автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Математическое моделирование процессов теплообмена в огнестойких конструкциях

! ип 1 с О КГ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт проблем машиностроения

На правах рукописи

НОВАК СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ОГНЕСТОЙКИХ КОНСТРУКЦИЯХ

05.14.05 - теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ХАРЬКОВ - 1996

Диссертация является рукописью. Работа выполнена в Научно-исследовательском центре государственных испытаний на пожарную опасность Украинского научно-исследовательского института пожарной безопасности МВД Украины.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Братута Эдуард Георгиевич; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Круковский Павел Григорьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Маляренко Виталий Андреевич; кандидат технических наук, доцент Тарасов Александр Иванович.

Ведущая организация: Киевский институт "Энергопроект"

ГОСКОМАТОМа.

Защита состоится "_з_" октября 1996 г. в 14 часов в аудитории XI этажа на заседании специализированного ученого совета Д 02.18.03 в Институте проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем машиностроения HAH Украины по адресу: 310046, г. Харьков, ул. Пожарского, 2/10 ИЛМаш HAH Украины.

Автореферат разослан " i. " августа 1996 г. Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук Г-В- Дедков

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ущерб, наносимый пожарами, в ряде случаев может быть велик и часто невосполним. Для обеспечения противопожарной защиты объектов к ряду конструкций предъявляется требование по выполнению своих функций в условиях пожара. Это требование считается выполненным, если предел огнестойкости конструкции не ниже требуемой величины, установленной нормативными документами. Предел огнестойкости конструкций соответствует продолжительности стадии огневого воздействия на конструкцию в условиях стандартного температур-но-временного режима пожара, при которой наступает потеря несущей и (или) ограждающей способности конструкции - превышение допустимого теплового состояния конструкции.

Создание новых и реконструкция существующих огнестойких конструкций (ОК) является весьма актуальной задачей.. Разработка ОК охватывает широкий круг взаимосвязанных задач, одни из которых состоят в выборе конструктивного решения (схемы конструкции, типов используемых материалов) и (или) определении значений геометрических параметров конструкции, при которых выполняется требование по обеспечению допустимого теплового состояния конструкции, а в ряде случаев - и другие ограничения (например, на толщину или массу конструкции). В настоящее время для решения этих задач (задач теплового проектирования) применяется преимущественно экспериментальный подход, основанный на проведении в специальных огневых печах стандартных испытаний образцов конструкций на огнестойкость. Однако, в ряде случаев, этот подход неприемлем, так как требует значительных материальных затрат (стоимость одного испытания достигает 3000 долларов США) и не позволяет найти оптимальное конструктивное решение.

Поэтому, в настоящее время представляет интерес поиск альтернативного подхода к решению задач теплового проектирования ОК, который был бы лишен указанных недостатков, чему и посвящена настоящая работа.

Диссертационная работа выполнена в 1992-1996 годах в Украинском НИИ пожарной безопасности МВД Украины (УкрНИИПБ МВД Украины) в соответствии с планами научно-исследовательских работ (НИР) УкрНИИПБ МВД Украины (госбюджетные НИР "Провести поисковые исследования методов испытаний на пожарную безопасность в строительстве и определения качества огнезащитных пропиток и огнезащиты строительных конструкций" (№ госрегистрации О193и039393), "Разработать оборудование и освоить лабораторные методы испытаний огнезащитных покрытий (ОЗП) строительных металлических конструкций" (№ госрегистрации 019511028780) и двенадцать хоздоговорных НИР), а также планом организационных мероприятий УкрНИИПБ МВД Украины по выполнению Государственной программы обеспечения пожарной безопасности на 1995-2000 годы (Постановление Кабинета Министров Украины от 3 апреля 1995 г. №238) и Главных направлений научных исследований УкрНИИПБ МВД Украины на 1996-2000 годы (утверждены Первым заместителем Министра внутренних дел Украины 26 сентября 1995 г.), п. 7.3 "Разработка расчетно-экс-периментальных методов определения теплозащитных характеристик материалов, которые используются для повышения огнестойкости строительных конструкций".

Необходимость двух научных руководителей обусловлена тем, что диссертационная работа посвящена разработке методики решения задач теплового проектирования ОК. включающей этап идентификации решением обратных задач теплопроводности (ОЗТ) теплофизических характеристик (ТФХ) материалов. Поэтому, по вопросам теплового проектирования руководитель работы Брату-та Э.Г., по вопросам ОЗТ - Круковский П.Г., являющиеся специалистами в соответствующих областях.

Цель работы. Разработать методику решения задач теплового проектирования ОК, основанную на математическом моделировании процессов теплообмена, и применить ее для решения следующих важных для практики задач: задачи определения оптимальных толщин ОЗП строительных металлических конструкций; задачи определения конструктивного решения для огнестойких сей-

фов, удовлетворяющего требованию по огнестойкости и ограничению на максимальную толщину стенки сейфа; задачи определения оптимальных толщин двухслойной тепловой защиты стенок аварийных регистраторов полетных данных.

Методы исследований: использованы методы математического моделирования: метод вычислительного эксперимента, методы решения обратных и прямых задач теплопроводности (ПЗТ) и задач оптимизации.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Методика решения задач теплового проектирования огнестойких конструкций, основанная на математическом моделировании процессов теплообмена, позволяющая решать поставленные задачи при существенно меньших (по сравнению с экспериментальным подходом) материальных затратах.

2. Расчетно-экспериментальная методика определения теплозащитной способности ОЗП строительных металлических конструкций, основанная на идентификации решением ОЗТ теплофизи-ческих характеристик покрытия по данным термометрирования, полученным в ходе нескольких стандартных испытаний на огнестойкость (без измерения температуры в слое покрытия), и решении задачи оптимизации. Впервые показано, что для повышения информативности и точности идентификации ТФХ покрытия по данньм термометрирования, полученным в ходе стандартных испытаний на огнестойкость, необходимо в решении ОЗТ использовать данные нескольких испытаний одновременно.

3. Данные по теплозащитной способности ОЗП "Эндотерм ХГ-150", а также ОЗП "ОПВ-1" для случая защиты стальных воздуховодов систем вентиляции.

4. Принципиальное конструктивное решение стенок сейфов для хранения материальных ценностей, обеспечивающее требуемую огнестойкость оборудования и удовлетворяющее заданному ограничению на толщину стенки сейфа.

5. Зависимости минимальной толщины двухслойной тепловой

защити стенки регистратора полетных данных от относительной толщины слоев теплозащиты, позволяющие проектировщикам этого оборудования выбрать оптимальное конструктивное решение.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием математических моделей, адекватных реальным процессам теплообмена, удовлетворительной сходимостью результатов расчета с данными натурных и вычислительных экспериментов, использованием апробированных численных методов расчетных исследований.

Теоретическая ценность работы заключается в разработке методики решения задач теплового проектирования ОК, позволяющей определять оптимальные конструктивные решения, а также в получении результатов, которые могут быть использованы при конструировании ОК.

Практическая ценность и использование результатов работы состоит в том, что разработанная методика решения задач теплового проектирования ОК имеет четкую практическую направленность, поскольку ориентирована на широкое использование инженерами при решении поставленных перед ними практических задач, связанных с созданием ОК различного функционального назначения.

Результаты работы использованы ПО "Чернобыльская АЭС" при разработке проекта противопожарной защиты воздуховодов систем вентиляции объектов Чернобыльской АЭС; НПП "Спецматериалы" при разработке технических условий на ОЗП "Эндотерм XT—150" и при разработке двухслойного ОЗП для стальных воздуховодов; НИЦ "Практика" и СП "Эгалон-К" - при разработке конструкций сейфов, шкафов и хранилищ материальных ценностей; Государственным институтом "УКРГЙПРОСАХАР" при разработке проекта огнепреграждающего затвора типа 30-600x600; НПО "Электронприбор" при разработке конструкций аварийных регистраторов полетных данных; УкрНИИПБ МВД Украины при выполнении НИР, связанных с определением оптимальных параметров ОК.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XIII, XIV, XVII научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов Института технической теплофизики HAH Украины, Киев, 1982, 1983, 1986; на I и II Республиканских школе-семинарах молодых ученых и специалистов "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Алушта, 1985. 1987; на Всесоюзной научно-исследовательской конференции "Перспективы развития исследований в области структуры и свойств углерода и материалов на его основе", Москва, 1985; на III и V научно-технических конференциях "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений". Харьков. 1986 и 1994; на Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики", Новосибирск, 1987; на VII и IX Международных конференциях по инженерной теплофизике и термогравиметрии, Венгрия, Будапешт, 1987 и 1995; на I и III Международных научно-технических конференциях "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда", Севастополь, 1993 и 1995; на научно-технической конференции "Проблемы пожарной безопасности", Харьков, 1993; на II Международной конференции "Идентификация динамических систем и обратные задачи", С.-Петербург, 1994; на I Международном семинаре "Огнезащита строительных материалов и конструкций - проблемы, исследования, технология", Львов, 1994; на I Международном семинаре "Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита объектов", Москва, 1995; на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95", Москва, 1995; на научно-технической конференции "Проблемы пожарной безопасности", Киев, 1995; на I Международной конференции "Пожарная безопасность в строительстве", Польша, Варшава-Спала, 1995; на III Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, 1996; на II Европейской конференции по теплопереносу, Рим, 1996.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девятнадцать статей и пять тезисов докладов.

Личное участие автора в получении научных результатов состоит в разработке основной идеи диссертации, постановке и решении задач теплового проектирования ОК и идентификации ТФХ материалов [1. 2, 4-9, 13-15, 17-20], разработке расчет-но-эксперименгальных методик [3, 5, 6, 9-12, 14-16, 18-23], выполнении расчетных исследований [2, 5, 8, 12, 19, 24]. Автору принадлежат также обработка, анализ и обобщение полученных данных. Все работы, представленные в соавторстве, выполнялись диссертантом в виде равноправного партнерства.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 95 наименований, 44 рисунков, 1 таблицы, 129 страниц основного текста, всего 183 страницы.

2 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен обзор по вопросу использования математического моделирования процессов теплообмена при разработке ОК.

ОК должны удовлетворять следующему условию

t0с ^ tTp, (1 )

где toc и tTp - соответственно фактический и требуемый предел огнестойкости конструкции, мин.

В общем случае, предел огнестойкости конструкции соответствует продолжительности tH стадии огневого воздействия (см. рис.!) при стандартном температурно-временном режиме Tc(t) пожара (в дальнейшем - температурный режим стандартного пожара), при которой максимальное значение температуры Твн необогреваемой поверхности конструкции равно допустимому значению Тдоп или минимальное значение несущей способности Nx (для сжатых и растянутых элементов NK - это продольная сила, для изгибаемых элементов - изгибающий момент) коне-

трукции соответствует допустимому значению Naon. Задачами теплового проектирования ОК являются: выбор конструктивного решения и (или) определение значений геометрических параметров конструкции, которые удовлетворяют ограничениям на допустимое тепловое и (или) прочностное состояние конструкции

max TSH (t) < Тлоп; (2)

min SK (t) > йдоп, (3)

а в ряде случаев - и другим ограничениям, например, на толщину Ьк конструкции

ьк < Ьдоп- (4)

Показано, что в настоящее время для решения задач теплового проектирования ОК применяется преимущественно экспериментальный подход, основанный на проведении большого количества стандартных испытаний на огнестойкость, а применение подхода, основанного на математическом моделировании процессов теплообмена, весьма ограничено.

Обзор имеющихся литературных источников позволил сформулировать цели и задачи диссертационной работы и наметить пути их решения с привлечением методов математического моделирования.

Во второй главе дано описание методики решения задач теплового проектирования ОК.

Процесс решения задач теплового проектирования ОК условно разбит на следующие этапы:

- описание объекта проектирования и содержательная постановка задачи теплового проектирования ОК;

- выбор математической модели процесса теплопроводности в конструкции в условиях стандартного пожара;

- нахождение (выбор по литературным источникам или идентификация по результатам испытаний на огнестойкость) ТФХ ка-

териалов конструкции;

- математическая формулировка задачи определения оптимальных параметров конструкции;

- расчет оптимальных параметров;

- анализ полученного решения.

Детально раскрыто содержание этих этапов. В этом описании приведены граничные условия, которые используются в математических моделях ОК, дана постановка задачи идентификации по данным стандартных испытаниях на огнестойкость ТФХ материалов ОК в следующем виде.

Имеются данные термометрирования, полученные в ходе двух (или более) стандартных испытаний на огнестойкость образцов конструкции с исследуемым материалом. Требуется на основании математической модели процесса теплопроводности решением ОЗТ определить такие ТФХ, которые обеспечивают минимальное отклонение Ф расчетных Тм и экспериментальных Тэ значений температур в точке (точках) термометрирования

В о, 5

I (Тм3 - Тэ;!)2/га , (5)

где га - количество экспериментальных значений Тэ.

Рассмотрены методы решения ОЗТ, которые могут использоваться для решения этой задачи идентификации. Дана математическая формулировка задачи определения оптимальных значений параметров ОК, которая содержит математические выражения для ограничений на допустимое тепловое (2) и прочностное (3) состояние конструкции, геометрические (4) и другие параметры, а также для критерия оптимальности. В качестве критерия оптимальности чаще всего используется требование минимума толщины конструкции

Ьк ш!п (6)

Показано, что для несущих нагрузку конструкций, в которых несущими элементами являются растянутая арматура (изгибаемые

и

железобетонные конструкции) и несущие стержни (металлические конструкции), ограничение на допустимое прочностное состояние (3) приводится к ограничению на допустимое тепловое состояние

тах Тт(0 < Ткр, (7)

где'Тт - температура несущего нагрузку металлического элемента; Ткр - критическая температура металла - температура, при которой предел прочности (текучести) металлического элемента становится равным рабочему напряжению.

Приведена методика расчета оптимальных значений параметров ОК. Даны алгоритмы и примеры расчета для случая поиска только одного параметра и для случая поиска двух параметров (оптимальных толщин двух слоев конструкции).

Для расчета оптимальной величины одного параметра, например, слоя теплозащиты (слой 2 на рис.1), решением ПЗТ определяется такое значение толщины Ьг опт, которое при г = обеспечивает выполнение условия

|ТД0П - шах Твн (г) I с Р. (8)

где р - малое число, например, 0,01 °С.

Определение Ь2 опг проводится путем итераций с использованием градиентного метода поиска минимума функции.

При поиске оптимальных значений толщин двух слоев конструкции определяется зависимость минимальной толщины конструкции (толщины, удовлетворяющей условию (8)) от относительной толщины одного из слоев. По этой зависимости определяются оптимальные (по критерию (6)) значения искомых параметров.

Показано на примерах, что на этапе анализа полученного решения могут приниматься как реальные решения относительно проектируемой конструкции так и рекомендации по видоизменению первоначальной формулировки задачи теплового проектиро-

вания или ее уточнению.

Третья глава посвящена использованию рассмотренного выше подхода для решения задачи определения оптимальных толщин ОЗП строительных металлических конструкций.

ОЗП наносят на поверхность металлических конструкций с целью обеспечения требуемой огнестойкости конструкции - выполнения условия (1). Определение t00, как правило, проводится путем стандартного испытания на огнестойкость, в котором определяется время (tH = toc) достижения температуры Тт металлического элемента допустимого значения Ткр (рис.2). Толщина ОЗП, при которой Tm(x¡, trp) = Ткр, является минимальной (оптимальной) толщиной Ь„ га1п, при которой выполняется требование (1) по огнестойкости. Значение Ьп ш1п зависит от толщины bm металла и времени tTp

ьп rain = f(bm, tTp). (9)

Рис.3 представляет графическое отражение зависимости (9). Зависимость (9) является характеристикой теплозащитной способности ОЗП. В настоящее время для определения этой характеристики применяется экспериментальный подход (подход А на рис.4), основанный на проведении достаточно большого количества (J=10-30) стандартных испытаний на огнестойкость образцов с различными значениями толщин bm и Ьл. В диссертационной работе предложен другой подход (подход В на рис.4), позволяющий определять зависимость (9) при существенно меньшем количестве испытаний на огнестойкость.

Согласно предложенной методике по данным термометрирова-ния (Tc(t), Tm(0, t)), полученным в ходе нескольких стандартных испытаний на огнестойкость, решением ОЗТ определяются ТФХ (коэффициент теплопроводности Хп, как функция от температуры, и удельная теплоемкость cvn, как константа) ОЗП. Решение ОЗТ проводится экстремальным методом, основанным на использовании итерационного метода Ньютона-Гаусса поиска минимума функции Ф (5) и метода регуляризации А.Н. Тихонова.

Решение ПЗТ осуществляется методом конечных разностей по неявной схеме. Зависимость Хп(Т) аппроксимируется в виде сплайн-функции (I или III порядка) для s узловых точек на температурной оси. Зависимость (9) определяется решением ряда задач оптимизации (поиска b„ mln) по найденным ТФХ при различных значениях bm и trp. Для расчета Ьп п1п используется условие (8) (при этом: Тдоп = Ткр, max TBH(t) =

Тт (Xj, 'trp)).

Приведены результаты решения методических задач по определению зависимости (9). В качестве исходных данных термо-метрирования использовались данные вычислительных экспериментов (испытаний). С этой целью решались две ПЗТ с одинаковыми зависимостями Хп (Т) (рис.5, кривая 1) и cvn(T), одинаковой толщиной Ьп = 15 мм, но с разными толщинами металла: bml = 20 мм (испытание №1). Ьт2 = 2 мм (испытание №2).

Результаты решения методических задач показали, что используемая при испытаниях схема измерений (рис.2) позволяет по данным одного испытания достаточно хорошо восстанавливать зависимость Х„(Т) при заданной зависимости cvn(T) и не позволяет одновременно восстанавливать обе эти зависимости. Не удается даже с приемлемой точностью восстановить зависимость Хп (Т) (рис.5, кривые 3, 4) и постоянное значение cvn. Также далеки от тачных зависимость Гт(0, t) (рис.6, кривая 3) и значение bn mln> определенные по этим ТФХ для условий другого испытания. В сложившейся ситуации, когда идентификация Хп и cv„ по каждому из испытаний не удовлетворяет необходимой точности, была предложена методика идентификации ТФХ путем решения ОЗТ при одновременном использовании данных нескольких испытаний (испытаний №1 и №2). На рис.5 (кривая 2) приведена зависимость ХП(Т), восстановленная решением ОЗТ при одновременном использовании данных двух испытаний. Найденные решением ОЗТ ТФХ материала были применены для определения зависимости (9), которая представлена на рис.3 (кривая 2). На этом же рисунке приведены 12 точек зависимости (9), полученные решением задачи по точным ТФХ, имитирующих

чисто экспериментальный путь определения этой зависимости. Анализ данных рис.3 показывает, что с помощью расчетно-экс-периментального метода, основанного на решении ОЗТ и ПЗТ, удается получить характеристику теплозащитной способности (9) покрытия на основе проведения только двух испытаний, в то время как при использовании чисто экспериментального подхода требуется проведение значительно большего количества испытаний. При этом различия в значениях Ьп ш1п, полученных этими методами, не превышают 0,2 мм, что вполне удовлетворяет требованиям практики.

На рис.7 приведены расчетные зависимости от толщины bm относительного отклонения h от точной величины (найдены по точным ТФХ) значений bn mln, рассчитанных по ТФХ, полученным решением ОЗТ по данным двух испытаний одновременно (кривая 1) и врозь (кривые 2, 3). Из этого рисунка следует, что при идентификации ТФХ по данным двух испытаний одновременно ошибка в определении bn mln ничтожна, в то время как при идентификации ТФХ по данным одного испытания эта ошибка может достигать существенного значения.

Приводятся результаты определения теплозащитной способности ОЗП "Эндотерм ХТ-150" и "ОПВ-1".

В четвертой главе приведены результаты решения задачи определения конструктивного решения для огнестойких сейфов и задачи определения оптимальных толщин двухслойной тепловой защиты стенок аварийных регистраторов полетных данных.

Проведены исследования конструктивных решений стенок сейфов с однослойной и двухслойной теплозащитой. На рис.8 (кривая 2) приведена для однослойной конструкции теплозащиты (рис.1) расчетная зависимость максимального значения коэффициента теплопроводности Хг шах (значения, при котором выполняется ограничение на Ьст доп) теплозащитного материала от теплоемкости cv2 этого материала. На этом же рисунке (кривая 1) дана для двухслойной конструкции теплозащиты расчетная зависимость Х2 тах материала наружного слоя теплозащиты от относительной удельной теплоты поглощения ДН/г мате-

риала внутреннего слоя теплозащиты (г - удельная теплота парообразования воды).

По результатам проведенных исследований установлено, что для обеспечения требуемой огнестойкости сейфов (tTp= 60 мин) и выполнения ограничения на толщину их стенок (Ьст доп = 60 мм) необходимо применять конструктивное решение стенок с двухслойной теплозащитой. При этом внутренний слой теплозащиты должен состоять из материала, при нагреве которого происходят физико-химические превращения, сопровождающиеся поглощением теплоты; наружный слой - из материала с низким коэффициентом теплопроводности. На основании анализа расчетных зависимостей установлены принципы подбора эффективных материалов для слоев теплозащиты.

Получены расчетные зависимости минимальной толщины b2 mm двухслойной тепловой защиты (наружный слой - материал ПТКВ-220, внутренний - материал на основе кристаллогидрата Na2S04-9Н20) стенки регистратора полетных данных от относительной толщины наружного слоя теплозащиты, приведенные на рис.9. Для получения ТФХ материалов слоев теплозащиты были проведены эксперименты и решены 03Т. Из рис.9 следует, что использование двухслойной теплозащиты позволяет обеспечить требование по огнестойкости при существенно меньшей толщине стенки по сравнению с однослойной конструкцией. Кроме того, существует довольно широкая область (zx-zz) значений Ьс2 , в которой значения й2 mln примерно одинаковы.

3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана новая методика решения задач теплового проектирования ОК, основанная на математическом моделировании процессов теплообмена, позволяющая решать поставленные задачи при существенно меньших (по сравнению с широко используемым экспериментальным подходом) материальных затратах, а также находить оптимальные конструктивные решения.

2. Разработана новая расчетно-экспериментальная методика определения теплозащитной способности ОЗП строительных металлических конструкций, основанная на математическом моделировании процессов теплообмена, позволяющая определять искомую характеристику при двух стандартных испытаниях на огнестойкость. что на порядок меньше, чем требуется при использовании экспериментального подхода.

3. Впервые показано, что для повышения информативности и точности идентификации ТФХ ОЗП по данным термометрирования. полученным в ходе стандартных испытаний на огнестойкость, необходимо в решении ОЗТ использовать данные нескольких испытаний одновременно.

4. Получены данные по теплозащитной способности ОЗП "Зн-дотерм ХТ-150", которые позволили разработать технические условия на это покрытие и определить область его применения.

5. Получены данные по теплозащитной способности ОЗП "ОПВ-1" для случая защиты стальных воздуховодов систем вентиляции, которые были применены при разработке проекта противопожарной защиты воздуховодов систем вентиляции объектов Чернобыльской АЭС.

6. Разработано принципиально новое конструктивное решение стенок сейфов для хранения материальных ценностей, обеспечивающее требуемую огнестойкость оборудования и удовлетворяющее заданному ограничению на толщину стенки сейфа, которое было использовано при разработке конструкций огнестойких сейфов, а также стен и дверей для банковских хранилищ. Установлены принципы подбора эффективных материалов для слоев теплозащиты.

7. Получены расчетные зависимости минимальной толщины двухслойной тепловой защиты (наружный слой - материал ПТКВ-220, внутренний - материал на основе кристаллогидрата Na2S04-9Hg0) стенки регистратора полетных данных от относительной толщины наружного слоя теплозащиты, которые позволили разработчикам этого оборудования выбрать оптимальное конструктивное решение.

4 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ отражено в опубликованных работах:

1. Круковский П.Г., Новак C.B. Методы обратных задач теплообмена в определении огнестойкости объектов и параметров возгорания материалов// Проблемы экологического мониторинга и охраны труда: Материалы I Международной науч.-техн. конф.-Севастополь: СПИ, 1993. - С. 69-70.

2. Новак C.B., Харченко И.А., Абрамов A.A. Особенности определения огнестойкости оборудования для хранения пожароопасных материалов, ценных бумаг и магнитных носителей информации// Проблемы экологического мониторинга и охраны труда: Материалы I Международной науч.-техн. конф. - Севастополь: СПИ, 1993. - С. 71-73.

3. Новак C.B. О методике расчета тепловой защиты оборудования для хранения пожароопасных материалов и документации// Проблемы экологического мониторинга и охраны труда: Материалы I Международной науч.-техн. конф. - Севастополь: СПИ, 1993. - С. 67-69.

4. Новак C.B. Определение теплофизических характеристик огнезащитных покрытий решением обратной задачи теплопроводности// Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Харьков: Мин. обр. Украины, 1993. - С. 203-205.

5. Новак C.B., Харченко И.А., Хмельницкий В.В., Круковский П. Г. Применение методов обратных задач теплообмена для решения задач пожарной безопасности// Идентификация динамических систем и обратные задачи: Труды второй международной конференции. - С.-Петербург: 1994. - Т.2, с. D-9-1...D-9-10.

6. Новак C.B., Харченко И.А., Круковский П.Г. Оптимизация параметров огнестойких конструкций методами математического моделирования процессов теплообмена// Пожарная безопасность 95: Материалы XIII Всероссийской науч.-практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД РОССИИ, 1995. - С. 246-248.

7. Харченко И.А., Новак C.B., Абрамов A.A., Хмельницкий В.В.

Методологические основы испытаний огнезащитных покрытий// Пожарная безопасность 95: Материалы XIII Всероссийской науч.- практ. конф. - М.: ВНИИПО МВД России, 1995. -С. 250-251.

8. Новак C.B., Степаненко С.Г., Абрамов A.A. Оценка возможности использования тепловых труб для повышения огнестойкости строительных металлических конструкций// Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Киев: МВД Украины, 1995. -С. 234-235.

9. Новак C.B., Харченко И.А., Хмельницкий В.В.. Круковс-кий П.Г. Математическое моделирование тепловых процессов в решении задач пожарной безопасности// Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. тр. - Киев: МВД Украины, 1995. -С. 349-351.

10. Харченко И.А., Новак С.В. Оценка эффективности огнезащитных покрытий строительных металлических конструкций// Проблемы экологического мониторинга и охраны труда: Материалы III Международной науч. -техн. конф.- Севастополь: СПИ,

1995. - С. 86-87.

11. Новак C.B., Харченко И.А. Особенности проектирования контейнеров для хранения опасных материалов// Проблемы экологического мониторинга и охраны труда: Материалы III Международной науч.-техн. конф.- Севастополь: СПИ, 1995.

С. 85-86.

12. Новак C.B., Харченко И.А., Круковский П.Г. Расчетно-экс-периментальный метод определения теплозащитной способности огнезащитных покрытий строительных металлических конструкций// Тепломассообмен ММФ-96: Материалы III Минского международного форума. - Минск: АНК "ИТМО им. А.В.Лыкова" АНБ,

1996. - T. IX. ч. 1, с. 153-157.

13. ShelagV. R., Yarovoy S.I.. Novak S.V. The determination of a thermal conductivity of carbonic fibrous materials with high temperatures by method of reverse problem of a heat conduction// 6th conference on thermogrammetry and thermal engineering. - Budapest, Hungary: MATE, 1989. -

P. 99-100.

14. Prisjagnuk L.A., Kharchenko I. A., Novak S.V., Krukovsky P.G. Methodological approaches to optimization of fire-resistant construction parameters// I Miedzy-narodowa konferencja "Bezpieczenstwo Pozarowe Budowli". -Spala, Poland: Instytut Technikl Budowlanej, 1995. -P. 189-200.

15. Novak S.V, Kharchenko I.A., Krukovsky P.G. Design and experimental method of determinasion of fire proofing capability of metallic construction coatings according to the therreometric data obtained during fire-duration tests// 9th International conference on thermal engineering and thermog-rammetry (Thermo). - Budapest, Hungary: MATE, 1995. -P. 285-289.

16. Kharchenko I.A., Khmelnitzky V.v., Novak S.V., Bratuta E.G. Investigation of non-stationary heat exchange by cooling of metallic surfaces with the help of dispersed water solution// 9th International conference on thermal engineering and thermogrammetry (Thermo).- Budapest, Hungary: MATE,

1995. - P. 391-394.

17. Kharchenko I.A., Novak S.V, Dovbysh A.V., Koshelev M.A. About necessity of standartization of methods and indices for identification of substances and materials before their testing on fire hazard //Fire and explosion hazard of substances and venting of deflagration. - Moscow, Russia: Building Research Establishment, (British) Crown, 1995. -P. 101-102.

18. Kharchenko I. A.. NovakS. V., Khmelnitzky V.V., Krukovsky P.G. Estimation of unsteady heat flux from the cooled surface of a metal wall for investigation of cooling capacity of liquid fire-fighting facilities// 2nd European Thermal-Sciences and 14th UIT National Heat Transfer Conference

1996. - Rome, Italy: Edizioni ETS, 1996. - Vol. 2, p. 683-687.

19. NovakS. V., Kharchenko I. A., Krukovsky P.G. Identifica-

tlon of termophysical characteristics of the fire-protective coatings according to the data of the testing on fire-resistance// 2nd European Thermal-Sciences and 14th UIT National Heat Transfer Conference 1996. - Rome, Italy: Edizioni ETS, 1996. - Vol. 2, p. 689-694.

20. Новак С.В., Абрамов А.А. Метод обратной задачи теплопроводности при определении теплофизических характеристик огнезащитных материалов// Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур: Тез. докл. V науч.-техн. конф. "Термометрия-94". - Харьков: НПО "Метрология", 1994. -С. 209-210.

21. Новак C.B., Харченко И.А. Об определении излучательной способности огневых камер установок для испытаний конструкций на огнестойкость// Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений: Тез. докл. V науч.-техн. конф. "Термометрия-94". - Харьков: НПО "Метрология", 1994.-С. 211-212.

22. Новак C.B., Харченко И,А., Абрамов A.A. К вопросу об определении эффективности огнезащитных покрытий// Огнезащита строительных материалов и конструкций: Тезисы и доклады I Межгосударственного семинара. - Львов: Строитель, 1994. -С. 37-39.

23. Новак C.B., Кошелев М.В. Об определении теплофизических характеристик вспучивающихся огнезащитных покрытий// Огнезащита строительных материалов и конструкций: Тезисы и доклады I Межгосударственного семинара. - Львов: Строитель, 1994. -С. 34-36.

24. Новак C.B., Харченко И.А. Огнестойкость оборудования для хранения ценных бумаг и документации// Огнезащита строительных материалов и конструкций: Тезисы и доклады I Межгосударственного семинара. - Львов: Строитель, 1994. -С. 230-233.

а б

1,3- металл; 2 - теплозащита.

Рис. 1 К методике определения предела огнестойкости: а - учитывается только стадия огневого воздействия; б - учитывается также стадия охлаждения.

1000 800 600

120 Пип

о Т 'кг

н 400 200 О

т с.

/"Г / т , 4=0 | 1 2 У\ас Г« Б

1 ~л V« II Тс

1 / \ ■3—х

У :'ос 0 X, х2

20 40

1, мин

1 - металл; 2 - ОЗП.

Рис. 2 Тепловая схема образца и характерные данные термометрирова-ния при испытаниях на огнестойкость.

Рис.3 Зависимость (9): 1, 2 - соответственно экспериментальный и расчетно-эксперимента-льный подход.

Хар а ктери стика теплозащитной способности покрытия

ЧиНГ^Ьв^тв'

Рис.4 Экспериментальна (А) и расчетно-экспери-ментальный (В) подходы к определению характеристики теплозащитной способности ОЗП.

\ 3

1

\\ / 2 / /

Рис.5 Зависимости ХП(Т): 1 - точная зависимость; 2-4 - зависимости, найденные решением ОЗТ (2 - по данным двух испытаний; 3 - по данным испытания №1; 4 - по данным испытания №2).

250

500

750 1000

Т,°С

О

30 60 90 120 1 , мин

я

Рис.6 Зависимости Тга(1) для испытания № 1: 1 - данные испытания №1; 2, 3 - решение ПЗТ по ТФХ, полученным по данным обеих испытаний и испытания №2, соответственно.

0.45

О 0.25 0.5 ДН/г

Рис.7 Расчетные зависимости относительного отклонения Ь значений Ьп »1« от ьи.: 1 - по ТФХ, полученным по данным обеих испытаний; 2, 3 - по данным испытания №1 и №2, соответственно.

СУ2, МДж/ЧмЧО

50 75 100 100Ьс2/Ь2тш,%

Рис.8 Расчетные зависимости Хг шах от СУ2 (кривая 2) и от ДН/г (кривая 1) для двух конструкций стенки сейфа.

Рис.9 Расчетные зависимости толщины Ь2 л111 от относительной толщины наружного слоя: 1 = 30 мин; 2 - Цр=15 мин.

SUMMARY

Novak S. V. Mathematical simulation of heat transfer processes in flre-resistanse constructions. Thesis manuscript for finding of academic degree of candidat of science on speciality 05.14.05 - Theoretical Heat Engineering. Institute for Problems in Machinary National Academy of Sciences of the Ukraine. Kharkiv, 1996.

The method of solution of heat construction problems of fire-resistance constructions based on the mathematical simulation of heat-transfer processes are developed. The results of determination of optimum thicknesses of fire-protective coatings and flight data recorders are represented. The constructive solutions for fire-resistance safes are suggested.

Новак C.B. Математичне моделювання процес!в теплообм1ну в вогнест1йких конструкц1ях. Дисертац1я на здобуття наукового ступени кандидата техн1чних наук за спец1альн1стю 05.14.05 -теоретична теплотехн1ка. 1нститут проблем машинобудування HAH Укра'1ни, XapKiB, 1996.

Розроблено методику вир!шування задач теплового проекту-вання вогнестгйких конструкхцй, яка заснована на математич-ному моделюванн! процес1в теплообм1ну. Надаються результата визначення оптимальних товщин покритт1в буд1вельних метале-вих конструкц1й та рег!стратор!в польотних даних. запропоно-вано конструктивн! р!шення для вогнестШмх сейф1в.

Ключов1 слова: математичне моделювання; теплообм1н; межа вогнестшкост!; теплове проектування; обернена задача теплопров!дност1; вогнестшка конструкц!я.

АН0ТАЦ1Я