автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости

На правах рукописи

ЗАИКИН Сергей Вениаминович

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОВЫШЕННОЙ ОГНЕСТОЙКОСТИ

Специальность: 05.26.03 - «Пожарная и промышленная безопасность (строительство)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 АПР 2010

Москва-2010

004600442

Работа выполнена в Закрытом акционерном обществе «Теплоогнезащи-та», г. Сергиев Посад Московской области.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Страхов Валерий Леонидович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ройтман Владимир Миронович

кандидат технических наук, доцент Бубнов Владимир Михайлович

Ведущая организация: ФГУ ВНИИ противопожарной обороны МЧС России

Защита состоится «. 29 » 2010 г. в /¿"часов в ауд. ¿¿З^-на

заседании диссертационного совета Д212.138.09 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, корп. Г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «■?-£"» ОЗ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ляпин А.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время в России активно развивается строительство больших зданий, предназначенных для размещения в них гипер-маркетов, вокзалов, ангаров, таможенных терминалов и складов. Для зданий такого типа характерна повышенная пожарная опасность, обусловленная пребыванием в них большого количества людей и наличием значительной пожарной нагрузки. Как правило, такие объекты располагаются в крупных городах, и пожар в них может иметь катастрофические последствия.

К числу основных противопожарных мероприятий, предусмотренных Федеральным законом №123-Ф3, относится устройство в зданиях противопожарных преград (стен и перегородок с нормируемыми пределами огнестойкости), ограничивающих распространение пожара. Для удобства эксплуатации упомянутых зданий, вместо противопожарных перегородок в них могут применяться трансформируемые конструкции в виде огнестойких штор, разворачиваемых при пожаре. Строительные нормы СП 4.13130.2009 допускают применение с этой целью противопожарных штор с пределом огнестойкости не менее EI 60. При использовании конструкций такого типа для заполнения проемов в противопожарных стенах требуемые пределы их огнестойкости достигают EI 150. Для достижения указанных высоких уровней огнестойкости штор требуется их орошение (насыщение) водой.

Большие размеры проемов, закрываемых трансформируемыми конструкциями (противопожарными шторами), и высокий уровень требуемых пределов их огнестойкости обусловливает важность и актуальность проблемы создания трансформируемых конструкций минимальной массы, сохраняющих свою работоспособность при продолжительном огневом воздействии. Причем, для повышения эффективности таких конструкций требуется минимизировать расход воды на их орошение.

Применение трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости также актуально для объектов добычи, переработки и потребления горючих газов и жидкостей.

Для обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности таких объектов используется орошение технологических установок водой с расходом 0,5 л/с на 1 м2 орошаемой поверхности. Обеспечение такого расхода в ряде случаев (например, в северных условиях) сопряжено с существенными техническими и экономическими трудностями. В этих случаях альтернативой орошению могут служить трансформируемые конструкции в виде переносных укрытий, стойких к воздействию пламени углеводородных топлив.

Научной гипотезой исследования является создание на основе синергиче-ского сочетания способов активной и пассивной огнезащиты нового (комбинированного) способа повышения огнестойкости, обеспечивающего высокую эффективность разрабатываемых на его основе трансформируемых противопожарных конструкций.

Целью исследования является разработка эффективных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости на базе комплексного подхода,

сочетающего математическое моделирование и экспериментальные исследования тепломассопереноса в содержащих воду конструкциях.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

- оценка технического уровня существующих трансформируемых огнестойких конструкций;

- анализ современных способов и средств повышения огнестойкости конструкций;

- разработка нового более эффективного способа повышения огнестойкости трансформируемых противопожарных конструкций;

- разработка математической модели, алгоритмов и программ расчета тепло-и массопереноса при пожаре в водосодержащем огнестойком экране - основном элементе трансформируемых огнестойких конструкций;

- постановка и решение задачи о теплопередаче в системе, образованной обогревающей средой, огнестойким экраном и защищаемым объектом;

- разработка методики и проведение экспериментальных исследований тепломассопереноса в объектах при пожаре (в условиях проектной аварии);

- оценка точности и адекватности натуре разработанных математических моделей путем сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными;

- проведение расчетов с целью определения оптимальных параметров орошаемого (насыщенного) водой огнестойкого экрана;

- разработка трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости и рекомендаций по их практическому применению.

Объектами исследования являются трансформируемые ограждающие конструкции в виде противопожарных штор и огнезащитных укрытий, разработанные на основе нового комбинированного способа повышения огнестойкости.

Предметом исследования являются процессы тепло- и массопереноса в огнестойких трансформируемых конструкциях, насыщенных водой.

Теоретической и методологической основой исследования являются:

- теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах и массообмен-ного пористого охлаждения;

- численные методы решения краевых задач тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах;

- численные методы решения задач о теплопередаче в системах, образованных ограждающими конструкциями и защищаемым объектом;

- методы экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в ограждающих конструкциях.

Достоверность исследования подтверждается: адекватностью математической модели реальным процессам тепломассопереноса в системе «источник нагрева - ограждающая конструкция - защищаемый объект»; принятием допущений, упрощающих решение уравнений тепломассопереноса, но сохраняющих при этом определяющие физические явления; выбором параметров и критериев, позволяющих сравнивать теоретические и экспериментальные данные; соответствием методик проведения огневых испытаний реальным условиям рабо-

ты ограждающих конструкций; достаточной точностью методов и средств измерений.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости для повышения уровня пожарной безопасности зданий и сооружений различного назначения, а также объектов нефтегазового комплекса.

Результаты исследования также применимы в работе проектных и строительных организаций, центров пожарной безопасности и аварийно-спасательных работ.

Теоретические результаты исследования применимы для использования в учебных процессах образовательных учреждений, специализирующихся на пожарной и промышленной безопасности.

Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке автором трансформируемых противопожарных конструкций повышенной огнестойкости на основе нового (комбинированного) способа огнезащиты.

Научные результаты, полученные автором, состоят в следующем:

1. Предложен комбинированный способ повышения огнестойкости конструкций, основанный на рациональном сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации применяемого в ракетно-космической технике принципа массообменного пористого охлаждения;

2. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программы расчета тепломассопереноса при пожаре в водосодержащем огнестойком экране, позволяющие определять оптимальные конструктивные параметры трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости в соответствии с тактикой их применения, а также с массой и габаритами защищаемого объекта;

3. Разработаны и созданы устройства, реализующее комбинированный способ повышения огнестойкости: огнезащитное укрытие и противопожарные шторы (трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости), технические характеристики которых превосходят существующие аналоги;

4. Разработана методика проведения натурных огневых испытаний трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости;

5. Получены экспериментальные данные, на основе которых проведена оценка достоверности, точности и адекватности натуре разработанных математических моделей, алгоритмов и программ;

6. Сформулированы общие принципы проектирования трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.

Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включён лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа существующих способов и средств повышения огнестойкости конструкций;

2. Комбинированный способ повышения огнестойкости, основанный на си-нергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массообменного пористого охлаждения;

3. Математическая модель, алгоритмы, программы и результаты расчетов тепломассопереноса в насыщаемом водой пористом экране;

4. Результаты расчетов теплопередачи в системе, образованной защищаемым объектом и ограждающим устройством типа «укрытие»;

5. Результаты оптимизации конструктивных параметров разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости;

6. Методика и результаты экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса при пожаре в объектах, защищенных трансформируемыми конструкциями повышенной огнестойкости;

7. Рекомендации по применению разработанных автором трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости на пожароопасных объектах.

Апробация и внедрение результатов исследования:

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XVIII Международной научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003 г.); на 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008 г.); на XXI Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.).

Результаты работы внедрены в Региональном центре пожарной безопасности и аварийно-спасательных работ ООО «РН-Юганскнефегаз» (г. Нефтеюганск); ООО «ТюменНИИгипрогаз» ОАО «ГАЗПРОМ» (г. Тюмень); ООО «Центр производства нестандартного оборудования» (Московская обл., г. Сергиев Посад).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях [4, 5, 6, 8, 10], в том числе в 3-х статьях в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, в 4-х тезисах докладов [2, 3, 7,9] и в описании патента [1].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах, содержит 54 иллюстрации и 6 таблиц. Библиография включает 136 наименований.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости, предназначенных для повышения пожарной безопасности зданий, сооружений, а также технологического оборудования пожароопасных производств. Сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту. Приведены данные о структуре и объёме диссертационной работы.

В главе 1 приведен аналитический обзор существующих способов и средств повышения огнестойкости конструкций. В результате отмечено, что все существующие способы повышения огнестойкости имеют ряд существенных недостатков применительно к трансформируемым конструкциям, ограждающей частью которых является огнестойкий экран.

Для повышения эффективности ограждающих трансформируемых конструкций предлагается применить новый способ повышения их огнестойкости, получивший название комбинированного. Данный способ сочетает в себе активный и пассивный способы, совмещение которых усиливает действия каждого из них, применяемого по отдельности. Он заключается в создании в пористой стенке огнестойкого экрана парокапельновоздушной среды из охлаждающей жидкости, в результате чего проявляется непрерывный физический эффект испарительного охлаждения (реализуется принцип массообменного пористого охлаждения, применяемый в ракетно-космической технике).

Разработка трансформируемых ограждающих конструкций базируется на исследовании процессов тепломассопереноса в пористой водосодержащей стенке огнестойкого экрана при нагреве его поверхности пламенем.

Общая теория тепломассопереноса в пористых средах была разработана в 60-х годах XX века А. В. Лыковым и Ю. А. Михайловым. Теория и методы тепловой защиты ракетно-космической техники развиты Ю. В. Полежаевым, Ф. Б. Юревичем.

Дальнейшие исследования в этой области науки имели прикладной характер. Значительная часть работ посвящена тепловой защите (в т. ч. пористому охлаждению) летательных аппаратов: Скала С. М., Адаме К., Кейс В. М., Эк-керт Э. Р., Дрейк Р. М., Ю. А. Душин, А. К. Рудько, В. Л. Страхов, С. В. Белов, В. М. Поляков, и др..

Проблеме моделирования тепловлагопереноса в конструкциях с огнезащитой, работающих в условиях пожара, посвящены труды школы В.М. Ройтмана (Богословский В. Н., Бережной А. Г., Зырина Т. Н. и др.), а также работы В. Л. Страхова с сотр. и В. В. Жукова. За рубежом наибольших успехов в данной области науки добились японские ученые, например, Кагипоп Нагаёа, ТоБЫоТега.

Исследования процессов тепловлагопереноса, выполненные в данной диссертационной работе, основаны на результатах перечисленных выше исследований. Они имеют прикладной характер и направлены на создание инженерных методов расчета параметров трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости, с целью оптимизации их технических характеристик.

Основными показателями эффективности разрабатываемых конструкций являются существенное уменьшение их массы и расхода воды, подаваемой в пористую стенку экрана.

В главе 2 разработана математическая модель, описывающая процессы тепломассопереноса в водосодержащей капиллярно-пористой стенке огнестойкого экрана, а также модель теплопередачи в системе, образованной обогревающей средой, огнестойким экраном и защищаемым объектом, при пожаре.

Математическая модель тепломассопереноса в водосодержащей стенке огнестойкого экрана отражает два возможных режима его работы при огневом воздействии: в режиме непрерывной подачи воды; при однократном или периодическом насыщении водой.

При моделировании процессов тепломассопереноса рассматривается двумерная область, ограниченная по поперечной координате 4 поверхностями экрана, а по продольной координате т| - основанием и высотой экрана. Расчетные схемы, соответствующие режимам работы огнестойкого экрана при наличии воды в его капиллярно-пористой стенке, приведены на рис. 1.

м.

Рис. 1. Расчетные схемы тепломассопереноса в водосодержащей капилляр-нопористой стенке огнестойкого экрана в режиме непрерывной подачи воды (а) и однократном насыщении (б): 1 - зона сухого материала; 2 - фронт испарения; 3 - зона водосодержащего материала; 4 - зона адсорбционной влажности, 5 -граница зоны с адсорбционной водой.

На рис. 1 использованы следующие обозначения: - плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью экрана; щ - массовая скорость испарения воды; ^ - координата фронта испарения; Т„ - температура обогреваемой поверхности; Ги - температура испарения; 3} - температура пламени; а/ - коэффициент конвективной теплоотдачи от продуктов горения к омываемой ими поверхности экрана; Е/- излучательная способность пламени; ты - массовая скорость течения воды; % - координата границы зоны с адсорбционной водой; ха - время достижения границы зоны с адсорбционной водой координаты ту, V/ - массовое содержание воды; мтах - массовое содержание во-

ды, соответствующее состоянию насыщения; - массовое содержание адсорбционной влаги; 8 - толщина экрана.

Огнестойкий экран подвергается одностороннему огневому воздействию, которое характеризуется наличием непосредственного контакта пламени с обогреваемой поверхностью.

В непрерывном режиме (рис. 1а) вода подается в верхнюю часть стенки экрана и стекает вниз по порам под действием силы тяжести. Одновременно происходит испарение воды, сопровождающееся массопереносом пара в капилляр-нопористой среде стенки в направлении к обогреваемой поверхности.

Математическая модель построена на основе соотношений теории тепло-массопереноса А. В. Лыкова и Ю. А. Михайлова, а также результатов исследований, обобщенных в работах В. М. Ройтмана и В. Л. Страхова. Приняты и обоснованы следующие допущения:

- массоперенос воды в поперечном направлении и водяного пара в продольном направлении экрана пренебрежимо мал;

- процесс теплопередачи от обогреваемой поверхности через зону сухого материала к фронту испарения квазистационарен;

- отток теплоты от необогреваемой поверхности экрана пренебрежимо мал;

- количество пор, их ориентация и характерный размер одинаковы для каждого элементарного объема стенки экрана;

- в исходном состоянии содержащий воду волокнистый материал огнестойкого экрана прогрет до температуры, близкой к температуре кипения воды;

- температура подаваемой в стенку экрана воды близка к температуре кипения;

- значение концентрации воды за фронтом испарения не зависит от положения фронта испарения.

Таким образом, классическая краевая задача тепломассопереноса, в двумерной постановке преобразуется к двум, решаемым совместно, квазиодномерным задачам по координатам и т|.

Согласно упрощающим допущениям, дифференциальное уравнение, описывающее теплоперенос по толщине сухого слоя стенки экрана (с учетом влияния массопереноса водяного пара) принимает вид:

, ¿Г) . <1Т л

К—\ + тс„ — = 0; (1)

Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных условиях:

-зД

Ч-о

В выражениях (1) - (2) приняты следующие обозначения: р„ - исходное значение объемной плотности сухого материала огнестойкого экрана; ср - теплоемкость пара; Т - температура; Х? - эффективная (суммарная) теплопроводность в зоне сухого материала; г - тепловой эффект фазового превращения вода -пар; - линейная скорость перемещения фронта испарения.

й'

=гР„м4; ГЦ = юо-с. (2)

Входящие в выражения (1) - (2) параметры, определяются по следующим формулам:

< = рМ*; (3)

(4)

ФЙ=1-Ро/Р'; (5)

?„ = Ага{т; -Г) + (а/ -Л АсД7> -Г„), (6)

где =1/(1/е/ + 1/8„ -1); г|„- коэффициент вдува пара в пограничный слой газового потока, омывающего поверхность экрана; Е/ - излучательная способность пламени; е№ - степень черноты поверхности экрана; X' X" - теплопроводности каркаса пористого материала и газа, заполняющего поры; М* - параметр контактного сопротивления; 0 - параметр лучистого теплопереноса.

Для упрощения интегрирования уравнения (1) производится замена зависящей от температуры теплопроводности ^ на ее среднеинтегральное значение в диапазоне температур от 7*„ до Ту,.:

}К{Т}1Т /(т„-т).

(7)

Решение обыкновенного дифференциального уравнения (1) с граничными условиями (2) и с учетом формул (3) - (7) приводит к следующим разрешающим выражениям:

. ч.

9.=

ехр

А РАГ + ср(Т„~1)У

Арф-Ы + а^-Т.)

Т.-Т. + Ф, А^-Ю + а^-Т)

ч 1 + -

(8) (9)

-1

(10)

^-т.ЧФ^-тЛ)

Подстановка (3) в (8) дает выражение для массовой скорости испарения воды вида:

т =-Ъ--г. (11)

' г + сХ-1)

Дифференциальное уравнение (8) должно решаться при начальном условии:

Ц.„ = 0. (12)

Из его решения находится время сушки слоя толщиной Ъд.

При непрерывной подаче воды предельное распределение по длине экрана сухого слоя (в стационарном состоянии процесса) определяется решением обыкновенного дифференциального уравнения, полученного из условия баланса массы в элементарном слое Дт|:

Дифференциальное уравнение (13) должно решаться при граничном условии:

(14)

В процессе решения дифференциального уравнения (13) с применением выражения (11) на каждом шаге по вертикальной локальной координате г| требуется определять значения и Т„ согласно выражениям (9) и (10).

Решение дифференциального уравнения (13) позволяет определить минимальный расход подаваемой воды при предварительно задаваемых конструктивных параметрах экрана и теплофизических характеристиках материала его стенки. Критерием оптимальности является отсутствие вытекания воды из нижней части экрана, обеспечиваемое при условии:

где Я-высота экрана.

Массоперенос воды в капиллярно-пористой стенке огнестойкого экрана по координате т| описывается законом Дарси:

(16)

ц Ь

где 5 - площадь фильтрации, Ь - длина зоны фильтрации, АР - разница давлений на длине зоны фильтрации, М - массовый расход жидкости; ку- коэффициент проницаемости, ц - динамическая вязкость воды, - плотность воды.

Разница давлений на длине зоны фильтрации определяется как разность веса перемещающейся в стенке экрана воды и силы сопротивления, определяющейся высотой ее капиллярного поднятия.

При непрерывном режиме подачи массовая скорость течения воды по порам в стенке экрана на ширине 1 м постоянна и может быть определена согласно следующему выражению, полученному из (15):

т = к'р~ Р°(w-w„)gcosa(н-hl,) П7)

"5ц Я

где § - ускорение свободного падения; - высота капиллярного поднятия жидкости; а - угол между осью локальных координат г| и вертикалью.

Полученные выражения (8) - (13) справедливы и для описания тепломассо-переноса для случая однократного или периодического насыщения экрана водой (рис. 16).

Отличительной особенностью данного случая является переменный во времени расход воды, вследствие ее удаления из стенки экрана.

С учетом упрощающих допущений процесс массопереноса воды можно представить в виде перемещающегося под действием силы тяжести в направлении сверху вниз столба жидкости, характеризующегося плотностью ро(н>тах -м>а). При вытекании некоторого количества воды из нижней части экрана высота столба жидкости, а, следовательно, и длина фильтрации уменьшается на величину т]а. Участок стенки экрана, расположенный выше координаты г\а, характеризуется остаточным содержанием воды м>а, которая удерживается в порис-

той среде стенки экрана силами межмолекулярного взаимодействия и капиллярными силами.

Для количественного описания массопереноса воды в данном случае необходимо время т„, по истечении которого граница зоны с адсорбционной водой достигнет заданной координаты т\а. Процесс массопереноса воды заканчивается, когда достигается равенство r¡=H-hi¡.

Заменив в выражении (17) Н соответствующим выражением для переменной высоты перемещающегося столба воды, а массовую скорость дифференциальным соотношением:

dii dx

получаем разрешающее дифференциальное уравнение вида:

¿Л. ^PoCw-wJg-cosa (ff-t^cosa-^) dx р, Я-recosa

Интегрирование обыкновенного дифференциального уравнения (18) при начальном условии: т=0, т|а=0, дает искомую зависимость т„ (r|a):

fН~К -"П. cosa4)

т, =-

к.p.íw-wjg-cosa

-Ir.

cosa

H-h.

(19)

В отличие от предыдущего случая (рис. 1 а), при работе экрана в режиме однократного или периодического насыщения положение фронта испарения не стационарно. Это вызвано тем, что израсходованная на испарение или вытекание вода не восполняется за счет притока извне. В связи с этим огнестойкость экрана как ограждающей части противопожарной преграды определяется, главным образом, временем его сушки, которое находится решением дифференциального уравнения (8) при граничном условии (12).

Из решения дифференциального уравнения (8), при условии £^(г|) = 6, находится распределение времени сушки по высоте экрана.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет рассчитывать оптимальные конструктивные параметры огнестойкого экрана, работающего в непрерывном режиме подачи воды в его стенку, а также оценивать его огнестойкость при однократном насыщении водой.

После высыхания стенки защитные свойства огнестойкого экрана сохраняются в течение некоторого времени. Это время зависит от параметров воздействия обогревающей среды, толщины и теплофизических характеристик стенки экрана, теплоемкости защищаемого объекта и его расположения относительно экрана.

Рассматривается случай, когда огнестойкий экран вместе с основанием, на которое он установлен, образует замкнутое пространство в окрестности защищаемого объекта. Основание для установки экрана определяется конкретным вариантом его применения и, в большинстве случаев, им будет являться грунт или бетон.

В качестве защищаемого объекта рассматривается участок трубопровода с запорной, регулирующей или регистрирующей арматурой. Объекты данного

типа распространены в промышленных зданиях и сооружениях связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и потреблением горючих газов и жидкостей.

Для математического моделирования рассматривается двумерная расчетная область, соответствующая поперечному сечению рассматриваемой системы. Защищаемый объект моделируется горизонтальной трубой, размеры которой определяются соответствием проходного сечения и теплоемкости реальному объекту. Расчетная схема показана на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема нестационарного прогрева системы «огнестойкий экран - основание - защищаемый объект » для случая непосредственного контакта пламени с обогреваемой поверхностью экрана: 1 - стальная стенка защищаемого объекта; 2 - огнестойкий экран; 3 - среда, заполняющая внутреннюю укрытия; 4 - основание (грунт); 5 -пламя (газовая среда пожара); I - VI - контрольные точки.

Для описания теплопереноса в рассматриваемой системе используется подход, описанный В.Л. Страховым в книге «Огнезащита строительных конструкций». Рассматриваемая расчетная область описывается двумя дифференциальными уравнениями нестационарной теплопроводности для следующих характерных зон: стенки огнестойкого экрана из волокнистых материалов и полости, заполненной воздухом и образованной поверхностями экрана, основания и защищаемого объекта. Поверхность защищаемого объекта принимается изотермической.

Для математического описания радиационно-кондуктивного теплопереноса в волокнистых материалах стенки огнестойкого экрана при высоких температурах используется приближение радиационной теплопроводности. Сложный

кондуктивно-конвективный процесс переноса теплоты в полости заменяется эквивалентным процессом теплопередачи.

Для описания теплообмена излучением используется зональный метод, согласно которому, поверхности, ограничивающие полости разбиваются на конечное число изотермических площадок. Расчет сводится к определению результирующих тепловых потоков, которые входят в граничные условия при решении соответствующего уравнения нестационарной теплопроводности, на изотермических площадках. Расчет производится с учетом многократного переизлучения от всех поверхностей, ограничивающих полость.

Решение дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности производится методом конечных разностей с применением алгоритма, разработанного В. Л. Страховым и Вл. О. Калединым. В данный алгоритм встроен разработанный автором модуль для расчета результирующих тепловых потоков излучения на каждой изотермической площадке, принадлежащей ограничивающим полость поверхностям.

Разработанная математическая модель позволяет оценить огнестойкость экрана заданной толщины и геометрической формы в случае прекращения подачи воды в его стенку. Математическая модель также применима для систем, форма экрана в которых отличается от формы, приведенной на рис.2.

В главе 3 приведены методика и основные результаты экспериментальных исследований тепломассопереноса в насыщенной водой стенке огнестойкого экрана и теплопереноса в системе, образованной экраном, защищаемым объектом и основанием. Проведены две серии опытов.

В первой серии опытов определяли коэффициент проницаемости и высоту капиллярного поднятия воды для образцов в виде фрагментов экрана с размерами 1000x200x19 мм в диапазоне температур 20..100 °С. Насыщенные водой образы устанавливали на весах в подвешенном состоянии, регистрировали зависимость изменения их массы от времени, которую затем преобразовывали в зависимость тЦт,,). Для полученных зависимостей т|а(т„) находили соответствующие им пары значений kf и А*. Определенные в данной серии опытов значения к/ и /г* использовались в качестве исходных данных для расчета распределения времени сушки экрана по высоте.

Вторая серия опытов - огневые испытания, показанной на рис.2, системы, образованной огнезащитным экраном, защищаемым объектом и грунтом.

Огневые испытания проводили на открытом полигоне. Огнестойкий экран, имел форму треугольной призмы со следующими размерами: шириной основания В- 1,2 м, высотой Я = 1,8 м, длиной 2,5 м. Фактическая толщина экрана составляла 19 мм. Его наружные слои были выполнены из кремнеземной ткани, а промежуточные слои - из базальтоволокнистого рулонного материала с плотностью 100 кг/м3.

Огнестойкий экран был установлен на грунте. Внутри пространства, ограниченном экраном и грунтом, располагался защищаемый объект в виде фрагмента трубопровода с диаметром условного прохода = 100 мм и длиной 2 м, снабженный стальной задвижкой.

Огневое воздействие создавали горением дизельного топлива, налитого в емкости, установленные в траншее, устроенной по периметру основания огнестойкого экрана.

В процессе огневого воздействия непрерывно регистрировали показания термопар, установленных в пламени и в контрольных точках, обозначенных на расчетной схеме (рис. 2).

Огневые испытания были проведены для трех режимов работы огнестойкого экрана, рассмотренных при разработке математической модели.

Путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными была проведена оценка точности и достоверности разработанной математической модели. Расчеты по разработанной математической модели проводили при исходных данных, соответствующих условиям испытаний. Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными приведены на рис. 3-5.

Представленные на рисунках графики демонстрируют удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными, что подтверждает правомерность упрощающих допущений, принятых при разработке математической модели.

В главе 4 дано описание и приведены основные технические характеристики огнезащитного укрытия и противопожарных штор - трансформируемых конструкций, разработанных на основе предложенного комбинированного способа повышения огнестойкости.

Огнезащитное укрытие предназначено для повышения предала огнестойкости технологического оборудования пожароопасных производств, в частности -наземных нефтяных скважин. В состав его конструкции входят: огнезащитный экран, несущий каркас и встроенная в него система орошения. В рабочем положении оно имеет форму треугольной призмы с размерами: шириной основания 2 м, высотой 3 м и длиной 2,5 м. г.-с 800'

700 600 500' 400 300 200 100 0

*

< • А • • •

•

1 9 I • ♦ ♦ ^

/•

VI, V А .А**

♦ ■ . - -

■ - результаты расчета;

* * * * - результаты эксперимента.

5 10 15 20 25 30 35 40 /.мин

Рис.3. Изменение температуры в контрольных точках системы, описанной расчетной схемой рис.2, при огневом воздействии и отсутствии воды в стенке экрана.

800-

700' 600

500 400 300 200-

100 О'

у Г Ал _4

'а

/

¥

I

1

/

10 20 30 40 50 60 /. мин

Рис. 4. Зависимость от времени температуры обогреваемой поверхности экрана в процессе сушки: 1 - в крайней верхней точке; 2 - в середине экрана; 3 -вблизи к поверхности грунта; 4 -данные эксперимента (в центре экрана).

о-0,20.40,60,1 1,0' 1,2' 1,4' 1,( 1.8'

I, мин

20 30

V

у\

у>

1Д: |\\

Г'лЛоЗ

1 у\

1

V Л я

чЛ

* • ,\

к

1 у ■Ш

Рис. 5. Распределение времени сушки огнестойкого экрана по его высоте: 1- результат расчета; 2 - область значений результатов экспериментов; 3 - математическое ожидание результатов экспериментов.

Трансформируемость конструкции огнезащитного укрытия обеспечивает его установку на объекте в течение 5 минут и возможность транспортировки к месту аварии в транспортных средствах, имеющихся на вооружении боевых пожарных расчетов.

В отличие от традиционных способов огнезащиты орошением объекта водой, огнезащитное укрытие способно обеспечивать огнезащищенность объекта при отсутствии подачи воды в стенку экрана в течение 45 минут, а при подаче

воды в стенку экрана - неограниченно долго. Расход воды при этом снижен в десятки раз по сравнению с орошением поверхности объекта водой.

В качестве еще одного средства, реализующего комбинированный способ повышения огнестойкости, предлагается противопожарная штора, конструкцию которой образуют три основных элемента: огнестойкий экрана, система подачи воды и система крепления и трансформации.

Отличительной особенностью работы противопожарной шторы является условие минимальности воздействия воды на окружающую обстановку помещения, поскольку она расходуется на испарение в условиях пожара. Условие отсутствия выделения воды из противопожарной шторы достигается расчетом оптимальных параметров ее конструкции: толщины, плотности заполнителя, расхода и режима подачи воды.

В условиях нестационарного огневого воздействия отсутствие выделения воды из противопожарной шторы может быть обеспечено регулировкой ее подачи средствами автоматики, включенными в конструкцию шторы.

III. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен комбинированный способ повышения огнестойкости конструкций, основанный на рациональном сочетании свойств пассивной и активной огнезащиты.

2. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета теп-ломассопереноса при пожаре в водосодержащем огнестойком экране, позволяющие определять оптимальные конструктивные параметры трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости в соответствии с тактикой их применения, а также с массой и габаритами защищаемого объекта.

3. Разработаны и созданы устройства, реализующие комбинированный способ повышения огнестойкости: огнезащитное укрытие и противопожарные шторы (трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости), технические характеристики которых превосходят существующие аналоги.

4. Разработана методика проведения натурных огневых испытаний трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.

5. Получены экспериментальные данные, необходимые для оценки точности и адекватности натуре разработанной математической модели.

6. Путем сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных показана достоверность разработанной математической модели, алгоритмов и программ расчета основных конструктивных параметров трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.

7. Сформулированы общие принципы проектирования трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.

8. Сформулированы актуальные задачи, решение которых обеспечит совершенствование разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.

IV. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В

РАБОТАХ:

1. Патент 2229910 (Россия): Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, огнестойкий экран и огнезащитное укрытие на его основе, 2003. МПК А62 С 2/10.

2. Страхов В.Л., Крутов A.M., Заикин C.B. Комбинированный способ огнезащиты пожароопасного технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч.-практ. конференции. - Ч. 3 - М.: ВНИИПО, 2003,- С. 163 - 166.

3. Страхов В.Л., Крутов A.M., Заикин C.B. Рациональные способы и средства пассивной огнезащиты пожароопасного технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч. -практ. конференции. - Ч. 3 - М.: ВНИИПО, 2003. - С. 166 - 168.

4. Заикин C.B. Разработка быстро устанавливаемого огнезащитного укрытия для запорной и фонтанной арматуры нефтяных скважин // Пожарная безопасность. - 2005. - №5. - С. 87 - 92.

5. Страхов В.Л., Заикин C.B. Математическое моделирование нестационарного прогрева насыщенного водой огнезащитного экрана на этапе сушки // По-жаровзрывобезопасность. — 2005. - №6 - С. 26 - 32.

6. Страхов В.Л., Заикин C.B., Каледин В.О. Математическое моделирование нестационарного прогрева при пожаре элементов технологического оборудования нефтегазового комплекса с огнезащитой в виде укрытия: Труды четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Том 3: Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. - М.: Издательство МЭИ, 2006. - С. 320-323.

7. Заикин C.B., Страхов В.Л., Карпов В.Л. Огневые испытания огнезащиты для технологического оборудования объектов добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и газа// Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы Международной науч.-практ. конференции. - Ч. 1 - М.: ВНИИПО, 2008.- С. 210 - 214.

8. Заикин C.B., Страхов В.Л., Каледин В.О. Новый способ и средства огнезащиты для объектов нефтегазового комплекса // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - №4. - С. 28 - 32.

9.Страхов В.Л., Заикин C.B., Крутов A.M. Разработка огнезащитного укрытия и противопожарных штор, реализующих комбинированный способ огнезащиты. // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы XXI науч. -практ. конференции. - Ч. 1. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. - С. 212 -214.

10. Заикин C.B., Страхов В.Л. Трансформируемые огнезащитные ограждающие конструкции повышенной огнестойкости //Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2009. - №4 - С. 107 - 112.

КОПИ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 эю. г. Москва, ул. Енисейская, д.3б тел.: 8-499-185-7954,8-906-787-7086