CN1177302C - 用于配置探测隧道火的系统的方法和设备 - Google Patents

用于配置探测隧道火的系统的方法和设备

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Abstract

探测隧道火的系统，计算火发展和火警报时间，并且优化安装点和警报限制值，以尽快可靠地探测到可能火灾。探测隧道火系统的设备包括这些元件：用于存储隧道和传感器缆参数和火模型参数组的存储装置，隧道的参数包括隧道大小和隧道内风的特性的数据，传感器缆的参数由线缆的物理属性、它的位置和敷设的几何结构以及测量技术的物理性能决定，而且火模型包括局部模型，局部模型包括理论计算和实际经验得到的参数组；用于根据存储的参数和参数组计算火发展和传感器缆的综合受热的计算装置；用于输入数据和参数的输入装置；用于显示和/或输出隧道和传感器缆的对于特定参数的火警报时间或者用于设置警报极限值和火警报时间的参数的显示装置。

Description

用于配置探测隧道火的 系统的方法和设备
技术领域
本发明涉及探测隧道中火的领域，为完成该目的，现在使用包括一个线性热传感器的探测系统。西门子建筑技术公司，Cerberus分部，原来的Cerberrus有限公司以名称“FibroLaser”出售这种探测系统。上述系统包括一个适合于隧道顶部的玻璃光纤缆、一个激光源和一个光电子接收器。激光器产生的光线耦合进玻璃光纤缆中，并且在玻璃光纤缆的纵向方向上传输。由于热效果造成硅玻璃的密度的变化，导致一个连续散射(瑞利散射)，反过来它导致激光的减弱。另外玻璃材料的热晶格振动导致进一步的光散射，即Raman散射。
背景技术
小部分被散射光线落入波导的孔径角中，并且在前向和反向方向上散射。散射光线能够被光电子接收器探测到；通过评估特定的反向散射的频率强度，可以确定局部玻璃光纤的温度。通过测量波导光的衰减，得到沿着玻璃光纤缆的温度分布的局部分辨率。火的幅度是受热缆长度的函数；短的受热长度对应于小火，长的受热缆长度对应于大火。
发明内容
本发明涉及一种配置一种探测隧道火系统的方法，这种系统包括一个具有一个传感器缆的线性热传感器。根据本发明的方法能够在规划阶段以灵活的方式根据隧道的物理和局部环境独立尽早设置探测隧道火系统。根据本发明实现该目标，其中根据隧道和传感器缆的参数以及火模型，计算火发展和火警报时间，并且以快速和可靠探测可能火灾的方式优化探测系统传感器缆的安装点和警报极限值，其中隧道的参数包括隧道大小和隧道内风的特性的数据，传感器缆的参数由线缆的物理属性、它的位置和敷设的几何结构以及测量技术的物理性能决定，而且火模型包括局部模型，局部模型包括理论计算和实际经验得到的参数组。
根据本发明的方法基本上是一个模拟隧道中各种火的模型，以便于能够有效的针对性的规划新系统，并且为了测试上述系统定义适当的测试火。
根据本发明的第一个优选实施例的特征在于隧道的参数包括关于隧道尺寸和隧道中风特性的数据。
根据本发明的第二个优选实施例的特征在于通过缆的物理属性、它的位置和敷设几何结构并且通过测量技术物理确定传感器缆的参数。
第三个优选的实施例的特征在于火模型包括局部模型，局部模型包括一组通过理论计算和实践经验得到的参数。
火模型优选的包括两个部分模型，即在反应区域中的火发展和在反应区域上的冷却区域内的燃烧气体的特性。
在局部模型-火发展中，包括计算反应区域和火发展中的反应焓、能量平衡、上升力。在局部模型-在冷却区域(即卷流模型)中燃烧气体特性中，基本上根据扰动的外围区域中周围气体的混合物计算热燃烧气体的流动特性。
另外，本发明涉及一种设备，用来配置一个探测隧道火的系统，该系统包括一个具有一个传感器缆的线性热传感器。根据本发明的设备的特征在于以下元件：
a.用于存储隧道和传感器缆参数和火模型参数组的存储装置，隧道的参数包括隧道大小和隧道内风的特性的数据，传感器缆的参数由线缆的物理属性、它的位置和敷设的几何结构以及测量技术的物理性能决定，而且火模型包括局部模型，局部模型包括理论计算和实际经验得到的参数组；
b.用于根据存储的参数和参数组计算火发展和传感器缆的综合受热的计算装置；
c.用于输入数据和参数的输入装置；
d.显示装置，用于显示和/或输出对于特定参数所得到的火警报时间，或者用于显示和/或输出将被用作预置警报极限值和火警报时间的隧道和传感器缆参数。
根据本发明的设备例如由一台膝上型电脑或者其他可移动的计算机构成，这种计算机具有一个输入键盘、一个显示屏幕、一个打印机连接器和一个CD-ROM驱动器，其中在一个CD-ROM上存储了火模型的参数组和用于计算传感器缆受热和警报时间的程序，可以使用输入键盘输入隧道和传感器缆的参数。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的一个实施例，附图如下：
图1一个用于计算包括一个热传感器的隧道火探测系统的火警报时间的主程序的流程图；
图2一个用于计算火发展的子程序的流程图；和
图3一个用于传感器缆中温度计算的子程序的流程图。
具体实施方式
隧道火探测领域中的经验说明为了可靠并快速探测火，必须考虑燃烧特性和火等级、风特性、隧道几何结构、传感器的空间布局、火的位置等。在许多案例中，使用、一个具有一个线性热传感器构成的探测系统，例如西门子建筑技术公司，Cerberus分部，原来的Cerberrus AG以名称“FibroLaser”出售这种探测系统。以FibroLaser已经公开为前提条件；在这种关系上，参阅本说明和FibroLaser系统说明书。
既然由于在火中复杂的热力学过程，事实上只部分考虑所有影响的数量也是不可能的，配置一个包括一个线性热传感器的探测系统是极其艰苦和费时的，并且必须进行大量实际测试。本方法通过以下措施从根本上简化了配置：通过为应用工程师提供一个模拟程序，其中该程序已经过工作台范围和大范围测试确认，使用这种程序，从给定系统参数中计算得到警报时间，因此能够允许将系统参数调整到一个预定警报时间上。
计算方法根据燃烧过程的热力学模型，其中热力学模型实现物理(质量、能量、动量)数量的转换，并且只需要一些经验值。模拟模型包括下面局部模型：
●根据燃烧材料的最终分析，计算反应焓；
●在反应区域内能量平衡和质量平衡；
●反应区域的长度；
●在卷流中能量平衡(＝在反应区域上的冷却区域)；
●在一个自由喷射模型基础上卷流中的流动机制；
●在反应区域和卷流上面隧道中的风的影响；
●火发展；
●通过辐射和对流以及在传感器缆中热传导的实现热交换。
模拟模型特别得到下面的输入参数：
●火直径：圆的直径，圆在面积上等于燃烧的所有面积；
●隧道高度：在车道和隧道高度之间的距离，其中在具有弧形顶的隧道的例子中，在弧形区域内平均顶的高度一般是可以接受的，但是总是位于传感器缆的上面；
●隧道宽度：在隧道中间高度上隧道墙之间的最短距离；
●在传感器和地之间距离：在传感器缆和车道之间最短距离；上述距离通常小于隧道高度；
●传感器和火之间的距离：火面积中心和传感器缆之间的最短距离；上述距离一般大于传感器和地之间的距离；
●风：风速对应于沿着车道通过隧道横截面的空气速度。假如通过一个阀门，起动一个强的横向流，大小大于沿着车道的风的速度，那么使用横向速度；
●传感器缆区域中的风：在隧道中的风具有一个分布，它在墙和顶一般趋向于零。假如传感器缆靠近顶或者墙，那么将考虑这个效果。从表中能够得到标准值；
●隧道压力：在火区域内周围压力；由所有在海平面高度决定；
●隧道温度：在火区域内周围温度；
●传感器直径：传感器缆外部直径；在冬季，对探测系统中警报温度的分辨力有影响；
●警报温度：温度极限值，在这个值上或者该值之上探测系统指示一个火警报。上述值一般位于50℃至80℃之间的区域内。在隧道入口和出口区域内，低于50℃警报温度可能触发错误警报；
●警报温度的梯度：在所有时间内温度的增加用于确定形成触发火警报的极限值的梯度。每秒升高的温度快于极限值，触发一个警报信号。所说的极限值一般是0.1℃/秒，对应于每分钟6℃；
●火加速速度：向火的所在地给于无限的空气供应，火的发展速度随着时间线性增长。对于具有火面积A的火在时刻t的燃烧能力，Q*＝A.B.t2，其中所谓火加速度的速率B是对火发展直到完全燃烧的测量。对于B，存在着经验值，它们存储在一个表中。
原则上，所有上述参数适合于最坏情况。例如对于传感器和火之间的距离，最坏情况是从传感器缆到车道边缘对角线的长度。自然的，卡车的燃烧的防水油布的位置基本上非常靠近传感器缆，但这不是问题，因为能够更好的探测到这样的火。火的直径，也就是火面积，对于隧道中的小轿车和卡车都是已知的，例如假设为1米，它对应于大约0.8m2的火面积。
图1说明计算根据本发明用于隧道火的探测系统的警报时间的主程序的流程图。在第一步，输入隧道和传感器缆必需的参数；在系统中存储火模型的参数组。
然后选择传感器缆中的计算模型。传感器缆包括一个被涂上热传输化合物的玻璃纤维，一个围绕着玻璃纤维和它的外涂层的例如1.6mm的直径的钢丝管，一个由聚乙烯材料构成的大约8mm直径的外套管。传感器缆不仅被围绕着它流动的燃烧气体(对流热交换)加热，而且被热辐射加热，两种类型的热运动可以分别或者同时发生。对于缆和玻璃纤维的受热，可以使用两个不同的计算模型-均匀模型和微分模型，它们在精确性和计算速度上不同。
在均匀模型中，忽略穿过外套的温度分布，并且假设整个缆被加热到一个平均温度。在微分模型的例子中，该模型基本上需要更多的计算时间，通过解答不稳定的导热二次方程的方法，精确计算在传感器中玻璃光纤的受热。在本例中因为传感器缆具有不同的层，所以这个方程式必须被扩展成耦合的微分方程系统。在图3中，说明用于传感器缆中温度计算的微分模型的子程序。
在输入关于传感器缆的技术数据后，根据图2的子程序在没有风影响的情况下计算完全燃烧。它提供了反应区域(火焰区域)和卷流内的温度，也就是两个负责加热传感器缆的大小。根据图2，为了计算完全燃烧，输入热力学开始值和烧掉速率WSBR的开始值，其中烧掉速率表示火发展，直到完全燃烧。以增量ΔW反复重复烧掉速率的开始值，直到烧掉速率满足对应于完全质量平衡的值。
在火中，着火材料的物质被反应区域内空气氧化，其中上述氧化反应释放的热能加热反应区域内的气体。在大多数火中，元素碳、氢和硫被氧化；在着火材料中，可能包括的任何卤素优先和氢反应。为了模拟，卤素含量以及稀有元素假设可以忽略。
在反应区域内，首先构成CO2、H2O和SO2，其中释放每摩尔特定热量。当氧缺乏时，构成更多的CO，同时水煤气反应起着重要作用，其中这些消耗能量的还原依赖于离析物的补给和反应区域的温度。从已知的反应方案出发，在理想的、完全燃烧情况下，可以从化学计量学上确定氧需求，并且从需要氧的质量、火的质量和空气的质量分量得到化学计量学上的空气质量。
在自然对流的着火的例子中，在反应区域内，更多的空气被转换，超过燃烧反应所需要的化学计量，这些额外的空气是多余的空气数量。从所谓的kB因数可以计算出后者，使用这个系数从用于惰性气体火熄灭的标准确定最小的氧分量。最小氧分量是维持燃烧反应必需O2的浓度，可能超过化学计量的空气需求。
在不完全燃烧的例子中，在CO2为代价，构成更多CO和自由氢。上述例子中，氧需求大于在反应区域内可以提供的进入气体。从着火材料中碳、氢、硫和氧的质量分量和进入气体的质量分量中得出燃烧气体中CO2的分量，并且从中确定其它的反应产物和反应焓。
同样可以在化学计量上确定着火材料释放的燃烧热或者反应焓。另外，大多数材料燃烧焓可以用实验方法按照火技术工作细则(Sprinkler指南，DIN4201，DIN18232，等等)来确定并且能够从相应表中查到。
从反应区域内燃烧气体的组成，计算反应区域内热功率，并且这时得到的温度和火焰长度和焓和质量平衡循环。最终，从气体容积流和气体通过反应区域的速度，确定反应区域内的瞬间平衡，实现根据全部质量平衡的烧掉速率的循环。只要烧掉速率等满足对应于预期的火持续时间的值，那么从反应区域到顶的卷流发展被附加包括进瞬间平衡、质量平衡和焓平衡，并且考虑空气混合物和风校正。
在反应区域上面的冷却区域中，受热的燃烧气体在扰动外围区域内和周围气体，例如空气混合，因此垂直向上流动的气体变宽。为了模拟，假设上升的燃烧气体的特性对应于扰自由辐射，反应区域作为辐射核。通过在垂直层上能量平衡可以测定温度降低是高度的函数，平均的上升高度可以通过瞬间平衡在局部卷流横界面上测定，因此最终得到卷流中局部的速度降低。
假设卷流象一个扰动的自由辐射，其展开的角度为8°到15°。从气流和环境之间的压力差可以确定上述角度相关关系。最大10m/s的风速在隧道横截面上是一个扰动的纵向流，扰动群比隧道横截面积小。这个空气流尽管与隧道尺寸相比具有高的雷诺数量，在106的范围内，但可以分层描述。在这个观点上，允许下面的假设：风的瞬间流动与卷流的瞬间流动叠加，因此不需要卷流完全形成漩涡，卷流中的气体被风带走。风的影响使卷流偏向倾斜一个特定的角度，这可以从卷流中气体速度和隧道中风速度的比率来确定。
从计算火发展的子程序中得到的结果是反应区域内的温度和在完全燃烧的例子中卷流的温度。
然后，开始温度循环，其中在1秒增加Δt计算所有热力学状态，因此能够精确映射火发展。在几分钟的一个特定的最大时间tEnd中运行模拟，在到达tEnd时，随着显示和/或者打印火警报标准结束该模拟。像显然从图1中看到的，输入实际的火面积，然后计算没有风影响的火。然后输入在反应区域和卷流的风影响，同样输入从火面积导探测缆的距离。然后，使用在反应区域和卷流中的温度，实现计算在隧道横截面上的具有风的火，计算扰动热气层的温度，计算给定的全部扰动混合物的温度。然后确定流进缆表面(对流或者辐射)的热，并且随后估算对流热和辐射是否共同遵循表。
然后根据图3中的微分模型实现计算穿过传感器缆到玻璃光纤的热传导。根据图3，输入在时间t＝0时，缆材料的数据和初始和边缘条件，并且固定积分增量Δtk。后者例如是10-3秒。每10-3秒计算缆中温度分布，但是值根据主程序中的时间增量传输，仅在每tk＝tn时，也就是例如每秒，传输到主程序。然后，使用微分方法解导热二次方程，并且在每个例子中，在时间tn后，缆中温度分布是可用的。
使用缆中的温度分布，在主程序中形成温度梯度。它随后检查在模拟期间是否卷流在辐射区域内到达缆；如果是这样，叠加对流和辐射。然后，测试确知缆的两个测量位置是否位于辐射区域内；如果不是这样，存在着辐射面积温度的衰减。最后，测试警报标准并且以时间增量t打印火警报时间。在达到预设的全部模拟tEND期间后，打印警报标准，并且结束模拟。
用户现在知道使用输入的参数是否可以得到预期的火警报时间或者是否需要替换其中的一些参数。

Claims (6)

1、配置一个探测隧道火的系统的方法，该系统包括一个具有传感器缆的线性热传感器，其特征在于，根据隧道和传感器缆的参数以及火模型计算火发展和火警报时间，并且优化传感器缆的安装点和探测系统的警报限制值，以便于尽快和可靠地探测到可能火灾，其中隧道的参数包括隧道大小和隧道内风的特性的数据，传感器缆的参数由线缆的物理属性、它的位置和敷设的几何结构以及测量技术的物理性能决定，而且火模型包括局部模型，局部模型包括理论计算和实际经验得到的参数组。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，火模型包括一个局部模型为反应区域内的火发展和一个局部模型为位于反应区域上面冷却区域内的燃烧气体特性。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于，在局部模型为反应区域内的火发展时，计算反应焓、能量平衡和在反应区域的上升力和火发展。
4、根据权利要求2或者3的方法，其特征在于，在局部模型为冷却区域中的燃烧气体特性时，根据在扰动边缘区域中周围气体的混合物，计算热燃烧气体的流动特性。
5、配置一个探测隧道火的系统的设备，这种系统包括具有传感器缆的线性热传感器，其特征在于，包括下面的元件：
a.用于存储隧道和传感器缆的参数和火模型参数组的存储装置，隧道的参数包括隧道大小和隧道内风的特性的数据，传感器缆的参数由线缆的物理属性、它的位置和敷设的几何结构以及测量技术的物理性能决定，而且火模型包括局部模型，局部模型包括理论计算和实际经验得到的参数组；
b.用于根据存储的参数和参数组计算火发展和传感器缆的综合受热的计算装置；
c.用于输入数据和参数的输入装置；
d.显示装置，用于显示和/或输出对于特定参数所得到的火警报时间，或者用于显示和/或输出将被用于预置警报极限值和火警报时间的隧道和传感器缆参数。
6、根据权利要求5的设备，其特征在于，一台膝上型电脑或者其他可移动的计算机，其具有一个输入键盘、一个显示屏幕、一个打印机连接器和一个CD-ROM驱动器，其中在一个CD-ROM上存储了火模型的参数组和用于计算火发展、传感器缆受热和警报时间的程序，可以使用输入键盘输入隧道和传感器缆的参数。
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