新型集熱罩設計及其集熱效果研究

葛曉霞

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

新型集熱罩設計及其集熱效果研究

葛曉霞

(武警學院 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計思路，并設計了多種型式的集熱罩。在此基礎(chǔ)上針對集熱罩在實際工程中的應用情況，設計了18種試驗場景，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)化設計方案，該研究成果對提高集熱罩的應用效果具有一定的指導意義。

新型集熱罩；集熱效果；導流孔

0 引言

集熱擋水板(簡稱集熱罩)是一種用來集聚煙氣，以加快噴頭啟動的設施。根據(jù)《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》[1]，該設施可用于高架倉庫、大型停車庫、廠房等大空間場所中在布置噴頭處有孔隙、洞口的地方。實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，不同的專家學者對此進行了研究，張文華[2]、馮小軍[3]等研究了不同大小的集熱罩在車庫和大空間建筑中使用時對自動噴水滅火系統(tǒng)啟動時間的影響，明確了自動噴水滅火系統(tǒng)中集熱罩的使用范圍。薄立矗[4]通過數(shù)值模擬研究了集熱罩對自動噴水滅火系統(tǒng)啟動時間的影響規(guī)律。通過現(xiàn)有文獻分析發(fā)現(xiàn)，關(guān)于集熱罩應用效果方面的研究較多，而如何提高該設施集熱效果的研究較少，目前僅發(fā)現(xiàn)高翔[5]等對集熱罩進行了改進，并對比了傳統(tǒng)型和改進型集熱罩的集熱效果。因此，基于集熱罩在工程中的廣泛應用和現(xiàn)有的研究結(jié)果，有必要對集熱罩結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，為提高其工程應用效果提供技術(shù)參考。

1 新型集熱罩設計

1.1 設計原理

文獻[6]研究表明，當火源位于集熱罩下方時，集熱效果明顯，火源不在集熱罩正下方時，未出現(xiàn)明顯的集熱效果。分析其原因不難發(fā)現(xiàn)，當火源位于集熱罩下方時，熱煙氣上升到集熱罩處開始積聚，然后才開始向四周溢流，熱煙氣積聚和流動較快。火源不在集熱罩正下方時，熱煙氣首先上升到頂棚然后發(fā)生頂棚射流，當煙氣沉降到集熱罩處時，由于集熱罩邊緣的影響，一定程度上阻礙了熱氣流的流動，導致新的熱氣流不能及時補充，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。

對集熱罩結(jié)構(gòu)進行改進的思路主要是從加快煙氣流動的角度出發(fā)，基于對流換熱和伯努利方程，在集熱罩上加裝導流孔，具體如圖1所示。由公式(1)和(2)可知，當熱煙氣流經(jīng)集熱罩上的導流孔時，在開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，避免了煙氣在集熱罩處停滯，進而也增加了冷、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 新型集熱罩設計原理

(1)

式中，Q——煙氣的流量，m3；

D——導流孔孔徑，m；

v——煙氣流動速度，m·s-1。

(2)

式中，P——集熱罩內(nèi)煙氣產(chǎn)生的靜壓強，Pa；

ρ——煙氣的密度，kg·m-3。

1.2 新型集熱罩的外形設計

本設計在半徑為0.2m的圓形集熱罩的基礎(chǔ)上進行改裝。在改裝形式的選擇中，主要兼顧集煙和導流的雙重作用，因此開孔不宜太大，本試驗采用孔徑為10mm的小孔，設計三條半徑不同的圓形布置軌道，按照5%的開孔率遞增，每條軌道設計導流孔個數(shù)依據(jù)擬構(gòu)想的改造導流孔中最大孔徑的最多布置個數(shù)為宜，具體布置見圖2。

圖2 新型集熱罩外觀

2 試驗設計

2.1 試驗場所介紹

試驗在大空間實驗室進行，實驗室內(nèi)裝有可以上下移動的活動吊頂，其活動高度范圍為2～10m，實驗室頂棚上可根據(jù)試驗需要布置噴頭，同時在實驗室內(nèi)設有設備控制裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可滿足試驗需要。

2.2 試驗器材

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

2.3 試驗平臺

選取實驗室中某個噴頭處作為測試點，集熱罩緊貼噴頭安裝。熱電偶分別設置在集熱罩內(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。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 試驗工況

試驗中分別改變開孔的位置、大小、數(shù)量，以此來驗證不同新型集熱罩的集熱效果，具體工況見表1，取H=5.00m，S=0.12m2，標準油盤油量為2L。表1中N表示設計總孔數(shù)，D表示開孔直徑，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值共設計了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，最不利情況是火災發(fā)生在兩個噴頭的中間部位，即1.8m。這樣便可驗證在最不利的情況下集熱罩的集熱效果。

表1 試驗工況

3 試驗結(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，℃；

T2——現(xiàn)行集熱罩內(nèi)溫度最高點，℃。

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，進行實體火災試驗，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，進行對比分析以獲取新型集熱罩與現(xiàn)行集熱罩集熱效果，具體工況見表1中試驗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，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，另一方面當火源在集熱罩正下方時，集熱提升效率約為16%，而當火源距集熱罩1.8m處時，集熱提升效率約為31%，以上兩點均表明通過在集熱罩面板上開設孔徑，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，分別探討了開孔孔徑、孔數(shù)、布局和安裝高度等因素對新型集熱罩集熱效果的影響。

3.2.1 導流孔孔徑對新型集熱罩集熱效果的影響

為了分析導流孔孔徑對新型集熱罩集熱效果的影響，選取開設4個導流孔，孔徑為10mm和20mm的兩種集熱罩，具體試驗工況見表1中試驗2和3。火源在三種不同位置處集熱罩內(nèi)溫度變化見圖7、圖8和圖9。

由圖可見，當火源分別在集熱罩下、距集熱罩0.9m和1.8m處時，集熱罩內(nèi)溫度表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，即在相同時間內(nèi)，孔徑20mm的集熱罩比孔徑10mm的集熱罩內(nèi)溫度高，當火源在集熱罩正下方時，集熱提升效率達到37%左右，而在最不利條件下，集熱提升效率仍然達到23%左右，由此可見，孔徑為20mm的集熱罩比孔徑為10mm的集熱罩集熱效果好。雖然開大導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，因為孔徑再擴大，會在一定程度上影響煙氣的停留和集聚，因此開孔孔徑為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 導流孔孔數(shù)對新型集熱罩集熱效果的影響

為了分析導流孔孔數(shù)不同時新型集熱罩的集熱效果，分別測試了在導流孔孔徑為20mm下，孔數(shù)分別為4、8、16、24個時新型集熱罩的集熱效果，具體工況見表1中試驗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，火源在三種不同位置處時，新型集熱罩表現(xiàn)出了相似的集熱效果變化規(guī)律。當火源在集熱罩的正下方時，集熱罩內(nèi)最低和最高溫度相差在3.2%左右，集熱效果沒有出現(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%。當火源在距集熱罩0.9m處時，開設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。當火源在距集熱罩1.8m處時，開設4和24孔的集熱罩內(nèi)溫度略低于其他兩種情況。雖然開設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，在某種場所中還要起到擋水的作用，因此，建議新型集熱罩開設8孔為宜。

圖10 試驗火源正上方處溫度變化圖

圖11 試驗距火源橫向0.9 m處溫度變化圖

圖12 試驗距火源橫向1.8 m處溫度變化圖

3.2.3 導流孔布置方式對集熱效果的影響

為了分析新型集熱罩導流孔布置方式對集熱效果的影響，分別對比分析了在導流孔孔徑同為20mm，孔數(shù)4個時設置內(nèi)、中、外三軌道處，以及孔數(shù)為8個分兩條軌道設置(每條軌道4個)時的集熱罩集熱效果，具體工況見表1中試驗3和4。

圖13 不同位置開設4孔時的溫度變化曲線

圖14 不同位置開設8孔時的溫度變化曲線

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

4 結(jié)論

通過對新型集熱罩進行研究，主要獲得了如下結(jié)論：(1)結(jié)合煙氣流動規(guī)律和伯努利方程，給出了新型集熱罩的設計原理。(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)在集熱罩上開設的孔數(shù)、孔徑和孔的布置方式影響集熱效果，通過對比分析發(fā)現(xiàn)開設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，自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(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自動噴水滅火系統(tǒng)中的應用研究[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.集熱板在大空間場所作用效果的討論[J].消防科學與技術(shù),2008，27(4):86-90.

[4] 薄立矗.集熱罩對噴頭啟動時間影響的數(shù)值模擬研究[J].武警學院報,2011,27(6):6-7.

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

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

(責任編輯 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