噴頭加設(shè)集熱板有效性的理論分析

劉今爍

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊　065000)

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噴頭加設(shè)集熱板有效性的理論分析

劉今爍

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊065000)

判定集熱板的集熱效果如何，依據(jù)的是在其內(nèi)部安裝的噴頭是否能夠及時(shí)響應(yīng)。從噴頭響應(yīng)時(shí)間公式和Alpert頂棚射流模型出發(fā)，研究了起火點(diǎn)與集熱板相對位置不同時(shí)集熱板的集熱效果；同時(shí)對起火點(diǎn)所處位置不同時(shí)的概率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：當(dāng)起火點(diǎn)位于集熱板正下方時(shí)，集熱板才能發(fā)揮集熱作用，其有效性僅為0.16%～2.52%，因此不建議在實(shí)際工程中推廣使用。

集熱板；頂棚射流；起火點(diǎn)概率；有效性

0　引言

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用在一些大型公共建筑中，但在實(shí)際工程中，存在一個(gè)矛盾之處。以裝設(shè)格柵類通透性吊頂?shù)膱鏊鶠槔绻麑婎^直接安裝在頂棚下方，噴頭的灑水會(huì)受到其下方格柵吊頂?shù)淖钃?，不能均勻噴灑；如果將噴頭安裝在格柵吊頂?shù)南路?，雖然保證了均勻噴灑，可噴頭卻不能充分的與熱煙氣進(jìn)行對流換熱而無法及時(shí)響應(yīng)。為解決這一難題，實(shí)際工程中大量采用將噴頭的安裝高度降低到通透性吊頂以下，在其上方加設(shè)集熱板，目的是保證噴頭均勻噴灑的同時(shí)使噴頭及時(shí)響應(yīng)。此外，一些高凈空場所、地下車庫和高層建筑設(shè)備層等場所也采用該做法。那么，集熱板作用下的噴頭是否能及時(shí)響應(yīng)，即集熱板的有效性究竟如何，值得進(jìn)一步研究。

目前，薄立矗[1]、葛曉霞[2]和馮小軍[3]等人分別利用數(shù)值模擬和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的方法，對集熱板的作用效果進(jìn)行研究，得知僅當(dāng)集熱板位于起火點(diǎn)正上方時(shí)才可起到集熱作用。本文通過對集熱板的集熱效果和起火點(diǎn)發(fā)生位置概率的理論分析，得到集熱板有效性的具體結(jié)論。

1　集熱板的集熱效果分析

1.1基本原理

判定集熱板的集熱效果如何，依據(jù)的是在其內(nèi)部安裝的噴頭是否能夠及時(shí)響應(yīng)，噴頭響應(yīng)時(shí)間越短，集熱板的集熱效果越好，反之越差。噴頭的響應(yīng)時(shí)間由頂棚射流的溫度與速度、噴頭的RTI以及噴頭的啟動(dòng)溫度決定，Gupta[4]、Bukowshi[5]和Budnick[6]等人通過研究，得到噴頭熱敏原件的熱平衡方程式[6]：

(1)

穩(wěn)定火源下，積分式(1)，可得響應(yīng)時(shí)間t[7]：

(2)

式中，m為熱敏元件質(zhì)量(kg)；cp為熱敏元件的比熱(kJ·kg-1·℃-1)；h為對流換熱系數(shù)(kW·m-2·K-1)；A為熱敏元件傳熱表面積(m2)；Te為熱敏元件動(dòng)作溫度值(℃)；Tg為頂棚射流的溫度(℃)；T0為初始環(huán)境溫度；dt為微元時(shí)間(s)；u為頂棚射流速度；RTI為響應(yīng)時(shí)間指數(shù)。

對于給定的噴頭，其響應(yīng)時(shí)間指數(shù)和啟動(dòng)溫度為定值，只需獲得噴頭附近頂棚射流的溫度與速度，便可依據(jù)式(2)計(jì)算出噴頭的響應(yīng)時(shí)間。

1.1.1起火點(diǎn)位于集熱板正下方

可燃物燃燒產(chǎn)生的煙羽流在浮力作用下迅速上升，到達(dá)噴頭上方的集熱板時(shí)如遇到一個(gè)小型“頂棚”，迅速轉(zhuǎn)為沿水平方向蔓延擴(kuò)散，經(jīng)過集熱板的彎邊后再繼續(xù)上升，這個(gè)最初由上升轉(zhuǎn)為水平蔓延的過程可看做是頂棚射流形成的過程，如圖1所示。

圖1　起火點(diǎn)位于集熱板正下方時(shí)示意圖

根據(jù)Alpert[8]總結(jié)的穩(wěn)態(tài)火源下的頂棚射流模型，可獲得集熱板下方“頂棚射流”的溫度與速度，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

式中，r為噴頭與火羽流中心的水平距離；H為頂棚高度(集熱板安裝高度)；Q為火源熱釋放速率。

將式(3)和式(4)帶入式(2)，得到起火點(diǎn)位于集熱板正下方時(shí)噴頭的響應(yīng)時(shí)間公式：

t=1.02RTI(H/Q)1/6ln{16.9Q2/3

(5)

由式知，頂棚射流的溫度與速度隨著頂棚高度的增大而減小，噴頭的響應(yīng)時(shí)間隨著頂棚高度的增大而增大。所以，當(dāng)起火點(diǎn)位于集熱板正下方時(shí)，集熱板具有集熱效果，可提早其內(nèi)部噴頭的響應(yīng)。

1.1.2起火點(diǎn)不在集熱板正下方

該情況下，集熱板已經(jīng)不能看作小型“頂棚”，可燃物燃燒產(chǎn)生的煙羽流在頂棚處形成頂棚射流后，沿水平方向蔓延并經(jīng)過集熱板正上方的部位，隨著火災(zāi)的發(fā)展，頂棚射流不斷變厚，才慢慢接近集熱板，如圖2所示。

Alpert[8]定義頂棚射流厚度lT為煙氣與環(huán)境溫差降到最大值的1/e的地方與頂棚間的距離，計(jì)算公式如下：

(6)

0.26≤r/H≤2.0

由上式知，頂棚射流的厚度非常有限，一般為頂棚高度的5%～12%[9]。筆者通過對實(shí)際工程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，集熱板的上方存在大量的梁、管道和鋼架等

圖2　起火點(diǎn)不在集熱板正下方時(shí)示意圖

結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)占據(jù)了頂棚下方的大部分空間，集熱板與頂棚間的距離依這部分空間高度而定，一般不小于0.5 m。綜合式(6)知，頂棚射流需較長時(shí)間或根本不能下降到集熱板的安裝高度，集熱板很難起到集熱作用，噴頭的響應(yīng)時(shí)間得不到保證。

1.2實(shí)例分析

選取一工程實(shí)例，利用上文闡述的集熱板集熱效果基本原理進(jìn)行實(shí)例分析。該房間的頂棚高度H為4 m，環(huán)境溫度T0為21 ℃，噴頭的熱敏元件動(dòng)作溫度Te為68 ℃，響應(yīng)時(shí)間指數(shù)RTI值為70，集熱板的安裝高度為3.5 m，火源功率為160 kW。

1.2.1起火點(diǎn)位于集熱板的正下方

根據(jù)式(3)、(4)和(5)，計(jì)算噴頭加設(shè)集熱板和直接安裝在頂棚處兩種情況下，其附近煙氣的溫度和速度以及響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果如表1。由表1可知，與直接安裝在頂棚處相比，噴頭加設(shè)集熱板時(shí)其周圍的煙氣溫度較高、速度較大，響應(yīng)時(shí)間縮短了一半左右，說明此種情況下集熱板的集熱效果理想。

表1　噴頭附近的煙氣溫度、速度和響應(yīng)時(shí)間

1.2.2起火點(diǎn)不在集熱板的正下方

若集熱板與起火點(diǎn)中心水平間距r為2 m，通過式(6)計(jì)算，得到此種情況下頂棚射流厚度為0.3 m左右，而集熱板距離頂棚0.5 m，火災(zāi)初期時(shí)頂棚射流很難降低到集熱板的安裝高度，集熱板無熱可集，噴頭不可能響應(yīng)。隨著火災(zāi)的發(fā)展，熱煙氣不斷地在頂棚下方累積，逐漸降低到集熱板和噴頭處，噴頭才接觸到熱煙氣，但此時(shí)熱煙氣的溫度較低，不足以使噴頭響應(yīng)，且早已過了撲滅初期火災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)。所以，此種情況下，集熱板根本起不到集熱的作用。

2　起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率分析

火災(zāi)的發(fā)生受到各種環(huán)境因素的影響，沒有固定的地點(diǎn)，假定只有一處起火點(diǎn)，位于圖3中的粗線框內(nèi)，簡稱區(qū)域A，發(fā)生火災(zāi)時(shí)最先啟動(dòng)該區(qū)域內(nèi)的噴頭。由上文得知，起火點(diǎn)發(fā)生的位置可能有兩種，一種在集熱板正下方，另外一種不在集熱板的正下方(一般位置)，分別為區(qū)域A中圓形圖案(集熱板)的內(nèi)部和外部，如圖3所示。在區(qū)域A內(nèi)劃分單位為0.1 m×0.1 m的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格線交叉點(diǎn)代表一個(gè)可能的起火點(diǎn)，如圖4所示。

圖3　起火點(diǎn)發(fā)生位置示意圖

圖4　網(wǎng)格圖

起火點(diǎn)發(fā)生位置概率的計(jì)算公式如下：

(7)

式中，P為起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率；n為該情況下可能的起火點(diǎn)個(gè)數(shù)；N為所有可能的起火點(diǎn)個(gè)數(shù)總數(shù)。

以中Ⅱ危險(xiǎn)級場所為例，按正方形布置噴頭，根據(jù)《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]第7.1.2條得到區(qū)域A的大小為3.4 m×3.4 m，在噴頭上方采用直徑為600 mm的圓形集熱板。在區(qū)域A內(nèi)劃分網(wǎng)格后，獲得可能的起火點(diǎn)個(gè)數(shù)總計(jì)1 225個(gè)。當(dāng)起火點(diǎn)位于集熱板正下方時(shí)，共有29個(gè)起火點(diǎn)，如圖5中的圓點(diǎn)標(biāo)記，經(jīng)式(7)計(jì)算，得到發(fā)生該情況的概率僅為2.37%。當(dāng)起火點(diǎn)處于一般位置時(shí)，可能的起火點(diǎn)個(gè)數(shù)共計(jì)1 196個(gè)，經(jīng)計(jì)算，發(fā)生該情況的概率為97.63%。計(jì)算結(jié)果顯示，在中Ⅱ危險(xiǎn)級場所中采用直徑為600 mm的圓形集熱板時(shí)，如果發(fā)生火災(zāi)，起火點(diǎn)位于集熱板正下方的概率極低，僅有2.37%，絕大多數(shù)情況起火點(diǎn)處于一般位置。

圖5　起火點(diǎn)位于集熱板正下方可能的位置

實(shí)際工程中，除了中Ⅱ危險(xiǎn)級場所以外，在輕和中Ⅰ危險(xiǎn)級場所中也存在大量使用集熱板的情況，集熱板的規(guī)格有很多，包括直徑為200 mm、400 mm和600 mm的圓形集熱板以及邊長為180 mm、350 mm和530 mm的正方形集熱板。

由式(7)知，影響起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率有兩個(gè)因素，一是場所危險(xiǎn)級，不同危險(xiǎn)級場所的系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度不同，對應(yīng)的噴頭布置間距也就不同，噴頭布置間距決定N的個(gè)數(shù)；二是集熱板規(guī)格，集熱板形狀和大小的不同直接影響它在地面投影內(nèi)n的個(gè)數(shù)。為保證理論分析的準(zhǔn)確性，本文對場所危險(xiǎn)級與集熱板規(guī)格不同情況下起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率都進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2。

由表2可看出，場所危險(xiǎn)級越嚴(yán)重或集熱板尺寸越大，起火點(diǎn)位于集熱板正下方的概率越大，但最大值僅為2.52%。說明無論在何種危險(xiǎn)級的場所采用什么規(guī)格的集熱板，起火點(diǎn)位于集熱板正下方的概率都很小，絕大多數(shù)情況處于一般位置。因此，集熱板的有效性是很低的，建議在其替代方法方面展開研究，指導(dǎo)實(shí)際工程的應(yīng)用。

3　結(jié)論

本文以噴頭響應(yīng)時(shí)間和頂棚射流模型相關(guān)理論為基礎(chǔ)，分析起火點(diǎn)位于不同位置時(shí)集熱板集熱效果，研究了起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率，得到如下結(jié)論：(1)當(dāng)起火點(diǎn)位于集熱板的正下方時(shí)，集熱板內(nèi)的噴頭啟動(dòng)時(shí)間早于直接安裝在頂棚處的噴頭，集熱板的集熱效果理想；當(dāng)起火點(diǎn)不在集熱板的正下方時(shí)，頂棚射流很難降低至集熱板的安裝高度，集熱板起不到集熱作用。(2)場所危險(xiǎn)級越嚴(yán)重或集熱板尺寸越大，起火點(diǎn)位于集熱板正下方的概率越大。(3)集熱板的有效性很低，僅為0.16%～2.52%，不建議在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

表2　起火點(diǎn)發(fā)生位置的概率(%)

[1] 薄立矗.集熱罩對噴頭啟動(dòng)時(shí)間影響的數(shù)值模擬研究[J].武警學(xué)院學(xué)報(bào),2011,27(6):5-7.

[2] 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):1294-1297.

[3] 馮小軍,張文華,孔祥欣,等.集熱板在大空間場所作用效果的討論[J].消防科學(xué)與技術(shù),2008,27(2):86-90.

[4] GUPTA A K. Modeling the Response of Sprinklers Incompartment Fires[J].Fire and Materials,2001,25:117-121.

[5] BUKOWSHI R W．Fire Hazard Analysis[M]// Fire Protection Handbook. 19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003: Section 3 Chapter 7.

[6] BUDNICK E K, EVANS D D, NELSON H E. Simplified Fire Growth Calculations[M]// Fire Protection Handbook.19th ed. Quincy, MA: National Protection Association,2003:Section 3 Chapter 9.

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[8] KLEIN R A. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering(1995)[J]. Fire Safety Journal,1997,291.

[9] 杜蘭萍.基于性能化的大尺度公共建筑防火策略研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[10] 中華人民共和國公安部.自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50084—2001[S].2005年版.北京：中國計(jì)劃出版社,2005.

(責(zé)任編輯、校對馬龍)

An Analysis of the Effectiveness of a Heat-collection Plate

LIU Jinshuo

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The heat-collection effect of a heat-collection plate is determined by the responding time of nozzle. Based on the formula of the responding time of a nozzle and Alpert model of a ceiling jet, this paper analyzes the heat-collecting effectiveness with different locations of a fire and a heat-collection plate. The results show that when the origin of a fire is under a heat-collection plate, the heat-collecting effect is ideal but this probability is low about only 0.16%～2.52%. Therefore, the effectiveness of a heat-collection plate is low and it is hard to be effective.

heat-collection plate; ceiling jet; position probability of fire; effectiveness

2016-01-12

武警學(xué)院優(yōu)秀碩士學(xué)位論文培育工程項(xiàng)目(YP201510)

劉今爍(1992—)，男，山東菏澤人，防火工程專業(yè)在讀碩士研究生。

TU892

A

1008-2077(2016)04-0023-04