新型水喷淋喷头的设计研究

王善超 李本利 王勇 张福东

摘要：目前，市场上存在各种样式的水喷淋喷头，对于小流量水喷淋喷头来说，主要的灭火机理是利用喷头喷出的水在溅水盘的四周形成锥型的水流密封圈来达到窒息灭火的作用。文章通过对现有的下垂式小流量喷头进行结构上的改进，使溅水盘正下方出水，在水流密封窒息作用的基础上，形成对水流密封圈内部的降温作用，以达到加速灭火的效果，并且对新型喷头的出水效果加以理论计算验证。

关键词：水喷淋喷头;结构设计;理论计算分析;三维构图

1  水喷淋喷头的研究

1.1  研究现状

随着科技的发展，喷头的种类越来越多，功能化也越来越明显。包光宏等人通过实验模拟和计算机模拟对喷头的设计安装进行了理论研究;张红杰对自动喷水灭火系统中喷头的种类、性质以及特点进行了详细的研究;徐得潜等人对自动喷水灭火系统喷头流量的计算方法进行了详细研究;黄晓家等人通过利用FDS模拟软件对自动喷水灭火系统喷头的喷水强度进行了详细的研究;杨卫东对水喷淋喷头的发展做了详细的研究，这些学者的研究对本文新型水喷淋喷头的设计研究提供了大量的帮助。

1.2  研究意义

当下，各种结构类型的建筑大量兴建，比如高架货仓、大跨度厂房等，在发展经济的同时，给建筑防火工作也带来了严峻的挑战。建筑内一旦发生火灾，在火灾发展初期阶段，喷头并不会动作，火势发展蔓延。在水喷淋系统完好的情况下，在火灾发展初期能够有效控制火势发展蔓延的便是自动喷水灭火系统，自动喷水灭火系统主要包括水流报警装置、水喷淋喷头以及报警阀组等组成，而水喷淋喷头作为感温元件以及启动水喷淋系统的元件，其作用是十分重要的[1]。在本文中，通过对下垂式喷头进行改进，改变易熔元件或者金属泡下部溅水盘的构造，在符合《自动喷水灭火系统设计规范》的设计要求基础上，通过设计安装出水筛网，增加水流密封圈内部的出水量，对密封圈的内部环境进行降温处理，减少灭火的时间。

2  水喷淋喷头的概述

2.1  水喷淋喷头的分类以及工作原理

自动喷水灭火系统的水喷淋喷头的种类有多种形式，其中最常见的有以下几种类型。按照喷头的安装方式分为直立型喷头、下垂型喷头、边墙型喷头、吊顶型喷头等[2];按照喷头的结构，大体上分为闭式喷头、开式喷头以及其他类型喷头;按照热敏性能可以分为标准喷头、特殊响应喷头以及快速响应喷头[3]。

直立型喷头：直立安装，自动喷水灭火系统管道喷出的水流向上，在溅水盘的阻挡作用下，向下喷溅，大约有60%～80%的水量会洒向下方，少量一部分喷向吊顶。下垂型喷头：下垂安装，自动喷水灭火系统管道喷出的水流向下直接冲击溅水盘，由于溅水盘结构的不同，形成不同类型的液滴分布，约有80%～100%的水量直接洒向下方。边墙型喷头：一般情况下靠墙安装，在一定的保护面积内，将水向一边喷洒的喷头[4]。

在不同的场所应用不同功能的喷头，例如，在办公室、饭店、宾馆等场所一般安装标准喷头，防止误喷等意外情况发生;在养老院、医院等场所由于人员特征的特殊性，一旦发生火灾，势必会因为疏散困难而造成很大的伤亡，所以在这种特殊场所一般安装快速响应喷头，以保证喷头在火灾发展初期进行动作，扑灭初期火灾或者阻止火势的蔓延扩大，为人员疏散提供充足的时间，减少人员伤亡。

喷头动作的机理是由于周围环境温度升高，达到喷头的公称温度，环境温度继续升高，在喷头达到公称温度后，热敏元件就会断裂，热敏元件主要有两种形式：一种是易熔合金喷头，另一种是玻璃泡的喷头。比较常见的就是玻璃泡在周围环境达到一定温度后，就会炸裂，形成一个不堵塞的通路，此时，自动喷水灭火系统当中的水便会从喷头中喷出进行灭火。在《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2001）中，公称温度动作范围在57～343℃，并根据适用范围分成不同的等级，以保证不同场所的环境根据各自的等级选用适合的喷头[5]。喷头的布置以及流量也应具有一定的规范性，能够在水量一定的情况下保证灭火的效率。

2.2  现有的下垂式水喷淋喷头的缺陷

第一，对于大流量喷头来说，由于水量大，所以喷头整个下方基本都会有水流分布，灭火效率较好，但是对于货物的水渍损失比较大，甚至导致火势没有蔓延的地方也同样产生了水渍损失，无疑造成了较大的财产损失。

第二，对于小流量喷头来说，由于水量比较小，所以不会造成较大的水渍损失，但是在喷头出水后正下方会存在没有水流分布或者水量很少的现象，主要依靠窒息灭火的工作原理，导致灭火时间相对比较长，灭火效率相对较低。

3  新型喷头的设计以及实验理论计算

3.1  新型喷头的设计

针对上述问题，对现有小流量喷头结构进行研究改进，为了使小流量喷头增加灭火效率，通过对热敏元件下方的溅水盘进行研究，其三维结构图如图1所示，剖面图如图2所示。在现有的喷头中，主要是通过在溅水盘中间位置增加螺母对热敏元件进行加固，使其固定不动，通过分析利弊，将溅水盘中部的螺母设计成出水筛网，使出水筛网与溅水盘是一体的，能够充分保证热敏元件（玻璃泡）固定不动，并不改变现有的主要依靠形成锥型水流密封窒息的灭火机理。在水流密封的基础上，增加溅水盘正下方的出水量，增加水流密封圈内部的冷却作用，提高灭火效率。

另外，根据新型喷头的设计，溅水盘中的出水筛网出水口呈现规律分布。出水筛网剖面图如图3所示，出水口结构分布如图4所示。在本文的设计当中，中间5个孔为没有斜度的直通孔，在直通孔四周设计了20个存在一定斜度的直通孔，在喷头进行动作后，无论着火点是否在溅水盘玻璃泡正下方，假如不在正下方，那么当水喷淋喷头动作之前，火势必然已经发展蔓延，出水筛网出水口呈现规律分布的好处是液滴的落水點在地面上会呈现一个规律的形状，能够充分保证整个密封圈内部的降温冷却作用。虽然从中部出水筛网喷出的水量占喷头总出水量的很少一部分，但是也能够通过出水筛网出水口均匀的结构分布，达到在水流密封圈内形成一个均匀的降温的效果。另外，这些直通孔可以根据货物对水渍损失受损的严重程度来改变直通孔的直径，一方面，可以减少灭火的时间，另一方面，也可以减少水渍给货物带来的损失。

3.2  理論计算过程

通过将改进前后的喷头接入自动喷水灭火系统管道中，通过给定数据计算在2min内容量瓶收集热敏元件正下方水量的情况，计算喷头出水总量，进而计算改进前后溅水盘正下方位置占喷头出水总量的比率，并且对改进前后的情况进行比对。

3.2.1  喷头、水压的选择

喷头选择高度为55.6mm的下垂式喷头，螺纹接口为18mm，玻璃泡的直径为5mm，溅水盘的直径为25.7mm，出水筛网单个出水口为0.5mm，实验器材总共设置25个出水口。改进前，溅水盘中间采用螺母进行加固热敏元件，在改进后，选择4mm厚的出水筛网进行加固热敏元件，其他变量保持不变，保证实验的准确性。

在水压选择方面，按照《自动喷水灭火系统设计规范》轻危险级、中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.4MPa。实验充分考虑了出水筛网的效果，最终选择的出水管道压力为0.4MPa[6]。

3.2.2  实验数据计算

喷头出水总流量依据公式：[7]

其中，Q：喷头流量（L/min）;P：喷头的工作压力（MPa）;K：喷头的流量系数。

按照《自动喷水灭火系统设计规范》要求，根据管道口径的不同，选取不同的喷头流量系数，目前比较常见的流量系数有80和115，在本文中，选取K=80来进行计算。那么经理论计算在2min的喷头总流量Q=101.28 L。

从表格数据我们可以明显地看到，在改进之前2min溅水盘正下方理论上喷出的水量大约在0.8L左右，而改进后加装出水筛网后溅水盘下方的水量，经计算理论的出水量为9.68L，改进前溅水盘下方中间水量占喷头总出水量的0.79%，加了出水筛网之后的下方中间位置水量占喷头总出水量的9.6%，从理论计算数据表明，在当前形成水流密封圈灭火条件的基础上，通过安装出水筛网，对溅水盘正下方火源附近进行冷却降温处理，使得灭火效果得到很大的改善。

3.2.3  喷头液滴路径对比

在本文中，除了对喷头流量进行数据统计与计算，还有一项比较重要的工作，就是对喷头出水后的路径进行对比分析。在改进前，由于热敏元件下方的结构是堵住的，用来顶住热敏元件，热敏元件破碎后，液滴的流动路径沿着溅水盘向四周扩散，形成一个锥型的水流密封圈，改进前液滴路径分布图如图5所示;在改进后，由于溅水盘中间加装了出水筛网，所以在水流密封圈的基础上，在密封圈内部形成均匀的液滴分布，改进后的液滴路径分布图如图6所示。

那么，从图中我们可以看出，在改进前，没有安装出水筛网，导致溅水盘正下方液滴基本没有分布，灭火机理主要是形成水流密封圈，对着火部位主要采用窒息灭火的原理，溅水盘正下方温度比较高，采用窒息灭火，灭火效率较低;而在改进后，除了形成水流密封层进行窒息灭火的基础上，溅水盘下方会形成液滴分布，对着火区域进行降温冷却，使得灭火效率大大改善。这是一个喷头的工作范围，在《自动喷水灭火系统设计规范》中，要求喷头的布置应当根据自动喷水灭火系统喷头的流量系数、系统的喷水强度以及工作压力等确定，那么在建筑内多个喷头共同作用下，将会更加凸显新型水喷淋喷头的优势。

4  结语

本文首先对水喷淋喷头的研究现状进行分析以及对水喷淋喷头的分类、动作机理进行介绍。通过使用Solidworks以及画图软件对新型喷头的结构进行设计研究，结合当前现行《自动喷水灭火系统设计规范》的相关设计规范，通过给定数值进行理论计算研究，对改进前后溅水盘正下方出水流量进行对比。另外，通过数据分析，对喷头改进前后液滴的的分布路径进行对比研究，经过理论计算，突出了新型小流量水喷淋喷头在灭火中的优势，具有较高的实用性。

参考文献：

[1]杨卫东.自动喷头的发展[J].消防科技，1997（02）：12-13.

[2]杨丙杰.高大空间建筑自动喷水灭火系统应用研究[D].天津：天津大学，2014.

[3]张洪杰.自动喷水灭火系统喷头类型、特点及应用[J].工程建设与设计，2002（06）：24-26.

[4]杜坤.自动喷水灭火系统喷头布置优化研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[5]王晓慧.ESFR自动喷水灭火系统在高架仓库中的应用探讨[J].粘接，2020，44（11）：93-96+138.

[6]GB50084-2001（2005年版）.自动喷水灭火系统设计规范[S].2005.

[7]樊建军，方茜，周鸿，等.自动喷水灭火系统中喷头间流量关系及设计流量计算[J].建筑科学，2008（09）：60-62+90.

Design and research of new type water spray nozzle

Wang Shanchao， Li Benli， Wang Yong， Zhang Fudong

（Chinese people's Police University，Hebei Langfang 065000）

Abstract：At present， there are various types of water sprinklers in the market. For small flow water sprinklers， the main fire-fighting mechanism is to use the water from the sprinkler to form a cone-shaped water flow seal around the splash pan to achieve the effect of suffocation fire-fighting. In this paper， the structure of the existing drooping small flow sprinkler is improved， so that the water comes out right below the splash plate. On the basis of the choking effect of the water flow seal， the cooling effect inside the water flow seal ring is formed， so as to achieve the effect of accelerating fire extinguishing. The water effect of the new sprinkler is verified by theoretical calculation.

Keywords：water spray nozzle;structure design;theory calculation analysis;

three dimensional structure