（电气工程专业论文）洒水喷头热传导损失的研究.pdf

独创件声明 本人声明所呈交f 学位论文是本人在导! j | 1 j 指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特* j j j j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：) 浆仞关 签字同期：尹年) 月a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的_ 走! j ! 定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：瑶靓荑 导师签名 签字l 二i 期：夕p 口7 年7 月3 h 签字日期 j “d 稻 夥年亨月g 闩 中文提要 中文提要 自动喷水灭火系统的关键部件洒水喷头，是一种在热的作用下，在预定 的温度范围内自彳亍启动，并按设计的洒水形状和流量洒水的喷水装置。反映洒水 喷头动作速度的指标响应时间指数r t i ，是由洒水喷头热敏感元件的时间常 数和气体流速的平方根决定的。 通常人们认为火灾放热速率会决定喷头动作的快慢，然而，通过大量的试验 表明，热敏感元件与喷头支撑件之间的传导热损失也会影响喷头动作的快慢。在 本文中具体描述了喷头热响应中存在的传导热损失，并通过实际火灾试验加以验 证。热传导损失用传导系数c 来表示的，它是r t i 的伴随参数，可以通过在风 洞试验装置上进行反复插入试验来测得。然后通过插入试验，测量出喷头的响应 时间以及喷头处的气体温度和流速，再利用传导系数c 可以计算出r t i 。 本文中具体描述了喷头热响应中存在的传导热损失，并在实际火灾试验结果 的基础上加以验证。通过反复插入试验对传导系数c 的研究表明，喷头安装扭 矩的大小、螺纹啮合深度、安装凰定座的材料、喷头螺纹密封形式等因素的改变 对传导系数c 的影响不大，然而，喷头安装管路中存在流动的水对喷头传导参 数的影响很大。这一研究结果为g b 5 1 3 5 9 3 自动喷水灭火系统洒水喷头的技 术要求和试验方法标准修订中动态热试验方法的确定提供了依据，为此试验而 设计的喷头固定座结构被国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心采纳， 将应用于检测和试验中。 关键词：消防洒水喷头传导系数插入试验 英文提要 a b s t r a c t s p r i n k l e r , t h em e s ti m p o r t a n tc o m p o n e n ti na u t o m a t i cs p r i n k l e rs y s t e r n i sad e v i c e w h i c hw i l l o p e r a t ei nap r e d e t e r m i n e dt e m p e r a t u r er a n g ea n di n t e n dt o d i s t r i b u t e w a t e ri nas p e c i f i e d p a t t e r na n df l o wr a t e t h er e s p o n s et i m ei n d e x ( r t i ) w h i c h i sa p a r a m e t e r o fs p r i n k l e ra c t u a t i o n r e p r e s e n t s t h et h e r m a lt i m ec o n s t a n tf o rt h e h e a t - r e s p o n s i v e e l e m e n to fa na u t o m a t i c s p r i n k l e r a n dt h e s q u a r er o o t o ft h e a s s o c i a t e dg a s v e l o c i t y i ti sn o r m a l l yc o n s i d e r e dt h a tt h es p r i n k l e ra e t u a t i o nm a i n l yd e p e n d e do nt h eh e a t r e l e a s er a t e d u r i n gt h ef i r e h o w e v e r , al o t o ft e s tr e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a t c o n d u c t i v eh e a tl o s sf r o mt h eh e a t - r e s p o n s i v ee l e m e n tt ot h es p r i n k l e rs u p p o r tm a y a l s oi n f i u e n c es p r i n k l e rr e 印o n s e 删sr e p o r td e s c r i b e st h ec o n d u c t i v eh e a tl o s si na n e x i s t i n gt h e r m a lr e s p o n s em o d e l f o rs p r i n k l e r s ，a n dt h eh e a tl o s si sp r o v e di nt h ef i r e t e s t sc o r r e s p o n d i n g l y c o n d u e t i v eh e a tl o s si sr e p r e s e n t e d b y ac o n d u c t i o ng e e 历c i e n t c w h i c hi sa c o m p a n i o np a r a m e t e r t or t ia n dc a nb em e a s u r e df r o m t h e p r o l o n g e d - e x p o s u r e t e s tb yah o t - a i rt u n n e l t h ec o n d u c t i o nc o e m t i e n tct h c ai su s e d w i t ha c t u a t et i m ea n da i rt e m p e r a t u r ea sw e l la sa i rv e l o c i t yt oe a i c u l a t er t i t h e s t u d y o f t h ec o n d u c t i o nc o e f f i c i e n tc ，i n p r o l o n g e d - e x p o s u r et e s t sr e v e a l e d t h a ti t w a so n l ys l i 曲t l yd e p e n d e n to nv a i l a b l e so ft h es p r i n k l e rf i t t i n g ，s u c ha sa b s e n c eo r v a r i a t i o n si nm o u n t i n g t o r q u e ，d e p t ho f t h r e a de n g a g e m e n t ，m a t e r i a l ，a n dt h et y p eo f s e a l a n tf o rt h es p r i n k l e rt h r e a d h o w e v e r , f l o w i n gw a t e rp a s tt h es p r i n k l e rw a t e r w a y i n c r e a s e dt h ec o n d u c t i o np a r a m e t e rs i g n i f i c a n t l y t h er e s u l to ft h i ss t u d yh a sb e e n u s e di nm o d i f i c a t i o no ft h ed y n a m i ch e a t i n g p e r f o r m a n c ea n dt e s tm e t h o d si nc h i n a n a t i o n a ls t a n d a r df o r s p r i n k l e r , g b 5 1 3 5 1 9 9 3p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n d m e t h o do ft e s t sf o ra u t o m a t i cs p r i n k l e r t h e m o u n t i n gp l a t ef o rt h i ss t u d yh a sb e e n a c c e p t e db y t h en a t i o n a lc e n t e rf o r q u a l i t ys u p e r v i s i o na n d t c s to ff i x e d f i r e e x t i n g u i s h i n gs y s t e m sa n df i r e - r e s i s t i n gb u i l d i n gc o m p o n e n t s ，a n dw i l lb eu s e d f o r t e s t i n g k e y w o r d s ：f i r e p r o t e c t i o ns p r i n k l e r c o n d u c t i o nc o e f f i c i e n t p r o l o n g e d - e x p o s u r e t e s t 2 第一章前言 第一章前言 自动喷水灭火系统是固定灭火系统中应用历史最久、范围最广的一种灭火系 统，洒水喷头在系统中担负着探测火灾、启动系统和喷水灭火的任务，是系统中 的关键部件，其性能的优劣将直接影响到灭火和控火的成败。多年的实际应用表 明，在保证喷头可靠性的前提下，只有最大限度地提高喷头的反应速度，才能有 效地控制和扑灭火灾。 现行的洒水喷头产品标准g b 5 1 3 5 9 3 自动喷水灭火系统洒水喷头的技术 要求和试验方法中，表述洒水喷头动作性能的指标，仅有静态动作温度的要求， 如对于常见的公称动作温度为6 8 1 3 的玻璃球洒水喷头，要求动作温度范围为6 5 8 6 ，对于易熔合金洒水喷头，其动作温度范围要求达到x ( 0 0 3 5 x + 0 6 2 ) ，式中：x 为公称动作温度，单位为。其测试方法为喷头置于 液浴中，按一定的升温速率升温，直至喷头动作。这种液浴中测得的动作温度与 喷头实际工作状况差距较大，并没有真实地反映喷头的实际动作情况。而且不同 生产厂生产的、具有相同公称动作温度的洒水喷头，往往因为热敏感元件的质量、 热容、表面积等因素不同，而表现出不同的热敏性能，因此受热时的温升速度不 同，达到动作温度的时间不同。所以，当将公称动作温度相同而热敏感元件不尽 相同的洒水喷头置于相同的热环境中时，其动作时间表现为有快有慢。 为了反映洒水喷头动作速度快慢的特性，美国工厂互助会( f m r c ) 在1 0 年 前提出了晌应时间指数r t i ( r e s p o n s et i m ei n d e x ) 和传导系数c ( c o n d u c t i v i t y f a c t o r ) 的概念。r t i 的定义为喷头动作灵敏度的度量，表示洒水喷头热敏感元 件的时间常数与气体流速的平方根，即r t i = tu “5 ，t 为热敏感元件的时间常数， 单位为s ：u 为气体流速，单位为m s 。响应时间指数的符号为r t i ，单位为( m s ) “5 。传导系数c 是喷头的热敏感元件与其固定件之间热传导能力的度量，其符号 为c ，单位为( m s ) 0 5 0 洒水喷头的这种动态热响应特性目前己被广泛地用来评 价喷头的响应速度，成为洒水喷头的一个重要性能指标。 目前，我国现行的国家标准g b 5 1 3 5 - - 1 9 9 3 自动喷水灭火系统洒水喷头 的技术要求和试验方法中对洒水喷头的动态响应特性还没有考虑，在修订版中 第一章前言 将对此加以规定，将洒水喷头的动态热性能即响应时间指数r t i 和传导系数c 列为评价洒水喷头的关键指标，并针对这一要求，必须制定出相应的试验方法。 公安部天津消防科学研究所根据公安部科研计划安排，成立的洒水喷头火灾热特 性课题组，目的在于建立火灾试验室，研制风洞试验装置，对洒水喷头在不同火 灾条件下以及不同动态热试验条件下的特性进行系统的研究，重点之一是研究喷 头热响应中热敏感元件与固定件之间存在的热传导损失，为洒水喷头产品国家标 准的修订提供第一手资料。因此研究传导热损失对的洒水喷头热响应的影响是非 常必要的，它具有明显的社会效益和经济效益。 4 第二章插入试验 第二章插入试验 满足静态动作温度条件是每种喷头必须达到的基本条件，反映了喷头的共 性。动态热试验的概念解决了喷头在满足静态动作温度试验的条件下，测试其反 应速度快慢的定量问题。动态热的概念包括喷头动作灵敏度的度量值r t i 和传导 系数c 。传导系数c 反映了喷头的热传导损失，是r t i 的伴随参数。为了研究洒 水喷头响应中的热传导损失，并给出在试验室描述这种损失的方法，有必要了解 推导r t i 原理的最初响应模式和为测量r t i 而设计的插入试验。 一、最初响应模式 洒水喷头最韧响应模式成立的条件为假设：1 ) 喷头的启动仅仅是由作用在 热敏感元件上的热气流加热引起的；2 ) 所有传输给热敏感元件的热都储存在热 敏感元件中，支撑元件上不存在热传导损失；3 ) 热敏感元件等温加热；4 ) 热敏 感元件启动不需要补充热源。热敏感元件上的热平衡公式为 m c ( d t d d t ) = - e t a ( t g - t c ) ( 1 ) 式中，m 熟敏感元件质量； c 热敏感元件的比热； d 对流放热系数； a 热敏感元件表面面积； l 熟敏感元件温度； t 。气体温度； t 时间。 将温度表示为对于初始环境温度t 0 的相对温度，重新整理( 1 ) 式变为 d ( t 。) d t = t “( t g - r ) ( 2 ) 式中，t c _ t c t o ， t g _ t g - t o ， t2 m e a a 。 等式( 2 ) 是热敏感元件的温度- 反应等式，一旦给定a t g ( t ) 和t ( t ) 以 及初始条件( t 。 t = o - - 0 ) ，等式( 2 ) 就有解。 5 第二章插入试验 t 为时间常数。对于一个给定的热敏感元件，时间常数仅取决于对流放热系 数d 。在步t , j n 的对流气流中，对于一个特定几何形状的热敏感元件，努塞尔特数 n u 只与雷诺数r e 有关： n u = f ( r e )( 3 ) 式中，n u = 0 zl x ，努塞尔特数： a 对流放热系数； l 热敏感元件的线性尺寸； x 温度附面层的气体( 空气) 导热系数； r e = ul v ，雷诺数； u 气体速度； v 温度附面层的气体( 空气) 动粘度系数； 对类似于热敏感元件的非线性物体( 圆柱体，球状体) 进行热传导和冷却试 验，得到的数据表明，在火灾环境中雷诺数( r e ) 与努塞尔特数( n u ) 的关系可 表示为 n u = b ( r e ) “2( 4 ) 式中，b 是热敏感元件几何特性常数。由( 3 ) 、( 4 ) 式得出 铲b ( v v “2 ) u l 气1 。( 5 ) 入和v 都是空气温度附面层的参数，一般与温度有关。可是对大量空气试验 数据进行的列表分析表明，v v “2 几乎与温度无关。 对于一个给定的热敏感元件，b 和l 为常数，由( 5 ) 式得出 x 。c u ”( 6 ) 由此可见，一个给定的热敏感元件，其时间常数( z = m c 融) 与u “2 的乘 积为常数，即 tu “2 = 常数 ( 7 ) tu ”2 是热敏感元件热惯性的测量，原则上与气体速度和温度无关，被定义 为响应时间指数r t i ，即 r t i = tu “2 ( 8 ) 将上式代入( 2 ) ，得出 d ( a l ) d t = ( u “2 r t i ) ( a t 8 - a t c )( 9 ) 6 第二章插入试验 因此，给出时间的函数r t i 以及l 和u ，就可以计算出t e ( t ) 。当忙 t 。时，喷头就会启动，t 。是高于周围温度的热敏感元件的启动温度，此时 喷头的启动时间为t ，公式( 9 ) 可改写为下式 r t i ：二型!(10) k ( 1 一a 乏乏) 其中，u 为气体在试验段的流速；t 。为液浴动作温度与环境温度之差；t 。 为气体温度与环境温度之差。 响应理论的不同假设在一些研究中得到了检验，并得出下列结论：1 ) 对于热 敏感元件来说，在大多数条件下，相对于自由传导效果和辐射效果，受迫传导占 主要地位：2 ) 如同假设的一样，热敏感元件很有可能是以等温的方式被加热，在 这种意义上，热敏感元件内部的温差总的来说远比热敏感元件从环境温度吸收的 平均温升要小；3 ) 假设在易熔元件在动作前，其有效焊接部分被熔化，那么， 对于过渡大量堆焊的易熔元件，微小的启动热量也会带来变化。 二、插入试验 为了测量喷头的r t i 值，i s 0 6 1 8 2 1 标准中插入试验方法要求将喷头快速 浸入热气流中，在插入试验风洞装置的试验段，热气流在水平方向是均匀一致， 喷头试样固定在带盖板的固定基座上，将盖板连同基座快速放置在风洞试验段上 部，给喷头旌加3 5 k p a 的气压。试验时，气体流速的范围为1 5 m s 3 5 m s 时， 为了防止喷头与风洞壁之间的热辐射损失影响r t i 值的测量，根据喷头的动作温 度等级，气体的温度必须超过某一界限，这些温度的下限在表2 1 中列出。 根据上述试验程序我们设计了一个插入试验风洞装置，如图2 1 所示。空 气由电加热管加热后被导入混合管，然后流经节流孔板。节流孔板具有两个功能， 一个是用来测量流速( 通过测量孔板前后的差压) ，另一个是与混合管相互作用， 在孔板下游区域产生均匀一致的温度和流速。将圆形的混合管连接到一个截面为 长方形的导管，这部分我们称之为试验段，其尺寸为3 0 0 m m x1 5 0 m m ，在试验 段入口处，安装有湍流消减网，回流通过两个直角弯头被导入风机的入口。为了 减少热损失，整个试验装置除试验段外均傲了保温处理。试验段未做保温是为了 防止管壁产生过高的温度，避免在试验中对喷头造成过多的热辐射。风速调节采 用改变鼓风电机转速的方式进行无级调节，出口处的推拉挡板进行辅助调节。控 第二章插入试验 表2 1 喷头温度等级和插入试验的最低温度 喷头温度等级额定温度范围，最小空气温度， 普通5 7 7 7 1 1 8 中等7 9 1 0 7 1 8 2 高1 2 1 1 4 92 7 7 超高1 6 3 1 9 13 7 7 温热电偶位于试验段上游处两个湍流消减网之问，用于调节电加热管的功率，以 使试验温度保持在设定值。风洞试验段的风速最高能达到3 5 m s ，温度最高能达 到4 0 0 。c ，这样就有可能对超高温度的喷头( 见表2 1 ) 进行试验。被试喷头安 置在可活动盖板上，用活动铰链将盖板试验段连接。活动铰链安装于试验段气流 上游侧。进行插入试验时，将盖板连同试样移至试验段上方，迅速关闭盖板。关 闭盏板的同时启动计时器，当喷头动作，压力释放时，压力开关动作，停止计时。 利用风洞装置对二种类型的喷头试样进行了试验，包括玻璃球喷头a 和易 熔合金喷头b 。试验风洞中气体温度在1 2 8 3 0 l 范围内，气体流速为1 o m s 、 2 5 6 m s 、3 4 8m s ，结果表明在超过表2 1 所列的最低插入试验条件下，同一 类型喷头r t i 值的一致性相当好( 见表2 2 ) ，然而在最低流速时r t i 值有偏高 的倾向，低的气体流速有可能导致对流效应。随后在风速为2 5 6 m s 条件下，按 通常选择的插入试验温度( 见表2 3 ) ，对7 只喷头( 包括易熔合金喷头和玻璃 球喷头) 进行了试验，其中2 号喷头和7 号喷头除固定座材料不同外，其它材料、 结构均相同，试验结果见表2 4 。一般的来说，对于莱一个类型的喷头，r t t 的平均值基本不随喷头温度等级的变化而变化，但是r t i 值与喷头热敏感元件的 材料、几何形状、固定座等因素有密切关系。 笙三里塑全蔓墼 表2 2 不同试验温度和流速时的r t i 值 喷头类型环境温度，气体温度，气体流速，m s r t i ，( i n s ) “2 2 01 2 81 o4 0 2 01 2 82 5 63 6 2 01 2 83 4 83 5 2 31 9 91 o3 8 a2 31 9 72 5 63 5 2 31 9 73 4 83 5 2 23 0 l1 o4 0 2 22 9 02 5 63 6 2 22 8 93 4 83 6 2 11 2 81 03 2 8 2 11 2 82 5 62 5 5 2 l1 2 83 4 82 6 0 2 01 9 91 03 0 4 b 2 01 9 72 5 62 4 8 2 01 9 73 4 82 5 0 1 83 0 11 03 2 2 1 92 9 02 5 62 5 5 2 02 8 93 4 82 5 9 9 第二章插入试验 表2 3通常选择的插入试验温度( 标准气体流速为2 5 6 r i g s ) 喷头温度等级空气温度， 普通到中等 1 9 1 高2 8 2 超高 3 8 2 表2 4风速为2 5 6 m s 时的r t i 值 编号喷头类型感温元件类型公称动作温度，r t i ，( m s ) ” 1下垂型 3 m m 玻璃球6 83 5 2下垂型 5 m m 玻璃球6 81 3 5 3下垂型 易熔合金7 41 8 3 4下垂型 易熔合金 7 41 8 3 5边墙型 8 m m 玻璃球 6 82 4 6 6边墙型 5 r m 玻璃球6 81 3 6 7下垂型 5 m m 玻璃球 6 81 2 9 i o 第二章插入试验 图2 1 插入试验风洞装置示意图 第三章热传导损失的体现 第三章热传导损失的体现 洒水喷头最初响应模式是在一定条件下成立的，前面的插入试验表明，r t i 值随着空气流速的减小而增加，并且改变热敏感元件与固定座之间的热绝缘，对 喷头的响应时间会有所影响，可见，喷头的热敏感元件与喷头固定座之间存在着 热传导损失。为了将喷头响应热传导损失效果体现在最初响应模式中，假设热传 导损失率与喷头热敏感元件和喷头固定件之间的温差成正比，而且喷头固定座温 度与环境温度基本一致，因此热传导损失率与热敏感元件的温升成j 下比，当考虑 热传导损失时，那么公式( 1 ) 变为 m e ( d t j d t ) - - a a ( t s - t c ) 一c7 ( t 。- t o ) ( 1 1 ) c7 是传导率，对于给定喷头是一常数；公式( 2 ) 可等效为 掣一1 ( t , - a t 0 - 笔t e ( 1 2 ) 利用公式( 8 ) 重新整理为 了a ( a l ) = 而4 i 2 划+ 警) t e ( 1 3 ) c 和r t i 对于个喷头来说是不变的，c r t i ( m c ) 定义为 c = c r t i ( m c )( 1 4 ) c 即为热传导损失参数，是喷头的特性参数，通常称之为传导系数。把c 代入 ( 1 3 ) 式可变为 了d ( a l ) = 篙 t 8 ( 1 + c ，u 1 勺l ( 1 5 ) 因此，我们现在得到了个含有r t i 和c 两个参数的公式而不是只有r t i 一 个参数的公式。 在风洞插入试验中，当气体流速u 是常数时或者随时间变化不是很快时( 在 实际发生的火灾中通常是这样的) ，公式( 1 5 ) 可以转化为 ( 1 + c u 彪) _ a ( a r o ) ：d 垡睡! ! 竺! ! ：坠墨】)( 1 6 ) d t d t 1 2 第三章热传导损失的体现 公式( 1 5 ) 可以被写成 d ( t 。，) d t = ( u 1 2 r t i ，) t g a t 。， ( 1 7 ) 这里 t 。= ( 1 + c u 1 总) t e ( 1 8 ) r t i v = r t i ( 1 + c u 1 陀、 ( 1 9 ) 应注意到公式( 1 7 ) 在形式上与关于响应关系的公式( 9 ) 完全一致。在公 式( 9 ) 中t 。被t 龃所替代，r t i 被r t i v 所替代，t e v 是热敏感元件的实际 温升，r t i v 为实际的r t i 值。 对于一个特定的插入试验( 或者由于火产生的温度和气流环境中) 公式( 1 7 ) 的解能通过( 1 0 ) 得到，在解的过程中，用r t i v 代替r t i ，用t 。代替t 。， 结果为 品c u 。矿顽钿c ， 1 + “2 l i l ( 1 一乇【1 + “2 ) t j 、 一般的来说，对于加热过程的任何时刻t 。t e 为 t c - 篙 1 - e x p - ( 1 + c u m ) r t i ) ( 2 1 ) 为了便于解释，假设一个r t i = 2 0 0 ( m s ) m 的喷头处于气体流速为l m s ， 气体温度高于环境温度1 1 0 的环境中，热响应取决于传导参数c ，图3 1 显示 出t o 为时间的函数，图中，t e 为c = 0 ( 没有热传导损失) 和c = i ( m s ) m ( 实际值) 时，通过公式( 2 1 ) 计算出来的。c = 0 时，热敏感元件在1 2 0 s 时达 到了启动温度，此时的温升为5 0 ；c = i ( m s ) m 时，喷头动作启动的相当慢， 在2 4 0 s 时才动作。事实上从公式( 2 1 ) 中可以证明，如果喷头的传导参数超过 1 2 ( m s ) i 2 ，喷头将不会动作。多次试验表明，如果气体流速低于0 6 9 m s ，喷 头也不会动作。如果气体流速为2 m s 而不是l m s ，对于c = 0 和c = i ( m s ) m 时 的响应时间，分别为5 8 s 和6 9 s ，很明显，与给定c 值有关的热传导损失随气体 温度和气体流速变化很大。 在图3 1 的例子中，假设在整个试验中，喷头的固定座温度与环境温度一 致，公式( 1 7 ) 的推导中也使用了这个假设。在真实的火灾条件下，固定座被 加热，有可能是通过热气流直接加热或通过喷头的传导间接加热。如果喷头的 第三章热传导损失的体现 一 p v 求 靼 时间( s ) 图3 1 r t i = 2 0 0 ( m s ) 1 控时，不同传导系数条件下，喷 头在恒温( a t g = 1 1 0 6 c ) 恒速( 1 m s ) 环境的温升。 1 4 第三章热传导损失的体现 基座和热敏感元件温升是已知的，那么公式( 1 1 ) 中传导参数就变为 - - c7 ( t e t f ) = 一c a t e + c 7 a ：r e a t f = t f - t o ，为喷头热敏感元件固定座的温升。 中方括号内又增加了一个附加的参数 ( 2 2 ) 由于存在c 7 a t f 在( 1 5 ) 掣= 而u i 2 【( t g + ( c 胪) t f ) 邓+ c u ) t e 】( 2 3 ) 相应的，公式( 1 7 ) 可改写为 d ( al ) d 仁( u 1 j 2 r t i 。) a t g + ( c u 1 控) t f 】一t e ，j( 2 4 ) 从上述公式的表述中可以明显地看出，在气体瞬时温升t g 中。加入了热 敏感元件支撑件瞬时温升参数( c u m ) at f 。 第四章试验比对 第四章试验比对 为了研究并验证上述涉及热敏感元件的热传导损失的响应模式，进行了两项 试验：1 在试验室内使用胍洞试验装置确定r t i 值和c 值；2 通过火灾试验测定 实际响应时间，并与在实验室测得的r t i 和c 值进行比较。 4 1r t i 和c 值的确定 试验在风洞试验装置上进行，采用的试样为普通温度等级的下垂型喷头，试 验中气体温度为1 9 1 ，气体流速为2 5 6 m s ( 如表2 3 所示) ，在上述条件下， 确定喷头的r t i 值。 试验装置如第二章所述，为了避免在插入试验中喷头固定座的温升过高，在 本试验中使用了一个比普通固定座更大的固定座。将这个由黄铜制作的新型固定 座( 如图4 1 所示) 安装在试验盖板上，被试喷头拧在a 处，通过b 处管线在 喷头入口处加气压4 1 k p a ，在c 处设有一个直径为2 m m 、深2 2 m m 的热电偶插 入孔，在固定座的d 处设有一个冷却水的连接接口，固定座与盖板之间隔热。 试验步骤如前所述，试验时将盖板连同试样移至试验段上方，迅速关闭盖板。 当盖板闭合时，喷头被插入气流中，同时启动计时器。当喷头动作时，压力泄放， 计时器停止计时。 从等式( 2 0 ) 中可以看出，因为喷头热敏感元件与固定座之间存在着热传导 损失，只进行插入试验不足以确定r t i ，应首先通过反复插入试验法来确定传导 系数c 。在反复插入试验中，为了使喷头固定座保持在环境温度，循环冷却水从 图4 1 中所示的d 处进入，流过固定座，从b 处流出，喷头水路的入口处插入 一橡胶塞，使水与喷头球座并不接触，固定座的温度通过热电偶测量。从热响应 公式( 2 1 ) 知道，方括号前的系数，即t s ( 1 + c u m ) 体现了在反复插入试验 中，热敏感元件相对于固定座温度的稳态温升。当从较低气体流速条件下的插入 试验转换到较高气体流速条件下的插入试验时，热敏感元件的稳态温升也随之增 加。在反复插入试验中，达到足够高的气体流速1 l c 且下式成立时，热敏感元件 刚好动作，即 t 窖，( 1 + c u c “2 ) = t 。( 2 5 ) 1 6 第四章试验比对 试验段盖板螺拴固定孔 广_ 7 ：2 一 l d _ j a 图4 1 固定座示意图 1 7 。一。 第四章试验比对 由上式可求出c 值。 为了确定u 。，在插入试验风洞装置上选择了一系列标准试验流速进行试验， 以使试样在两个连续的气体流速之间启动。即必须选择两个流速，在低速( u l ) 时，试样在1 5 m i n 试验期间内( 足够建立起热敏感元件的稳态温度) 不能启动， 而在下一个较高的速度( u 。) 时，在1 5 m i n 内试样必须启动。连续试验流速的选 择应满足： ( u 。u ) “5 1 1( 2 6 ) 传导系数为利用公式( 2 5 ) 在两个速度下计算出的数值的平均值。 在温度为1 9 1 、气体流速为2 5 6 m s 的条件下，对1 6 只普通温度等级的喷 头进行了试验，得到的r t i 值和c 值在表4 1 中列出。为了便于参考，利用公 式( 1 0 ) 计算出的“表征r t i 值”也在表中一并列出。在表4 1 的第二列中， b 、l 、n 、m 型号的喷头为玻璃球型喷头，其他均为易熔合金型喷头。第四列 的数值表示喷头轴线与气流方向所夹的角m ，大多数r t i 的测量是在标准方位条 件下进行的，即= 9 0 。，这种状态如同喷头安装在吊顶处偏离火源时的情况一 样。n 型喷头和两只e s f r 喷头，试验时其轴线与气流方向一致，且溅水盘朝向 气流方向，即m = o ，这种状态与火源正对着安装在吊顶上的下垂型喷头受火时一 样。第五列表示了气流与喷头框架所在平面的夹角0 ，大多数r t i 的测量是在喷 头框架所在平面与气流垂直即o = 9 0 。的条件下进行的( 当喷头的动作机构与框 架所在平面为非对称时，0 = 9 0 。选取动作机构处于喷头框架所在平面下游产生 较长的动作时间的方位) 。此外，对a 、l 型喷头在几种不同0 角的方位下进行了 试验，喷头n 在两种0 角的方位下进行了试验。在这些试验中，我们观察到r t i 值随着9 接近0 ( 即热敏感元件逐步趋近于喷头框架所产生的涡流时) 而增加。 有7 只喷头试样为快速响应喷头，它们是d 、f 、g 、k 、n 、e s f ra 和e s f rb ， 结果显示这些喷头的r t i 值比其它喷头的r t i 值低。 表4 一l 最后一列列出了在由= 9 0 。，0 = 9 0 。时测得的传导系数c 的数值。 其他方位的数值是通过0 = 9 0 。时的测量值以及对于一个特定的喷头来说，c 与 r t i 成正比 公式( 1 4 ) ( 因为传导率c 与方位无关) 这两个条件计算得出的。 测量传导系数c 的试验中，喷头n 、e s f ra 和e s f rb 馒用了第五章所述的固定 座，安装扭矩为1 8 n m ，喷头入口充水，每此试验时使用了新的喷头。其它喷 头进行传导系数c 的试验中，使用了图4 1 中描述的循环水冷固定座。 l s 第四章试验比对 表4 1 不同类型喷头的r t i 值和传导系数c 喷头液浴 表征r t i ( mi s ) r t ic 喷头类型动作元件动作温度由( 。)o ( 6 ) ( m s ) “( m s ) a 易熔合金 7 39 09 01 3 71 2 30 8 2 a易熔合金7 39 04 51 4 61 3 1 ( 0 8 7 ) a 易熔合金 7 39 02 21 21 6 41 4 5 ( 0 9 6 ) a 易熔合金 7 39 01 11 21 8 81 6 3 ( 1 0 8 ) a 易焙合金 7 39 0o 2 2 81 9 2( 1 2 7 ) b玻璃球7 39 09 01 9 31 7 20 8 8 c易熔合金7 39 09 01 5 41 3 50 9 9 d 易熔合金 7 39 09 02 7 o2 5 30 5 3 e易熔合金7 39 09 01 2 51 1 30 8 3 f 易熔合金 7 39 09 02 9 62 7 50 5 8 g易熔合金7 39 09 03 4 43 1 100 9 l h 易熔合金 7 39 09 01 3 21 1 31 1 7 i 易熔合金 7 39 09 02 0 51 8 30 8 0 j易熔合金 7 39 09 02 4 52 0 31 5 2 k 易熔合金 7 39 09 02 6 52 5 30 5 2 l 玻璃球 7 09 09 02 2 21 9 9o 9 0 l 玻璃球 7 09 04 52 3 l2 0 6 ( o 9 3 ) l 玻璃球 7 09 02 21 22 6 82 3 5 ( 1 0 6 ) l 玻璃球 7 09 003 6 33 0 5 ( 1 3 8 ) m 玻璃球 7 29 09 01 4 41 3 00 6 0 n玻璃球6 89 09 04 0 63 7 。5o 7 7 n 玻璃球 6 89 009 3 57 8 o ( 1 6 0 ) n 玻璃球 6 808 5 87 2 8 ( 1 4 9 ) e s f ra 易熔合金 7 39 09 03 4 03 1 90 5 3 e s f ra 易熔合金 7 3o3 8 o3 5 3 ( 0 5 9 ) e s f rb易熔合金7 39 09 02 7 32 5 20 6 4 e s f rb 易熔合金 7 3o5 1 44 4 3 ( 1 1 3 ) 1 9 第四章试验比对 图4 2 显示了一些喷头的传导系数值随固定座温度而变化的关系。试验过 程中，利用循环水的方法使固定座的温度保持恒定。结果表明，在理想状态下， 传导系数与固定座温度无关。但事实上，c 值通常随着固定座温度的上升而有轻 微的变化。 用j 喷头，在三种不同气体温度条件下进行试验，观察两种不同的喷头固定 座的温升。图4 3 所示的是使用“普通固定座”和“大固定座”( 如图4 1 所示) 进行试验得到的结果。在每一种气体温度条件下，使用以下几种气体流速 进行试验，0 6 1 m s ( 产生最大的响应时间) 、1 0 8 m s 、1 5 4 m s 、2 5 6 m s 和 3 4 8 m s 。试验显示固定座最终的温升与响应时间密切相关，而与气体温度关系 不大。使用公式( 2 0 ) ，利用表4 一l 中r t i 和c 值，从图4 3 中选取喷头固定 座的温度，可计算出喷头j 在不同的温度和流速条件下的所有插入试验的响应时 间。在图4 4 中，对使用大圃定座进行试验测量的响应时间结果和其计算结果 进行了对比。在图4 - - 5 中，对使用普通固定座进行试验测量的响应时间结果和 其计算结果进行了对比。使用相同的方法对喷头h 进行了研究，在使用大固定 座条件下的试验结果示于图4 6 。 尽管在图4 4 、图4 5 、图4 6 中，响应时间最高达到1 0 0 0 s ，固定座的 温升最高达到2 1 ，但响应时间的测量值和计算值相当的一致。 2 0 第四章试验比对 1 2 1 0 0 8 三 善 。 ： 轻 嚣 。 坦 0 2 o 51 0 1 5 2 0 固定座温度( ) 图4 2 喷头固定座温度对传导系数的影响( o = 9 0 。) 2 1 第四章试验比对 2 5 2 0 15 ，、 u 、， 索 赠 趔1o 州 凰 5 0 02 0 0 4 0 06 0 0 8 0 010 0 0 响应时i a j 【s ) 图4 - - 3 插入试验中喷头j 用两种不同固定座试验时的响应时间和温升 o ：t g = 1 2 7 。c a ：t g ：1 9 1 口：t g = 2 8 2 第四章试验比对 = 一 垦 譬 翻 荽 $ 咖| 1 嚣 - ，壬 一 y ： 为 + 。， + o ， ， 7 。 。 y 厶矿 ：- - 0 t o 广 ：u ： 1 ， 蓼 巨 l u d ， ， ， 计算的响应时间( s ) 图4 4 插入试验中喷头j 使用大固定座时测量的响应时间与其计算值的比较 o ：t g = 1 2 7 ：t g = 1 9 1 口：t g = 2 8 2 c 第四章试验比对 一 耳 鲁 倒 善 s 吲咖 一 释 计算的响应时问( s ) 图4 5 插入试验中喷头j 使用普通固定座时测量的响应时间与其计算值的比较 o ：t g - - - - 1 2 7 c a ：t g = 1 9 1 口：t g = 2 8 2 。c 第四章试验比对 一 帅 亘 石 倒 f e 盆 删i 吾 ；，；：乒 ： f ： 7 ! z 7 。 “ ， t- t o， 为 j z - 一讼： m i 口 i ，： i 厶 z 一 l嚣 口乒 计算的响应吲叫( s ) 图4 6 插入试验中喷头h 使用大固定座时测量的响应时间与其计算值的比较 0 ：t g = 1 2 7 c ：t g = 1 9 1 口：t g = 2 8 2 第四章试验比对 4 2 火灾试验 火灾试验在一个如图4 7 所示的试验室中进行，试验室的长、宽、高为7 3 2 m x 3 6 6 m x 2 4 4 m ，由厚度为1 5 m m 的耐火石膏板搭建而成，整个房间只有一个 开口，即在房间的一端开有一个宽1 1 8 m 高2 0 6 m 的门。在房间另一端设置一火 源，吊顶上安装的喷头以及相应的测试仪器距火源分别为1 6 3 m 和4 5 5 m ( 喷头 的喷洒效果较弱，不足以扑灭火源或冷却炽热空气) 。每一个吊顶测试装置包括 喷头以及相应的测试仪表，喷头拧入d n l 5 的短管中，距吊顶0 0 3 8 m ，短管的 上端自吊顶以上通过1 6 m 长d n 2 5 的水平管线连接到水槽的中央，高于管线 0 1 3 m 处的地方有两个开孔直通大气。被试喷头被安装好后，在管线中充满水， 使用热电偶测量两只喷头水路中的水温。为了测量启动时间，在管路中安装了水 流指示器，喷头动作后，水流指示器触点闭合，记录喷头启动的时间。在吊顶处 两只喷头的中间设置两个热电偶来测量气体的温度。同时还安装有1 只差压取样 管( 用由5 的紫铜管联接到微差压传感器) ，用以测量风速。所有测量仪表位于 吊顶下o 0 7 6 m 的平面上，非常接近于热敏感元件的位置。 对e s f r 喷头进行试验时，由于其口径较大，其它试验条件同前的前提下， 对管路稍做调整。e s f r 喷头连接到1 s i n 长d n 5 0 的水平管线上，水平管线通 过立管连通到大气。管线中如前所述充满了水，用热电偶测量喷头水路中的水温， 喷头在两个高度下进行试验，即溅水盘距吊顶分别为o 1 5 9 m 和0 3 3 0 m ，将热电 偶安装在溅水盘下方0 0 1 0 m 处。e s f r 喷头( 表4 1