消防闭式玻璃球洒水喷头自动感温性能研究

欧阳知 李湘念 潘力涛

摘要：目前，在我国建筑内部普遍采用的各类固定消防设施中，能够直接出水对初起火灾实施有效压制的自动喷水灭火系统已经逐渐成为建筑内部消防安全环境的重要保障。其中，自动喷水灭火系统闭式系统射水动作的及时启动需要通过洒水喷头内部感温元件对环境周边温度的自动感应。玻璃球感温元件的实际动作时间通常与元件自身的形状尺寸、热力性能、与起火源的实际距离、起火现场火灾烟气温度以及烟气流动速度等参数直接相关。通过对玻璃球感温元件内部实际构造进行深入研究，对相关参数对感温玻璃球实际启动时间的影响程度进行了具体分析，为产品的升级、制造提供必要的参考依据。

关键词：闭式洒水喷头；感温玻璃球；空气对流传热；迭代法

中图分类号：TU892       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）12-0011-04

1 洒水喷头感温玻璃球性能研究

如图1所示，洒水喷头主要由喷头主体框架、溅水盘、玻璃球及密封圈等构件组成。其中玻璃球构件是保障喷头能够及时启动的关键元件，构件结构以近似圆柱形的耐热硼硅空心玻璃球为主体，通过向球体内部灌注热敏感、高膨胀型彩色液体构成，其外观及结构分别如图2、图3所示[1]。

通常情况下，洒水喷头感温玻璃球关键参数主要包括公称动作温度和响应时间系数[2]，不同公称动作温度玻璃球喷头，其玻璃球色标如表1所示：

感温玻璃球响应时间系数（简称RTI）则是在设定的温度环境下，玻璃球感应环境温度变化灵敏性的指标，玻璃球的RTI值用公式（1）进行计算：

式中：RTI——响应时间系数，（m·s）0.5；

τ——响应时间常数，s；

μ——气体流速，m/s。

RTI值是反应玻璃球对环境温度变化灵敏性能的直观指标，受到玻璃球的直径、比热容、导热系数、热烟气的表面换热系数、密封液的膨胀率参数等因素的直接影响，如表2所示，根据RTI值的大小通常可以将感温玻璃球分为3类。

2 洒水喷头感温玻璃球启动机理

建筑物内部发生火灾时，火焰产生的高温烟气随浮力羽流上升至顶棚转向后，通过顶棚射流蔓延至喷头安装位置附近，此时感温玻璃球表面与高温烟气发生热交换现象而逐渐升温，并通过热传导现象将热量传递至感温玻璃球内部密封液体，当温度持续升高达到玻璃球启动临界温度时，密封液体持续膨胀致使玻璃球破碎，洒水喷头密封圈随之脱落并喷射灭火剂对火势实施有效的抑制。

3 影响感温玻璃球快速启动的主要技术参数

3.1  感温玻璃球的公称动作温度

感温玻璃球公称动作温度选择的合理性直接决定着该感温元件遇高温辐射后是否能够及时启动，一般建议选择公称动作温度超过室内环境温度30℃即可自动启动的感温玻璃球。

3.2  感温玻璃球的τ值

根据公式（1）可知，感温玻璃球的RTI值主要由玻璃球的响应时间常数τ值与火灾烟气速度决定，其中响应时间常数τ值用公式（2）进行计算：

式中：M——感温玻璃球质量，kg；

Cp——感温玻璃球定压比热容，kJ/kg·K；

A——参与传热的玻璃球表面积，m2；

h——烟气玻璃球表面传热系数，kW/m2·K。

其中Cp为常数，普通玻璃常温比热容约为0.837kJ/（kg·K），导热系数λ约为0.711W/（m·K）；高硼硅玻璃常温比热容约为0.9kJ/（kg·K），导热系数λ约为1.2W/（m·K）。因此τ的数值主要与M、A、h相关，其中M/A主要与感温玻璃球形状尺寸相关，玻璃球传热面近似圆柱体，以理想圆柱体为例（不含上下圆表面），则其值与直径成正比，详见公式（3）所示：

式中：ρ——玻璃球平均密度，kg/m3；

D——玻璃球（平均）直径，m；

L——玻璃球长度，m。

由上式可知，感温玻璃球的直径越大，则其响应时间常数τ值越大。

如表3所示，另一个与τ值相关的参数为烟气与玻璃球的表面传热系数h，对于特定表面的传热系数主要与流体的特性参数相关。

烟气与玻璃球表面对流换热系数通常需要根据试验方法进行实际测定，通常情况下，空气自然对流表面传热系数处于5～25 W/（m2·K）区间之内，强迫对流表面传热系数处于20～300 W/（m2·K）区间之内。

3.3  热烟气的温度、温升率与烟气速度

感温玻璃球在稳态火灾的动作时间用公式（4）进行计算：

式中：⊿TD——感温玻璃球的公称动作温度与环境温度差

值，℃；

⊿T——传热表面烟气与环境温度差值，℃。

感温玻璃球在非稳态火灾中的动作时间可用迭代法进行计算，其中感温玻璃球在非稳态火灾中不同时刻的温度可用公式（5）进行计算[3]：

式中：TD，t+⊿t——感溫玻璃球在t+⊿t时刻的温度，℃；

Tt+⊿t——与感温玻璃球表面发生传热的烟气层在

t+⊿t时刻的温度，℃；

TD，t——感温玻璃球在t时刻的温度，℃；

TD，t——感温玻璃球表在t时刻的温度，℃；

Tt——与感温玻璃球表面发生传热的烟气层在t时

刻的温度，℃。

当TD，t+⊿t≥TD时，表示感温玻璃球的温度已经达到或超过公称动作温度，此时即为感温玻璃球动作时间。以t2火灾、火灾增长系数α=0.0117kJ/s2（中速火灾）、洒水喷头布置3.6m×3.6m、与燃烧物表面高差3m为例，采用迭代法计算68℃的感温玻璃球在初始温度20℃的动作时间如下：

火焰最不利点时距离喷头水平距离：

r=0.5×（2×3.62）0.5≈2.55m

對于的顶棚射流烟气温度T和顶喷射流速度U分别用公式（6）和公式（7）进行计算[4]：

式中：Q——火灾热释放速率中的对流部分，kW；

T0——环境温度，℃。

通过组合公式（5）、（6）、（7）计算洒水喷头感温玻璃球在中速发展火灾最不利点的实际启动时间约为276s，火灾发展各时间段的烟气温度及玻璃球对应温度如表4所示。

如果洒水喷头刚好设置在火焰正上方的相应位置，相比于顶棚射流区，浮力羽流区的烟气温度及烟气实际蔓延速度两项参数均显著提高，感温玻璃球的实际启动时间也必将有效提前。

4 结语

作为能够实际控制自动喷水灭火系统及时启动的关键构件，洒水喷头感温玻璃球动作时间与玻璃球的形状尺寸、玻璃球与烟气表面换热系数、火灾发展速率、烟气温度、烟气蔓延速度以及起火部位与洒水喷头的实际距离密切相关，通过实际测试，感温玻璃球直径越小、玻璃球与高温烟气表面换热系数越大、火灾增长系数越大、烟气与玻璃球表面相对速度越大、喷头与火焰距离越近，玻璃球喷头对高温热源的感应就越迅速，此时自动喷水灭火系统能够在火灾初起阶段及时启动并对初起火灾实施有效压制，最大限度防止重大火灾事故的出现。

参考文献：

[1]GB 18428—2010.自动灭火系统用玻璃球[S].

[2]GB 5135.1—2019.自动喷水灭火系统 第1部分：洒水喷头[S].

[3]霍然，胡源，李元洲.建筑火灾安全工程导论[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[4]季经纬，程远平.火灾动力学[M].徐州：中国矿业大学出版社，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