消防閉式玻璃球灑水噴頭自動感溫性能研究

歐陽知 李湘念 潘力濤

摘要：目前，在我國建筑內部普遍采用的各類固定消防設施中，能夠直接出水對初起火災實施有效壓制的自動噴水滅火系統已經逐漸成為建筑內部消防安全環境的重要保障。其中，自動噴水滅火系統閉式系統射水動作的及時啟動需要通過灑水噴頭內部感溫元件對環境周邊溫度的自動感應。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、起火現場火災煙氣溫度以及煙氣流動速度等參數直接相關。通過對玻璃球感溫元件內部實際構造進行深入研究，對相關參數對感溫玻璃球實際啟動時間的影響程度進行了具體分析，為產品的升級、制造提供必要的參考依據。

關鍵詞：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件組成。其中玻璃球構件是保障噴頭能夠及時啟動的關鍵元件，構件結構以近似圓柱形的耐熱硼硅空心玻璃球為主體，通過向球體內部灌注熱敏感、高膨脹型彩色液體構成，其外觀及結構分別如圖2、圖3所示[1]。

通常情況下，灑水噴頭感溫玻璃球關鍵參數主要包括公稱動作溫度和響應時間系數[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：

感溫玻璃球響應時間系數（簡稱RTI）則是在設定的溫度環境下，玻璃球感應環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——響應時間系數，（m·s）0.5；

τ——響應時間常數，s；

μ——氣體流速，m/s。

RTI值是反應玻璃球對環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、導熱系數、熱煙氣的表面換熱系數、密封液的膨脹率參數等因素的直接影響，如表2所示，根據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機理

建筑物內部發生火災時，火焰產生的高溫煙氣隨浮力羽流上升至頂棚轉向后，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生熱交換現象而逐漸升溫，并通過熱傳導現象將熱量傳遞至感溫玻璃球內部密封液體，當溫度持續升高達到玻璃球啟動臨界溫度時，密封液體持續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參數

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環境溫度30℃即可自動啟動的感溫玻璃球。

3.2? 感溫玻璃球的τ值

根據公式（1）可知，感溫玻璃球的RTI值主要由玻璃球的響應時間常數τ值與火災煙氣速度決定，其中響應時間常數τ值用公式（2）進行計算：

式中：M——感溫玻璃球質量，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——煙氣玻璃球表面傳熱系數，kW/m2·K。

其中Cp為常數，普通玻璃常溫比熱容約為0.837kJ/（kg·K），導熱系數λ約為0.711W/（m·K）；高硼硅玻璃常溫比熱容約為0.9kJ/（kg·K），導熱系數λ約為1.2W/（m·K）。因此τ的數值主要與M、A、h相關，其中M/A主要與感溫玻璃球形狀尺寸相關，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，則其響應時間常數τ值越大。

如表3所示，另一個與τ值相關的參數為煙氣與玻璃球的表面傳熱系數h，對于特定表面的傳熱系數主要與流體的特性參數相關。

煙氣與玻璃球表面對流換熱系數通常需要根據試驗方法進行實際測定，通常情況下，空氣自然對流表面傳熱系數處于5～25 W/（m2·K）區間之內，強迫對流表面傳熱系數處于20～300 W/（m2·K）區間之內。

3.3? 熱煙氣的溫度、溫升率與煙氣速度

感溫玻璃球在穩態火災的動作時間用公式（4）進行計算：

式中：⊿TD——感溫玻璃球的公稱動作溫度與環境溫度差

值，℃；

⊿T——傳熱表面煙氣與環境溫度差值，℃。

感溫玻璃球在非穩態火災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態火災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、火災增長系數α=0.0117kJ/s2（中速火災）、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——火災熱釋放速率中的對流部分，kW；

T0——環境溫度，℃。

通過組合公式（5）、（6）、（7）計算灑水噴頭感溫玻璃球在中速發展火災最不利點的實際啟動時間約為276s，火災發展各時間段的煙氣溫度及玻璃球對應溫度如表4所示。

如果灑水噴頭剛好設置在火焰正上方的相應位置，相比于頂棚射流區，浮力羽流區的煙氣溫度及煙氣實際蔓延速度兩項參數均顯著提高，感溫玻璃球的實際啟動時間也必將有效提前。

4 結語

作為能夠實際控制自動噴水滅火系統及時啟動的關鍵構件，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、火災發展速率、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，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越大、火災增長系數越大、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就越迅速，此時自動噴水滅火系統能夠在火災初起階段及時啟動并對初起火災實施有效壓制，最大限度防止重大火災事故的出現。

參考文獻：

[1]GB 18428—2010.自動滅火系統用玻璃球[S].

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

[3]霍然，胡源，李元洲.建筑火災安全工程導論[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2009.

[4]季經緯，程遠平.火災動力學[M].徐州：中國礦業大學出版社，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