細水霧防滴漏裝置的應用與設計優化

洪 亮

合肥科大立安安全技術有限責任公司 安徽 合肥 230088

正文：

引言

細水霧滅火系統是目前正在普及的滅火系統，其優點為綠色環保、高效節能、水漬損失小等，廣泛應用于主機機房、電纜隧道、檔案庫及柴油發電機房等場所，用于替代傳統的鹵代烷氣體滅火劑。但由于檔案庫對水漬損失要求很高，而主機機房、電纜隧道和柴油發電機房等場所包含有電氣設備，對水滅火的絕緣性能要求也很高。而當細水霧噴頭在系統關機后，不再有動力繼續維持高壓噴灑時，會噴出小股水柱，對電氣設備的保護有一定影響。因此，需要從快速封堵噴頭出口，降低管道內余水壓力等幾方面同時進行優化，使得系統在關機后迅速關閉噴頭噴孔，在細水霧水漬損失小的基礎上更進一步降低，從而更加適應各種常見保護場所的應用。

1 噴頭防滴漏的必要性

細水霧滅火系統的噴頭霧化方式一般有離心霧化、壓力霧化、兩相流霧化、撞擊霧化和其他方式（如超聲波、靜電、預加熱等）。常見的產品化的噴頭一般都為離心式細水霧噴頭，因為該類型噴頭結構相對簡單，又不會使系統設計更加復雜，同時又能保證良好的霧化性能。該類型噴頭的工作原理是一定的壓力作用下，通過切向孔（通常為兩個以上或成對布置）進入旋流室，并在其中做旋轉運動，同時以一定的軸向速度向噴口方向推進，臨近噴口時受旋流室壁面限制而收縮，從噴口旋轉著向外噴出，從而形成霧滴直徑Dv0.99＜100μm的細水霧對火源進行氣化冷卻、隔氧窒息、阻隔熱輻射，最終撲滅火焰。

用于主機機房和檔案庫這類應用場所的細水霧噴頭由于更注重滅火效率，因此通常會采用工作壓力10MPa或者更高壓力的高壓細水霧噴頭，提高壓力的同時保持總的流量基本不變，則需要減小噴頭的噴口直徑，也就會提高水流噴出的速度，這同時會使噴霧效果提高，使霧滴直徑Dv0.99進一步減小到50μm左右，大大提高了滅火效率，使得滅火總用水量減少。但是另一方面會使得水泵到噴頭之間的主管道內的壓力提高，而噴頭的噴口直徑減小會使得主管道內存留的余水正在水泵停機后無法快速排空，使得噴頭會繼續持續噴水。

而細水霧噴頭流量與壓力的關系一般通過經驗公式表示為：

式中：Q為噴頭流量，單位為L/min ；

K為噴頭流量系數，該數值與噴頭結構相關；

P為噴頭的工作壓力，單位為MPa 。

由該公式可見，壓力變低之后會導致噴頭的流量變低，也就是同樣噴口處的出口速度變低，使得霧化效果變低，甚至成為直接噴射的水流。而流量降低之后又反過來使得主管道內的壓力下降速度變低，使得在低壓情況下的噴水時間變長。而主管道內壓力下降速度同時又和主管道內原來充水的體積相關，充水體積越大，該下降速度越慢。因此，設計一組試驗對給定主管道內充水體積條件下，不同流量系數的噴頭泄壓能力進行測量記錄。由于工程上一般系統停機時會關閉相應保護分區的控制閥，所以只考慮分區內的管道容積即可，因此選用50m長的DN40管道來替代分區內的管道容積進行測試，末端安裝一只流量系數2.8和0.7的噴頭各進行一次試驗，記錄下管道內壓力和時間變化的曲線，見圖1 ，其中上方曲線為小流量系數0.7的噴頭實驗數據，下方曲線為大流量系數2.8的噴頭實驗數據。

圖1 細水霧管道余水壓力和時間關系圖

由該關系圖可見，在高壓力情況下，壓力降低速度是比較快的，從系統關機時管道內壓力11.4MPa降低到1.0MPa左右，2.8流量系數的噴頭用時28s左右，而0.7流量系數的噴頭用時則在34s左右，兩者差距并不大。但之后低壓力情況下，兩者泄壓時間有了很明顯差距，最終2.8流量系數噴頭完全排空余水用時約13min37s ，而0.7流量系數噴頭則用時24min49s 。這對檔案庫這類水漬損失要求高的場所是不可能接受的噴水時間，可能會因泡水而損壞到檔案文檔。因此必須要減少在系統關機之后噴頭自然泄壓的噴水時間。

2 噴頭防滴漏接頭

由圖1同時可以看出，只要在某個壓力相對較高的時候，通過某種裝置阻斷主管道里的水流進入噴頭，就可以大大降低持續噴水時間。現在常用的阻斷裝置其實是一種高壓單向閥接頭，其結構示意圖見圖2 。當壓力達到開啟壓力時候，彈簧被壓縮，活塞開啟使水流流出進入噴頭；而壓力到關閉壓力時，活塞關閉使管道里的水不再進入噴頭。由于噴頭的噴孔直徑通常只有1mm左右，所以在無擾動的情況下，靠水的表面張力就能阻止水滴下落。

該種防滴漏接頭由于開啟時需要一定壓力壓縮彈簧，所以會對水流的壓力有一定損失。安裝接頭后，由于出口端噴頭多出了一定擁塞，會提高前段管道的壓力并同時降低噴頭實際的流量。經實驗測得在不同流量噴頭情況，該壓力損失約為1.1MPa～0.6MPa ，對工程設計影響很大。并且由于是利用彈簧來進行控制開閉，因此達到開啟壓力時該接頭并不是一下完全開啟，而是需要一定時間逐漸對彈簧進行壓縮；同理該接頭在關閉的時候也不是立刻恢復到完全關閉狀態，同樣是需要一定時間來恢復彈簧壓縮變形的。因此其效果并不是直接從對應壓力處直接關閉，而是會多花一定時間。同樣以流量系數2.8和0.7的噴頭各進行一次試驗，測試用的接頭的彈簧動作的行程為16.5mm ，設計的封堵壓力為0.4MPa 。安裝防滴漏接頭前后的壓力和時間的關系曲線對比分別見圖3和圖4 。最終2.8流量系數噴頭完全關閉用時約58s ，而0.7流量系數噴頭則用時105s 。

圖2 細水霧防滴漏接頭結構示意圖

圖3 流量系數2.8噴頭壓力和時間關系圖

圖4 流量系數0.7噴頭壓力和時間關系圖

可見使用防滴漏接頭的確有明顯效果，但并不能完全解決噴頭低壓噴水滴水的問題，尤其是噴頭流量系數越小，噴頭噴口也就越小，噴水時間也就越長。此外接頭內的彈簧關閉壓力越高效果越好，彈簧的壓縮行程越短效果越好，但做到這兩點的同時也會提高噴頭壓力損失，并且增加了接頭的制造難度。因此需要再另外尋找辦法解決系統滴漏的問題。

3 防滴漏控制閥

前面試驗時預設了50m長的管道的條件，而這個主管道內充水體積和管道壓力下降關系很大，余水越多，噴頭安裝越少，壓力下降越慢，則噴水時間也就越長。因此將控制管道水流的控制閥改成專用的防滴漏控制閥，該閥門的結構示意圖見圖5 。關閉閥門后，泵到閥門之間的主管道內的充水雖然依然帶壓，但無法影響到閥門后到噴頭之間管道的壓力，同時旁路與后段管道聯通將管道內帶壓力的余水通過旁路泄出，即可快速降低管道內壓力。

圖5 防滴漏球閥工作原理圖

再次重復之前試驗，依然采用流量系數2.8和0.7的兩種噴頭作為對比，防滴漏球閥安裝在管道的前段，后段管道依然保持50m長度。測得無防滴漏接頭情況下，2.8流量系數噴頭完全關閉用時約13s ，而0.7流量系數噴頭則用時24s ；而同時安裝有防滴漏接頭情況下，2.8流量系數噴頭完全關閉用時約7s ，而0.7流量系數噴頭則用時13s 。大大降低了系統關機后，噴頭持續噴水的時間。

4 結束語

細水霧滅火系統防滴漏設計依然還有很多細節可以繼續優化改進，比如防滴漏接頭及安裝立管、噴頭內的水是無法通過防滴漏球閥泄壓排出，依然是通過噴頭噴孔噴出水來完成泄壓，而當噴孔較小的情況下，噴水時間依然會持續十幾秒。可以考慮在控制閥后的分區內適當位置加入一個空氣罐，在系統復位的同時開啟，利用壓縮空氣對管路進行吹掃。壓縮空氣可以在低壓條件下幫助噴頭噴出的水霧達到細水霧要求，而不會成股噴出或者直接滴下。今后還將繼續對防滴漏要求高的細水霧滅火系統進行持續的研究改進，以便更加適應各種特殊場所的需求。