一种钢结构注水防火保护方法技术

本发明专利技术公开了一种钢结构注水防火保护方法，该方法包括发生火灾时，钢结构本体外表面直接暴露在火焰使钢结构本体升温；钢结构本体将外表面受火灾加热将热量传导到钢结构本体的内表面；钢结构本体内表面空腔通过对流换热将热量传递给注水管内的冷却水，并对注水管中冷却水中参数进行测试；通过最小二乘法对注水管内流动的冷却水的测试数据进行分析和处理，得出注水管内换热准则关系式和范宁摩擦系数准则关系式；通过关系式的建立，从而判断出钢结构本体在火灾发生时需要注水管内冷却水对钢结构本体进行保护的最小驱动力和最小水流量。通过上述方案，本发明专利技术达到了对钢结构防火保护的目的，具有很高的实用价值和推广价值。

A fire protection method of steel structure by water injection

【技术实现步骤摘要】
一种钢结构注水防火保护方法
本专利技术属于消防
，具体地讲，是涉及一种钢结构注水防火保护方法。
技术介绍
现有建筑的修建大都采用钢结构，其中，钢结构的建筑物具有很好的抗震能力，这也是钢结构建筑物得以快速发展的原因。但是由于传统的防火保护方式是将防火涂料等包裹在钢结构外部，而由于防火涂料随着时间的推移老化发生松弛或者掉落的情况，因此当火灾发生时，出现老化的防火涂料并不能对钢结构进行有效的保护，随着火灾发生室内温度越来越高，火苗灼烧钢结构表面，使得钢结构由于温度过高发生失稳导致形变，从而造成钢结构塌陷等情况发生。这对钢结构的建筑物来说是致命的伤害，因此如何测量钢结构建筑物在发生火灾时相关参数的变化是对钢结构建筑进行防火保护必不可少的，同时也是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中的上述不足，本专利技术提供一种钢结构注水防火保护方法，通过对钢结构本体和注水管内流动的冷却水相关参数的测量分析，从而得出对钢结构本体在火灾发生时的防火效果。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种钢结构注水防火保护方法，所述钢结构注水防火装置包括钢结构本体，安装在钢结构本体内并通过冷却水对钢结构本体进行降温的注水管，贯穿钢结构本体设置且与注水管两端分别连通的进水管和出水管，贯穿钢结构本体设置且与注水管连通并用于排出注水管中气体的排气管，安装在进水管上的进水端压力表，安装在出水管上的出水端压力表，以及安装在出水管上且用于测量从注水管中流出的冷却水温度的热偶计；所述实现方法包括如下步骤：(S1)发生火灾时，钢结构本体外表面直接暴露在火焰或高温烟气中，通过热辐射、对流换热使钢结构本体升温；(S2)钢结构本体将外表面受火灾加热得到的热量通过热传导方式传导到钢结构本体的内表面；(S3)钢结构本体内表面空腔通过对流换热将热量传递给注水管内的冷却水，并对注水管中参数包括冷却水中水温差、水流量、钢结构本体壁面温度、注水管两端水压差进行测试；(S4)通过最小二乘法对注水管内流动的冷却水的测试数据进行分析和处理，从而得出注水管内换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式；(S5)通过换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式的建立，从而判断出钢结构本体在火灾发生时需要注水管内冷却水对钢结构本体进行保护的最小驱动力和最小水流量。进一步地，所述步骤(S3)中对对注水管中冷却水中水温差、水流量、钢结构本体壁面温度、注水管两端的水压差进行测试实际是为了测得雷诺数Re、换热系数α、努谢尔特数Nu和范宁摩擦系数Cf。进一步地，所述雷诺数Re的计算公式为：Re＝umDi/νum＝4g/ρπDi2其中：um为流体平均流速，单位为m/s；Di为管内径，单位为m；ρ为流体在平均温度tf下的密度，单位为Kg/m3；ν为流体在平均温度tf下的运动粘度，单位为m2/s，g为重力加速度，单位为m/s2。进一步地，所述换热系数α的计算公式为：α＝Q/F△tmQ＝gCp(to－ti)△tm＝(to－ti)/Ln[(tw－ti)/(tw－to)]tf＝tw—Δtm其中：Q为流体在实验段的换热量，单位为J/s；Cp为流体平均温度tf下的定压比热，单位为J/(Kg·K)；tf为流体的平均温度，单位为K；F为面积，单位为m2；△tm为温差，单位为℃；to为出口温度、ti为入口温度、tw为钢结构壁面温度，单位为℃；Ln为log以e为底的自然对数运算，数学符号。进一步地，所述努谢尔特数Nu的计算公式为：Nu＝αDi/λ其中：λ为流体平均温度tf下的导热系数，单位为W/(m·k)。进一步地，所述范宁摩擦系数Cf的计算公式为：Cf＝Di△P/2Lρum2其中：△P为实验段流体的压降，单位为Pa；L为长度，单位为米。进一步地，所述步骤(S4)中换热准则关系式为：其中，B为钢结构本体几何特性参数，S为钢结构本体长度，H为注水管的粗糙度，d为钢结构本体当量直径，同时a、b、c、d、e是通过最小二乘法回归得到的系数和指数，无单位。具体地，所述步骤(S4)中范宁摩擦系数的准则关系式为：其中，k是通过最小二乘法回归得到的系数，无单位。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术通过对钢结构本体内注水管的雷诺数(Re)、换热系数(α)、努谢尔特数(Nu)和范宁摩擦系数(Cf)进行测量，并通过最小二乘法对注水管中测量的参数进行分析处理后得出注水管内的换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式。通过对换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式的建立，可对钢结构本体在火灾发生时需要提供的水流动取消驱动力和最小流量进行预测计算，其计算结果可用于指导钢结构本体的设计，从而实现防火功能。(2)本专利技术通过在钢结构本体内部注水的方式进行降温，在发生火灾时，钢结构本体吸收到的热量通过钢结构本体内部注水管中的冷却水流动将热量带走，从而将钢结构本体的温度维持在100℃左右，保证了钢结构本体在其失稳的临界温度以下，同时也保证了钢结构本体的力学性能稳定，从而证明本申请具有很好的防火保护效果。(3)本专利技术通过设置在进水管和出水管上的进水端压力表和出水端压力表以及热偶计来观察冷却水的压力变化，通过热偶计测量从注水管中流出的冷却水的温度和两个压力表之间的压差来判断钢结构本体的性能变化。并且设置的排气阀可以在注水管中温度过高时将内部的热量进行排出，从而实现更好的降温，有效的保护了钢结构本体不受火灾的损坏。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为本专利技术中钢结构注水防火装置的结构示意图。图3为本专利技术钢结构采取注水保护时Nu数和Re数的关系图。图4为本专利技术钢结构采取注水保护时Cf与Re之间的关系图。上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：1-钢结构本体，2-注水管，3-进水管，4-出水管，5-排气管，6-进水端压力表，7-出水端压力表，8-热偶计，9-进水阀门，10-出水阀门，11-排气阀。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例按照如图2所示在钢结构本体1中安装好注水管2，然后分别贯穿钢结构本体1对注水管2两端接通进水管3和出水管4，并在进水管3和出水管4上安装进水阀门9和出水阀门10，同时还需安装用于检测冷却水在管道内压力的进水端压力表6和出水端压力表7，额外的还需要在出水管4上安装用于测量从注水管2中排出的冷却水温度的热偶计8。连通注水管2设置的排气管5根据注水管2的长度确定排气管的数量，通常间隔距离5～8米需要设置一根排气管，排气管上通过排气阀进行控制。当发生火灾时，对钢结构本体进行火灾保护的具体方法如图1所示，(S1)发生火灾时，钢结构本体外表面直接暴露在火焰或高温烟气中，通过热辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢结构注水防火保护方法，所述钢结构注水防火装置包括钢结构本体(1)，安装在钢结构本体(1)内并通过冷却水对钢结构本体(1)进行降温的注水管(2)，贯穿钢结构本体(1)设置且与注水管(2)两端分别连通的进水管(3)和出水管(4)，贯穿钢结构本体(1)设置且与注水管(2)连通并用于排出注水管(2)中气体的排气管(5)，安装在进水管(3)上的进水端压力表(6)，安装在出水管(4)上的出水端压力表(7)，以及安装在出水管(4)上且用于测量从注水管(2)中流出的冷却水温度的热偶计(8)；/n其特征在于，所述实现方法包括如下步骤：/n(S1)发生火灾时，钢结构本体外表面直接暴露在火焰或高温烟气中，通过热辐射、对流换热使钢结构本体升温；/n(S2)钢结构本体将外表面受火灾加热得到的热量通过热传导方式传导到钢结构本体的内表面；/n(S3)钢结构本体内表面空腔通过对流换热将热量传递给注水管内的冷却水，并对注水管中参数包括冷却水中水温差、水流量、钢结构本体壁面温度、注水管两端水压差进行测试；/n(S4)通过最小二乘法对注水管内流动的冷却水的测试数据进行分析和处理，从而得出注水管内换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式；/n(S5)通过换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式的建立，从而判断出钢结构本体在火灾发生时需要注水管内冷却水对钢结构本体进行保护的最小驱动力和最小水流量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钢结构注水防火保护方法，所述钢结构注水防火装置包括钢结构本体(1)，安装在钢结构本体(1)内并通过冷却水对钢结构本体(1)进行降温的注水管(2)，贯穿钢结构本体(1)设置且与注水管(2)两端分别连通的进水管(3)和出水管(4)，贯穿钢结构本体(1)设置且与注水管(2)连通并用于排出注水管(2)中气体的排气管(5)，安装在进水管(3)上的进水端压力表(6)，安装在出水管(4)上的出水端压力表(7)，以及安装在出水管(4)上且用于测量从注水管(2)中流出的冷却水温度的热偶计(8)；
其特征在于，所述实现方法包括如下步骤：
(S1)发生火灾时，钢结构本体外表面直接暴露在火焰或高温烟气中，通过热辐射、对流换热使钢结构本体升温；
(S2)钢结构本体将外表面受火灾加热得到的热量通过热传导方式传导到钢结构本体的内表面；
(S3)钢结构本体内表面空腔通过对流换热将热量传递给注水管内的冷却水，并对注水管中参数包括冷却水中水温差、水流量、钢结构本体壁面温度、注水管两端水压差进行测试；
(S4)通过最小二乘法对注水管内流动的冷却水的测试数据进行分析和处理，从而得出注水管内换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式；
(S5)通过换热准则关系式和范宁摩擦系数的准则关系式的建立，从而判断出钢结构本体在火灾发生时需要注水管内冷却水对钢结构本体进行保护的最小驱动力和最小水流量。


2.根据权利要求1所述的一种钢结构注水防火保护方法，其特征在于，所述步骤(S3)中对对注水管中冷却水中水温差、水流量、钢结构本体壁面温度、注水管两端的水压差进行测试实际是为了测得雷诺数Re、换热系数α、努谢尔特数Nu和范宁摩擦系数Cf。


3.根据权利要求2所述的一种钢结构注水防火保护方法，其特征在于，所述雷诺数Re的计算公式为：
Re＝umDi/ν
um＝4g/ρπDi2
其中：um为流体平均流速，单位为m/s；Di为管内径，单位为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李乐，何勤理，
申请(专利权)人：应急管理部四川消防研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51