автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Трансформируемые противопожарные преграды повышенной эффективности

На правах рукописи

Заикин Сергей Вениаминович

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ПРЕГРАДЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

6 ДЕК 2012

005056737

На правах рукописи

Заикин Сергей Вениаминович

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ПРЕГРАДЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.26.03 — Пожарная и промышленная безопасность (технические науки, отрасль строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

Работа выполнена в конструкторско-технологическом отделе Закрытого акционерного общества «Теплоогнезащита», г. Сергиев Посад Московской области

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Страхов Валерий Леонидович

Официальные оппоненты: Ройтман Владимир Миронович

доктор технических наук, профессор, Московский Государственный строительный университет, профессор кафедры комплексной безопасности

Пронин Денис Геннадьевич кандидат технических наук, ОАО «НИЦ «Строительство» «Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко», заведующий сектором проектирования и экспертизы в области пожарной безопасности

Ведущая организация: ФГБУ Всероссийский научно-

исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России

Защита состоится « 20 » декабря 2012 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 в Академии Государственной Противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.

Автореферат разослан «16» ноября 2012 г. Ученый секретарь , „ /

диссертационного совета (З^^г Швырков Сергей Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Официальная статистика пожаров в Российской федерации демонстрирует парадоксальный факт: несмотря на ежегодное уменьшение числа пожаров, ущерб от них продолжает расти. В период с 2005 по 2009 гг. ежегодно регистрировались, в среднем, 69 пожаров с крупным материальным ущербом, размер которого оценивался, в среднем, в 42 млн. руб. Более половины таких пожаров сопровождалось гибелью людей. Основными причинами гибели и травматизма людей являлись отравление продуктами горения и воздействие высокой температуры.

Основное число крупных пожаров и ущерб от них приходится на здания производственного назначения (34 % и 60 %), предприятий торговли (22 % и 22 %), административно-общественных учреждений (5 % и 3 %).

Как показывает практика, наиболее эффективным способом одновременного обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре и сохранения материальных ценностей являются установленные Федеральным законом №123-Ф3 мероприятия по ограничению распространения пожара, в рамках которых предусматривается устройство противопожарных преград — строительных конструкций с нормированным пределом огнестойкости.

Реалии современной России таковы, что большинство упомянутых зданий построено в 30—80 гг. прошлого века и нуждается в реконструкции при изменении их функционального назначения или модернизации протекающих в них технологических процессов.

В связи с этим особую актуальность приобретает применение трансформируемых противопожарных преград (ТПП), формирующих препятствие при непосредственной угрозе распространения пожара за их пределы.

За рубежом наиболее широкое применение получили противопожарные преграды в виде штор и укрытий, характерной конструктивной особенностью которых является исполнение ограждающей части (рабочего полотна) в виде тонкой, легкой и гибкой конструкции из термостойких текстильных материалов. Этим достигается легкость и компактность конструкции при штатной эксплуатации зданий и сооружений. Для обеспечения пределов огнестойкости более Е190 предусматривается охлаждение ограждающей части водой.

Однако применение данных конструкций в России сдерживается их недостаточной эффективностью, обусловленной:

- недостаточной огнестойкостью без использования воды;

- разрушающим воздействием воды на конструкции, отделку и содержимое здания;

- неприемлемо высокой стоимостью.

Таким образом, становится актуальным проведение исследований, направленных на разработку новых конструкций 11111, свободных от перечисленных недостатков.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по повышению эффективности конструкций трансформируемых противопожарных преград.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

- оценка технического уровня существующих ТПП;

- анализ современных способов и средств обеспечения огнестойкости конструкций на предмет их применения в ограждающей части ТПП с пределом огнестойкости до EI150;

- разработка нового более эффективного способа обеспечения огнестойкости ограждающей части в составе конструкций ТПП;

- разработка математической модели, алгоритмов и программ расчета параметров тепло- и массопереноса, определяющих огнестойкость и эффективность ТПП при пожаре;

- разработка методик и проведение экспериментальных исследований тепло- и массопереноса в ТПП при пожаре;

- оценка точности и адекватности натуре разработанной математической модели путем сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по повышению эффективности конструкций ТПП.

Объектом исследования являлись процессы тепло- и массопереноса, определяющие огнестойкость и эффективность трансформируемых противопожарных преград при пожаре.

Предметом исследования являлись трансформируемые противопожарные преграды в виде штор и укрытий с ограждающей частью, реализующей новый способ обеспечения их огнестойкости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан комбинированный способ обеспечения огнестойкости ограждающих конструкций, основанный на синергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массообменного пористого охлаждения.

2. Впервые получено решение прикладной задачи тепломассопе-реноса в водосодержащем капиллярно-пористом рабочем полотне противопожарной шторы и укрытия на основе известных соотношений общей теории тепломассопереноса с принятием допущений, максимально упрощающих решение исходных уравнений, но не затрагивающих определяющих огнестойкость физических процессов.

3. Впервые разработаны алгоритмы и программы расчета основных конструктивных параметров рабочего полотна (толщины, плотности и диаметра волокон капиллярно-пористого слоя) и расхода подаваемой в него воды с целью обеспечения сохранения огнестойкости преграды при отсутствии пролива воды при пожаре.

4. Разработаны методики огневых испытаний противопожарных штор и укрытий, отличающиеся от существующих методик тем, что в них предусмотрены:

- возможность дистанционного периодического насыщения рабочего полотна водой, подаваемой из ручного пожарного ствола;

- непрерывная подача воды в рабочее полотно через систему в составе конструкции противопожарной шторы;

- отведение избыточного количества поданной воды из зоны испытаний;

- регистрация расхода подаваемой и отводимой неиспарившейся воды;

- регистрация и контроль температуры на поверхностях рабочего полотна с учетом специфики протекания в нем процессов тепломассопереноса при одностороннем нагреве и присутствии в капиллярно-пористой структуре воды.

5. Для структур рабочего полотна с капиллярно-пористым слоем, сформированным из серийно выпускаемых материалов (МБОР-5, ИПП-КВ), экспериментально определены характеристики массопере-носа воды под действием силы тяжести: содержание воды в состоянии насыщения (п'„К1Х); содержание адсорбционной влаги (и>а); коэффициент проницаемости (кр) и высота капиллярного поднятия воды {Ик).

6. В испытаниях на огнестойкость получены данные, подтверждающие достоверность и точность разработанных математических моделей, алгоритмов и программ.

7. Экспериментально доказаны:

- способность рабочего полотна насыщаться водой и распространять ее под действием силы тяжести с требуемым расходом при одностороннем воздействии обогревающей среды пожара, в том числе при вертикальной ориентации;

- возможность выхода водосодержащего рабочего полотна при пожаре ни стационарный режим и обеспечения отсутствия пролива воды в количестве, способном нанести заметный ущерб конструкциям и содержимому в защищаемой части здания;

- отсутствие распространения существенного количества пара в защищаемую часть здания;

- возможность обеспечения насыщения рабочего полотна водой на начальной стадии нагрева за необходимое время.

8. Разработаны принципиально новые конструкторские решения для противопожарных штор и укрытий, позволяющие существенно превзойти существующие конструкции по эффективности.

Достоверность полученных результатов достигалась: адекватностью математической модели реальным процессам тепломассоперено-са в системе «обогревающая среда — противопожарная преграда - 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 работы ограждающих конструкций; достаточной точностью методов и средств измерений.

Практическая ценность работы заключается в использовании изложенного в ней теоретического и экспериментального материала при разработке новых огнестойких строительных конструкций, а также в возможности использования разработанных конструкций в составе систем противопожарной защиты зданий и сооружений различного назначения.

В частности, согласно действующим нормам пожарной безопасности, противопожарные шторы предложенной в диссертации конструкции могут применяться:

- для разделения этажей производственных и складских зданий, а также зданий предприятий торговли на пожарные отсеки;

- в качестве противопожарных перегородок I типа для отделения кладовых горючих товаров от торгового зала площадью более 250 м2;

- для устройства дымовых зон совместно с дымоудалением и для разделения коридоров длиной более 60 м в общественных зданиях;

- для устройства пожаробезопасных зон в зданиях различного назначения.

Материалы диссертации реализованы:

- при проектировании теплозащитного экрана для эстакады участка 4-го транспортного кольца ш. Энтузиастов - Измайловское ш., ул. Перовская, д. 1а в зоне резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭЦ-11 в г. Москве;

- при проектировании подвижных огнестойких конструкций общего вытяжного канала общеобменной вентиляции и дымоудаления автодорожных тоннелей в составе участка Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова в г. Москве;

- при строительстве притоннельных подземных сооружений транспортной развязки Ленинградского и Волоколамского шоссе в районе станции метро «Сокол» в г. Москве;

- при производстве опытных партий огнезащитных укрытий для запорной и фонтанной арматуры нефтяных скважин в ООО «Центр производства нестандартного оборудования», Московская область, г. Сергиев Посад, д. 212В.

Основные результаты работы были доложены на:

- 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006 г.); •

- XX Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008 г.);

- XXI Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.).

На защиту выносятся:

- результаты оценки технического уровня и условий работы существующих ТИП, а также результаты анализа современных

способов и средств обеспечения их огнестойкости с оценкой потенциальной эффективности;

- комбинированный способ обеспечения огнестойкости оіражда-ющих конструкций, основанный на синергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массо-обменного пористого охлаждения;

- математическая модель, алгоритмы, программы и результаты расчетов тепломассопереноса в водосодержащем капиллярно-пористом рабочем полотне противопожарных штор и укрытий;

- результаты расчетов теплопередачи в системе, образованной ТіШ и защищаемым объектом;

- методики экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса при пожаре в рабочем полотне и в системе образованной ТПП и защищаемым объектом;

- результаты экспериментальных исследований;

- рекомендации по повышению эффективности конструкций ТПП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 168 страницах текста, включает в себя 6 таблиц, 55 рисунков, список использованной литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и ее практическая значимость.

В первой главе даны определения, сформулированы технические требования и критерии эффективности к ТПП. Приведен аналитический обзор существующих конструкций ТПП: штор, укрытий, трансформируемых перегородок и ворот.

Проведенный анализ показал, что наиболее эффективными для применения в зданиях различного назначения являются шторы и укрытия. Их повышенная эффективность по сравнению с другими

1'1Ш обусловлена меньшими затратами на приобретение, устройство и эксплуатацию конструкции; большим спектром применения.

Однако существующим конструкциям противопожарных штор свойственен ряд недостатков, выраженных следующими характеристиками, отражающими современный технический уровень:

- толщина неохлаждаемого водой рабочего полотна при приемлемой стоимости конструкции превышает 40 мм;

- высокая стоимость зарубежных конструкций, лишенных отмеченного выше недостатка (1425 $/м2 защищаемого проема);

- ограниченный предел огнестойкости конструкции при отсутствии охлаждения рабочего полотна водой (не более Е190);

- большой расход воды на охлаждение рабочего полотна (более 0,12 л/с на 1 погонный метр (п/м) ширины проема), значительная часть которого образует пролив в защищаемую часть здания.

Таким образом, следуя мировым тенденциям совершенствования конструкций противопожарных штор и укрытий, для повышения их эффективности требуется:

- уменьшить массу рабочего полотна по сравнению с конструкциями, реализующими пассивный способ обеспечения огнестойкости;

- минимизировать или гарантировать отсутствие разрушающего воздействия воды на конструкции и содержимое защищаемого объекта;

- снизить стоимость конструкции за счет упрощения ее принципиальной схемы, применения отечественных материалов и комплектующих, организации производства в России;

- обеспечить предел огнестойкости не менее Е1150.

Для достижения поставленной цели предлагается подход, основанный на разработке и реализации в рабочем полотне нового способа обеспечения огнестойкости в сочетании с математическим моделированием определяющих огнестойкость физических процессов.

Выбор методов исследования в значительной степени определяется достижениями в таких областях науки и техники, как: теория тепломассопереноса в пористых средах; теория и методологии проектирования тепловой защиты и огнезащиты; огнестойкость строительных конструкций.

Фундаментальные исследования тепломассопереноса в пористых средах были выполнены научными коллективами под руководством

A.B. Лыкова, Ю.А. Михайлова, Е. Tsotsas, J.R. Philip, D.A. De Vries, S. Whitaker, D. Berger и др.

Теория и методы тепловой защиты для объектов различного назначения разработаны Ю.В. Полежаевым, Ф.Б. Юревичем. В данных работах учтен опыт и достижения в разработке тепловой защиты летательных аппаратов таких ученых, как С.М. Скала, К. Адаме,

B.М. Кейс, Э.Р. Эккерт, P.M. Дрейк, Ю.А. Душин, А.К. Рудько, В.М. Поляков и др.

Проблеме моделирования тепловлагопереноса в строительных конструкциях с огнезащитой, работающих в условиях пожара, и оценке их огнестойкости посвящены труды школы В.М. Ройтмана (Богословский В.Н., Бережной А.Г., Зырина Т.Н. и др.), а также работы B.JI. Страхова и В.В. Жукова.

Вопросы исследования проницаемости капиллярно-пористых материалов освещены в работах В.В. Красникова, М.И. Низовцева, А.П. Курячего и др.

Упомянутый ранее метод повышения эффективности рабочего полотна подробно описан во второй главе диссертации.

Разработан новый способ обеспечения огнестойкости рабочего полотна, заключающийся в создании в его пористой структуре паро-капельновоздушной среды из охлаждающей жидкости, в результате чего должен проявляться непрерывный физический эффект испарительного охлаждения.

Реализующее новый способ обеспечения огнестойкости рабочее полотно предполагается изготавливать из волокнистых термостойких материалов по швейной технологии в виде слоистой конструкции. Для изготовления наружных слоев предлагается применять кремнеземную ткань, а внутреннего капиллярно-пористого слоя - нетканые рулонные материалы на основе базальтовых или кремнеземных волокон.

Рабочее полотно может функционировать в следующих режимах:

- с непрерывной подачей охлаждающей жидкости в его капиллярно-пористую структуру;

- с периодическим насыщением охлаждающей жидкостью;

- при отсутствии охлаждающей жидкости.

По принципу действия предлагаемый способ является комбинированным, поскольку в нем совмещены принципы активного и пассивного способов обеспечения огнестойкости. Предположение о большей эффективности комбинированного способа, по сравнению с

активным и пассивным способами, обусловлено реализацией в нем максимального числа способов отвода тепла при пожаре.

При моделировании процессов тепломассопереноса в водосодер-жащем рабочем полотне при пожаре рассматривается двумерная область, ограниченная по поперечной координате £ поверхностями рабочего полотна, а по продольной координате т| - уровнем пола и высотой рабочего полотна. Расчетные схемы приведены на рис. 1 (здесь: qw — плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью; ?wv — массовая скорость испарения воды; — координата фронта испарения; Tw — температура обогреваемой поверхности; Tv — температура испарения; Т/ — температура пламени; <*/— коэффициент конвективной теплоотдачи от продуктов горения к омываемой ими поверхности рабочего полотна; Zf— излучательная способность пламени; tiiw — массовая скорость течения воды; т|л — координата границы зоны с адсорбционной водой; т0 - время достижения границы зоны с адсорбционной водой координаты ца; w — массовое содержание воды; w,„ax — массовое содержание воды, соответствующее состоянию насыщения; wa — массовое содержание адсорбционной влаги; 5 - толщина рабочего полотна).

Рабочее полотно подвергается одностороннему огневому воздействию, которое характеризуется наличием непосредственного контакта пламени с обогреваемой поверхностью.

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

В режиме однократного насыщения (рис. 16) все поры в начальный момент времени заполнены водой, что соответствует массовому содержанию воды w„,m. В этом случае одновременно с испарением воды происходит ее массоперенос под действием силы тяжести и вытекание из нижней части рабочего полотна. По мере удаления воды в верхней части рабочего полотна образуется зона с адсорбционной влагой, характеризующаяся содержанием воды wa.

Математическая модель построена на основе соотношений теории тепломассопереноса A.B. Лыкова и Ю.А. Михайлова, Е. Tsotsas, а также результатов исследований, обобщенных в работах

В.М. Ройтмана и В.Л. Страхова. Однако ее отличительной особенностью является введение дополнительных упрощающих допущений, существенным образом не затрагивающих определяющие огнестойкость физические процессы.

а) б)

Рис. 1. Расчетные схемы тепломассопереноса в водосодержащем капиллярно-пористом рабочем полотне в режиме непрерывной подачи воды (а) и однократном насыщении (б): 1 - зона сухого материала; 2 - фронт испарения; 3 — зона водосодержащего материала; 4 — граница зоны с адсорбционной водой; 5 - зона адсорбционной

влажности

Согласно упомянутым допущениям классическая краевая задача тепломассопереноса в двумерной постановке преобразуется к двум, решаемым совместно, квазиодномерным задачам по координатам ^ и г), а дифференциальное уравнение, описывающее теплоперенос по толщине сухого слоя рабочего полотна принимает вид:

Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных условиях:

\ —А.г —

гр.^,;71 =100'С. (2)

•Ь-о

В выражениях (1) — (2) приняты следующие обозначения: ро — исходное значение объемной плотности сухого материала рабочего полотна; ср — теплоемкость пара; Г—температура; Х-ц—эффективная (суммарная) теплопроводность в зоне сухого материала; г — тепловой эффект фазового превращения вода — пар; — линейная скорость перемещения фронта испарения.

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

т. = ; (3)

=^(1-фЛ'5-Мк +ЭД25 +0Г3; (4)

ф^=1-р0/р'; (5)

= Л,о(Т;-Т:) + {а/ -лАсДт)-¡Г.). (6)

где А/ = 1/(1/е/ +1/еи, -1); т) V - коэффициент вдува пара в пограничный слой газового потока, омывающего поверхность рабочего полотна; £,„ - степень черноты поверхности рабочего полотна; X' X" — теплопроводности каркаса пористого материала и газа, заполняющего поры; Мк — параметр контактного сопротивления; 0 — параметр лучистого теплопереноса.

Для упрощения интегрирования уравнения (1) производится замена зависящей от температуры теплопроводности Х^ на ее среднеин-тегральное значение в диапазоне температур от Ту до Т„.

Решение обыкновенного дифференциального уравнения (1) с граничными условиями (2) и с учетом формул (3) - (6) приводит к следующим разрешающим выражениям:

і = 1» ^ л ?Аг + сР{Т„-Т,)У

1 +

ехр

-1

(8)

(9)

Дифференциальное уравнение (7) должно решаться при начальном условии:

= (Ю)

Из его решения находится время сушки слоя толщиной Ъд.

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

(П)

Дифференциальное уравнение (11) должно решаться при граничном условии:

= 0.

(12)

В процессе решения дифференциального уравнения (11) на каждом шаге по вертикальной локальной координате ті требуется определять значения Цу, и Ги, согласно выражениям (8) и (9).

Решение дифференциального уравнения (11) позволяет определить минимальный расход подаваемой воды при предварительно задаваемых конструктивных параметрах рабочего полотна и теплофи-зических характеристиках входящих в него материалов. Критерием оптимальности является отсутствие вытекания воды из нижней части рабочего полотна, обеспечиваемое при условии:

где //—высота рабочего полотна.

Массоперенос воды в капиллярно-пористой среде рабочего полотна по координате г) описывается законом Дарси. Разница давлений на длине зоны фильтрации определяется как разность веса перемещающейся в рабочем полотне воды и силы сопротивления, определяющейся высотой ее капиллярного поднятия. При непрерывном режиме подачи массовая скорость течения воды по порам рабочего полотна на ширине 1 м постоянна и может быть определена согласно следующему выражению:

где kf — коэффициент проницаемости; ц — динамическая вязкость воды; р,„ - плотность воды; # — ускорение свободного падения; й* - высота капиллярного поднятия жидкости; а — угол между осью локальных координат т| и вертикалью.

Полученные выражения (7) - (11) справедливы и для описания тепломассопереноса для случая однократного или периодического насыщения рабочего полотна водой (рис. 16).

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

Процесс массопереноса воды можно представить в виде перемещающегося под действием силы тяжести в направлении сверху вниз столба жидкости, характеризующегося плотностью ро(м>тах - При вытекании некоторого количества воды из нижней части рабочего полотна высота столба жидкости, а, следовательно, и длина фильтрации уменьшается на величину т|д. Участок рабочего полотна, расположенный выше координаты т|0, характеризуется остаточным содержанием воды VIа, которая удерживается в пористой среде силами межмолекулярного взаимодействия и капиллярными силами.

Для количественного описания массопереноса воды в данном случае необходимо время га, по истечении которого граница зоны с адсорбционной водой достигнет заданной координаты г|„. Процесс массопереноса воды заканчивается, когда т| = Н— /г*.

М _ p(¡(w—wa)gcosa(H - Ьк)

(14)

Замена в выражении (14) Н на выражение для переменной высоты перемещающегося столба воды, а массовой скорости ее дифференциальным соотношением и последующее интегрирование полученного дифференциального уравнения при начальном условии: т=0, т|я=0, дает искомую зависимость та (ца):

^рДш-мОя-соБа

, . Н — к —г| собоЛ

Т| +—— 1п -к--^-

соБа I Н-Ьк

(15)

В отличие от предыдущего случая (рис. 1а), при функционировании рабочего полотна в режиме однократного или периодического насыщения водой положение фронта испарения не стационарно. В этом случае рабочее полотно способно сохранять огнестойкость в течение времени равного сумме продолжительности сушки и промежутку от момента высыхания до момента достижения температурой необогреваемой поверхности критического значения.

Продолжительность сушки определяется решением дифференциального уравнения (7) при граничном условии (10) для каждой координаты Т) при условии изменения содержания воды за фронтом испарения м> по истечении времени та с м>тах на wa.

Математическое описание случая отсутствия воды в структуре рабочего полотна необходимо для расчета лимитирующего времени, за которое должно происходить насыщение рабочего полотна водой на начальной стадии пожара или после его высыхания.

В этом случае для описания теплопереноса используется подход, описанный В.Л. Страховым в книге «Огнезащита строительных конструкций». Расчетная область описывается двумя дифференциальными уравнениями нестационарной теплопроводности для следующих характерных зон: рабочего полотна из волокнистых материалов и заполненной воздухом полости, образованной поверхностью рабочего полотна укрытия и основания на котором оно установлено.

Для описания теплообмена излучением в полости, образованной противопожарной преградой и защищаемым объектом, используется зональный метод.

Решение дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности производится методом конечных разностей с применением алгоритма, разработанного В.Л. Страховым и В.О. Калединым.

В данный алгоритм встроен разработанный автором модуль для расчета результирующих тепловых потоков излучения на каждой изотермической площадке, принадлежащей ограничивающим полость поверхностям.

На основе описанной математической модели разработан алгоритм и программа расчета оптимальных параметров конструкции рабочего полотна по критерию минимума стоимости конструкции при действующих ограничениях на ее огнестойкость, толщину и массу.

В третьей главе приведены методика и основные результаты .экспериментальных исследований, целями которых являлись:

- определение отсутствующих в справочной литературе характеристик рабочего полотна, отвечающих за массоперенос воды;

- оценка точности и достоверности математической модели;

- определение фактических пределов огнестойкости конструкций;

- определение рабочих характеристик конструкций, подтверждение работоспособности и эффективности конструкторских решений.

Проведены три серии опытов.

В первой серии опытов определяли wa >еотот, к/ и кк на образцах, изготовленных в виде фрагментов рабочего полотна с размерами в плане 1000x200 мм. Исследовали два типа образцов, соответствующие возможным вариантам исполнения внутреннего слоя из серийно выпускаемых отечественной промышленностью материалов.

Насыщенные водой образцы устанавливали на весах в подвешенном состоянии и регистрировали зависимость изменения их массы от времени, которую затем преобразовывали в зависимость т|а(тя). Для полученных зависимостей ,пп(т(,) находили соответствующие им пары значений к/ и Ик.

Значения м'в и мпшх рассчитывали по измеренным значениям массы образцов или их частей в соответствующих состояниях: сухом, насыщения водой и влажном после удаления фильтрующейся воды.

Определенные в данной серии опытов значения являются исходными данными для расчетов.

Вторую серию опытов — огневые испытания рабочего полотна в составе укрытия проводили в условиях открытого полигона.

Рабочее полотно толщиной 19 мм имело форму треугольной призмы со следующими размерами: шириной основания 1,2 м, высотой 1,8 м, длиной 2,5 м. Его наружные слои были выполнены из

кремнеземной ткани, а промежуточные слои — из базальтоволокнисто-го рулонного материала МБОР-5 с плотностью 100 кг/м3.

Огневое воздействие создавали горением дизельного топлива, налитого в емкости, установленные в траншее, устроенной по периметру объекта испытаний.

В процессе огневого воздействия непрерывно регистрировали показания термопар, установленных в пламени, на разных уровнях обогреваемой и необогреваемой поверхностях рабочего полотна.

Испытания были проведены для трех режимов функционирования рабочего полотна, описанных в математической модели.

Путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными 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 для режима периодического насыщения рабочего полотна водой приведены на рис. 2.

Представленные на рис. 2 графики демонстрируют удовлетворительное согласование результатов расчетов с экспериментальными данными, что подтверждает достаточную точность и достоверность разработанной математической модели.

Практический опыт, полученный во второй серий испытаний, позволил разработать методику и провести испытания на огнестойкость образцов противопожарной шторы в печи по стандартному режиму пожара.

Рабочее полотно было изготовлено из кремнеземных материалов. Внутренний слой был выполнен из кремнеземного иглопробивного полотна ИПП-КВ плотностью 150 кг/м3. Испытывались рабочие полотна толщиной 5 и 10 мм.

Одновременно с началом огневого воздействия включали подачу воды. Вода подавалась в рабочее полотно из пропиточного узла, расположенного внутри корпуса шторы. Пропиточный узел представляет собой заполняемую от водопроводной сети водой емкость, одну из стенок которой образует рабочее полотно.

К 40-й минуте испытаний в рабочем полотне установился стационарный режим тепломассообмена. Вытекание неиспарившейся воды из нижней части рабочего полотна стало пренебрежимо малым.

Рис. 2. Сравнительный анализ результатов расчета и экспериментальных данных: а) зависимость от времени температуры обогреваемой поверхности рабочего полотна в процессе сушки: / - вблизи к поверхности грунта; 2 - в середине; 3 - в крайней верхней точке; 4 - данные эксперимента (в середине полотна); б) распределение времени сушки рабочего полотна по его высоте; 1 - результат расчета; 2 - область значений результатов экспериментов; 3 — математическое ожидание результатов экспериментов

Расход воды на 1 п/м ширины проема в течение времени функционирования рабочего полотна в стационарном режиме оставался постоянным и составил: при толщине рабочего полотна 10 мм - 0,049 л/с; при толщине рабочего полотна 5 мм - 0,083 л/с. Это существенно меньше, чем в существующих конструкциях. Предел огнестойкости в данном случае физически не ограничен.

Характерные моменты огневых испытаний рабочего полотна в составе противопожарной шторы показаны на рис. 3.

Отклонения результатов расчета подаваемой в рабочее полотно противопожарной шторы воды от полученных в испытаниях значений не превышали 10 %.

В четвертой главе приведены рекомендации по повышению эффективности конструкций ТПП. Рекомендации сформулированы в виде технических решений, реализованных в конструкциях противопожарной шторы и огнезащитного укрытия.

Основные принципы работы конструкций противопожарной шторы заключаются в следующем.

а) б) в)

Рис. 3. Образец противопожарной шторы до испытаний (а), на начальной стадии подачи воды (б), на 150-ой минуте испытаний (в)

При штатном режиме эксплуатации здания рабочее полотно противопожарной шторы находится в исходном положении: хранится в компактном состоянии на валу, расположенном внутри корпуса, установленном над защищаемым проемом.

По сигналу о пожаре от дымового пожарного извещателя рабочее полотно разворачивается в рабочее положение до контакта его нижнего края с полом. По сигналу от теплового пожарного извещателя в капиллярно-пористую структуру рабочего полотна начинает подаваться вода.

Как правило, подача воды осуществляется с постоянным расходом, обеспечивающим сохранение рабочим полотном теплоизолирующей способности на развитой стадии пожара. При этом гарантируется отсутствие образования существенного количества воды в защищаемом помещении.

В конструкции противопожарной шторы реализованы следующие технические решения:

- реализующее комбинированный способ обеспечения огнестойкости рабочее полотно, исполнение которого описано в главах 2 и 3 диссертационной работы;

- принципиально новая конструкция узла подачи воды (рис. 4).

Разработанная конструкция гарантирует равномерность насыщения рабочего полотна водой за необходимое время на начальной стадии пожара. Это достигается способностью образовывать зазор

между нижней кромкой ванночки и рабочим полотном при возрастании давления воды. Через образующийся зазор на поверхность рабочего полотна поступает дополнительное количество воды. При необходимости расход воды в промежутке времени от начала пожара до момента насыщения рабочего может быть увеличен.

Рис. 4. Конструктивная схема корпуса противопожарной шторы:

/ — стена; 2— корпус; 3 — вал намоточный; 4 — штуцер водоподводяхций (узел пропитки); 5 - ванна пропиточная (узел пропитки); 6- полотно рабочее;

7 - лента термоуплотнительная ЛТУ; 8 - ролик прижимной; 9 - кронштейн

Повышенная эффективность разработанной конструкции по сравнению с существующими конструкциями обеспечивается совокупностью следующих основных характеристик:

- уменьшением толщины и массы рабочего полотна более чем в 3 раза по сравнению с конструкциями, реализующими только пассивный способ обеспечения огнестойкости;

- уменьшением стоимости более чем в 2 раза по сравнению с лучшими зарубежными аналогами;

- отсутствием пролива и разрушающего воздействия воды на конструкции и содержимое защищаемого объекта;

- физически неограниченным пределом огнестойкости по критериям Е1.

вода

6

7:

Противопожарные шторы предлагаемой конструкции могут применяться:

- для разделения этажей производственных и складских зданий, а также зданий предприятий торговли на пожарные отсеки;

- в качестве противопожарных перегородок I типа для отделения кладовых горючих товаров от торгового зала площадью более 250 м2;

- для устройства дымовых зон совместно с дымоудалением и для разделения коридоров длиной более 60 м в общественных зданиях;

- для устройства пожаробезопасных зон в зданиях различного назначения.

Огнезащитное укрытие нашло практическое применение для повышения предела огнестойкости технологического оборудования пожароопасных производств, в частности - наземных нефтяных скважин. В состав его конструкции входят: рабочее полотно, 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.

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 огнеза-щищенность объекта при отсутствии подачи воды в рабочее полотно в течение 45 минут, а при подаче воды - неограниченно долго. Расход воды при этом снижен в десятки раз по сравнению с орошением поверхности объекта водой. Данная конструкция не имеет аналогов.

ВЫВОДЫ

1. Аналитический обзор существующих конструкций 11111, а также способов и средств обеспечения огнестойкости показал их недостаточную эффективность.

2. Предложен метод повышения эффективности рабочего полотна противопожарных штор и укрытий, заключающийся в применении нового способа обеспечения его огнестойкости в сочетании с математическим моделированием процессов тепломассопереноса при пожаре.

3. Разработан новый способ обеспечения огнестойкости рабочего полотна, эффективность которого обусловлена реализацией в нем наибольшего числа физических процессов, отводящих тепло при огневом воздействии, по сравнению с известными способами обеспечения огнестойкости.

4. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программы расчета тепломассопереноса при пожаре в водосодержащем рабочем полотне, позволяющие определять его оптимальные конструктивные параметры и режим подачи воды.

5. Путем сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных показана достоверность и точность разработанной математической модели, алгоритмов и программ расчета.

6. Предложенный подход и разработанные новые конструкторские решения позволяют создавать на их основе противопожарные шторы и укрытия, превосходящие существующие конструкции по эффективности, что обусловлено уменьшением затрат на их приобретение, устройство и обслуживание, а также материальных потерь при пожаре.

7. Изложенные в диссертации теоретические положения, методики и результаты экспериментов, конструкторские решения нашли применение в ведущих строительных организациях, а кроме того - на предприятиях нефтегазовой отрасли и машиностроения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

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

2. Заикин C.B. Математическое моделирование нестационарного прогрева насыщенного водой огнезащитного экрана на этапе сушки [Текст] / C.B. Заикин, B.JI. Страхов // Пожаровзрывобезопасность. -2005.-№6.-С. 26-32.

3. Заикин C.B. Новый способ и средства огнезащиты для объектов нефтегазового комплекса [Текст] / C.B. Заикин, B.JI. Страхов, В.О. Каледин // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. — № 4. -С. 28-32.

4. Заикин C.B. Трансформируемые огнезащитные ограждающие конструкции повышенной огнестойкости [Текст] / C.B. Заикин,

B.JI. Страхов // Вестник Московского государственного строительного университета. - 2009. - № 4 - С. 107 - 112.

5. Заикин C.B. Расчет оптимальных параметров огнестойкого экрана противопожарных штор и укрытий [Текст] / C.B. Заикин, В.Л. Страхов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 3(15). -

C. 20-24.

6. Пат. 2229910 Российская Федерация, МПК7 А 62 С 2/10. Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, огнестойкий экран и огнезащитное укрытие на его основе [Текст] / C.B. Заикин, В.Л. Страхов,

A.М. Крутов и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО «Теплоогне-защита». - № 2003102427/12; заявл. 30.01.2003; опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16.-13 с.

7. Заикин C.B. Математическое моделирование нестационарного прогрева при пожаре элементов технологического оборудования нефтегазового комплекса с огнезащитой в виде укрытия [Текст] / C.B. Заикин, В.Л. Страхов, В.О. Каледин // Труды IV Российской национальной конференции по теплообмену. - Т. 3. - М.: Издательство МЭИ, 2006. - С. 320 - 323.

8. Заикин C.B. Огневые испытания огнезащиты для технологического оборудования объектов добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и газа [Текст] / C.B. Заикин, В.Л. Страхов,

B.Л. Карпов // Материалы XX Международной научн.-практ. конф.: Актуальные проблемы пожарной безопасности. - Ч. 1. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. - С. 210 - 214.

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

Подписано в печать 09.11.2012. Формат 60x84/1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 285 Академия ГПС МЧС России. 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Понятие о трансформируемых противопожарных преградах, требования по огнестойкости и критерии эффективности применения.

1.2. Анализ существующих конструкций трансформируемых противопожарных преград и определение тенденции повышения их эффективности.

1.3. Анализ существующих способов и средств обеспечения огнестойкости противопожарных преград.

1.4. Цель и задачи исследований.

1.5. Выводы по главе 1.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ПОЛОТНА ДЛЯ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ШТОР И УКРЫТИЙ.

2.1. Сущность метода повышения эффективности рабочего полотна.

2.2. Разработка комбинированного способа обеспечения огнестойкости рабочего полотна.

2.3. Математическая модель тепломассопереноса в капиллярно-пористом водосодержащем рабочем полотне при пожаре.

2.3.1. Общая формулировка.

2.3.2. Формулировка и решение краевой задачи теплопереноса и массопереноса водяного пара.

2.3.3. Формулировка и решение задачи массопереноса воды в направлении продольной координаты.

2.3.4. Алгоритм расчета конструктивных параметров рабочего полотна, работающего в режиме непрерывной подачи воды.

2.3.5. Алгоритм расчета времени сушки рабочего полотна, функционирующего в режиме однократного или периодического насыщения водой.

2.3.6. Отсутствие воды в рабочем полотне.

2.4. Алгоритм оптимизации конструктивных параметров рабочего полотна.

2.5. Выводы по главе 2.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОМАССОИЕРЕНОСА В РАБОЧЕМ ПОЛОТНЕ

ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ШТОР И УКРЫТИЙ.

3.1. Методика экспериментальных исследований.

3.1.1. Цели и объем исследований.

3.1.2. Исследование массопереноса воды в рабочем полотне действием силы тяжести.

3.1.3. Огневые испытания в условиях открытого полигона.

3.1.4. Испытания на огнестойкость в условиях стандартного температурного режима пожара.

3.2. Результаты экспериментальных исследований.

3.2.1. Результаты исследований массопереноса воды в рабочем полотне.

3.2.2. Результаты огневых испытаний в условиях открытого полигона.

3.2.2.1. Отсутствие орошения рабочего полотна водой.

3.2.2.2. Периодическое насыщение рабочего полотна водой.

3.2.2.3. Непрерывная подача воды в рабочее полотно.

3.2.3. Результаты испытаний на огнестойкость в условиях стандартного температурного режима.

3.3 Оценка точности и достоверности математической модели.

3.3.1. Отсутствие воды в рабочем полотне.

3.3.2. Водосодержащее рабочее полотно.

3.4. Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ПРЕГРАД И ОГНЕСТОЙКИХ

СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1. Противопожарные шторы.

4.2. Огнезащитное укрытие.

4.3. Подвижные огнестойкие конструкций общего вытяжного канала общеобменной вентиляции и дымоудаления автодорожных тоннелей.

4.4. Выводы по главе 4.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ.

Официальная статистика пожаров в Российской федерации демонстрирует парадоксальный факт: несмотря на ежегодное уменьшение числа пожаров, ущерб от них продолжает расти[1]. В период с 2005 по 2009 гг. ежегодно регистрировались, в среднем, 69 пожаров с крупным материальным ущербом, размер которого оценивался, в среднем, в 42 млн. руб. Более половины таких пожаров сопровождалось гибелью людей. Основными причинами гибели и травматизма людей являлись отравление продуктами горения и воздействие высокой температуры.

Основное число крупных пожаров и ущерб от них приходится на здания производственного назначения (34 % и 60 %), предприятий торговли (22 % и 22 %), административно-общественных учреждений (5 % и 3 %).

Как показывает практика, наиболее эффективным способом одновременного обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре и сохранения материальных ценностей являются установленные Федеральным законом №123-Ф3 [2] мероприятия по ограничению распространения пожара, в рамках которых предусматривается устройство противопожарных преград - строительных конструкций с нормированным пределом огнестойкости [2, 3].

Реалии современной России таковы, что большинство упомянутых зданий построено в 30-80 гг. прошлого века и нуждается в реконструкции при изменении их функционального назначения или модернизации протекающих в них технологических процессов.

В связи с этим особую актуальность приобретает применение трансформируемых противопожарных преград (ТПП), формирующих препятствие при непосредственной угрозе распространения пожара за их пределы.

За рубежом наиболее широкое применение получили противопожарные преграды в виде штор и укрытий, характерной конструктивной особенностью которых является исполнение ограждающей части (рабочего полотна) в виде тонкой, легкой и гибкой конструкции из термостойких текстильных материалов. Этим достигается легкость и компактность конструкции при штатной эксплуатации зданий и сооружений. Для обеспечения пределов огнестойкости более Е190 предусматривается охлаждение ограждающей части водой.

Однако применение данных конструкций в России сдерживается их недостаточной эффективностью, обусловленной:

- недостаточной огнестойкостью без использования воды;

- разрушающим воздействием воды на конструкции, отделку и содержимое здания;

- неприемлемо высокой стоимостью.

Таким образом, становится актуальным проведение исследований, направленных на разработку новых конструкций ТПЦ свободных от перечисленных недостатков.

Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по повышению эффективности конструкций трансформируемых противопожарных преград.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

- оценка технического уровня существующих ТПП;

- анализ современных способов и средств обеспечения огнестойкости конструкций на предмет их применения в ограждающей части ТПП с пределом огнестойкости до Е1150;

- разработка нового более эффективного способа обеспечения огнестойкости ограждающей части в составе конструкций ТПП;

- разработка математической модели, алгоритмов и программ расчета параметров тепло- и массопереноса, определяющих огнестойкость и эффективность ТПП при пожаре;

- разработка методик и проведение экспериментальных исследований тепло- и массопереноса в ТПП при пожаре;

- оценка точности и адекватности натуре разработанной математической модели путем сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по повышению эффективности конструкций

ТПП.

Объектом исследования являлись процессы тепло- и массопереноса, определяющие огнестойкость и эффективность трансформируемых противопожарных преград при пожаре.

Предметом исследования являлись трансформируемые противопожарные преграды в виде штор и укрытий с ограждающей частью, реализующей новый способ обеспечения их огнестойкости.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан комбинированный способ обеспечения огнестойкости ограждающих конструкций, основанный на синергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массообменного пористого охлаждения.

2. Впервые получено решение прикладной задачи тепломассопереноса в водосодержащем капиллярно-пористом рабочем полотне противопожарной шторы и укрытия на основе известных соотношений общей теории тепломассопереноса с принятием допущений, максимально упрощающих решение исходных уравнений, но не затрагивающих определяющих огнестойкость физических процессов.

3. Впервые разработаны алгоритмы и программы расчета основных конструктивных параметров рабочего полотна (толщины, плотности и диаметра волокон капиллярно-пористого слоя) и расхода подаваемой в него воды с целью обеспечения сохранения огнестойкости преграды при отсутствии пролива воды при пожаре.

4. Разработаны методики огневых испытаний противопожарных штор и укрытий, отличающиеся от существующих методик тем, что в них предусмотрены:

- возможность дистанционного периодического насыщения рабочего полотна водой, подаваемой из ручного пожарного ствола;

- непрерывная подача воды в рабочее полотно через систему в составе конструкции противопожарной шторы;

- отведение избыточного количества поданной воды из зоны испытаний;

- регистрация расхода подаваемой и отводимой неиспарившейся воды;

- регистрация и контроль температуры на поверхностях рабочего полотна с учетом специфики протекания в нем процессов тепломассопереноса при одностороннем нагреве и присутствии в капиллярно-пористой структуре воды.

5. Для структур рабочего полотна с капиллярно-пористым слоем, сформированным из серийно выпускаемых материалов (МБОР-5, ИПП-КВ), экспериментально определены характеристики массопереноса воды под действием силы тяжести: содержание воды в состоянии насыщения (м>тах)\ содержание адсорбционной влаги (и^); коэффициент проницаемости (кр) и высота капиллярного поднятия воды (кк).

6. В испытаниях на огнестойкость получены данные, подтверждающие достоверность и точность разработанных математических моделей, алгоритмов и программ.

7. Экспериментально доказаны:

- способность рабочего полотна насыщаться водой и распространять ее под действием силы тяжести с требуемым расходом при одностороннем воздействии обогревающей среды пожара, в том числе при вертикальной ориентации;

- возможность выхода водосодержащего рабочего полотна при пожаре на стационарный режим и обеспечения отсутствия пролива воды в количестве, способном нанести заметный ущерб конструкциям и содержимому в защищаемой части здания;

- отсутствие распространения существенного количества пара в защищаемую часть здания;

- возможность обеспечения насыщения рабочего полотна водой на начальной стадии нагрева за необходимое время.

8. Разработаны принципиально новые конструкторские решения для противопожарных штор и укрытий, позволяющие существенно превзойти существующие конструкции по эффективности.

Достоверность полученных результатов достигалась: адекватностью математической модели реальным процессам тепломассопереноса в системе «обогревающая среда - противопожарная преграда - 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 работы ограждающих конструкций; достаточной точностью методов и средств измерений.

Практическая ценность работы заключается в использовании изложенного в ней теоретического и экспериментального материала при разработке новых огнестойких строительных конструкций, а также в возможности использования разработанных конструкций в составе систем противопожарной защиты зданий и сооружений различного назначения.

В частности, согласно действующим нормам пожарной безопасности, противопожарные шторы предложенной в диссертации конструкции могут применяться:

- для разделения этажей производственных и складских зданий, а также зданий предприятий торговли на пожарные отсеки;

- в качестве противопожарных перегородок I типа для отделения кладол вых горючих товаров от торгового зала площадью более 250 м ;

- для устройства дымовых зон совместно с дымоудалением и для разделения коридоров длиной более 60 м в общественных зданиях;

- для устройства пожаробезопасных зон в зданиях различного назначения.

Материалы диссертации реализованы:

- при проектировании теплозащитного экрана для эстакады участка 4-го транспортного кольца ш. Энтузиастов - Измайловское ш., ул. Перовская, д. 1а в зоне резервуарного парка мазутного хозяйства ТЭЦ-11 в г. Москве;

- при проектировании подвижных огнестойких конструкций общего вытяжного канала общеобменной вентиляции и дымоудаления автодорожных тоннелей в составе участка Краснопресненского проспекта от МКАД до проспекта Маршала Жукова в г. Москве;

- при строительстве притоннельных подземных сооружений транспортной развязки Ленинградского и Волоколамского шоссе в районе станции метро «Сокол» в г. Москве;

- при производстве опытных партий огнезащитных укрытий для запорной и фонтанной арматуры нефтяных скважин в ООО «Центр производства нестандартного оборудования», Московская область, г. Сергиев Посад, д. 212В.

Основные результаты работы были доложены на:

- 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006 г.);

- Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008 г.);

- XXI Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.). и

На защиту выносятся: результаты оценки технического уровня и условий работы существующих ТПП, а также результаты анализа современных способов и средств обеспечения их огнестойкости с оценкой потенциальной эффективности;

- комбинированный способ обеспечения огнестойкости ограждающих конструкций, основанный на синергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массообменного пористого охлаждения;

- математическая модель, алгоритмы, программы и результаты расчетов тепломассопереноса в водосодержащем капиллярно-пористом рабочем полотне противопожарных штор и укрытий;

- результаты расчетов теплопередачи в системе, образованной ТПП и защищаемым объектом;

- методики экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса при пожаре в рабочем полотне и в системе образованной ТПП и защищаемым объектом;

- результаты экспериментальных исследований;

- рекомендации по повышению эффективности конструкций ТПП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 168 страницах текста, включает в себя 6 таблиц, 55 рисунков, список использованной литературы из 107 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИОННОГО

ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Аналитический обзор существующих конструкций ТПП, а также способов и средств обеспечения огнестойкости показал их недостаточную эффективность.

2. Предложен метод повышения эффективности рабочего полотна противопожарных штор и укрытий, заключающийся в применении нового способа обеспечения его огнестойкости в сочетании с математическим моделированием процессов тепломассопереноса при пожаре.

3. Разработан новый способ обеспечения огнестойкости рабочего полотна, эффективность которого обусловлена реализацией в нем наибольшего числа физических процессов, отводящих тепло при огневом воздействии, по сравнению с известными способами обеспечения огнестойкости.

4. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программы расчета тепломассопереноса при пожаре в водосодержащем рабочем полотне, позволяющие определять его оптимальные конструктивные параметры и режим подачи воды.

5. Путем сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных показана достоверность и точность разработанной математической модели, алгоритмов и программ расчета.

6. Предложенный подход и разработанные новые конструкторские решения позволяют создавать на их основе противопожарные шторы и укрытия, превосходящие существующие конструкции по эффективности, что обусловлено уменьшением затрат на их приобретение, устройство и обслуживание, а также материальных потерь при пожаре.

7. Изложенные в диссертации теоретические положения, методики и результаты экспериментов, конструкторские решения нашли применение в ведущих строительных организациях, а кроме того - на предприятиях нефтегазовой отрасли и машиностроения.

1. Пожары и пожарная безопасность в 2009 г.: статистический сборник / Под общей ред. Копылова Н.П. - М.: ВНИИПО, 2010. - 135 с.

2. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности Текст.: федер. закон №123-Ф3 [принят Гос. Думой 4 июля 2008 г.: одобрен Советом Федерации 11 июля 2008 г.]. 1-е изд. - М.: Ось-89. - 2009. - 176 с.

3. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты Текст.: СП 2.13130.2009. Введ. 25.03. 2009. - М.: Приказ МЧС России от 25.03.2009 №174.-18 с.

4. Межгосударственный стандарт. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования Текст.: ГОСТ 30247.0-94. -Введ. 01.01.1996.-М.: МИНСТРОЙ России, 1996.- 11 с.

5. ISO 834-1:1999. Fire-resistancetest. Elements of building construction. -Part 1: General requirements: ISO Standart - 1999. - 30 p.

6. Харченко, С.П. Противопожарная защита многофункциональных зданий: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.26.03 Текст. / С.П. Харченко. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2010.-24 с.

7. Национальный стандарт РФ. Противодымные экраны. Методы испытаний на огнестойкость Текст.: ГОСТ Р 53305-2009. Введ. 01.01.2010. - М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009. -4 с.

8. Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы и правила РФ. Пожарная безопасность зданий и сооружений Текст.: СНиП 21-01-97*.-Введ. 01.01.1998.-МИНСТРОЙРоссии, 1997.- 16 с.

9. Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы. Пожарная автоматика зданий и сооружений Текст.: СНиП 2.04.09-84. -М.: ГОССТРОЙ СССР, 1984. 22 с.

10. Противопожарные и дымозащитные шторы. Огнезащита ковейеров Электронный ресурс. : видеопрезентация, технические характеристики Электрон. дан. и прогр. - М. : ООО «Противопожарные системы», 2010. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

11. Grunenberg, О. Fluchtweg mit Textilgewand / Olaf Grunenberg // FeuerTRUTZ magazine. №2 - 2010 - s. 36 - 38.

12. Огнезащитные и дымозащитные шторы Электронный ресурс.: официальный интернет-сайт компании Coopers Fire Ltd. Режим доступа: http://www.coopersfire.com/ (дата обращения 01.11.2011).

13. Пат. 2327880 Великобритания, INT CL6 А62С 2/10. Fire retardant curtain Текст. / Jochen Stobich, Stefan Siller, Michael Ciop, Joachim Luther, Werner

14. Schellenberger; заявитель Rasontec N.V.; пат. № 9823079.0; заявл. 19.03.1996; опубл. 10.02.1999. - 50 е.: ил.

15. Пат. 2360703 Великобритания, INT CL7 А62С 2/10. Fire curtain system Текст. / Julian S. Shen; заявитель и патентообладатель Julian S. Shen. -№ 0007908.7; заявл. 31.03.2000; опубл. 03.10.2001. 16 с.

16. Патент 3877525 США, МПК Е06В 5/16. Flame-guard device for isolating and stepping of premises Текст. / Jean Henri Husson, Marie Simonel; заявитель и патентообладатель Jean Henri Husson и др. №381609; заявл. 23.07.1973; опубл. 15.04.1975.-9 с.

17. Патент 3960216 США, МПК2 Е06В 5/16. Fire-extingushing equipment Текст. / Mineo Isobe; заявитель и патентообладатель Mineo Isobe. № 544917; заявл. 28.06.1975; опубл. 01.06.1976. - 8 с.

18. Ерохов, K.JI. Системы противопожарной защиты наземных и подземных сооружений различного назначения Текст. / K.JI. Ерохов // Подземное пространство мира. 2004. - №1. - С. 46 - 47.

19. Противопожарные шторы Thermoscrim Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.doormaster.ru/ognezashhitnye-pregrady/ (дата обращения 15.09.2012).

20. Огнезащитные шторы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.amend.ru/index.php?page=fblinds/ (дата обращения 03.11.2011).

21. Межгосударственный стандарт. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции Текст.: ГОСТ 30247.1-94. Введ. 01.01.1996. -М.: МИНСТРОЙ России, 1996. - 9 с.

22. Огнезащитные двери/ворота Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.stoebich.ru/ (дата обращения 05.11.2011).

23. Противопожарные двери и ворота Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.doormaster.ru/protivopozharnye-vorota/ (дата обращения 15.09.2012).

24. Полежаев, Ю.В. Тепловая защита / Ю.В. Полежаев, Ф.Б. Юревич // Под редакцией A.B. Лыкова. М.: Энергия, 1976. - 392 с.

25. Стекловолокнистые материалы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.npo-stekloplastic.ru/production/fiber-materials/ (дата обращения 12.03.2012).

26. Межгосударственный стандарт. Маты теплоизоляционные из минеральной ваты, прошивные. Технические условия: ГОСТ 21880-94. Введ. 01.01.1995.-М.: ГОССТРОЙ России, 1995. - 9 с.

27. Технические условия. Маты прошивные теплоизоляционные из базальтового холста Текст.: ТУ 5769-002-08621635-98. Введ. 08.09.1999. -Нижняя Тура: ОАО «ТИЗОЛ», 1999. - 12 с.

28. Пат. 2083774 СССР, МПК 6 Е04В 1/78. Теплоизоляционный материал Текст. / П.М. Ховалкин, A.B. Суханов, А.И. Жаров, Н.И. Комков; заявитель и патентообладатель ОАО «ЦНИИСМ». №95120307/03; ; заявл. 29.11.1995; опубл. 30.10.1981, Бюлл. №19. -9 с.

29. Технические условия. Материал базальтовый огнезащитный рулонный Текст.: ТУ 5769-003-48588528-00. Введ. 18.05.2000. - Нижняя Тура: ОАО «ТИЗОЛ», 2000. - 10 с.

30. Технические условия. Полотно иглопробивное из кремнеземных волокон Текст.: ТУ 6-48-138-97. Введ. 18.05.2000. - ОАО «НПО Стеклопластик», 2000. - 14 с.

31. Страхов, B.JI. Огнезащита строительных конструкций Текст. / B.JL Страхов, A.M. Крутов, Н.Ф. Давыдкин // Под ред. Ю.А. Кошмарова. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 2000. - 433 с.

32. Дудеров, Н.Г. Термоокислительная деструкция вспучивающихся графитов Текст. / Н.Г. Дудеров, Ю.К. Насановский, М.В. Савоськин и др. // Пожарная опасность материалов и средства огнезащиты: Сб. научных трудов. -М.: ВНИИПО МВД РФ, 1992. С. 26 - 31.

33. Годунов, И.А. «Терморасширяющиеся огнезащитные материалы «Огракс» Текст. / И.А. Годунов // Научно-технический журнал «Пожарная безопасность». 2001. - № 3. - С. 199 - 201.

34. Авдеев, В.В. «Огнезащитные материалы нового поколения для АЭС» Текст. / В.В. Авдеев // Вестник Росэнергоатома. 2002. - № 2. - С. 18 - 19.

35. Огнезащитные составы, покрытия и материалы Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.npp-set.ru/product/katalog.html / (дата обращения 12.03.2012).

36. Пат. 0631515 Европатент, МПК6 А62С8/06. Fire and heat resistant materials Текст./ Horrocks Arthur Richard, Anand Subash Chander, Hill Barry Jakeman; заявитель BRITISH TECHNOLOGY GROUP Ltd.; пат. поверенный Trevor

37. Briscoe David William. . №93906705.4; ; заявл. 19.03.1993; опубл. 28.08.1996, Бюлл. №1996/35.-23 с.

38. Романенков, И.Г. Огнезащита строительных конструкций Текст. / И.Г. Романенков, Ф.А. Левитес. -М.: Стройиздат, 1991. 320 с.

39. Копейкин, В.А. Некоторые вопросы химии и технологии фосфатных материалов Текст. / В.А. Копейкин // Технология и свойства фосфатных материалов: Сб. науч. Тр. M.: Стройиздат, 1974. - С. 4 - 17.

40. Ладыгина, И.Р. Огнезащитные фосфатные покрытия Текст. / И.Р. Ладыгина, Л.А. Лукацкая// Производство и применение фосфатных материалов в строительстве: Сб. науч. Тр. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1983. -С. 31-42.

41. Сорин, B.C. Огнезащитные фосфатные покрытия Текст. / B.C. Сорин, Л.А. Лукацкая // Строительные материалы. 1985. - №12. - С. 6 - 7.

42. Ройтман, М.Я. Противопожарное нормирование в строительстве Текст. / М.Я. Ройтман М., Стройиздат, 1985. - 590 с.

43. Лыков, А.В. Теория тепло- и массопереноса Текст. / А.В. Лыков, Ю.А. Михайлов. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 535 с.

44. Tsotsas, Е. Measurement and modeling of intraparticle drying kinetics: A review Text. / E. Tsotsas // Drying'92 Proceeding of the 8th International Drying Symposium. 1992. - Part A. - pp. 17 - 41.

45. Philip, J. R. Moisture movement in porous materials under temperature gradient Text. / J.R. Philip, D.A. De Vries // Transactions, American Geophisical Union. 1957. - Vol. 38. - No 2. - pp. 222 - 322.

46. De Vries, D. A. Simultaneous transfer of heat and moisture in porous media Text. / D.A. De Vries // Transactions, American Geophisical Union. 1958. -Vol. 39.-pp. 99-916.

47. De Vries, D. A. Theory of heat and moisture transfer in porous media revisited Text. / D.A. De Vries // International Journal of Heat and Mass Transfer. -1987.-Vol. 30.-No 7.-pp. 1343 1350.

48. Whitaker, S. Simultaneous heat, mass, and momentum transfer in porous media Text. / S. Whitaker // A theory of drying, Advances in Heat Transfer. 1977. -Vol. 13.-pp. 119-203.

49. Whitaker, S. Coupled transport in multiphase systems Text. / S. Whitaker// A theory of drying, Advances in Heat Transfer. 1998. - Vol. 31. pp. 1-104.

50. Berger, D. Drying of gygroscopic capillary porous solids Text. / D. Berger, D. С. T. Pai // A theoretical approach, International Journal of Heat and Mass Transfer. 1973. - Vol. 16. - No 2. - pp. 292 - 302.

51. Поляков, B.M. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов Текст. / В.М. Поляков, В.А. Майоров, Л.Л. Васильев. М.: Машиностроение, 1988. - 168 с.

52. Скала С.М. Тепловая защита возвращающегося на Землю спутника Текст. / С.М. Скала // Вопросы ракетной техники. 1960. - №5. - С. 33 - 34.

53. Кейс В.М. Конвективный тепло- и массообмен Текст. / В.М. Кейс. -М.: Энергия, 1972.-445 с.

54. Эккерт, Э.Р. Теория тепло- и массообмена Текст. / Э.Р. Эккерт, P.M. Дрейк. Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 680 с.

55. Адаме, М.К. Последние достижения в теории абляции Текст. / М.К. Адаме // Вопросы ракетной техники. 1960. - №4. - С. 16-36.

56. Душин, Ю.А. Работа теплозащитных материалов в высокотемпературных газовых потоках Текст. / Ю.А. Душин. Л.: Химия, 1968. - 224 с.

57. Панкратов, Б.М. Взаимодействие материалов с газовыми потоками Текст. / Б.М. Панкратов, Ю.В. Полежаев, А.К. Рудько. М.: Машиностроение, 1975.-224 с.

58. Поляков, В.М. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов Текст. / В.М. Поляков, В.А. Майоров, JI.JI. Васильев. М.: Машиностроение, 1988. - 168 с.

59. Яковлев, А.И. Огнестойкость строительных конструкций: учебное пособие Текст. / А.И. Яковлев, В.М. Ройтман. М.: МИСИ, 1979. - 114 с.

60. Ройтман, В.М. Теплотехническая задача огнестойкости конструкций с учетом процесса влагопереноса Текст. / В.М. Ройтман // Огнестойкость строительных конструкций: Сб. трудов ВНИИПО; №1. М.: ВНИИПО, 1973. -С. 95-121.

61. Страхов, В.Л. Математическое моделирование процесса работы теп-лоогнезащиты из водосодержащих материалов Текст. / В.Л. Страхов,

62. A.Н. Гаращенко, В.П. Рудзинский // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. — 1998. Вып. 2(119). - С. 6 - 12.

63. Страхов, В.Л. Разработка, численная реализация и апробирование математических моделей работы теплоогнезащиты с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации и вспучивания-усадки Текст. /

64. B.Л. Страхов, А.Н. Гаращенко, В.П. Рудзинский, Г.В. Кузнецов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15.- 1999.-Вып. 1(122).-С. 17-21.

65. Страхов, В.Л. Высокотемпературный тепломассоперенос в слое вла-госодержащего огнезащитного материала Текст. / В.Л. Страхов,

66. B.П. Рудзинский // Математическое моделирование. 2000. - Т. 12. - № 6.1. C. 22-26.

67. Страхов, В.Л Математическое моделирование работы водосодержащих вспучивающихся огнезащитных покрытий Текст. / В.Л. Страхов,

68. A.Н. Гаращенко, В.П. Рудзинский, В.А. Олейник // Пожаровзрывобезопасность. 2003. -№ 1.-С. 39-46.

69. Жуков, В.В., Термостойкость железобетонных конструкций Текст. /

70. B.В. Жуков, Э.Ф. Панюков. К. Будивэльнык, 1991. - 224 с.

71. Красников, В.В. Кондуктивная сушка Текст. /В.В. Красников. М.: Энергия,1973. - 288 с.

72. Курячий, А.П. Математическая модель системы тепловой защиты с испарением хладогента из капиллярно-пористого материала в полость Текст. / А.П. Курячий // Теплофизика высоких температур. 1991. - Т.29. - №3.1. C. 540.

73. Матвеев, А.Н. Оптика Текст. / А.Н. Матвеев. М.: Высшая школа, 1985.- 119 с.

74. Литовский, Е.Я. Теплофизические свойства огнеупоров Текст. / Е.Я. Литовский, H.A. Пучкелевич. -М.: Металлургия, 1982. 152 с.

75. Зигель, Р. Теплообмен излучением Текст. / Р. Зигель, Дж. Хауэлл. -М.: Издательство «Мир», 1975. 934 с.

76. Кошмаров, Ю.А. Термодинамика и теплопередача в пожарном деле Текст./ Ю.А. Кошмаров, М.П. Башкирцев. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1987. -444 с.

77. Крутов, A.M. Теплоогнезащита оборудования газотурбинных теплоэлектроцентралей: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.26.03 Текст. / A.M. Крутов. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004.- 139 с.

78. Елынин, А.И. Гидравлическая модель трикотажных фильтровальных материалов ПТТФ Текст. / А.И Елынин, А.И. Вегера, В.А. Петрова// Материалы, технологии, инструменты. 1999. - №4. - С. 31 - 36.

79. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник Текст. / Под общей редакцией В.А. Григорьева и В.М. Зорина. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 560 с.

80. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике Текст. / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М.: «Наука», 1986. - 544 с.

81. Исаченко, В.П. Теплопередача Текст. / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. М: Энергия, 1969. - 440 с.

82. Цветков, Ф.Ф. Тепломассообмен: Учебное пособие для ВУЗов Текст. / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. 2-е изд., испр. и доп. - М: Издательство МЭИ, 2005.-550 с.

83. Теплообмен излучением: Справочник Текст. / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, J1.H. Рыжков. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

84. Спэрроу, Э.М. Теплообмен излучением Текст. / Э.М. Спэрроу, Р.Д. Сесс.-Л.: Энергия, 1971.-294 с.

85. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем Текст. / О.М. Алифанов, П.Н. Вабищев, В.В. Михайлов, A.B. Ненарокомов, Ю.В. Полежаев, C.B. Резник. М.: Логос, 2001. - 400 с.

86. Пажи, Д.Г. Основы техники распиливания жидкостей Текст. / Д.Г. Пажи, B.C. Галустов. М.: Химия, 1984. - 256 с.

87. Национальный стандарт РФ. Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость Текст.: ГОСТ Р 53307-2009. Введ. 01.01.2010. - М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009. - 39 с.

88. Государственный стандарт РФ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля Текст.: ГОСТ Р 12.3.047-98. Введ. 01.01.2000. М.: Технический комитет по стандартизации ТК 274/643 «Пожарная безопасность», 2008. - 93 с.

89. Драйздейл, Д. Введение в динамику пожаров Текст. / Д. Драйздейл. М.: Стройиздат, 1990. - 424 с.

90. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесо-хранности железобетонных конструкций Текст.: МДС 21-2.2000 М: ГУП «НИИЖБ», 2000 - 92 с.

91. Система нормативных документов в строительстве. Свод правил. Системы противопожарной защиты. Эвакуационные пути и выходы Текст.: СП 1.13130.2009. Введ. 25.03. 2009. - М.: Приказ МЧС России от 25.03. 2009 №171.-43 с.

92. Система нормативных документов в строительстве. Строительные нормы и правила РФ. Доступность зданий и сооружений для маломобильных групп населения Текст.: СНиП 35-01-2001 Введ. 01.09.2001. - ГОССТРОЙ России, 2001.-20 с.