热通量测量管和确定喷洒器供水量的方法 技术领域
本发明涉及一种确定喷洒器供水量以便控制火灾的方法。本发明也涉及一种测量热通量的装置，尤其与消防、材料燃烧测试和确定喷洒器供水量相关。
背景技术
由一给定材料贮存表示的火灾经常通过抑制或控制该材料燃烧所需的喷洒器供水流速得到表征。用于表征火灾的当前技术是进行反复测试，其中：点燃材料；容许燃烧增大直到它被喷洒器检测到；然后喷洒器启动向火灾处供水。供水密度，即每单位地板面积的喷洒器供水量，系统地增加直到达到控制燃烧的供水量。必须用相同材料进行许多次标准测试，来确定控制燃烧材料燃烧所需的喷洒器供水量。这些重复测试消耗了大量人力和材料，因此非常昂贵和耗时。
根据燃烧的化学放热率和发出的热通量，评估火灾和灾害的严重性。热通量定义为每单位表面积的能量传送量。一般，热通量用单位：千瓦/平方米或英国热量单位(BTU)/平方英尺/分钟来表示。在包括许多材料燃烧测试的许多科学领域中，热通量的测量很重要。由燃烧材料发出的热通量可以起到点火或助燃附近材料的作用。在一个公知测试装置中，煤气灶位于两个平行面板的底部并位于其之间，在该面板上放置测试材料，例如阻燃材料如聚氨酯绝缘材料。该平行面板试验中的测得的热通量在测试材料对燃烧器火焰地反应方面提供了有价值的信息。
目前测量热通量的有效仪器设备需要复杂、耗时的安装后才能使用，并且在非常严重的火灾环境中，它还不足以承受反复使用。传统的测试仪器通常包含水冷热通量计，其需要单独安装，例如直接安装在承载测试材料的面板上。使用期间，这些仪表暴露于火焰中。在测试之前和之后，各个热通量计必须进行的校准很耗时，因为它们的传感元件容易受到火焰冲击、煤烟和其它不完全燃烧产物的沉积而被破坏或冲击。测试后进行校准时热通量计校准常数因为冲击已经发生漂移，由此产生测量的不确定性。此外，热通量计是单独水冷和安装，以便通过材料和支承结构中钻的孔观察火焰。这增加了测试程序的时间和费用，并且严格限制可安装的热通量测量站数量。在某些燃烧测试结构中，例如商品分类，由于在高度灾害场所难以保护水冷却管路和电气线路，安装热通量计是不实际的。
发明概述
本发明的目的是提供一种便宜的、容易安装的用于测量热通量分布的装置。
本发明的另一目的是提供一种测量热通量分布的简单方法。
本发明的又一目的是提供一种耐用的测量煤气灶或燃烧测试装置的热通量分布的装置。
本发明的再一目的是提供一种根据测试燃烧中的热通量测量结果估计火灾危险程度的方法。
本发明的另一目的是提供一种根据空间分布的热通量测量值估算燃烧燃料总传热量的方法。总传热量定义为热通量和接收该热通量的面积的乘积。一般，总传热量的单位为千瓦或BTU(英国热量单位)/分钟。
本发明的再一目的是提供一种计算向材料传热的面积的方法。
本发明的又一目的是提供一种根据测得的燃烧燃料总传热量，确定控制燃烧的喷洒器所需的水流量的方法。
本发明的再一目的是包含一单个试验，其能够确定控制已知材料燃烧所必需的喷洒器所需的水流量。
通过本发明的方法可以确定控制燃烧所需的喷洒器水流量，该方法包括：测量燃烧测试中的空间热通量分布；计算材料表面接收的有效热通量；及计算出利用汽化供水所需的能量吸收该热通量所需的喷洒器供水量。
通过减少或消除多种和增加测试的需要，本发明的方法解决了常规方法中存在的问题。已经发现，就在喷洒器检测到燃烧的瞬间之前，控制物品所需的喷洒器供水量与燃料总传热成正比(即火焰热通量和火焰面积的乘积)，所述燃烧导致喷洒器阀门打开并向燃烧处供水。根据水蒸发热量，容易计算出比例常数，也就是，每单位施加的热通量条件下，水转换成蒸汽的量。
通过本发明，可以从单个测试中确定控制材料燃烧所需的喷洒器水量。本发明的方法能够根据热通量测量值估计材料火灾危险程度。控制一批燃烧物品如仓库中的物品所需的喷洒器水流量与商品表面的热通量成正比。在自由燃烧火焰中传递给本发明热通量测量管的热通量与抑制火灾所需的水流量密切相关。
代替为了测量燃烧测试中各高度处的热通量而单独安装的固定在测试面板的热通量计，本发明的热通量测量管或设备是一种整体设备，其能够同时测量沿其长度的热通量。本发明的热通量测量管非常稳定和结实，没有移动部件，并且容易定位在测试装置中。该热通量测量管不需要连接到承载测试材料的面板上。相反，它只能定位在面板附近或之间，例如支承在轮式支架上。
该热通量测量管是水冷管，其利用沿水流通道如管道内的螺旋型水通道距离上的水温变化。外管紧紧装配在内芯上，在内芯中螺旋型水通道机加工成型。在水通道中测量水通道中水温的热电偶相间隔地固定在芯上，相邻的热电偶限定它们之间的水通道部分。在稳态下，可以根据流入或流出该部分的水质量流量与该部分入口和出口间水温差的乘积，确定每个水通道部分的净传热比。因此，只需要测量沿通道不同位置处的全部水质量流量和水温，来确定管道传热的空间分布。热电偶测量水通道每部分入口和出口处的水温。通过强制水在外管和芯间环体中的急转螺旋中流动，确保任何空间非均匀性得到平衡，提高传热和产生水温，该水温表示到每个管道部分的平均传热。根据测量的水温和管道几何结构，使用已知计算公式可很容易确定热通量等级。
本发明的热通量测量管可以从标准测试火焰中测量热通量分布，估计典型仓库物品的火灾严重程度，并确定控制火灾所需的喷洒器供水量。
因此，在包含测试材料的火灾中使用热通量测量管测量热通量空间分布，据此可以确定喷洒器供水量，水将吸收热通量以转换成蒸汽。当燃烧中的热通量被吸收时，火灾将停止漫延并熄灭。这种估计火灾的方法根据单个测试的热通量测量值而不是如现有技术必须考虑多种测试，来确定必需的喷洒器供水量。
附图的简要说明
使用附图更详细地阐明本发明的一个实施例，这里，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是根据本发明的热通量测量管示意透视图，其位于燃烧试验装置的位置。
图2是图1热通量测量管的横截面，其中删除了一部分。
图3是图1热通量测量管中温度传感器布置情况的示意图。
图4是燃烧试验装置的示意图，其使用根据本发明的热通量测量管。
图5是图4燃烧试验设备中燃烧热通量的垂直和水平分布的图形表示。
图6是表示如何从图5中所示的测量的垂直和水平热通量分布中确定有效热通量和长度的草图。
优选实施例的详细描述
从图1中能够看到，根据本发明的热通量测量设备或热通量测量管通常用附图标记1表示，它被设计安装在测试装置4中，用于测试材料的火焰特性。热通量测量设备1运行在测试装置4的垂向长度上，测试装置4包括煤气灶2和待测试材料的测试样板6。冷水流经水流量测量设备3和连接到该设备顶部的进水管8，进入热通量测量设备1，并且热水流出连接到该设备底部的出水管10。水流量和水流经设备1而产生的水温分段增长的乘积，表示从煤气灶2的火焰5和待测试材料样板6到设备1的传热分布。从这个传热分布中可以得到关于样板6的燃烧性特征的信息。
从图2中能够看到，热通量测量设备1具有芯12，其通常可以是圆柱形并且用铝制造。芯12用车床加工形成螺旋槽，其确定了直径缩小部分20和延长了芯长度。机加工在芯12上留下螺旋肋条16，其紧密配合地啮合外管18的内侧，外管18限定了热通量测量设备1的外部。外管18可以用钢制造。直径缩小部分20限定了螺旋水通道14的径向内表面。进水管8(图1)连接到通道14的顶部，出水管10(图1)连接到通道14的底部。典型地，芯外径约为0.74英寸；肋条的旋绕间距约为0.5英寸；肋条16约为0.125英寸宽；外管18内表面和芯12直径缩小部分20的间距约为0.135英寸。图示热电偶导线24延伸出芯的顶部和底部。延伸穿过通道14的导线24部分未图示。
从图2中能够看到，热电偶22a-22g位于沿芯螺旋水通道14的间隔位置上。图3中图示了热电偶布置示意图。热电偶导线螺旋地环绕芯12穿过通道14到达位于热通量测量设备1底部的通道出口，然后到达测量位置，在该位置上测量热电偶差动电压。通常，热电偶是具有首尾相连的两个不同金属导体的传感元件，当加热时，接头在两个导体间产生电压差。热电偶导线的温度可以使用标准表从电压差中确定。在本发明中，热电偶22a-22g用来测量流经热通量测量设备1的水在它们各自位置上的温度。水流量和相邻热电偶间温差的乘积是这些热电偶间管道部分中的热增量。该热增量除以相邻热电偶间管道表面积得出局部热通量。
导线24从热电偶22a-22g向上延伸穿过通道14，并在设备1的顶部穿出。为此，相邻于通道14入口、穿过内芯12形成端口，导线以不透水方式延伸穿过端口中的弹性塞子。备选可安排用于把导线24延伸出设备。在所示实施例中，到每个热电偶22a-22g的导线24从热通量测量设备1的顶部向下延伸穿过螺旋水通道14。到各个热电偶22a-22g的导线具有不同长度以便在螺旋通道14的各个位置上悬起热电偶接头，所述接头沿热通量测量设备1的轴线彼此轴向隔开。热通量测量设备1有7个热电偶22a-22g，从底部算，它们分别间隔0.5、1.5、2.5、3.5、5.5、7和9英尺。这个间隔在燃烧区域中提供更大的分辨率。图2中图示了位于沿螺旋通道14的示范位置上的热电偶22a、22f和22g。在图2中未图示其它热电偶。其它间隔排列也可能是有用的。热电偶22a-22g可以是未接地连接的镍铬-镍铝合金热电偶。根据公知规则，与热电偶22a-22g接点相对的导线24端点连接到用于记录温度和/或计算热通量的设备上。
使用电子流量计3(图1中所示)如+GF+Signet 8511 Micro FlowSensor对流经管道的水流量进行测量。如图1中所示，这个设备安装在热通量测量设备1的进水口8上。流量计的导线(未图示)通向到检测仪表站，在这里同时记录热电偶信号和水流量。热通量测量设备1某部分上的热通量是水流量、水比热(用单位表示：如焦耳/克摄氏度C或BTU(英制热量单位)/磅华氏度F)和分别流入、流出该部分的水温差的乘积除以管道该部分外表面积。因而，图1所示实施例中的7个热电偶位置沿该管道在与成对的相邻热电偶间的中点相对应的位置上提供了6个热通量测量。使用基于计算机的数据获取系统同时测量各个热通量。这个设备的校准只需要水流测量设备3进行初始校准和热电偶偏移电压差进行微小校准，该校准容易从预试热通量测量中推导出。
热通量测量设备1具有较小直径以便它不干扰火焰或火焰附近的气流，因此确保设备本身不改变火焰热通量的测量。对环体直径和水流量进行选择以便：(1)确保从管道到水浸热电偶的高效传热；(2)确保热电偶间的温差足够大以便得到精确测量，但并非如此大而导致水排出管道之前就沸腾；(3)确保热通量测量将是响应瞬变燃烧行为；(4)确保穿过管道的合理水压降。
热通量测量设备1加工成容易安装和校准的结实的仪器，因此显著减少了在燃烧测试结构安装中所花费的时间和劳动。它容易安置在现有大多数大规模标准燃烧测试中。设备1是水冷并且高度耐用，不包含暴露于火焰中的传感元件。
图4、图5和图6图示了根据本发明的方法测量燃烧热通量的空间范围和传给测试材料的总传热量估算。在图4中，测试材料31安装在壁结构上并点燃，随后，火焰沿壁表面32扩散。如图5所示，与所述壁相邻的热导管33和34提供燃烧热通量的水平分布35和垂直分布36。作为选择，可以使用热通量计的线性排列代替热导管33和34来实施本发明的方法。每条曲线下的面积表示热通量相对于沿水平热导管33或垂直热导管34的距离的积分。通过在水平和垂直方向上的积分计算出传到燃烧物的总传热量。热通量测量也表示燃烧的空间范围，即水平35a-35b和垂直36a-36b，从中可以推出燃烧表面积。
为了简化测试材料的总传热量计算，用有效热通量和有效宽度(或高度)取代所测量的热通量水平或垂直分布。图6表示如何从测量的热通量分布中计算有效热通量q0和有效宽度l。使用第一设定可以确定热通量的有效热通量q0和有效宽度l，
lq0=∫-∞∞f(x)dx]]>
然后选择最小化积分的q0和l
B=∫-∞∞[f(x)-q(x)]2dx]]>
这里f(x)是测量的随距离而变的热通量变量，x和q(x)是随距离而变的有效热通量q0变量，在所述宽度(或高度)l上q(x)＝q0，在这个宽度(或高度)外侧，q(x)等于0。该过程可以应用到垂直或水平分布上。
需要吸收热通量q0的每单位材料表面积的水密度mwn等于q0/L，这里L是用于汽化单位质量的喷洒器水的热量。消防工程师使用每单位地板面积的喷洒器水流量表示需要的喷洒器水流量D，单位为mm/分钟或加仑每平方英尺每分钟。要计算D，需要每单位地板面积的暴露的材料表面积的量。因此，设定af是材料表面积除以相关地板表面积的比。在包含垂直和水平材料表面的燃烧测试结构中，通常与垂直表面最相关。使用这个定义，需要控制燃烧的喷洒器水流量是：
D=mwnaf=q0afL]]>
其中af是每单位地板面积的暴露的材料面积。
这里假设喷洒器水可以达到最大的暴露测试材料表面积。另外，假设水足够快地到达燃烧表面而不被在很大火焰中上升的火羽流驱散。
当喷洒器可能检测到火灾并启动时，根据它们的相对火灾或控制该火灾所需的每单位表面积的喷洒器水流量，经常将测试材料分类。
虽然关于优选实施例详细说明了本发明，显而易见，本领域技术人员可以根据上述说明进行修改和改进而不脱离本发明的更宽范围，因此，如权利要求书中所定义的本发明旨在覆盖所有这些落入本发明真实本质范围内的修改和改进。