消防閉式玻璃球?yàn)⑺畤婎^自動(dòng)感溫性能研究

歐陽(yáng)知 李湘念 潘力濤

摘要：目前，在我國(guó)建筑內(nèi)部普遍采用的各類固定消防設(shè)施中，能夠直接出水對(duì)初起火災(zāi)實(shí)施有效壓制的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為建筑內(nèi)部消防安全環(huán)境的重要保障。其中，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)閉式系統(tǒng)射水動(dòng)作的及時(shí)啟動(dòng)需要通過(guò)灑水噴頭內(nèi)部感溫元件對(duì)環(huán)境周邊溫度的自動(dòng)感應(yīng)。玻璃球感溫元件的實(shí)際動(dòng)作時(shí)間通常與元件自身的形狀尺寸、熱力性能、與起火源的實(shí)際距離、起火現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)煙氣溫度以及煙氣流動(dòng)速度等參數(shù)直接相關(guān)。通過(guò)對(duì)玻璃球感溫元件內(nèi)部實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行深入研究，對(duì)相關(guān)參數(shù)對(duì)感溫玻璃球?qū)嶋H啟動(dòng)時(shí)間的影響程度進(jìn)行了具體分析，為產(chǎn)品的升級(jí)、制造提供必要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：閉式灑水噴頭；感溫玻璃球；空氣對(duì)流傳熱；迭代法

中圖分類號(hào)：TU892? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）12-0011-04

1 灑水噴頭感溫玻璃球性能研究

如圖1所示，灑水噴頭主要由噴頭主體框架、濺水盤、玻璃球及密封圈等構(gòu)件組成。其中玻璃球構(gòu)件是保障噴頭能夠及時(shí)啟動(dòng)的關(guān)鍵元件，構(gòu)件結(jié)構(gòu)以近似圓柱形的耐熱硼硅空心玻璃球?yàn)橹黧w，通過(guò)向球體內(nèi)部灌注熱敏感、高膨脹型彩色液體構(gòu)成，其外觀及結(jié)構(gòu)分別如圖2、圖3所示[1]。

通常情況下，灑水噴頭感溫玻璃球關(guān)鍵參數(shù)主要包括公稱動(dòng)作溫度和響應(yīng)時(shí)間系數(shù)[2]，不同公稱動(dòng)作溫度玻璃球噴頭，其玻璃球色標(biāo)如表1所示：

感溫玻璃球響應(yīng)時(shí)間系數(shù)（簡(jiǎn)稱RTI）則是在設(shè)定的溫度環(huán)境下，玻璃球感應(yīng)環(huán)境溫度變化靈敏性的指標(biāo)，玻璃球的RTI值用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：RTI——響應(yīng)時(shí)間系數(shù)，（m·s）0.5；

τ——響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，s；

μ——?dú)怏w流速，m/s。

RTI值是反應(yīng)玻璃球?qū)Νh(huán)境溫度變化靈敏性能的直觀指標(biāo)，受到玻璃球的直徑、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱煙氣的表面換熱系數(shù)、密封液的膨脹率參數(shù)等因素的直接影響，如表2所示，根據(jù)RTI值的大小通常可以將感溫玻璃球分為3類。

2 灑水噴頭感溫玻璃球啟動(dòng)機(jī)理

建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰產(chǎn)生的高溫?zé)煔怆S浮力羽流上升至頂棚轉(zhuǎn)向后，通過(guò)頂棚射流蔓延至噴頭安裝位置附近，此時(shí)感溫玻璃球表面與高溫?zé)煔獍l(fā)生熱交換現(xiàn)象而逐漸升溫，并通過(guò)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象將熱量傳遞至感溫玻璃球內(nèi)部密封液體，當(dāng)溫度持續(xù)升高達(dá)到玻璃球啟動(dòng)臨界溫度時(shí)，密封液體持續(xù)膨脹致使玻璃球破碎，灑水噴頭密封圈隨之脫落并噴射滅火劑對(duì)火勢(shì)實(shí)施有效的抑制。

3 影響感溫玻璃球快速啟動(dòng)的主要技術(shù)參數(shù)

3.1? 感溫玻璃球的公稱動(dòng)作溫度

感溫玻璃球公稱動(dòng)作溫度選擇的合理性直接決定著該感溫元件遇高溫輻射后是否能夠及時(shí)啟動(dòng)，一般建議選擇公稱動(dòng)作溫度超過(guò)室內(nèi)環(huán)境溫度30℃即可自動(dòng)啟動(dòng)的感溫玻璃球。

3.2? 感溫玻璃球的τ值

根據(jù)公式（1）可知，感溫玻璃球的RTI值主要由玻璃球的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ值與火災(zāi)煙氣速度決定，其中響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ值用公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：M——感溫玻璃球質(zhì)量，kg；

Cp——感溫玻璃球定壓比熱容，kJ/kg·K；

A——參與傳熱的玻璃球表面積，m2；

h——煙氣玻璃球表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kW/m2·K。

其中Cp為常數(shù)，普通玻璃常溫比熱容約為0.837kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)λ約為0.711W/（m·K）；高硼硅玻璃常溫比熱容約為0.9kJ/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)λ約為1.2W/（m·K）。因此τ的數(shù)值主要與M、A、h相關(guān)，其中M/A主要與感溫玻璃球形狀尺寸相關(guān)，玻璃球傳熱面近似圓柱體，以理想圓柱體為例（不含上下圓表面），則其值與直徑成正比，詳見(jiàn)公式（3）所示：

式中：ρ——玻璃球平均密度，kg/m3；

D——玻璃球（平均）直徑，m；

L——玻璃球長(zhǎng)度，m。

由上式可知，感溫玻璃球的直徑越大，則其響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ值越大。

如表3所示，另一個(gè)與τ值相關(guān)的參數(shù)為煙氣與玻璃球的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h，對(duì)于特定表面的傳熱系數(shù)主要與流體的特性參數(shù)相關(guān)。

煙氣與玻璃球表面對(duì)流換熱系數(shù)通常需要根據(jù)試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)際測(cè)定，通常情況下，空氣自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)處于5～25 W/（m2·K）區(qū)間之內(nèi)，強(qiáng)迫對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)處于20～300 W/（m2·K）區(qū)間之內(nèi)。

3.3? 熱煙氣的溫度、溫升率與煙氣速度

感溫玻璃球在穩(wěn)態(tài)火災(zāi)的動(dòng)作時(shí)間用公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：⊿TD——感溫玻璃球的公稱動(dòng)作溫度與環(huán)境溫度差

值，℃；

⊿T——傳熱表面煙氣與環(huán)境溫度差值，℃。

感溫玻璃球在非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)中的動(dòng)作時(shí)間可用迭代法進(jìn)行計(jì)算，其中感溫玻璃球在非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)中不同時(shí)刻的溫度可用公式（5）進(jìn)行計(jì)算[3]：

式中：TD，t+⊿t——感溫玻璃球在t+⊿t時(shí)刻的溫度，℃；

Tt+⊿t——與感溫玻璃球表面發(fā)生傳熱的煙氣層在

t+⊿t時(shí)刻的溫度，℃；

TD，t——感溫玻璃球在t時(shí)刻的溫度，℃；

TD，t——感溫玻璃球表在t時(shí)刻的溫度，℃；

Tt——與感溫玻璃球表面發(fā)生傳熱的煙氣層在t時(shí)

刻的溫度，℃。

當(dāng)TD，t+⊿t≥TD時(shí)，表示感溫玻璃球的溫度已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)公稱動(dòng)作溫度，此時(shí)即為感溫玻璃球動(dòng)作時(shí)間。以t2火災(zāi)、火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.0117kJ/s2（中速火災(zāi)）、灑水噴頭布置3.6m×3.6m、與燃燒物表面高差3m為例，采用迭代法計(jì)算68℃的感溫玻璃球在初始溫度20℃的動(dòng)作時(shí)間如下：

火焰最不利點(diǎn)時(shí)距離噴頭水平距離：

r=0.5×（2×3.62）0.5≈2.55m

對(duì)于的頂棚射流煙氣溫度T和頂噴射流速度U分別用公式（6）和公式（7）進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中：Q——火災(zāi)熱釋放速率中的對(duì)流部分，kW；

T0——環(huán)境溫度，℃。

通過(guò)組合公式（5）、（6）、（7）計(jì)算灑水噴頭感溫玻璃球在中速發(fā)展火災(zāi)最不利點(diǎn)的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間約為276s，火災(zāi)發(fā)展各時(shí)間段的煙氣溫度及玻璃球?qū)?yīng)溫度如表4所示。

如果灑水噴頭剛好設(shè)置在火焰正上方的相應(yīng)位置，相比于頂棚射流區(qū)，浮力羽流區(qū)的煙氣溫度及煙氣實(shí)際蔓延速度兩項(xiàng)參數(shù)均顯著提高，感溫玻璃球的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間也必將有效提前。

4 結(jié)語(yǔ)

作為能夠?qū)嶋H控制自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及時(shí)啟動(dòng)的關(guān)鍵構(gòu)件，灑水噴頭感溫玻璃球動(dòng)作時(shí)間與玻璃球的形狀尺寸、玻璃球與煙氣表面換熱系數(shù)、火災(zāi)發(fā)展速率、煙氣溫度、煙氣蔓延速度以及起火部位與灑水噴頭的實(shí)際距離密切相關(guān)，通過(guò)實(shí)際測(cè)試，感溫玻璃球直徑越小、玻璃球與高溫?zé)煔獗砻鎿Q熱系數(shù)越大、火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)越大、煙氣與玻璃球表面相對(duì)速度越大、噴頭與火焰距離越近，玻璃球噴頭對(duì)高溫?zé)嵩吹母袘?yīng)就越迅速，此時(shí)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初起階段及時(shí)啟動(dòng)并對(duì)初起火災(zāi)實(shí)施有效壓制，最大限度防止重大火災(zāi)事故的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 18428—2010.自動(dòng)滅火系統(tǒng)用玻璃球[S].

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[3]霍然，胡源，李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

[4]季經(jīng)緯，程遠(yuǎn)平.火災(zāi)動(dòng)力學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2018.

Research on automatic temperature sensing performance of fire sealed sprinkler

Ouyang Zhi，Li Xiangnian， Pan Litao

（Zhongyang Construction Group Co.， Ltd.， Guangdong Shenzhen 518000）

Abstract：At present， among the various fixed firefighting facilities commonly used in buildings in our country， the automatic sprinkler system can directly discharge water to effectively suppress the initial fire. It has gradually become an important guarantee for the fire safety environment inside the building. The timely start of the water jet action of the sealed automatic sprinkler system requires the automatic induction of the ambient temperature through the internal temperature sensing element of the sprinkler. The actual operating time of the glass ball temperature sensing element is usually directly related to the shape and size of the original itself， the thermal performance， the actual distance from the fire source， the temperature of the fire flue gas at the fire scene， and the flow speed of the flue gas. Through in-depth research on the actual structure of the glass ball temperature sensing element， the influence of relevant parameters on the actual start-up time of the glass ball is analyzed in detail， which provides the necessary reference for the upgrading and manufacturing of the product.

Keywords：sealed sprinkler; temperature-sensing glass ball; air convection heat transfer; iterative method