多功能消防喷淋实验装置在消防实验教学改革中的应用

2022-09-01孙楠楠

中国人民警察大学学报 2022年8期

孙楠楠，徐晖，梁强

中国人民警察大学救援指挥学院，河北廊坊 065000

“建筑灭火设施”是消防及安全专业的经典课程，主要讲授建(构)筑物中用于保障消防安全的各类灭火系统(设施)的设置、设计、检查及维护管理等内容。该课程具有理论性与实践性高度结合的特点，通过理论教学掌握各类灭火系统的原理、设置要求与方法，通过实验(实践)来验证各类灭火系统的设计与应用效果，强化学生对基本理论的认知和综合运用。其中，实验(实践)教学环节是将理论知识与工程应用相结合，培养学生实践能力与创新意识的关键环节[1]。

1 技术背景

消防喷淋系统是建筑中用于初期火灾控制的重要设施，是“建筑灭火设施”专业课程中学习的重点内容之一。按照灭火介质和保护特点的不同，消防喷淋系统可分为水喷淋、水喷雾、泡沫喷雾、泡沫—水喷淋、防护冷却和水幕系统等多种应用形式[2]。这些系统形式的结构组成有较多相似之处，但喷射保护形式、保护对象以及应用条件和场所有所不同[3-7]。

消防喷淋系统类型多样，系统组成复杂，各组件分散设置于建筑不同部位，很难直观呈现其结构和功能。近年来，“建筑灭火设施”课程实验(实践)环节因受到实验场地改造、实验设备维护周期长、环境条件受限等因素的影响，多以开展认知实践和演示实验为主，缺少学生开展深度知识探索的综合性试验设计环节。为增强教学效果，培养学生勤于思考、科学分析和解决问题的综合能力，笔者在多年消防专业教学与科研工作经历的基础上，结合各类消防喷淋灭火系统的异同点，设计开发了通用性强的多功能消防喷淋实验装置，以满足开展消防专业实验课程和相关课题研究的需求。

2 实验装置总体设计

消防喷淋系统主要由喷射装置、管道系统、报警阀组、供水(或泡沫液)设施及动力装置等组件组成，具有自动启动、自动报警和实现灭(控)火的基本功能。本文设计的多功能消防喷淋实验装置主要依据消防喷淋系统的组成和原理，去除自动控制的设计和自动报警功能，按照相应设计规范中参数要求进行组件选型[8-9]，可通过改变压力、流量、喷头类型、布置形式等开展多工况实验设计，以呈现不同喷淋系统的保护效果。

因此，本文设计的多功能消防喷淋实验装置主要包括供液装置、动力系统、喷射装置、管道及附件4部分，如图1所示。其中，供液装置和动力系统焊接在固定的承重钢板上，钢板下装有带锁定机构的万向轮，在供液装置侧面焊接扶手，形成具有助力机构的推车式实验装置，便于装置的灵活移动和搬运，可满足不同场地开展实验研究的需求。该实验装置利用动力系统对供液装置内的灭火剂进行加压，再通过管道输送，经喷射组件喷出，形成具有一定保护效果的喷淋形式，进而对保护场所(或保护对象)的初期火灾进行有效控制。

图1 实验装置结构图

2.1 供液装置

供液装置由不锈钢板焊接而成的长方体箱体构成，主要用于储存水或泡沫混合液等灭火剂，其尺寸为0.7 m×0.8 m×1 m，有效容积约500 L。供液装置主要有进水口、出水口、排水口、顶盖等组件，如图2所示。其进水口处设有进水阀，可与其他水源通过软管相接，根据实验过程中的用水需求，实现连续补水。

2.2 动力系统

动力系统主要由供液泵、变频调节器、压力表、阀门等组件组成。供液装置的出水口处通过软管与供液泵相连(见图2)，泵出口处的管道上装有阀门和压力表。供液泵选用40-250A型号的卧式离心泵，其电机功率为1.5 kW，电压为380 V，额定转速为2 900 r·min-1，额定流量为11.8 m3·h-1，扬程为70 m，该泵的性能能够满足大多数消防喷淋系统的工作压力需求。为便于调整水泵的输出压力，将水泵电机与变频调节器相连，通过配置变频调节器改变供给供液泵电动机的频率，进而调节供液泵的输液能力，以满足不同实验工况设计中所需工作压力和设计流量等技术要求。

图2 供液及动力装置

2.3 喷射装置

喷射装置可依据开展实验选定的系统形式和工况条件，选用不同类型的消防喷头，喷头可直接安装或通过变径安装在短立管上。常见的消防喷头包括水喷淋喷头、水雾喷头、水幕喷头、泡沫喷头、泡沫—水两用喷头等。

2.4 管道及附件

为便于操作和安装，本实验装置的管道分为连接软管和不锈钢管两部分。供液泵出水管的连接处配有长8 m、内径40 mm的耐高压、耐腐蚀的橡胶软管。软管两端装有快速接头，另一端与连接喷射装置的钢管相连。为确保装置操作的稳定性，钢管固定在6 m×1 m×2.8 m的高度可调的钢架上，并采用固定卡扣锁住，方便拆卸和更换。钢管上每间隔2 m处装有三通连接的短立管，可连接不同类型的喷射装置，以搭建多种喷射形式的消防喷淋系统，也可通过连接多根供水管道，展示不同供水方式，如图3所示。

图3 管道设计

3 实验项目设计与应用

针对“建筑灭火设施”课程中消防喷淋系统的理论课程内容，利用该实验装置可开展多种消防喷淋系统的演示实验和基本性能测试实验，也可与室内外多种火源模型(A类、B类、E类等)相结合，用于研究不同工况条件下消防喷淋系统的应用效果等。该实验装置的应用情况见表1。

表1 开展实验教学情况

3.1 冷态实验

该实验装置可以设计开展的冷态实验包括各类消防喷头的效果演示及性能测定实验。消防喷淋系统中单个或多个消防喷头的喷射效果和保护形式的展示，有利于加深学生对消防喷头应用效果的直观认识，水喷淋喷头、泡沫喷头和水雾喷头的喷射演示效果如图4所示。也可与其他测量装置配合开展消防喷头特性验证实验，如喷头的喷洒分布规律特性、喷头特性参数(保护半径、流量、压力、喷水强度、雾化锥角等)的测定实验等，可强化学生对系统设计参数和设置条件的理解。图5为设计开展的喷头喷洒分布规律特性实验。在待测喷头的正下方，由中心向外呈放射状态分8个方向摆放烧杯。启动喷头喷水一定时间后，测量烧杯中的水量并绘制水量变化趋势图，以此分析不同类型喷头的洒水分布规律及均匀性，并通过计算验证喷头的喷水强度和保护面积等。

图4 不同喷头的喷射形式

图5 喷头的喷洒规律特性实验

3.2 灭火性能试验

消防喷淋系统的灭火效果应进行试验验证并通过合理分析而得出[3-5]。因此，开展实体火灾试验是增强学生动手能力、设计思维和分析问题能力的重要方法，同时是培养学生团队协作能力的重要环节。该实验装置可将室内外不同场景的火源相结合，通过学生自行设计试验工况，研究消防喷淋系统对不同类型火灾的灭火特性，并探讨改变工况设计条件(压力、流量等)对其灭火效果的影响规律，进一步明确各类消防系统的应用特点和影响规律，将消防喷淋系统的相关理论知识直观化、生动化，有利于增加学生学习的主观能动性，还可通过开展开放性实验和参与课题研究来拓展学生的知识面，激发学生的科研创新能力。

图6是将该实验装置与本课题组自行研发的实体火灾燃烧室相结合开展试验研究的设计情况。实体火灾燃烧室可模拟小室火灾，创建不同的火灾场景，选置不同类型的可燃物[6-7,10]。可将该实验装置的钢制管道搭建在燃烧室顶部，也可将供液软管直接与燃烧室顶部固定的供液管道相连输送灭火剂。在实体火灾燃烧室内布置热电偶及数据采集仪、烟气分析仪、照度计等测量设备，可对火灾试验中温度、烟气浓度、能见度等重要参数的变化进行实时采集，作为灭火性能试验分析的重要依据。

图6 灭火性能试验结构图

图7、图8为开展泡沫喷淋系统灭火性能试验研究中，对比分析不同类型灭火剂和工作压力条件下，灭木垛火试验过程图和温度变化规律曲线图。可看出，木垛被引燃时，各监测点温度快速上升至800 ℃左右，此时启动泡沫喷淋系统，各点温度迅速下降，但其下降趋势有所差别，据此可以分析探讨不同类型灭火剂以及工作压力等参数对该系统灭火效果的影响规律。