新型集熱罩設(shè)計(jì)及其集熱效果研究

葛曉霞

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

新型集熱罩設(shè)計(jì)及其集熱效果研究

葛曉霞

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

分析了影響現(xiàn)行集熱罩集熱效果的原因，提出了新型集熱罩的設(shè)計(jì)思路，并設(shè)計(jì)了多種型式的集熱罩。在此基礎(chǔ)上針對(duì)集熱罩在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了18種試驗(yàn)場(chǎng)景，探討了新型集熱罩的集熱效果，并研究了不同孔徑、不同孔數(shù)、不同布局和火源位置對(duì)新型集熱罩集熱效果的影響規(guī)律，提出了新型集熱罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，該研究成果對(duì)提高集熱罩的應(yīng)用效果具有一定的指導(dǎo)意義。

新型集熱罩；集熱效果；導(dǎo)流孔

0 引言

集熱擋水板(簡(jiǎn)稱集熱罩)是一種用來(lái)集聚煙氣，以加快噴頭啟動(dòng)的設(shè)施。根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，該設(shè)施可用于高架倉(cāng)庫(kù)、大型停車庫(kù)、廠房等大空間場(chǎng)所中在布置噴頭處有孔隙、洞口的地方。實(shí)際工程中集熱罩常用在噴頭與頂棚之間的距離超出75～150 mm的場(chǎng)所中，這種使用方法已超出了規(guī)范界定的范圍，但在工程中廣為存在。為探討集熱罩的集熱效果，不同的專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，張文華[2]、馮小軍[3]等研究了不同大小的集熱罩在車庫(kù)和大空間建筑中使用時(shí)對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的影響，明確了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中集熱罩的使用范圍。薄立矗[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了集熱罩對(duì)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的影響規(guī)律。通過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于集熱罩應(yīng)用效果方面的研究較多，而如何提高該設(shè)施集熱效果的研究較少，目前僅發(fā)現(xiàn)高翔[5]等對(duì)集熱罩進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)比了傳統(tǒng)型和改進(jìn)型集熱罩的集熱效果。因此，基于集熱罩在工程中的廣泛應(yīng)用和現(xiàn)有的研究結(jié)果，有必要對(duì)集熱罩結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，為提高其工程應(yīng)用效果提供技術(shù)參考。

1 新型集熱罩設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

文獻(xiàn)[6]研究表明，當(dāng)火源位于集熱罩下方時(shí)，集熱效果明顯，火源不在集熱罩正下方時(shí)，未出現(xiàn)明顯的集熱效果。分析其原因不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火源位于集熱罩下方時(shí)，熱煙氣上升到集熱罩處開(kāi)始積聚，然后才開(kāi)始向四周溢流，熱煙氣積聚和流動(dòng)較快?；鹪床辉诩療嵴终路綍r(shí)，熱煙氣首先上升到頂棚然后發(fā)生頂棚射流，當(dāng)煙氣沉降到集熱罩處時(shí)，由于集熱罩邊緣的影響，一定程度上阻礙了熱氣流的流動(dòng)，導(dǎo)致新的熱氣流不能及時(shí)補(bǔ)充，影響了冷、熱煙氣的熱交換，致使集聚在集熱罩處的煙氣熱量逐漸散失，影響了集熱罩的集熱效果。

對(duì)集熱罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的思路主要是從加快煙氣流動(dòng)的角度出發(fā)，基于對(duì)流換熱和伯努利方程，在集熱罩上加裝導(dǎo)流孔，具體如圖1所示。由公式(1)和(2)可知，當(dāng)熱煙氣流經(jīng)集熱罩上的導(dǎo)流孔時(shí)，在開(kāi)孔附近形成局部收縮，流速增加，在集熱罩內(nèi)、外兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，從而加快了集熱罩內(nèi)熱煙氣的流動(dòng)，避免了煙氣在集熱罩處停滯，進(jìn)而也增加了冷、熱煙氣之間的熱交換，在一定程度上增加了集熱罩的集熱效果。

圖1 新型集熱罩設(shè)計(jì)原理

(1)

式中，Q——煙氣的流量，m3；

D——導(dǎo)流孔孔徑，m；

v——煙氣流動(dòng)速度，m·s-1。

(2)

式中，P——集熱罩內(nèi)煙氣產(chǎn)生的靜壓強(qiáng)，Pa；

ρ——煙氣的密度，kg·m-3。

1.2 新型集熱罩的外形設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在半徑為0.2m的圓形集熱罩的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝。在改裝形式的選擇中，主要兼顧集煙和導(dǎo)流的雙重作用，因此開(kāi)孔不宜太大，本試驗(yàn)采用孔徑為10mm的小孔，設(shè)計(jì)三條半徑不同的圓形布置軌道，按照5%的開(kāi)孔率遞增，每條軌道設(shè)計(jì)導(dǎo)流孔個(gè)數(shù)依據(jù)擬構(gòu)想的改造導(dǎo)流孔中最大孔徑的最多布置個(gè)數(shù)為宜，具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 新型集熱罩外觀

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)所介紹

試驗(yàn)在大空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝有可以上下移動(dòng)的活動(dòng)吊頂，其活動(dòng)高度范圍為2～10m，實(shí)驗(yàn)室頂棚上可根據(jù)試驗(yàn)需要布置噴頭，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)有設(shè)備控制裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可滿足試驗(yàn)需要。

2.2 試驗(yàn)器材

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)及其控制平臺(tái)，新型集熱罩若干個(gè)，油盤、卷尺、秒表、熱電偶若干只。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)

選取實(shí)驗(yàn)室中某個(gè)噴頭處作為測(cè)試點(diǎn)，集熱罩緊貼噴頭安裝。熱電偶分別設(shè)置在集熱罩內(nèi)、外(同一水平線)和頂棚處。將集熱罩到頂棚的距離定為H1，火源到集熱罩的距離定為H，噴頭正下方到油盤中心的橫向距離定為L(zhǎng)。具體布置如圖3所示。

1.集熱罩；2.噴頭；3.熱電偶；4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；5.火源；6.頂棚

2.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中分別改變開(kāi)孔的位置、大小、數(shù)量，以此來(lái)驗(yàn)證不同新型集熱罩的集熱效果，具體工況見(jiàn)表1，取H=5.00m，S=0.12m2，標(biāo)準(zhǔn)油盤油量為2L。表1中N表示設(shè)計(jì)總孔數(shù)，D表示開(kāi)孔直徑，布置軌道距圓心為0.03m處布置孔數(shù)為N1、0.07m處為N2、0.11m處為N3。在此L值共設(shè)計(jì)了0m、0.9m和1.8m三種距離，之所以選擇這三種情況主要是考慮噴頭之間的距離為3.6m時(shí)，最不利情況是火災(zāi)發(fā)生在兩個(gè)噴頭的中間部位，即1.8m。這樣便可驗(yàn)證在最不利的情況下集熱罩的集熱效果。

表1 試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了方便分析集熱罩集熱的提升效果，在此引入集熱提升效率的定義，集熱提升效率計(jì)算方法如式(3)所示。

(3)

式中，η——集熱提升效率；

T1——新型集熱罩內(nèi)溫度最高點(diǎn)，℃；

T2——現(xiàn)行集熱罩內(nèi)溫度最高點(diǎn)，℃。

3.1 新型集熱罩集熱效果分析

選取凈空高5m，集熱罩距頂棚0.5m處安裝，進(jìn)行實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)，分別采集火源正上方、距火源0.9m處和距火源1.8m處集熱罩內(nèi)溫度，進(jìn)行對(duì)比分析以獲取新型集熱罩與現(xiàn)行集熱罩集熱效果，具體工況見(jiàn)表1中試驗(yàn)1和2。三種工況下集熱罩處溫度變化規(guī)律如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 火源正上方處集熱罩內(nèi)溫度變化

圖5 距火源橫向0.9 m處集熱罩內(nèi)溫度變化

圖6 距火源橫向1.8 m處集熱罩內(nèi)溫度變化

由圖可見(jiàn)，三種情況下新型集熱罩均表現(xiàn)出了較好的集熱效果。一方面新型集熱罩處溫升速率比現(xiàn)行集熱罩內(nèi)、集熱罩外快，另一方面當(dāng)火源在集熱罩正下方時(shí)，集熱提升效率約為16%，而當(dāng)火源距集熱罩1.8m處時(shí)，集熱提升效率約為31%，以上兩點(diǎn)均表明通過(guò)在集熱罩面板上開(kāi)設(shè)孔徑，可在一定范圍內(nèi)提升集熱罩的集熱效率。

3.2 新型集熱罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了獲得較優(yōu)的集熱罩改裝形式，分別探討了開(kāi)孔孔徑、孔數(shù)、布局和安裝高度等因素對(duì)新型集熱罩集熱效果的影響。

3.2.1 導(dǎo)流孔孔徑對(duì)新型集熱罩集熱效果的影響

為了分析導(dǎo)流孔孔徑對(duì)新型集熱罩集熱效果的影響，選取開(kāi)設(shè)4個(gè)導(dǎo)流孔，孔徑為10mm和20mm的兩種集熱罩，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1中試驗(yàn)2和3。火源在三種不同位置處集熱罩內(nèi)溫度變化見(jiàn)圖7、圖8和圖9。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)火源分別在集熱罩下、距集熱罩0.9m和1.8m處時(shí)，集熱罩內(nèi)溫度表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，即在相同時(shí)間內(nèi)，孔徑20mm的集熱罩比孔徑10mm的集熱罩內(nèi)溫度高，當(dāng)火源在集熱罩正下方時(shí)，集熱提升效率達(dá)到37%左右，而在最不利條件下，集熱提升效率仍然達(dá)到23%左右，由此可見(jiàn)，孔徑為20mm的集熱罩比孔徑為10mm的集熱罩集熱效果好。雖然開(kāi)大導(dǎo)流孔徑在一定程度上提升了集熱效果，但并不是孔徑越大越好，因?yàn)榭讖皆贁U(kuò)大，會(huì)在一定程度上影響煙氣的停留和集聚，因此開(kāi)孔孔徑為20mm較為適宜。

圖7 火源正上方處集熱罩內(nèi)溫度變化圖

圖8 距火源橫向0.9 m處集熱罩內(nèi)溫度變化圖

圖9 距火源橫向1.8 m處集熱罩內(nèi)溫度變化圖

3.2.2 導(dǎo)流孔孔數(shù)對(duì)新型集熱罩集熱效果的影響

為了分析導(dǎo)流孔孔數(shù)不同時(shí)新型集熱罩的集熱效果，分別測(cè)試了在導(dǎo)流孔孔徑為20mm下，孔數(shù)分別為4、8、16、24個(gè)時(shí)新型集熱罩的集熱效果，具體工況見(jiàn)表1中試驗(yàn)3、4、5和6。集熱罩內(nèi)溫度變化情況如圖10、圖11和圖12所示。

由圖可見(jiàn)，火源在三種不同位置處時(shí)，新型集熱罩表現(xiàn)出了相似的集熱效果變化規(guī)律。當(dāng)火源在集熱罩的正下方時(shí)，集熱罩內(nèi)最低和最高溫度相差在3.2%左右，集熱效果沒(méi)有出現(xiàn)明顯差異，其中8孔的集熱罩集熱效果略低，與4孔集熱罩相比僅差1.4%，與16孔的相差2.2%。當(dāng)火源在距集熱罩0.9m處時(shí)，開(kāi)設(shè)4孔的集熱罩內(nèi)溫度略低于其他三種情況，與最高的集熱罩內(nèi)溫度相差在3%左右。當(dāng)火源在距集熱罩1.8m處時(shí)，開(kāi)設(shè)4和24孔的集熱罩內(nèi)溫度略低于其他兩種情況。雖然開(kāi)設(shè)16孔的集熱罩集熱效果在三種不同火源位置下均出現(xiàn)了較好的集熱效果，但與8孔的集熱罩集熱效果相差不明顯。綜合考慮集熱罩的功能，除集熱作用外，在某種場(chǎng)所中還要起到擋水的作用，因此，建議新型集熱罩開(kāi)設(shè)8孔為宜。

圖10 試驗(yàn)火源正上方處溫度變化圖

圖11 試驗(yàn)距火源橫向0.9 m處溫度變化圖

圖12 試驗(yàn)距火源橫向1.8 m處溫度變化圖

3.2.3 導(dǎo)流孔布置方式對(duì)集熱效果的影響

為了分析新型集熱罩導(dǎo)流孔布置方式對(duì)集熱效果的影響，分別對(duì)比分析了在導(dǎo)流孔孔徑同為20mm，孔數(shù)4個(gè)時(shí)設(shè)置內(nèi)、中、外三軌道處，以及孔數(shù)為8個(gè)分兩條軌道設(shè)置(每條軌道4個(gè))時(shí)的集熱罩集熱效果，具體工況見(jiàn)表1中試驗(yàn)3和4。

圖13 不同位置開(kāi)設(shè)4孔時(shí)的溫度變化曲線

圖14 不同位置開(kāi)設(shè)8孔時(shí)的溫度變化曲線

由圖13和圖14可見(jiàn)，在兩種開(kāi)孔數(shù)不同的情況下，出現(xiàn)了一致的集熱效果變化規(guī)律，即開(kāi)孔越靠近中心，集熱效果越好。當(dāng)在內(nèi)軌道開(kāi)設(shè)4孔時(shí)的集熱效果明顯高于其他兩種情況，與外軌道設(shè)置集熱效率相差43%。之所以出現(xiàn)這種情況，是由于導(dǎo)流孔越靠近中心，煙氣越往集熱罩中心積聚，因此集熱效果越好。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新型集熱罩進(jìn)行研究，主要獲得了如下結(jié)論：(1)結(jié)合煙氣流動(dòng)規(guī)律和伯努利方程，給出了新型集熱罩的設(shè)計(jì)原理。(2)新型集熱罩表現(xiàn)出較好的集熱效果，集熱提升效率在16%～31%之間。(3)在集熱罩上開(kāi)設(shè)的孔數(shù)、孔徑和孔的布置方式影響集熱效果，通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)開(kāi)設(shè)8孔、孔徑為20mm且孔靠近中心分散布置的新型集熱罩集熱效果較好。

[1]GB50084-2001，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(2005年版)[S].

[2] 張文華,羅軍,馮小軍,等.集熱擋水板在停車庫(kù)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2009,(4):26-28.

[3] 馮小軍，張文華，孔祥欣，等.集熱板在大空間場(chǎng)所作用效果的討論[J].消防科學(xué)與技術(shù),2008，27(4):86-90.

[4] 薄立矗.集熱罩對(duì)噴頭啟動(dòng)時(shí)間影響的數(shù)值模擬研究[J].武警學(xué)院報(bào),2011,27(6):6-7.

[5] 高翔,趙澤文.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)改進(jìn)型集熱板集熱效應(yīng)有效性分析[J].安防科技,2011,(7):27-31.

[6] 葛曉霞.集熱擋水板應(yīng)用效果的試驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2014,33(11):1294-1296.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

The Design on the New Heat-Collecting Cover and Its Application Effect

GE Xiao-xia

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In this paper, the reasons of influencing current heat-collecting effect of heat-collecting cove were analyzed, then the design ideas of the new heat-collecting cover was put forward, and various forms of collectors were designed. On this basis, aiming at the application of collectors in practical engineering, 18 kinds of experimental scenarios were designed, and its application result was studied. At the same time, the laws that the size of diversion holes, the number of diversion holes, and the layout of the diversion holes and the location of the fire source affected the heat collecting effect were researched. According to these result, the optimized design plan of the new heat-collecting cover were acquired. These research results have certain guiding significance for improving the cover’s application effect.

the new heat-collecting cover; the heat collecting effect; diversion holes

2015-01-22

葛曉霞(1975— )，女，河北唐山人，教授。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0014-05