新型集热罩设计及其集热效果研究

葛晓霞

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

新型集热罩设计及其集热效果研究

葛晓霞

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

分析了影响现行集热罩集热效果的原因，提出了新型集热罩的设计思路，并设计了多种型式的集热罩。在此基础上针对集热罩在实际工程中的应用情况，设计了18种试验场景，探讨了新型集热罩的集热效果，并研究了不同孔径、不同孔数、不同布局和火源位置对新型集热罩集热效果的影响规律，提出了新型集热罩的优化设计方案，该研究成果对提高集热罩的应用效果具有一定的指导意义。

新型集热罩；集热效果；导流孔

0 引言

集热挡水板(简称集热罩)是一种用来集聚烟气，以加快喷头启动的设施。根据《自动喷水灭火系统设计规范》[1]，该设施可用于高架仓库、大型停车库、厂房等大空间场所中在布置喷头处有孔隙、洞口的地方。实际工程中集热罩常用在喷头与顶棚之间的距离超出75～150 mm的场所中，这种使用方法已超出了规范界定的范围，但在工程中广为存在。为探讨集热罩的集热效果，不同的专家学者对此进行了研究，张文华[2]、冯小军[3]等研究了不同大小的集热罩在车库和大空间建筑中使用时对自动喷水灭火系统启动时间的影响，明确了自动喷水灭火系统中集热罩的使用范围。薄立矗[4]通过数值模拟研究了集热罩对自动喷水灭火系统启动时间的影响规律。通过现有文献分析发现，关于集热罩应用效果方面的研究较多，而如何提高该设施集热效果的研究较少，目前仅发现高翔[5]等对集热罩进行了改进，并对比了传统型和改进型集热罩的集热效果。因此，基于集热罩在工程中的广泛应用和现有的研究结果，有必要对集热罩结构进一步优化，为提高其工程应用效果提供技术参考。

1 新型集热罩设计

1.1 设计原理

文献[6]研究表明，当火源位于集热罩下方时，集热效果明显，火源不在集热罩正下方时，未出现明显的集热效果。分析其原因不难发现，当火源位于集热罩下方时，热烟气上升到集热罩处开始积聚，然后才开始向四周溢流，热烟气积聚和流动较快。火源不在集热罩正下方时，热烟气首先上升到顶棚然后发生顶棚射流，当烟气沉降到集热罩处时，由于集热罩边缘的影响，一定程度上阻碍了热气流的流动，导致新的热气流不能及时补充，影响了冷、热烟气的热交换，致使集聚在集热罩处的烟气热量逐渐散失，影响了集热罩的集热效果。

对集热罩结构进行改进的思路主要是从加快烟气流动的角度出发，基于对流换热和伯努利方程，在集热罩上加装导流孔，具体如图1所示。由公式(1)和(2)可知，当热烟气流经集热罩上的导流孔时，在开孔附近形成局部收缩，流速增加，在集热罩内、外两侧产生压力差，从而加快了集热罩内热烟气的流动，避免了烟气在集热罩处停滞，进而也增加了冷、热烟气之间的热交换，在一定程度上增加了集热罩的集热效果。

图1 新型集热罩设计原理

(1)

式中，Q——烟气的流量，m3；

D——导流孔孔径，m；

v——烟气流动速度，m·s-1。

(2)

式中，P——集热罩内烟气产生的静压强，Pa；

ρ——烟气的密度，kg·m-3。

1.2 新型集热罩的外形设计

本设计在半径为0.2m的圆形集热罩的基础上进行改装。在改装形式的选择中，主要兼顾集烟和导流的双重作用，因此开孔不宜太大，本试验采用孔径为10mm的小孔，设计三条半径不同的圆形布置轨道，按照5%的开孔率递增，每条轨道设计导流孔个数依据拟构想的改造导流孔中最大孔径的最多布置个数为宜，具体布置见图2。

图2 新型集热罩外观

2 试验设计

2.1 试验场所介绍

试验在大空间实验室进行，实验室内装有可以上下移动的活动吊顶，其活动高度范围为2～10m，实验室顶棚上可根据试验需要布置喷头，同时在实验室内设有设备控制装置和数据采集系统，可满足试验需要。

2.2 试验器材

自动喷水灭火系统及其控制平台，新型集热罩若干个，油盘、卷尺、秒表、热电偶若干只。

2.3 试验平台

选取实验室中某个喷头处作为测试点，集热罩紧贴喷头安装。热电偶分别设置在集热罩内、外(同一水平线)和顶棚处。将集热罩到顶棚的距离定为H1，火源到集热罩的距离定为H，喷头正下方到油盘中心的横向距离定为L。具体布置如图3所示。

1.集热罩；2.喷头；3.热电偶；4.数据采集系统；5.火源；6.顶棚

2.4 试验工况

试验中分别改变开孔的位置、大小、数量，以此来验证不同新型集热罩的集热效果，具体工况见表1，取H=5.00m，S=0.12m2，标准油盘油量为2L。表1中N表示设计总孔数，D表示开孔直径，布置轨道距圆心为0.03m处布置孔数为N1、0.07m处为N2、0.11m处为N3。在此L值共设计了0m、0.9m和1.8m三种距离，之所以选择这三种情况主要是考虑喷头之间的距离为3.6m时，最不利情况是火灾发生在两个喷头的中间部位，即1.8m。这样便可验证在最不利的情况下集热罩的集热效果。

表1 试验工况

3 试验结果与分析

为了方便分析集热罩集热的提升效果，在此引入集热提升效率的定义，集热提升效率计算方法如式(3)所示。

(3)

式中，η——集热提升效率；

T1——新型集热罩内温度最高点，℃；

T2——现行集热罩内温度最高点，℃。

3.1 新型集热罩集热效果分析

选取净空高5m，集热罩距顶棚0.5m处安装，进行实体火灾试验，分别采集火源正上方、距火源0.9m处和距火源1.8m处集热罩内温度，进行对比分析以获取新型集热罩与现行集热罩集热效果，具体工况见表1中试验1和2。三种工况下集热罩处温度变化规律如图4、图5和图6所示。

图4 火源正上方处集热罩内温度变化

图5 距火源横向0.9 m处集热罩内温度变化

图6 距火源横向1.8 m处集热罩内温度变化

由图可见，三种情况下新型集热罩均表现出了较好的集热效果。一方面新型集热罩处温升速率比现行集热罩内、集热罩外快，另一方面当火源在集热罩正下方时，集热提升效率约为16%，而当火源距集热罩1.8m处时，集热提升效率约为31%，以上两点均表明通过在集热罩面板上开设孔径，可在一定范围内提升集热罩的集热效率。

3.2 新型集热罩结构优化

为了获得较优的集热罩改装形式，分别探讨了开孔孔径、孔数、布局和安装高度等因素对新型集热罩集热效果的影响。

3.2.1 导流孔孔径对新型集热罩集热效果的影响

为了分析导流孔孔径对新型集热罩集热效果的影响，选取开设4个导流孔，孔径为10mm和20mm的两种集热罩，具体试验工况见表1中试验2和3。火源在三种不同位置处集热罩内温度变化见图7、图8和图9。

由图可见，当火源分别在集热罩下、距集热罩0.9m和1.8m处时，集热罩内温度表现出一致的变化规律，即在相同时间内，孔径20mm的集热罩比孔径10mm的集热罩内温度高，当火源在集热罩正下方时，集热提升效率达到37%左右，而在最不利条件下，集热提升效率仍然达到23%左右，由此可见，孔径为20mm的集热罩比孔径为10mm的集热罩集热效果好。虽然开大导流孔径在一定程度上提升了集热效果，但并不是孔径越大越好，因为孔径再扩大，会在一定程度上影响烟气的停留和集聚，因此开孔孔径为20mm较为适宜。

图7 火源正上方处集热罩内温度变化图

图8 距火源横向0.9 m处集热罩内温度变化图

图9 距火源横向1.8 m处集热罩内温度变化图

3.2.2 导流孔孔数对新型集热罩集热效果的影响

为了分析导流孔孔数不同时新型集热罩的集热效果，分别测试了在导流孔孔径为20mm下，孔数分别为4、8、16、24个时新型集热罩的集热效果，具体工况见表1中试验3、4、5和6。集热罩内温度变化情况如图10、图11和图12所示。

由图可见，火源在三种不同位置处时，新型集热罩表现出了相似的集热效果变化规律。当火源在集热罩的正下方时，集热罩内最低和最高温度相差在3.2%左右，集热效果没有出现明显差异，其中8孔的集热罩集热效果略低，与4孔集热罩相比仅差1.4%，与16孔的相差2.2%。当火源在距集热罩0.9m处时，开设4孔的集热罩内温度略低于其他三种情况，与最高的集热罩内温度相差在3%左右。当火源在距集热罩1.8m处时，开设4和24孔的集热罩内温度略低于其他两种情况。虽然开设16孔的集热罩集热效果在三种不同火源位置下均出现了较好的集热效果，但与8孔的集热罩集热效果相差不明显。综合考虑集热罩的功能，除集热作用外，在某种场所中还要起到挡水的作用，因此，建议新型集热罩开设8孔为宜。

图10 试验火源正上方处温度变化图

图11 试验距火源横向0.9 m处温度变化图

图12 试验距火源横向1.8 m处温度变化图

3.2.3 导流孔布置方式对集热效果的影响

为了分析新型集热罩导流孔布置方式对集热效果的影响，分别对比分析了在导流孔孔径同为20mm，孔数4个时设置内、中、外三轨道处，以及孔数为8个分两条轨道设置(每条轨道4个)时的集热罩集热效果，具体工况见表1中试验3和4。

图13 不同位置开设4孔时的温度变化曲线

图14 不同位置开设8孔时的温度变化曲线

由图13和图14可见，在两种开孔数不同的情况下，出现了一致的集热效果变化规律，即开孔越靠近中心，集热效果越好。当在内轨道开设4孔时的集热效果明显高于其他两种情况，与外轨道设置集热效率相差43%。之所以出现这种情况，是由于导流孔越靠近中心，烟气越往集热罩中心积聚，因此集热效果越好。

4 结论

通过对新型集热罩进行研究，主要获得了如下结论：(1)结合烟气流动规律和伯努利方程，给出了新型集热罩的设计原理。(2)新型集热罩表现出较好的集热效果，集热提升效率在16%～31%之间。(3)在集热罩上开设的孔数、孔径和孔的布置方式影响集热效果，通过对比分析发现开设8孔、孔径为20mm且孔靠近中心分散布置的新型集热罩集热效果较好。

[1]GB50084-2001，自动喷水灭火系统设计规范(2005年版)[S].

[2] 张文华,罗军,冯小军,等.集热挡水板在停车库自动喷水灭火系统中的应用研究[J].消防技术与产品信息，2009,(4):26-28.

[3] 冯小军，张文华，孔祥欣，等.集热板在大空间场所作用效果的讨论[J].消防科学与技术,2008，27(4):86-90.

[4] 薄立矗.集热罩对喷头启动时间影响的数值模拟研究[J].武警学院报,2011,27(6):6-7.

[5] 高翔,赵泽文.自动喷水灭火系统改进型集热板集热效应有效性分析[J].安防科技,2011,(7):27-31.

[6] 葛晓霞.集热挡水板应用效果的试验研究[J].消防科学与技术,2014,33(11):1294-1296.

(责任编辑 马 龙)

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

葛晓霞(1975— )，女，河北唐山人，教授。

D631.6

A

1008-2077(2015)04-0014-05