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      噴頭加設(shè)集熱板有效性的理論分析

      2016-10-20 08:25:30劉今爍
      關(guān)鍵詞:正下方集熱熱板

      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.

      [7] CHOW W K. Performance of Sprinkler in Atrium[J]. Journal of Fire Science,1996,14:467-488.

      [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

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