不同类型喷头灭火有效性研究

纪 元，李元洲，匡萃芃，李 政，李 健，李成龙

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

不同类型喷头灭火有效性研究

纪 元，李元洲＊，匡萃芃，李 政，李 健，李成龙

（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥，230026）

通过实验研究了不同类型喷头对灭木垛火的影响。实验采用了ZSTX和ZSTP两种类型喷头，在不同的水压力下灭木垛火，通过实验现场观测和测得的烟气温度，烟气组分变化来分析对比灭火的效果和对烟气的影响。通过对比分析实验数据，可知ZSTX喷头在0.2MPa的水压力下可以实现灭火，ZSTP喷头在0.4MPa才可以实现灭火。喷淋实现灭火时产生的CO比只能实现控火产生的CO少。

灭火效果；喷头类型；CO浓度

0 引言

伴随着经济社会的发展，大量新型建筑不断涌现，这些新型建筑的新不仅体现在建筑材料上，也体现在建筑的形式上。这些新型建筑的出现为建筑防火提出了新的要求，尤其是对于消防喷淋提出了较高的要求。

自动喷淋系统是建筑消防系统的重要组成部分［1］，在火灾初期起到灭火或者控火灾发展的作用。Heskestad［2］提出了喷头响应方程并引入了 C-factor，由于喷淋启动后有大量的小水滴悬浮在喷头的周围的空气中，这些水滴的存在对于其它喷头启动会产生一定的影响。Chow［3］等首先关注了喷淋在大空间建筑中的应用问题，研究了喷头响应时间与响应时间参数之间的关系，其意义十分重大。Bullen［4］等于1974年首先探讨了喷淋水滴与烟气的相互作用的相关问题，假定烟气层的厚度是不变的，水滴的粒径是相同的，基于以上的假设，得出水滴的拖拽力与烟气浮力之间的比值作为稳定性判据。Morgan［5］等提出了一个新的模型，假设液滴具有一定的粒径分布，对烟气与水滴作用的模型进行了分析。对于喷淋作用下灭火效果的研究，游宇航［6，7］、李思成［7－9］等更多地关注于喷淋压力 对于灭火效果的影响，做了一些相关实验，得出了喷淋灭火与控火之间存在临界压力。但他们只是在一种喷头下的灭火效果对比，对于不同种喷头的灭火效果没有进行实验研究，所以本文在原来的基础上采用ZSTP和ZSTX两种喷头进行实验，通过实验得出这两种喷头的灭火效果的差异。

笔者通过10组实验工况，研究了ZSTX与ZSTP两种喷头灭火效果，分析了两种喷头灭火的特点。

1 实验设计

实验所用的小室尺寸为3m×4m×4m，小室前门开口宽度为1.6m，门高度2m，在小室内距左侧墙50cm处，有一列热电偶，如图1所示，这些热电偶位于左侧墙的中线位置，8个热电偶距地面的距离分别是0.31m，0.72m，1.15m，1.42m，1.68m，1.98m，2.12m，2.34m。小室内的喷头位于小室的中间位置，小室后方的窗户关闭，门开启，实验中采用的两种喷头ZSTX和ZSTP。用到的两喷头都是15mm口径，流量系数均为80。在喷头的正下方放置木垛，当实验的火源为一个木垛时，将木垛的中心对应喷头，木垛四侧分别与小室的墙平行。当实验中的火源为两个木垛时，将木垛前后位置放置，喷头正好位于两个木垛中间的正上方。木垛的木条采用干燥的普通杉木，木垛本身的尺寸为0.6m×0.6m×0.4m，木条长0.6m，截面尺寸为0.025m×0.025m。间隙比为1∶2，共有16层，每层9根木条。测量烟气组分的testo-350探测头位于门沿上方，可以测量CO，NO，H2等多种气体成分。实验中的喷淋在木垛点燃后240s启动，木垛先被浇上一定量的乙醇，然后点燃开始计时。

图1 实验场景图Fig.1 Placement of experiment apparatus

表1 实验工况Table 1 Experiment conditions

2 结果与讨论

在ZSTX喷头实验中，木垛被乙醇引燃，火焰高度大约在0.5m左右，由于木垛引燃用的是乙醇，火焰呈淡蓝色，随着燃烧的进行，火焰由淡蓝色转为黄色，火焰高度逐渐增高，最高可达到约1.5m，200s后木垛整个都在燃烧。小室内的烟气层与空气层有明显的分层现象。240s木垛达到完全燃烧状态，此时启动喷淋。随着240s喷淋的启动，出现较多的浅颜色烟气涌出小室。ZSTX喷头启动后，火焰受到抑制，火焰高度降低很多。如图2所示为ZSTX喷头0.15MPa启动前后一个木垛火的变化。

图2 ZSTX喷头在0.15MPa水压时灭一个木垛火的启动前后图像对比Fig.2 The situation before and after sprinkler operating of 0.15MPa ZSTX nozzle

图3 ZSTX水喷淋作用下0.31m处温度Fig.3 Temperature at the height of 0.31m under sprinkler of ZSTX

从图3可知，喷淋240s启动，燃烧初期0.31m处烟气很少，当喷淋启动后大量烟气沉降。实验1中，0.31m处温度下降到40℃左右。实验2中，0.31m处温度下降至40℃。实验4中，0.31m处温度下降到50℃。这三种工况下喷淋不能将火扑灭，木垛火继续燃烧。

实验3和实验5中，0.31m处温度在喷淋启动后迅速下降到20℃左右。可以实现灭火，实验3灭火用时70s，实验5灭火用时140s。ZSTX喷头的喷淋可以实现灭火的压力为0.2MPa。

从图4中可知，实验3和实验5中，2.34m高度处的温度在喷淋启动后200s即降至25℃，实验1和实验2，实验4在温度下降至50℃。

图4 ZSTX水喷淋作用下2.34m处温度Fig.4 Temperature at the height of 2.34m under sprinkler of ZSTX

图5 ZSTX水喷淋作用下CO浓度变化Fig.5 CO concentration under sprinkler of ZSTX

如图5所示，实验1中产生的CO浓度最大350ppm，最大浓度出现在650s-750s间，由于实验1中喷淋压力0.1MPa不能实现灭火，木垛燃烧与喷淋灭火达到一定平衡，只能起到一定控火作用，在木垛火燃烧至600s后，由于木垛燃烧了很大部分，喷淋的灭火作用强于木垛燃烧，这时木垛明火即将熄灭，不完全燃烧增强，产生了大量CO。实验2中CO浓度高达550ppm，CO浓度在400s之后到800s一直处于上升趋势，实验2中喷淋0.15MPa不能将火扑灭，但是对火的抑制作用大于实验1中的喷淋，所以在木垛燃烧后期的不完全燃烧程度更大，产生的CO浓度大于实验1。实验3中产生的CO的量也是很低的，最高只有350ppm。CO最大浓度在470s出现，是一个峰值，随后CO浓度下降。由于实验3中，0.2MPa喷淋可以将火扑灭，所以CO出现峰值，峰值时刻对应的就是木垛火被扑灭的时候。

实验4中CO浓度高达1800ppm。实验5中只有900ppm。实验4不能实现灭火，所以CO浓度没有明显峰值，而实验5中可以实现灭火，在470s－570s出现峰值，这时也是木垛火被扑灭之时。

对于实验3，实验5，由于这两种工况喷淋压力下，喷淋喷出的水滴量最多，而且水滴的速度最大，动量最大，穿透性很强，水滴可以深入木垛内部进行灭火，因此表现为灭火作用。对于实验1，喷淋压力很小，喷出的水量最少，水滴速度最小，所以对木垛的燃烧抑制作用很小，同时CO增加量较少。对于实验2，实验4，喷淋喷出的水量较多，动量较大，但是不足以将火扑灭，而又对火产生了较大的抑制作用，所以木垛的不完全燃烧加剧，产生了大量CO。

在ZSTP喷头实验中，随着240s喷淋的启动，火焰高度并未有较大下降，只是火焰变细，这主要是由于ZSTP喷头的溅水盘较大且方向是向四周上方，所以喷头将水滴更多的洒向了四周，而木垛火源位于喷头的正下方。图6所示为ZSTP喷头0.15 MPa启动前后一个木垛火的变化。

图6 ZSTP喷头在0.15MPa水压时灭一个木垛火的启动前后图像对比Fig.6 The situation before and after sprinkler operating of 0.15MPa ZSTX nozzle

如图7所示，实验6中0.31m处下降至58℃，实验7中0.31m处温度下降至42.9℃，实验8中0.31m处温度下降至22.7℃，实验9中0.31m温度下降至65.1℃，实验10中0.31m处温度下降至21.7℃。实验观测到，实验10中喷淋可以实现灭火，在喷淋启动后80s将木垛火扑灭，实验8中没有将1个木垛火扑灭，不过很好的抑制了其燃烧。

由于ZSTP喷头洒水的形式是包络型，两个木垛摆放时，木垛边缘可以被水洒到，所以能够实现灭火，而一个木垛时，由于正好处于喷头的正下方，喷洒到木垛上的水很少，所以木垛火不能被扑灭。

图7 ZSTP喷淋作用下的0.31m处温度变化Fig.7 Temperature at the height of 0.31m under sprinkler of ZSTP

图8 ZSTP喷淋作用下的2.34m处温度变化Fig.8 Temperature at the height of 2.31m under sprinkler of ZSTP

实验8，实验10中，喷淋启动后2.34m处温度均下降至22℃，而其他喷淋压力下的2.34m高度处温度下降到50℃左右。0.4Mpa的ZSTP喷淋可以较好地实现灭火控火，而其他工况压力下的ZSTP喷淋则不能很好实现灭火控火。

如图9所示，实验6中的CO最高浓度达到550ppm。实验7中CO浓度最高达到800ppm。实验8中CO最高浓度达到200ppm。实验6既不能实现灭火，对火的抑制作用也很弱，木垛的不完全燃烧程度不强，所以产生的CO较少。实验7不能实现灭火，但对火的抑制燃烧作用明显。所以使得木垛不完全燃烧增强，产生最多的CO。实验8中可以实现灭火，所以CO浓度较少。

实验9中CO浓度高达1300ppm，实验10中CO浓度达到325ppm。

图9 ZSTP喷淋作用下CO浓度变化Fig.9 CO concentration under sprinkler of ZSTP

由于ZSTP普通喷淋喷出的水量中间分布较少，而实验中的木垛放置于小室正中间，所以实验10中2个木垛比实验8中1个木垛火先熄灭。实验7，实验9，喷出的水量较实验10和实验8要少，不能实现灭火，但能抑制木垛火燃烧，使其不充分燃烧，所以产生的CO是最多的。实验6中喷淋水量最少，不能灭火也不能有效抑制燃烧，所以降温只降至50℃。由于喷淋不能抑制燃烧，不完全燃烧并未加剧，产生的CO也不是太多。

3 结论

通过小室实验分析，得出了下面几点结论：

（1）ZSTX喷头喷淋0.2MPa喷淋压力可以实现灭一个木垛火，两个木垛火；0.1MPa喷淋压力不能实现灭火；0.15MPa喷淋压力不能灭火且产生的CO最多。ZSTP喷头喷淋在0.4MPa喷淋压力下可以实现灭两个木垛火，0.15MPa和0.2MPa均不能实现灭火。

（2）ZSTX喷头的水滴大部分洒向正下方，通过直接作用于火源来实现灭火，ZSTP喷头的水滴大部分洒向了四周，由于实验中木垛在喷头正下方，在实验中ZSTX喷头的灭火效果比ZSTP喷头要好。

（3）水喷淋可以有效降低小室内温度，可以实现灭火的喷淋能使温度下降至20℃。不能实现灭火的喷淋能使温度下降至30℃-60℃，可以有效抑制轰燃的发生。喷淋作用的同时也产生了大量的烟水混合气体，其中有大量CO等有毒有害气体，因此在安装喷淋系统的同时也应安装机械排烟系统。

（4）CO体积分数在喷淋启动后有很大增加，可以实现灭火的工况，CO体积分数在喷淋启动后有一个峰值，不能实现灭火的工况，CO体积分数在喷淋启动后没有明显峰值，CO的量很难降低，维持在较高水平。

［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，Fire 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.水喷淋控制下小室火灾的数值模拟研究［J］.消防科学与技术，2006，25（5）：613-617.

［7］游宇航，李元洲，霍然.水喷淋作用下小室火灾特性［J］.燃烧科学与技术，2008，14（2）：137-142.

［8］李思成，王浩波，霍然.喷淋与火羽流相互作用的数值模拟［J］.安全与环境学报，2007，7（3）：116-120.

［9］李思成，霍然，李元洲.水喷淋液滴的动力学参数研究［J］.火灾科学，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

中国科学技术大学青年创新基金项目

纪 元（1987-），男，河南安阳人，现就读于中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室安全技术及工程专业，主要研究消防喷淋灭火。

李元洲，E-mail：yzli＠ustc.edu.cn