滅火且產(chǎn)生的CO最多。ZSTP噴頭噴淋在0.4MPa噴淋壓力下可以實(shí)現(xiàn)滅兩個(gè)木垛火，0.15MPa和0.2MPa均不能實(shí)現(xiàn)滅火。

（2）ZSTX噴頭的水滴大部分灑向正下方，通過直接作用于火源來實(shí)現(xiàn)滅火，ZSTP噴頭的水滴大部分灑向了四周，由于實(shí)驗(yàn)中木垛在噴頭正下方，在實(shí)驗(yàn)中ZSTX噴頭的滅火效果比ZSTP噴頭要好。

（3）水噴淋可以有效降低小室內(nèi)溫度，可以實(shí)現(xiàn)滅火的噴淋能使溫度下降至20℃。不能實(shí)現(xiàn)滅火的噴淋能使溫度下降至30℃-60℃，可以有效抑制轟燃的發(fā)生。噴淋作用的同時(shí)也產(chǎn)生了大量的煙水混合氣體，其中有大量CO等有毒有害氣體，因此在安裝噴淋系統(tǒng)的同時(shí)也應(yīng)安裝機(jī)械排煙系統(tǒng)。

（4）CO體積分?jǐn)?shù)在噴淋啟動(dòng)后有很大增加，可以實(shí)現(xiàn)滅火的工況，CO體積分?jǐn)?shù)在噴淋啟動(dòng)后有一個(gè)峰值，不能實(shí)現(xiàn)滅火的工況，CO體積分?jǐn)?shù)在噴淋啟動(dòng)后沒有明顯峰值，CO的量很難降低，維持在較高水平。

［1］Grant G，Brenton J，Drysdale D.Fire suppression by water sprays［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2000，26：79-130.

［2］Heskestad G.and Bill RG.Quantification of Themral Responsiveness of Automatic Sprinkler Including Conduction Effects［J］.Fire safety Jounal，1988，14：113-125.

［3］Chow WK.Performance of Sprinkler in Atrium［J］.Journal of fire sciences，1996，14：467-488.

［4］Bullen ML.The Effect of a Sprinkler on the Stability of a Smoke Layer Beneath a Ceiling［R］.Fire Research Note 1016，F(xiàn)ire Research station，Borehamwood，United Kingdom，1974.

［5］Morgan HP.Heat Transfer from a Buoyant Smoke Layer Beneath a Ceiling to a Sprinkler Spray 1-A Tentative Theory［J］.Fire and materials，1979，3（1）：27-33.

［6］游宇航，李元洲，霍然.水噴淋控制下小室火災(zāi)的數(shù)值模擬研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2006，25（5）：613-617.

［7］游宇航，李元洲，霍然.水噴淋作用下小室火災(zāi)特性［J］.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2008，14（2）：137-142.

［8］李思成，王浩波，霍然.噴淋與火羽流相互作用的數(shù)值模擬［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，7（3）：116-120.

［9］李思成，霍然，李元洲.水噴淋液滴的動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究［J］.火災(zāi)科學(xué)，2007，16（1）：26-30.

Experimental study on effectiveness of different nozzles for fire fighting

JI Yuan，LI Yuan-zhou，KUANG Cui-peng，LI Zheng，LI Jian，LI Cheng-long

（State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，HeFei，230026，China）

This paper presents an experimental study on two types of nozzles（ZSTX and ZSTP）for fire fighting，in different working pressures.The effects on smoke and fire fighting were analyzed by measuring the smoke temperature and gas composition.The results show that the ZSTX nozzle can extinguish the experimental fire in 0.2MPa，while the ZSTP nozzle can extinguish the fire in 0.4MPa.The CO products for the sprinkler which can extinguish the fire are less than those for the sprinkler which can control the fire.

Extinguishing effect；Nozzle type；Concentration of CO

TK121；X915.5

A

1004-5309（2012）-0104-05

10.3969／j.issn.1004-5309.2012.02.09

2012-03-08；修改日期：2012-03-30

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目

紀(jì) 元（1987-），男，河南安陽人，現(xiàn)就讀于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)及工程專業(yè)，主要研究消防噴淋滅火。

李元洲，E-mail：yzli＠ustc.edu.cn