Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Заикин Сергей Вениаминович

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ПРЕГРАДЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (технические наук

и, отрасль строительство) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т 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 консультант: 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 НИ - Строительство Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко, заведующий сектором проектирования и экспертизы в области пожарной безопасности

Ведущая организация: ФГБУ Всероссийский научноисследовательский институт противопожарной обороны МЧС России

Защита состоится л 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 л16 ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета 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-ФЗ 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 30Ц80 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 EIпредусматривается 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 ТПП, 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 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 капиллярнопористой 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 (wmax); содержание адсорбционной влаги (wa); коэффициент проницаемости (kp) и высота капиллярного поднятия воды (hk).

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 лобогревающая 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 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 капиллярнопористом 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, четырх 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 ТПП 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 EI90);

- 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 EI150.

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 А.В. Лыкова, Ю.А. Михайлова, E. 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. Адамс, В.М. Кейс, Э.Р. Эккерт, Р.М. 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 В.Л. 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 парокапельновоздушной 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 водосодержащем рабочем полотне при пожаре рассматривается двумерная область, ограниченная по поперечной координате поверхностями рабочего полотна, а по продольной координате - уровнем пола и высотой рабочего полотна. Расчетные схемы приведены на рис. (здесь: qw - плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью; m - массовая скорость испарения воды; d - коордиv ната фронта испарения; Tw - температура обогреваемой поверхности;

Tv - температура испарения; Tf - температура пламени; f - коэффициент конвективной теплоотдачи от продуктов горения к омываемой ими поверхности рабочего полотна; f - излучательная способность пламени; m - массовая скорость течения воды; a - координата граw ницы зоны с адсорбционной водой; a - время достижения границы зоны с адсорбционной водой координаты a; w - массовое содержание воды; wmax - массовое содержание воды, соответствующее состоянию насыщения; wa - массовое содержание адсорбционной влаги; - 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. 1б) все поры в начальный момент времени заполнены водой, что соответствует массовому содержанию воды wmax. 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 А.В. Лыкова и Ю.А. Михайлова, E. 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 , а дифференциальное уравнение, описывающее теплоперенос по толщине сухого слоя рабочего полотна принимает вид:

d dT dT m c 0. (1) v p d d d Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных условиях:

dT dT 0 (t); qw ; r w ; T 100C. (2) d o d d d d d В выражениях (1) - (2) приняты следующие обозначения:

о - исходное значение объемной плотности сухого материала рабочего полотна; сp - теплоемкость пара; Т - температура; - эффективная (суммарная) теплопроводность в зоне сухого материала; r - тепловой эффект фазового превращения вода - пар; d - линейная скорость перемещения фронта испарения.

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

m w ; (3) v o d 1, '1 d Mk ''0,25 T ; (4) d d 1 o ; (5) 4 q A (T T ) m c T T , (6) w f f w f v v p f w где Af 1/1/ 1/ w 1; v - коэффициент вдува пара в пограничf ный слой газового потока, омывающего поверхность рабочего полотна; w - степень черноты поверхности рабочего полотна; - теплопроводности каркаса пористого материала и газа, заполняющего поры; Mk - параметр контактного сопротивления; - параметр лучистого теплопереноса.

Для упрощения интегрирования уравнения (1) производится замена зависящей от температуры теплопроводности на ее среднеинтегральное значение в диапазоне температур от Tv до Tw.

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

d q d w d dt wr c T T ; (7) o p w v 4 A (T T ) T T ; (8) f f w f f w q w T T v f w 1 T T r c w v p Af (Tf4 Tw ) Tf Tw r f Tw Tv expd cp Tw Tv r cp vTf Tw 1. (9) Дифференциальное уравнение (7) должно решаться при начальном условии:

d t0 0. (10) Из его решения находится время сушки слоя толщиной d.

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 :

d m . (11) d v d d m w Дифференциальное уравнение (11) должно решаться при граничном условии:

d 0 0. (12) В процессе решения дифференциального уравнения (11) на каждом шаге по вертикальной локальной координате требуется определять значения qw и Tw согласно выражениям (8) и (9).

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

d H , (13) где H Цвысота рабочего полотна.

Массоперенос воды в капиллярно-пористой среде рабочего полотна по координате 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:

k M (w w )g cosH h , (14) f w 0 a k m w H где kf - коэффициент проницаемости; - динамическая вязкость воды; w - плотность воды; g - ускорение свободного падения; hk - высота капиллярного поднятия жидкости; - угол между осью локальных координат и вертикалью.

Полученные выражения (7) - (11) справедливы и для описания тепломассопереноса для случая однократного или периодического насыщения рабочего полотна водой (рис. 1б).

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 0(wmax - wa). При вытекании некоторого количества воды из нижней части рабочего полотна высота столба жидкости, а, следовательно, и длина фильтрации уменьшается на величину a. Участок рабочего полотна, расположенный выше координаты a, характеризуется остаточным содержанием воды wa, которая удерживается в пористой среде силами межмолекулярного взаимодействия и капиллярными силами.

Для количественного описания массопереноса воды в данном случае необходимо время a, по истечении которого граница зоны с адсорбционной водой достигнет заданной координаты a. Процесс массопереноса воды заканчивается, когда = H - hk.

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

hk H hk a cos a ln cos H hk . (15) a kf 0(w wa )g cos 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 при условии изменения содержания воды за фронтом испарения w по истечении времени a c wmax 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, wmax, kf и hk на образцах, изготовленных в виде фрагментов рабочего полотна с размерами в плане 1000х200 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 a(a). Для полученных зависимостей a(a) находили соответствующие им пары значений kf и hk.

Значения wa и wmax 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 базальтоволокнистого 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 серии 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.

а) б) Рис. 2. Сравнительный анализ результатов расчета и экспериментальных данных:

а) зависимость от времени температуры обогреваемой поверхности рабочего полотна в процессе сушки: 1 - 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 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:

1 - стена; 2 - корпус; 3 - вал намоточный; 4 - штуцер водоподводящий (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 EI.

Противопожарные шторы предлагаемой конструкции могут применяться:

- 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 огнезащищенность 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 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.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

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

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

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

- С. 28 - 32.

4. Заикин С.В. Трансформируемые огнезащитные ограждающие конструкции повышенной огнестойкости [Текст] / С.В. Заикин, В.Л. Страхов // Вестник Московского государственного строительного университета. - 2009. - № 4 - С. 107 - 112.

5. Заикин С.В. Расчет оптимальных параметров огнестойкого экрана противопожарных штор и укрытий [Текст] / С.В. Заикин, В.Л.

Страхов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 3(15). - С. 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] / С.В. Заикин, В.Л. Страхов, А.М. Крутов и др.; заявитель и патентообладатель ЗАО Теплоогнезащита. - № 2003102427/12; заявл. 30.01.2003; опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16. - 13 с.

7. Заикин С.В. Математическое моделирование нестационарного прогрева при пожаре элементов технологического оборудования нефтегазового комплекса с огнезащитой в виде укрытия [Текст] / С.В. 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 С.В. Огневые испытания огнезащиты для технологического оборудования объектов добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и газа [Текст] / С.В. Заикин, В.Л. Страхов, В.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 С.В. Разработка огнезащитного укрытия и противопожарных штор, реализующих комбинированный способ огнезащиты [Текст] / С.В. Заикин, В.Л. Страхов, А.М. Крутов // Материалы ХXI 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 60х84/1/16.

Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2Академия ГПС МЧС России. 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

Blog

ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ПРЕГРАДЫ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ