歐陽知 李湘念 潘力濤

摘要：目前，在我國建筑內(nèi)部普遍采用的各類固定消防設(shè)施中，能夠直接出水對初起火災(zāi)實施有效壓制的自動噴水滅火系統(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，自動噴水滅火系統(tǒng)閉式系統(tǒng)射水動作的及時啟動需要通過灑水噴頭內(nèi)部感溫元件對環(huán)境周邊溫度的自動感應(yīng)。玻璃球感溫元件的實際動作時間通常與元件自身的形狀尺寸、熱力性能、與起火源的實際距離、起火現(xiàn)場火災(zāi)煙氣溫度以及煙氣流動速度等參數(shù)直接相關(guān)。通過對玻璃球感溫元件內(nèi)部實際構(gòu)造進行深入研究，對相關(guān)參數(shù)對感溫玻璃球?qū)嶋H啟動時間的影響程度進行了具體分析，為產(chǎn)品的升級、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；空氣對流傳熱；迭代法

中圖分類號：TU892? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：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啟動的關(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為主體，通過向球體內(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)主要包括公稱動作溫度和響應(yīng)時間系數(shù)[2]，不同公稱動作溫度玻璃球噴頭，其玻璃球色標如表1所示：

感溫玻璃球響應(yīng)時間系數(shù)（簡稱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，玻璃球的RTI值用公式（1）進行計算：

式中：RTI——響應(yīng)時間系數(shù)，（m·s）0.5；

τ——響應(yīng)時間常數(shù)，s；

μ——氣體流速，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，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?？梢詫⒏袦夭Ａ蚍譃?類。

2 灑水噴頭感溫玻璃球啟動機理

建筑物內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，火焰產(chǎn)生的高溫煙氣隨浮力羽流上升至頂棚轉(zhuǎn)向后，通過頂棚射流蔓延至噴頭安裝位置附近，此時感溫玻璃球表面與高溫煙氣發(fā)生熱交換現(xiàn)象而逐漸升溫，并通過熱傳導(dǎo)現(xiàn)象將熱量傳遞至感溫玻璃球內(nèi)部密封液體，當溫度持續(xù)升高達到玻璃球啟動臨界溫度時，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火勢實施有效的抑制。

3 影響感溫玻璃球快速啟動的主要技術(shù)參數(shù)

3.1? 感溫玻璃球的公稱動作溫度

感溫玻璃球公稱動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啟動，一般建議選擇公稱動作溫度超過室內(nèi)環(huán)境溫度30℃即可自動啟動的感溫玻璃球。

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)時間常數(shù)τ值與火災(zāi)煙氣速度決定，其中響應(yīng)時間常數(shù)τ值用公式（2）進行計算：

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——玻璃球長度，m。

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

如表3所示，另一個與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流換熱系數(shù)通常需要根據(jù)試驗方法進行實際測定，通常情況下，空氣自然對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)處于5～25 W/（m2·K）區(qū)間之內(nèi)，強迫對流表面?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)的動作時間用公式（4）進行計算：

式中：⊿TD——感溫玻璃球的公稱動作溫度與環(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)中的動作時間可用迭代法進行計算，其中感溫玻璃球在非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)中不同時刻的溫度可用公式（5）進行計算[3]：

式中：TD，t+⊿t——感溫玻璃球在t+⊿t時刻的溫度，℃；

Tt+⊿t——與感溫玻璃球表面發(fā)生傳熱的煙氣層在

t+⊿t時刻的溫度，℃；

TD，t——感溫玻璃球在t時刻的溫度，℃；

TD，t——感溫玻璃球表在t時刻的溫度，℃；

Tt——與感溫玻璃球表面發(fā)生傳熱的煙氣層在t時

刻的溫度，℃。

當TD，t+⊿t≥TD時，表示感溫玻璃球的溫度已經(jīng)達到或超過公稱動作溫度，此時即為感溫玻璃球動作時間。以t2火災(zāi)、火災(zāi)增長系數(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，采用迭代法計算68℃的感溫玻璃球在初始溫度20℃的動作時間如下：

火焰最不利點時距離噴頭水平距離：

r=0.5×（2×3.62）0.5≈2.55m

對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）進行計算[4]：

式中：Q——火災(zāi)熱釋放速率中的對流部分，kW；

T0——環(huán)境溫度，℃。

通過組合公式（5）、（6）、（7）計算灑水噴頭感溫玻璃球在中速發(fā)展火災(zāi)最不利點的實際啟動時間約為276s，火災(zāi)發(fā)展各時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際蔓延速度兩項參數(shù)均顯著提高，感溫玻璃球的實際啟動時間也必將有效提前。

4 結(jié)語

作為能夠?qū)嶋H控制自動噴水滅火系統(tǒng)及時啟動的關(guān)鍵構(gòu)件，灑水噴頭感溫玻璃球動作時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際距離密切相關(guān)，通過實際測試，感溫玻璃球直徑越小、玻璃球與高溫煙氣表面換熱系數(shù)越大、火災(zāi)增長系數(shù)越大、煙氣與玻璃球表面相對速度越大、噴頭與火焰距離越近，玻璃球噴頭對高溫熱源的感應(yīng)就越迅速，此時自動噴水滅火系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初起階段及時啟動并對初起火災(zāi)實施有效壓制，最大限度防止重大火災(zāi)事故的出現(xiàn)。

參考文獻：

[1]GB 18428—2010.自動滅火系統(tǒng)用玻璃球[S].

[2]GB 5135.1—2019.自動噴水滅火系統(tǒng) 第1部分：灑水噴頭[S].

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

[4]季經(jīng)緯，程遠平.火災(zāi)動力學(xué)[M].徐州：中國礦業(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