SPRINKLER LÀ GÌ ? CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU PHUN SPRINKLER ?

Trên thế giới, tại các dự án, công trình đầu phun Sprinkler. Được trang bị để ngăn chặn đám cháy trước khi chúng lan rộng. Nhằm bảo vệ tính mạng của con người và tài sản.

Thực tế cho thấy, hệ thống chữa cháy tự động Sprinkler có hiệu quả chữa cháy cao. Và chữa cháy được hầu hết các chất cháy không kị nước. Hoặc không bị nước tác động gây hư hỏng trong quá trình chữa cháy. Tuy nhiên hiện nay vẫn còn nhiều quan điểm sai lầm dẫn đến khó khăn vướng mắc trong việc trang bị. Lắp đặt hệ thống chữa cháy tự động Sprinkler.

1. SPRINKLER LÀ GÌ? – CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU PHUN SPRINKLER

1.1. Sprinkler Là Gì?

Sprinkler là đầu phun nước chữa cháy trong hệ thống chữa cháy nước tự động. Sprinkler được kích hoạt khi nhiệt độ của đám cháy. Đạt ngưỡng kích hoạt chữa cháy của bộ cảm biến nhiệt trên đầu phun.

Đầu phun thực hiện đồng thời hai chức năng vừa là cảm biến nhiệt, vừa là vòi phun nước. Đầu chữa cháy được phân bố theo tuyến ống. Và số lượng được quy định trên một diện tích thiết kế.

Đầu phun chữa cháy sprinkler được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Và có hơn 40 triệu đầu sprinkler được lắp đặt mỗi năm (Nguồn: Wikipedia).

1.2. Cấu Tạo Đầu Sprinkler

Các loại đầu sprinkler khác nhau có thể có cấu tạo không hoàn toàn giống nhau. Nhưng về cơ bản đều có thành phần chính như sau:

– Khung đầu phun (frame): là thành phần chính giữ cho các bộ phận của đầu phun sprinkler. Liên kết với nhau và kết nối với đường ống nước

– Cảm biến nhiệt (heat sensitive operating): Đây là bộ phận điều khiển xả nước; Ở điều kiện bình thường nó giữ cố định chốt chặn (cap), không cho nước xả ra. Cảm biến nhiệt thường được sử dụng là ống thủy tinh chứa chất lỏng (tyco sprinkler bulb). Hoặc là thanh kim loại dễ nóng chảy (spring arms)

– Chốt chặn hay khóa hãm (cap): Có chức năng bịt kín lỗ phun nước không cho nước chảy ra khi đầu phun chưa được kích hoạt phun nước.

– Tấm định hướng (deflector): Được lắp phía trên khung đầu phun và đối diện lỗ phun nước. Có chức năng phân tán dòng nước từ lỗ phun nước, làm tăng hiệu quả chữa cháy và độ bao phủ của đầu phun. Các kiểu thiết kế tấm định hướng xác định kiểu lắp đặt đầu phun như: hướng lên, hướng xuống, hướng ngang…

1.3. Nguyên Lý Hoạt Động Của Đầu Phun Sprinkler

Đầu phun sprinkler thông thường có chốt chặn (cap). Được giữ cố định bằng một cơ chế kích hoạt. Loại cơ chế kích hoạt phổ biến nhất là ống thủy tinh chứa chất lỏng giãn nở khi gặp nhiệt độ nóng.

Chất lỏng này được thiết kế để giãn nở ở một nhiệt độ nhất định (57°C, 68°C, 79°C, 93°C…). Và làm vỡ ống thủy tinh (tyco sprinkler protected glazing). Khi đó dưới áp lực nước phía sau làm cho chốt giữ (cap) rơi ra ngoài. Cho phép nước phun ra lên tấm định hướng đã được thiết kế để phân tán dòng nước, phủ trực tiếp lên đám cháy.

Nguyên Lý Hoạt Động Của Đầu Phun Chữa Cháy Sprinkler

Thông thường, chỉ cần từ một đến hai đầu phun đã có thể dập tắt đám cháy.

Một số ít đầu phun sử dụng cơ chế kích hoạt gồm 2 miếng kim loại (spring arms) liên kết lại với nhau bằng mối hàn (solder).

Cấu Tạo Đầu Phun Chữa Cháy Sprinkler Sử Dụng Miếng Kim Loại Nóng Chảy

Ở trạng thái bình thường hai thanh này giữ cố định cho chốt chặn (plug). Ngăn không cho nước chảy ra khi đầu phun chưa được kích hoạt phun nước. Khi mối hàn gặp nhiệt độ đầu phun chữa cháy sprinkler cao bị nóng chảy. Hai thanh kim loại (spring arm) tách nhau ra. Giải phóng cho chốt chặn (plug) cho phép nước phun ra.

Đầu phun chữa cháy sprinkler cần một ít thời gian để ống thủy tinh vỡ. Hoặc mối hàn nóng chảy từ lúc nhiệt độ đạt ngưỡng kích hoạt. Và tiếp tục tăng lên được gọi là thời gian phản ứng (RTI-Response Time Index). Có giá trị từ 35 m1/2s1/2 đến 250 m1/2s1/2. Đầu chữa cháy sprinkler có giá trị RTI nhỏ là loại đầu phun phản ứng nhanh.

Ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (nhiệt độ 250°C, tốc độ gió 2.5m/s). Một đầu phun 68°C sẽ vỡ ống thủy tinh trong thời gian từ 7s đến 35s tùy thuộc vào RTI.

Quy định nhiệt độ trần tối đa, nhiệt độ hoạt động của sprinkler. Màu ống thủy tinh, mối hàn theo nhiệt độ trong tiêu chuẩn NFPA 13 2013 (Xem tại bảng ở mục 4 phần 4.2)

1.4. Phân Loại Đầu Phun 

1.4.1. Phân loại đầu phun sprinkler theo kiểu lắp đặt

Dựa trên kiểu lắp đặt, sprinklers tự động có 3 loại cơ bản như sau:

– Đầu phun  hướng lên: Là đầu phun có tấm định hướng (deflector). Ở phía trên khung đầu phun (frame) sao cho nước phun ra từ lỗ đầu phun hướng lên trên. Đập vào tấm định hướng, nước phun ra có dạng hình nón hướng lên. Đầu phun hướng lên thường được xác định với ký hiệu “SU” ( Spray Upright). Được in trên tấm định hướng.

– Đầu phun hướng xuống: Là đầu phun có tấm định hướng (deflector). Ở phía dưới khung đầu phun (frame). Sao cho nước phun ra từ lỗ đầu phun hướng xuống trên đập vào tấm định hướng. Nước phun ra có dạng hình nón hướng xuống. Đầu phun hướng xuống thường được xác định với ký hiệu “SP” ( Spray Pendent) được in trên tấm định hướng.

– Đầu phun sprinkler hướng ngang: Đây là đầu phun được dùng để lắp gần tường và trần nhà với tấm định hướng song song với mái hoặc trần. Nước phun ra khỏi đầu phun có dạng hình cong của 1/4 hình cầu. Trên sprinkler có đánh dấu mũi tên chỉ hướng nước chảy ra và in chữ “SIDEWALL” và “TOP” để tránh lắp đặt sai cách.

1.4.2. Phân loại đầu phun theo ứng dụng

Dựa trên các đặc tính về dòng chảy, thời gian phản ứng, tầm bao phủ… Mà đầu sprinkler thường được phân loại theo các dòng như sau:

– Đầu phun  phản ứng nhanh (Quick Response Sprinkler): Là đầu phun nước sprinkler được thiết kế với thành phần cảm biến nhiệt phản ứng nhanh với nhiệt độ và được xem là đầu phun chuyên dụng. Ứng dụng của đầu phun phản ứng nhanh. Có thể được giới hạn bởi xếp loại lớp dân cư và mức nguy hiểm của khu vực bảo vệ. Cần tham khảo mã ứng dụng trong các quy định.

– Đầu phun sprinkler tầm phủ rộng (Extended Coverage Sprinkler): Đây là đầu phun được thiết kế với tầm phủ bảo vệ của nước phun ra lớn hơn nhiều so các đầu phun thông thường. (Tầm bao phủ tối đa của sprinkler được nhà sản xuất cung cấp trong tài liệu đặc tính của đầu phun). Đầu chữa cháy sprinkler tầm phủ rộng thường được sử dụng cho khu vực có mức nguy hiểm thấp và có trần phẳng.

Phân Loại Đầu Phun Sprinkler Theo Ứng Dụng

– Đầu phun phản ứng nhanh và tầm phủ rộng (Quick Response/Extended Coverage Sprinkler): Đầu phun bao gồm đặc tính của 2 loại trên. Được giới hạn ở khu vực có mức nguy hiểm thấp.

– Đầu phun  giọt lớn (Large Drop Sprinkler): Đây là đầu phun đặc biệt được thiết kế để nước phun xuống. Có dạng hình nón, tuy nhiên nước phun ra có giọt nước lớn để thấm vào các đám cháy. Khó dập tắt bằng các đầu phun thông thường. Các đám cháy này thường đặc biệt nghiêm trọng.

Chúng tạo ra ngọn lửa lớn và các dòng đối lưu không khí . Làm lệch hướng dòng nước của các đầu phun thông thường trước khi đến được ngọn lửa. Các giọt nước lớn với khối lượng lớn có hiệu quả hơn trong việc thâm nhập vào ngọn lửa.

– Đầu phun cho các trụ sở cơ quan (tyco illusion sprinkler): Là dòng đầu phun đặc biệt được thiết kế với các tính năng như chống bị tác động. Có thuộc tính ít gây chú ý và khó bị phá vỡ khi tác động lực quá lớn lên đầu phun. Dòng đầu phun này thường được sử dụng cho các nhà giam và bệnh viện tâm thần. Hoặc những nơi có nguy cơ đầu phun bị tác động. Hoặc sử dụng đầu phun để làm tổn thương chính bản thân hoặc người khác.

Phân Loại Đầu Phun Sprinkler Theo Ứng Dụng

– Đầu phun cho kệ hàng (In-Rack-Sprinkler): Là đầu phun dùng để bảo vệ cho các kệ hàng cao trong kho lưu trữ. Nơi mà các đầu phun gắn trần thông thường không thể phun tới ngọn lửa. Đầu phun có miếng che trên đầu để bảo vệ đầu phun bởi tác động của các đầu phun phía trên khi xả nước.

– Đầu phun phản ứng nhanh, dập tắt đám cháy sớm (Early Suppression Fast Response-ESFR): Là đầu phun phản ứng nhanh với giọt nước phun ra lớn. Đầu phun này gắn trên trần và trong một vài trường hợp có thể thay thế đầu phun cho kệ hàng (in rack sprinkler).Thường sử dụng để bảo vệ cho nhà kho và yêu cầu đủ áp suất và dung tích nước để đầu phun hoạt động đúng.

2. HỆ SỐ K VÀ LƯU LƯỢNG ĐẦU SPRINKLER

2.1. Định Nghĩa Hệ Số K Của Đầu Phun Sprinkler

Như ta đã biết nước được xả thông qua lỗ phun của đầu sprinkler. Đường kính và các đặc tính thủy lực của lỗ phun này quyết định dòng chảy và áp suất tại đầu phun. Hệ số K của đầu phun chữa cháy sprinkler là con số chỉ định được đưa ra để thể hiện đặc tính thủy lực của đầu sprinkler.

Lưu lượng của 1 đầu phun được tính bởi công thức sau:

q = k*p1/2

Trong đó:

– q là lưu lượng dòng chảy

– k là hệ số phun của đầu sprinkler

– p là áp lực

Chúng ta cũng có thể viết lại công thức này ở các dạng sau:

k = q/p11/2

Hoặc:

p = (q/k)2

Và đơn vị tính cho các thông số này cũng là đều khá quan trọng và không được nhầm lẫn. Thông thường có 2 hệ đơn vị cho công thức này:

– Hệ đo lường SI (hệ mét)

+ p: áp suất tính bằng đơn vị BAR

+ q = lưu lượng tính bằng đơn vị LPM (lít/phút)

+ k = hệ số phun tính bằng đơn vị LPM/BAR1/2

– Hệ đo lường Anh

+ p: áp suất tính bằng đơn vị psi

+ q = lưu lượng tính bằng đơn vị GPM (ga-lông/phút)

+ k = hệ số phun tính bằng đơn vị GPM/PSI1/2

2.2. Ý Nghĩa Hệ Số K Của Đầu Phun Sprinkler

Đầu phun sprinkler có hệ số K càng lớn thì dòng chảy càng lớn. Nhưng áp lực dòng chảy lại yếu.

Ngược lại đầu sprinkler có hệ số K càng nhỏ thì tạo ra dòng chảy càng nhỏ. Nhưng áp lực dòng chảy lại cao.

Áp lực tại đầu phun rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến kích cỡ các giọt nước và mô hình phun của dòng nước khi thoát khỏi đầu phun – 1 trong 2 đặc tính quyết định hiệu quả chữa cháy của đầu phun.

2.3. Định Nghĩa Lưu Lượng Đầu Phun

Lưu lượng đầu phun sprinkler được mô tả bằng công thức sau:

q = k*p1/2

Trong đó:

– q: đơn vị tính GPM (ga –lông/ phút)

– k: là hệ số từ nhà sản xuất

– p: đơn vị tính PSIG (pounds per square inch)

Với đầu sprinkler tyco điển hình có hệ số k=5.6 và áp lực dòng chảy là 10 PSIG, thì lưu lượng của đầu phun sẽ là 5.6√10 hoặc 17.7 GPM. Tiêu chuẩn NFPA yêu cầu áp lực tối thiểu tại 1 đầu phun thông thường là 7 PSIG. Nhưng có 1 số đầu phun đặc biệt yêu cầu áp lực tối thiểu là 50 PSIG để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Vì vậy trước khi thực hiện việc tính toán thủy lực cần xem xét kỹ tiêu chuẩn NFPA và tài liệu của nhà sản xuất.

2.4. Mối Tương Quan Giữa Hệ Số K Và Lưu Lượng Của Đầu Phun Sprinkler

Biểu đồ bên dưới thể hiện mối tương quan giữa hệ số K của đầu sprinkler (tyco sprinkler k factor), áp lực và lưu lượng.  Có thể dễ dàng nhận ra rằng: đối với một đầu phun ở cùng 1 áp lực với hệ số phun K càng cao thì dòng chảy của đầu phun càng tăng hay nói cách khác hệ số K của đầu sprinkler tỷ lệ thuận với dòng chảy.

Đôi khi chúng ta có thể dựa vào yếu tố này để lựa chọn chính xác đầu sprinkler với hệ số K thích hợp nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế với áp lực dòng chảy nhỏ nhất có thể.

Ví dụ: nếu chúng ta cố định thông số áp lực là 1.50 BAR thì:

– Khi hệ số K của đầu sprinkler là 50 thì lưu lượng dòng chảy sẽ là 61.20 lít/phút

– Khi hệ số K của đầu sprinkler là 100 thì lưu lượng dòng chảy sẽ là 122.50 lít/ phút

– Tương ứng khi hệ số K của đầu phun sprinkler là 150 thì lưu lượng dòng chảy sẽ là 183.70 lít/ phút.

→ Chúng ta có thể thấy lưu lượng dòng chảy thay đổi khoảng 61 lít/ phút mỗi khi chúng ta tăng hệ số K của đầu sprinkler lên 50, điều này xảy ra bởi vì áp lực luôn được giữ ở giá trị 1.50 BAR và nếu nhìn vào công thức hệ số K bên trên (q = k*p1/2) thì khi lấy căn bậc 2 của áp lực p ta được 1.225, sau đó nhân lần lượt với hệ số K của  sprinkler trong các trường hợp 50, 100, 150. Khi đó mỗi lần hệ số K tăng lên 50 thì lưu lượng dòng chảy cũng tăng lên 1 lượng tương tự.

3. CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA ĐẦU PHUN SPRINKLER

Tùy vào môi trường hoạt động khác nhau. Yêu cầu khác nhau của mỗi hệ thống, mỗi công trình, mỗi khu vực. Cần phải lựa chọn đầu phun phù hợp với yêu cầu. Để lựa chọn đầu phun phù hợp, chúng ta dựa vào những thông số đầu sprinkler, tuy nhiên với mỗi nhà sản xuất sẽ có những tiêu chuẩn đầu phun sprinkler riêng. Trong bài viết này chúng ta sẽ đề cập đến 3 tiêu chuẩn:

• nhiệt độ kích hoạt đầu sprinkler,
• áp lực làm việc của đầu sprinkler,
• bán kính bảo vệ của đầu sprinkler (bán kính đầu sprinkler).

Sau đây chúng ta sẽ đi vào phân tích từng thông số đầu sprinkler.

3.1.  Nhiệt Độ Kích Hoạt Của Đầu Phun Sprinkler

Nhiệt độ kích hoạt của đầu sprinkler là nhiệt độ làm cho bóng thủy tinh bị vỡ. Hoặc làm cho khung kim loại nóng chảy, phá vỡ kết cấu của cơ cấu bịt kín đầu phun, khiến nước từ hệ thống đường ống phun ra tại lỗ phun nước của đầu phun.

Cách chọn nhiệt độ của đầu sprinkler là dựa vào nhiệt độ của khu vực cần lắp đặt, khi khu vực hoạt động bình thường (không có sự cố cháy). Nhiệt độ kích hoạt đầu phun sprinkler phải cao hơn nhiệt độ bình thường của khu vực, nếu chọn nhiệt độ hoạt động của đầu phun chữa cháy sprinkler thấp hơn nhiệt độ bình thường của khu vực cần lắp đặt thì khi khu vực hoạt động sẽ kích hoạt hệ thống chữa cháy.

Cũng không được chọn nhiệt độ hoạt động đầu sprinkler quá cao so với nhiệt độ bình thường của khu vực vì khi xảy ra sự cố, để đám cháy đạt được nhiệt độ kích hoạt của đầu sprinkler thì đám cháy đã gây ra thiệt hại quá lớn. Nhiệt độ, tiêu chuẩn đầu phun sprinkler sẽ quyết định khả năng phản ứng khi xảy ra sự cố của đầu phun.

3.2. Áp Lực Làm Việc Của Đầu Phun Sprinkler

Áp lực làm việc của đầu  sprinkler là áp lực mà tại đó cơ cấu của đầu sprinkler không bị phá hủy. Hiện tại có nhiều hệ thống chữa cháy nước tự động  sử dụng đầu  sprinkler như:

• hệ thống ướt ( hệ thống mà đường ống luôn có sẵn nước),
• hệ thống khô (hệ thống mà đường ống không có nước mà thay thế bằng không khí hoặc khí khác),
• hệ thống xả tràn (hệ thống sử dụng đầu phun sprinkler hở, không có yếu tố cảm ứng nhiệt),
• hệ thống kích hoạt trước (hệ thống sử dụng hệ thống báo cháy để mở van xả nước vào đường ống và sử dụng đầu phun kín)…

Mỗi hệ thống có một cách tính toán áp lực riêng, nhưng áp lực tại mỗi đầu phun sprinkler trong hệ thống đều có yêu cầu về áp lực là như nhau.

Áp Lực Làm Việc Của Một Số Đầu Phun Thông Dụng

Theo tiêu chuẩn NFPA 13 mục 6.4.4.8 quy định áp lực tại đầu phun sprinkler khi hoạt động tối thiểu phải đạt 7 PSI (0.5 BAR), đây là áp lực tối thiểu để đầu sprinkler hoạt động và tất cả đầu chữa cháy sprinkler trong hệ thống đều phải đạt áp lực tối thiểu này.

Với mỗi đầu sprinkler của mỗi hãng sẽ có áp lực làm việc tối đa khác nhau, khi áp lực của hệ thống vượt qua áp lực này đầu phun sprinkler có thể bị phá hủy, đây là áp lực tối đa mà đầu chữa cháy sprinkler có thể làm việc, khi thiết kế hệ thống không nên để áp lực tại một đầu phun bất kì vượt qua ngưỡng này, phải dựa vào tiêu chuẩn đầu sprinkler để tính toán áp lực cho mỗi đầu phun sao cho phù hợp nhất.

3.3. Bán Kính Bảo Vệ Của Đầu Phun Sprinkler

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 7336:2003 hệ thống chữa cháy sprinkler được phân loại dựa trên mức độ nguy cơ phát sinh đám cháy tại các cơ sở và được gọi một cách tương ứng, cụ thể như sau: Hệ thống cho cơ sở có nguy cơ cháy thấp, hệ thống cho cơ sở có nguy cơ cháy trung bình (hệ thống cho cơ sở có nguy cơ cháy trung bình tiếp tục được chia thành 4 nhóm: Nhóm I, Nhóm II, Nhóm III và Nhóm III đặc biệt), hệ thống cho cơ sở có nguy cơ cháy cao (bao gồm khu vực sản xuất và khu vực kho bãi bảo quản chất cao).

Dựa vào nhóm các cơ sở, công trình, tiêu chuẩn Việt Nam 7336:2003 quy định diện tích bảo vệ của mỗi đầu sprinklers tự động như sau:

• công trình có nguy cơ cháy thấp có diện tích được bảo vệ của một đầu  sprinkler là 12 m2,
• công trình có nguy cơ cháy trung bình thuộc Nhóm I, Nhóm II và Nhóm III có diện tích được bảo vệ của một đầu  sprinkler là 12 m2,
• công trình có nguy cơ cháy trung bình thuộc Nhóm III đặc biệt có diện tích được bảo vệ của một đầu  sprinkler là 9 m2,
• công trình có nguy cơ cháy cao như khu vực sản xuất, kho bảo quản chất cao có diện tích được bảo vệ của một đầu phun sprinkler là 9 m2.

Từ tiêu chuẩn đầu sprinkler về diện tích bảo vệ, bán kính bảo vệ của đầu sprinkler mà tính toán hệ thống chữa cháy sprinkler ra số lượng đầu phun phù hợp nhất cho từng khu vực bảo vệ, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả nhất.

Công ty PCCC ANO chuyên cung cấp thiết bị phòng cháy chữa cháy tại Hải Dương.

Khi xây dựng nhà xưởng , Khách sạn, Văn phòng, Nhà cho thuê , Bệnh viện Trường học , chung cư…Bắt buộc phải có thiết kế hệ thống PCCC .