專利名稱：熱通量測量管和確定噴灑器供水量的方法
技術領域：
本發明涉及一種確定噴灑器供水量以便控制火災的方法。本發明也涉及一種測量熱通量的裝置，尤其與消防、材料燃燒測試和確定噴灑器供水量相關。
背景技術：
由一給定材料貯存表示的火災經常通過抑制或控制該材料燃燒所需的噴灑器供水流速得到表征。用于表征火災的當前技術是進行反復測試，其中點燃材料；容許燃燒增大直到它被噴灑器檢測到；然后噴灑器啟動向火災處供水。供水密度，即每單位地板面積的噴灑器供水量，系統地增加直到達到控制燃燒的供水量。必須用相同材料進行許多次標準測試，來確定控制燃燒材料燃燒所需的噴灑器供水量。這些重復測試消耗了大量人力和材料，因此非常昂貴和耗時。
根據燃燒的化學放熱率和發出的熱通量，評估火災和災害的嚴重性。熱通量定義為每單位表面積的能量傳送量。一般，熱通量用單位千瓦/平方米或英國熱量單位(BTU)/平方英尺/分鐘來表示。在包括許多材料燃燒測試的許多科學領域中，熱通量的測量很重要。由燃燒材料發出的熱通量可以起到點火或助燃附近材料的作用。在一個公知測試裝置中，煤氣灶位于兩個平行面板的底部并位于其之間，在該面板上放置測試材料，例如阻燃材料如聚氨酯絕緣材料。該平行面板試驗中的測得的熱通量在測試材料對燃燒器火焰的反應方面提供了有價值的信息。
目前測量熱通量的有效儀器設備需要復雜、耗時的安裝后才能使用，并且在非常嚴重的火災環境中，它還不足以承受反復使用。傳統的測試儀器通常包含水冷熱通量計，其需要單獨安裝，例如直接安裝在承載測試材料的面板上。使用期間，這些儀表暴露于火焰中。在測試之前和之后，各個熱通量計必須進行的校準很耗時，因為它們的傳感元件容易受到火焰沖擊、煤煙和其它不完全燃燒產物的沉積而被破壞或沖擊。測試后進行校準時熱通量計校準常數因為沖擊已經發生漂移，由此產生測量的不確定性。此外，熱通量計是單獨水冷和安裝，以便通過材料和支承結構中鉆的孔觀察火焰。這增加了測試程序的時間和費用，并且嚴格限制可安裝的熱通量測量站數量。在某些燃燒測試結構中，例如商品分類，由于在高度災害場所難以保護水冷卻管路和電氣線路，安裝熱通量計是不實際的。
發明概述本發明的目的是提供一種便宜的、容易安裝的用于測量熱通量分布的裝置。
本發明的另一目的是提供一種測量熱通量分布的簡單方法。
本發明的又一目的是提供一種耐用的測量煤氣灶或燃燒測試裝置的熱通量分布的裝置。
本發明的再一目的是提供一種根據測試燃燒中的熱通量測量結果估計火災危險程度的方法。
本發明的另一目的是提供一種根據空間分布的熱通量測量值估算燃燒燃料總傳熱量的方法。總傳熱量定義為熱通量和接收該熱通量的面積的乘積。一般，總傳熱量的單位為千瓦或BTU(英國熱量單位)/分鐘。
本發明的再一目的是提供一種計算向材料傳熱的面積的方法。
本發明的又一目的是提供一種根據測得的燃燒燃料總傳熱量，確定控制燃燒的噴灑器所需的水流量的方法。
本發明的再一目的是包含一單個試驗，其能夠確定控制已知材料燃燒所必需的噴灑器所需的水流量。
通過本發明的方法可以確定控制燃燒所需的噴灑器水流量，該方法包括測量燃燒測試中的空間熱通量分布；計算材料表面接收的有效熱通量；及計算出利用汽化供水所需的能量吸收該熱通量所需的噴灑器供水量。
通過減少或消除多種和增加測試的需要，本發明的方法解決了常規方法中存在的問題。已經發現，就在噴灑器檢測到燃燒的瞬間之前，控制物品所需的噴灑器供水量與燃料總傳熱成正比(即火焰熱通量和火焰面積的乘積)，所述燃燒導致噴灑器閥門打開并向燃燒處供水。根據水蒸發熱量，容易計算出比例常數，也就是，每單位施加的熱通量條件下，水轉換成蒸汽的量。
通過本發明，可以從單個測試中確定控制材料燃燒所需的噴灑器水量。本發明的方法能夠根據熱通量測量值估計材料火災危險程度。控制一批燃燒物品如倉庫中的物品所需的噴灑器水流量與商品表面的熱通量成正比。在自由燃燒火焰中傳遞給本發明熱通量測量管的熱通量與抑制火災所需的水流量密切相關。
代替為了測量燃燒測試中各高度處的熱通量而單獨安裝的固定在測試面板的熱通量計，本發明的熱通量測量管或設備是一種整體設備，其能夠同時測量沿其長度的熱通量。本發明的熱通量測量管非常穩定和結實，沒有移動部件，并且容易定位在測試裝置中。該熱通量測量管不需要連接到承載測試材料的面板上。相反，它只能定位在面板附近或之間，例如支承在輪式支架上。
該熱通量測量管是水冷管，其利用沿水流通道如管道內的螺旋型水通道距離上的水溫變化。外管緊緊裝配在內芯上，在內芯中螺旋型水通道機加工成型。在水通道中測量水通道中水溫的熱電偶相間隔地固定在芯上，相鄰的熱電偶限定它們之間的水通道部分。在穩態下，可以根據流入或流出該部分的水質量流量與該部分入口和出口間水溫差的乘積，確定每個水通道部分的凈傳熱比。因此，只需要測量沿通道不同位置處的全部水質量流量和水溫，來確定管道傳熱的空間分布。熱電偶測量水通道每部分入口和出口處的水溫。通過強制水在外管和芯間環體中的急轉螺旋中流動，確保任何空間非均勻性得到平衡，提高傳熱和產生水溫，該水溫表示到每個管道部分的平均傳熱。根據測量的水溫和管道幾何結構，使用已知計算公式可很容易確定熱通量等級。
本發明的熱通量測量管可以從標準測試火焰中測量熱通量分布，估計典型倉庫物品的火災嚴重程度，并確定控制火災所需的噴灑器供水量。
因此，在包含測試材料的火災中使用熱通量測量管測量熱通量空間分布，據此可以確定噴灑器供水量，水將吸收熱通量以轉換成蒸汽。當燃燒中的熱通量被吸收時，火災將停止漫延并熄滅。這種估計火災的方法根據單個測試的熱通量測量值而不是如現有技術必須考慮多種測試，來確定必需的噴灑器供水量。
附圖的簡要說明使用附圖更詳細地闡明本發明的一個實施例，這里，相同的附圖標記表示相同的特征。


圖1是根據本發明的熱通量測量管示意透視圖，其位于燃燒試驗裝置的位置。
圖2是圖1熱通量測量管的橫截面，其中刪除了一部分。
圖3是圖1熱通量測量管中溫度傳感器布置情況的示意圖。
圖4是燃燒試驗裝置的示意圖，其使用根據本發明的熱通量測量管。
圖5是圖4燃燒試驗設備中燃燒熱通量的垂直和水平分布的圖形表示。
圖6是表示如何從圖5中所示的測量的垂直和水平熱通量分布中確定有效熱通量和長度的草圖。
優選實施例的詳細描述從圖1中能夠看到，根據本發明的熱通量測量設備或熱通量測量管通常用附圖標記1表示，它被設計安裝在測試裝置4中，用于測試材料的火焰特性。熱通量測量設備1運行在測試裝置4的垂向長度上，測試裝置4包括煤氣灶2和待測試材料的測試樣板6。冷水流經水流量測量設備3和連接到該設備頂部的進水管8，進入熱通量測量設備1，并且熱水流出連接到該設備底部的出水管10。水流量和水流經設備1而產生的水溫分段增長的乘積，表示從煤氣灶2的火焰5和待測試材料樣板6到設備1的傳熱分布。從這個傳熱分布中可以得到關于樣板6的燃燒性特征的信息。
從圖2中能夠看到，熱通量測量設備1具有芯12，其通常可以是圓柱形并且用鋁制造。芯12用車床加工形成螺旋槽，其確定了直徑縮小部分20和延長了芯長度。機加工在芯12上留下螺旋肋條16，其緊密配合地嚙合外管18的內側，外管18限定了熱通量測量設備1的外部。外管18可以用鋼制造。直徑縮小部分20限定了螺旋水通道14的徑向內表面。進水管8(圖1)連接到通道14的頂部，出水管10(圖1)連接到通道14的底部。典型地，芯外徑約為0.74英寸；肋條的旋繞間距約為0.5英寸；肋條16約為0.125英寸寬；外管18內表面和芯12直徑縮小部分20的間距約為0.135英寸。圖示熱電偶導線24延伸出芯的頂部和底部。延伸穿過通道14的導線24部分未圖示。
從圖2中能夠看到，熱電偶22a-22g位于沿芯螺旋水通道14的間隔位置上。圖3中圖示了熱電偶布置示意圖。熱電偶導線螺旋地環繞芯12穿過通道14到達位于熱通量測量設備1底部的通道出口，然后到達測量位置，在該位置上測量熱電偶差動電壓。通常，熱電偶是具有首尾相連的兩個不同金屬導體的傳感元件，當加熱時，接頭在兩個導體間產生電壓差。熱電偶導線的溫度可以使用標準表從電壓差中確定。在本發明中，熱電偶22a-22g用來測量流經熱通量測量設備1的水在它們各自位置上的溫度。水流量和相鄰熱電偶間溫差的乘積是這些熱電偶間管道部分中的熱增量。該熱增量除以相鄰熱電偶間管道表面積得出局部熱通量。
導線24從熱電偶22a-22g向上延伸穿過通道14，并在設備1的頂部穿出。為此，相鄰于通道14入口、穿過內芯12形成端口，導線以不透水方式延伸穿過端口中的彈性塞子。備選可安排用于把導線24延伸出設備。在所示實施例中，到每個熱電偶22a-22g的導線24從熱通量測量設備1的頂部向下延伸穿過螺旋水通道14。到各個熱電偶22a-22g的導線具有不同長度以便在螺旋通道14的各個位置上懸起熱電偶接頭，所述接頭沿熱通量測量設備1的軸線彼此軸向隔開。熱通量測量設備1有7個熱電偶22a-22g，從底部算，它們分別間隔0.5、1.5、2.5、3.5、5.5、7和9英尺。這個間隔在燃燒區域中提供更大的分辨率。圖2中圖示了位于沿螺旋通道14的示范位置上的熱電偶22a、22f和22g。在圖2中未圖示其它熱電偶。其它間隔排列也可能是有用的。熱電偶22a-22g可以是未接地連接的鎳鉻-鎳鋁合金熱電偶。根據公知規則，與熱電偶22a-22g接點相對的導線24端點連接到用于記錄溫度和/或計算熱通量的設備上。
使用電子流量計3(圖1中所示)如+GF+Signet 8511 Micro FlowSensor對流經管道的水流量進行測量。如圖1中所示，這個設備安裝在熱通量測量設備1的進水口8上。流量計的導線(未圖示)通向到檢測儀表站，在這里同時記錄熱電偶信號和水流量。熱通量測量設備1某部分上的熱通量是水流量、水比熱(用單位表示如焦耳/克攝氏度C或BTU(英制熱量單位)/磅華氏度F)和分別流入、流出該部分的水溫差的乘積除以管道該部分外表面積。因而，圖1所示實施例中的7個熱電偶位置沿該管道在與成對的相鄰熱電偶間的中點相對應的位置上提供了6個熱通量測量。使用基于計算機的數據獲取系統同時測量各個熱通量。這個設備的校準只需要水流測量設備3進行初始校準和熱電偶偏移電壓差進行微小校準，該校準容易從預試熱通量測量中推導出。
熱通量測量設備1具有較小直徑以便它不干擾火焰或火焰附近的氣流，因此確保設備本身不改變火焰熱通量的測量。對環體直徑和水流量進行選擇以便(1)確保從管道到水浸熱電偶的高效傳熱；(2)確保熱電偶間的溫差足夠大以便得到精確測量，但并非如此大而導致水排出管道之前就沸騰；(3)確保熱通量測量將是響應瞬變燃燒行為；(4)確保穿過管道的合理水壓降。
熱通量測量設備1加工成容易安裝和校準的結實的儀器，因此顯著減少了在燃燒測試結構安裝中所花費的時間和勞動。它容易安置在現有大多數大規模標準燃燒測試中。設備1是水冷并且高度耐用，不包含暴露于火焰中的傳感元件。
圖4、圖5和圖6圖示了根據本發明的方法測量燃燒熱通量的空間范圍和傳給測試材料的總傳熱量估算。在圖4中，測試材料31安裝在壁結構上并點燃，隨后，火焰沿壁表面32擴散。如圖5所示，與所述壁相鄰的熱導管33和34提供燃燒熱通量的水平分布35和垂直分布36。作為選擇，可以使用熱通量計的線性排列代替熱導管33和34來實施本發明的方法。每條曲線下的面積表示熱通量相對于沿水平熱導管33或垂直熱導管34的距離的積分。通過在水平和垂直方向上的積分計算出傳到燃燒物的總傳熱量。熱通量測量也表示燃燒的空間范圍，即水平35a-35b和垂直36a-36b，從中可以推出燃燒表面積。
為了簡化測試材料的總傳熱量計算，用有效熱通量和有效寬度(或高度)取代所測量的熱通量水平或垂直分布。圖6表示如何從測量的熱通量分布中計算有效熱通量q0和有效寬度l。使用第一設定可以確定熱通量的有效熱通量q0和有效寬度l，lq0=∫-∞∞f(x)dx]]>然后選擇最小化積分的q0和l
B=∫-∞∞[f(x)-q(x)]2dx]]>這里f(x)是測量的隨距離而變的熱通量變量，x和q(x)是隨距離而變的有效熱通量q0變量，在所述寬度(或高度)l上q(x)＝q0，在這個寬度(或高度)外側，q(x)等于0。該過程可以應用到垂直或水平分布上。
需要吸收熱通量q0的每單位材料表面積的水密度mwn等于q0/L，這里L是用于汽化單位質量的噴灑器水的熱量。消防工程師使用每單位地板面積的噴灑器水流量表示需要的噴灑器水流量D，單位為mm/分鐘或加侖每平方英尺每分鐘。要計算D，需要每單位地板面積的暴露的材料表面積的量。因此，設定af是材料表面積除以相關地板表面積的比。在包含垂直和水平材料表面的燃燒測試結構中，通常與垂直表面最相關。使用這個定義，需要控制燃燒的噴灑器水流量是D=mwnaf=q0afL]]>其中af是每單位地板面積的暴露的材料面積。
這里假設噴灑器水可以達到最大的暴露測試材料表面積。另外，假設水足夠快地到達燃燒表面而不被在很大火焰中上升的火羽流驅散。
當噴灑器可能檢測到火災并啟動時，根據它們的相對火災或控制該火災所需的每單位表面積的噴灑器水流量，經常將測試材料分類。
雖然關于優選實施例詳細說明了本發明，顯而易見，本領域技術人員可以根據上述說明進行修改和改進而不脫離本發明的更寬范圍，因此，如權利要求書中所定義的本發明旨在覆蓋所有這些落入本發明真實本質范圍內的修改和改進。
權利要求
1.一種測量暴露于火焰中的測試材料熱通量的設備，包括一限定流體通道的伸長部件；一種流經所述通道的流體；測量所述流體流量的設備；以及多個溫度傳感元件，其沿著所述通道并位于所述伸長部件內安置，所述溫度傳感元件相對于所述通道彼此縱向隔開。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述通道是螺旋通道，其在所述伸長部件內軸向延伸。
3.如權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述螺旋通道被變窄以便促使所述流體在急轉螺旋中行進。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述伸長部件包括外管、位于外管內的內芯和內芯上的螺旋肋條，其中所述螺旋肋條緊密配合地嚙合所述外管以限定所述螺旋通道。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述外管直徑小于1.0英寸。
6.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述溫度傳感元件具有導線，其穿過所述通道縱向延伸到所述伸長部件的頂部。
7.一種測量暴露于火焰中的測試材料熱通量的測試裝置，包括測試材料樣品；靠近所述樣品提供火焰的設備；測量所述樣品熱通量的設備，所述設備靠近所述樣品，并且被火焰沖擊，所述設備包括一限定流體通道的伸長部件；多個溫度傳感元件，其沿著所述通道并位于所述伸長部件內安置，所述溫度傳感元件相對于所述通道彼此縱向隔開；及測量流經所述設備的所述流體流量的設備。
8.如權利要求7所述的測試裝置，其特征在于，所述設備和所述樣品垂直定向。
9.如權利要求7所述的測試裝置，其特征在于，所述通道是螺旋通道，其在所述伸長部件內軸向延伸。
10.如權利要求7所述的測試裝置，其特征在于，所述溫度傳感元件具有導線，其穿過所述通道縱向延伸到所述伸長部件的頂部。
11.如權利要求7所述的測試裝置，包括兩個測試材料樣品，每個所述樣品被垂直定向并限定一個垂直表面，這兩個樣品的所述垂直表面彼此平行；及在兩個樣品間提供火焰的設備。
12.如權利要求7所述的測試裝置，其特征在于，所述設備與所述樣品和提供火焰的設備物理斷開。
13.一種測量燃燒測試材料的空間熱通量分布的方法，包括將至少一個測試材料樣品基本上垂直定向；用火焰加熱所述樣品；靠近所述樣品，放置至少一個整體伸長設備，其限定一個液體流動的流道，并且裝入了多個溫度傳感元件；及測量流經所述設備的液體流量。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述放置步驟包括把所述整體設備放置在適當位置，在該位置上該整體設備受到火焰沖擊。
15.如權利要求14所述的方法，還包括至少在測量期間，保持所述整體設備與樣品斷開。
16.如權利要求13所述的方法，還包括通過在液體流道中布置溫度傳感元件，保護溫度傳感元件不受火焰損壞。
17.一種確定用于控制燃燒的至少一個噴灑器中的噴灑器水流量的方法，包括測量測試燃燒中燃燒材料的空間熱通量分布；計算燃燒材料(參見圖6)的有效熱通量q0；及計算通過水蒸發吸收傳熱所需的每單位暴露材料面積的噴灑器水排量，mwn=q0/L,]]>其中L是蒸發單位質量水所需的熱量。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法還包括估算控制材料燃燒所需的每單位地板面積的噴灑器水流量，D=mwnaf=q0af/L]]>其中af是每單位地板面積的暴露材料面積。
19.如權利要求17所述的方法，其特征在于，用至少一個或多個熱通量測量管實施所述熱通量分布的測量，所述測量管包括一限定流體通道的伸長部件；一種流經所述通道的流體；測量所述流體流量的設備；以及多個溫度傳感元件，其沿著所述通道并位于所述伸長部件內安置，所述溫度傳感元件相對于所述通道彼此縱向隔開。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述伸長部件包括外管、位于外管內的內芯和內芯上的螺旋肋條，其中所述螺旋肋條緊密配合地嚙合所述外管以便限定所述螺旋通道。
21.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述溫度傳感元件具有導線，其穿過所述通道縱向延伸到所述伸長部件的頂部。
全文摘要
提供一種測量暴露于火焰中的測試材料熱通量的裝置(1)。該裝置包括限定流體通道(14)的伸長部件(10)、流經所述通道(14)的流體、測量流經所述通道的水流流量的設備、以及多個沿著所述通道并位于所述伸長部件內安置的溫度傳感元件(22a－22g)。所述溫度傳感元件相對于所述通道彼此縱向隔開。提供一種估算標準測試中材料火災程度的方法，包括當噴灑器可能檢測到火災并啟動時，測量此時測試燃燒中熱通量分布，以及確定吸收所述熱通量的噴灑器供水量流量，由此控制火災漫延。
文檔編號G01K17/20GK1509407SQ02809835
公開日2004年6月30日 申請日期2002年3月12日 優先權日2001年3月13日
發明者R·L·阿爾佩特, J·L·德里斯, L·奧爾洛夫, R L 阿爾佩特, 宸, 德里斯 申請人:Fm環球技術有限責任公司