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 наук

и, 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 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 «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 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 реги стрировались, в среднем, 69 пожаров с крупным материальным ущер бом, размер которого оценивался, в среднем, в 42 млн. руб. Более половины таких пожаров сопровождалось гибелью людей. Основны ми 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 пожа ре 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 упомяну тых зданий построено в 30–80 гг. прошлого века и нуждается в рекон струкции при изменении их функционального назначения или модер низации протекающих в них технологических процессов.

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

За рубежом наиболее широкое применение получили противо пожарные преграды в виде штор и укрытий, характерной конструк тивной 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 EI 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 исследова ний, направленных на разработку новых конструкций ТПП, свобод ных от перечисленных недостатков.

Целью диссертационной работы является разработка рекомен даций по повышению эффективности конструкций трансформируе мых противопожарных преград.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:

- оценка технического уровня существующих ТПП;

- анализ современных способов и средств обеспечения огнестой кости 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 огнестой кость и эффективность ТПП при пожаре;

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

- оценка точности и адекватности натуре разработанной матема тической модели путем сопоставления результатов расчетов с экспе риментальными данными;

- разработка рекомендаций по повышению эффективности конструкций ТПП.

Объектом исследования являлись процессы тепло- и массопе реноса, определяющие огнестойкость и эффективность трансформи руемых противопожарных преград при пожаре.

Предметом исследования являлись трансформируемые проти вопожарные 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 огнестойко сти ограждающих конструкций, основанный на синергическом соче тании 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 соотноше ний 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 основ ных конструктивных параметров рабочего полотна (толщины, плот ности и диаметра волокон капиллярно-пористого слоя) и расхода подаваемой в него воды с целью обеспечения сохранения огнестойко сти 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 рабо чего 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 тепломассо переноса 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 (wmax);

содержание адсорбционной влаги (wa);

коэффици ент проницаемости (kp) и высота капиллярного поднятия воды (hk).

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

7. Экспериментально доказаны:

- способность рабочего полотна насыщаться водой и распростра нять ее под действием силы тяжести с требуемым расходом при одно стороннем 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: адекватно стью математической модели реальным процессам тепломассоперено са в системе «обогревающая среда – противопожарная преграда – за щищаемый объект»;

принятием допущений, упрощающих решение уравнений тепломассопереноса, но сохраняющих при этом определя ющие физические явления;

выбором параметров и критериев, позво ляющих 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 безопас ности, противопожарные шторы предложенной в диссертации кон струкции 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 хозяй ства 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 потенци альной эффективности;

- комбинированный способ обеспечения огнестойкости огражда ющих конструкций, основанный на синергическом сочетании спосо бов 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 ТПП и защищаемым объектом;

- методики экспериментальных исследований процессов тепло массопереноса при пожаре в рабочем полотне и в системе образован ной 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 прило жения. Содержание работы изложено на 168 страницах текста, вклю чает в себя 6 таблиц, 55 рисунков, список использованной литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сфор мулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и ее практи ческая значимость.

В первой главе даны определения, сформулированы техниче ские требования и критерии эффективности к ТПП. Приведен анали тический 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 характери стиками, отражающими современный технический уровень:

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

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

- ограниченный предел огнестойкости конструкции при отсут ствии 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 конструк циями, 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 принци пиальной схемы, применения отечественных материалов и комплек тующих, организации производства в России;

- обеспечить предел огнестойкости не менее EI150.

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

Выбор методов исследования в значительной степени определя ется достижениями в таких областях науки и техники, как: теория тепломассопереноса в пористых средах;

теория и методологии проек тирования тепловой защиты и огнезащиты;

огнестойкость строитель ных 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 дан ных 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 оцен ке их огнестойкости посвящены труды школы В.М. Ройтмана (Богословский В.Н., Бережной А.Г., Зырина Т.Н. и др.), а также рабо ты 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 паро капельновоздушной среды из охлаждающей жидкости, в результате чего должен проявляться непрерывный физический эффект испари тельного 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 рулон ные материалы на основе базальтовых или кремнеземных волокон.

Рабочее полотно может функционировать в следующих режимах:

- с непрерывной подачей охлаждающей жидкости в его капил лярно-пористую структуру;

- с периодическим насыщением охлаждающей жидкостью;

- при отсутствии охлаждающей жидкости.

По принципу действия предлагаемый способ является комбини рованным, поскольку в нем совмещены принципы активного и пас сивного 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 – уровнем пола и высотой рабочего полотна. Расчетные схемы приведены на рис. (здесь: qw – плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью;

mv – массовая скорость испарения воды;

d – коорди ната фронта испарения;

Tw – температура обогреваемой поверхности;

Tv – температура испарения;

Tf – температура пламени;

f – коэффи циент конвективной теплоотдачи от продуктов горения к омываемой ими поверхности рабочего полотна;

f – излучательная способность пламени;

mw – массовая скорость течения воды;

a – координата гра 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;

– тол щина рабочего полотна).

Рабочее полотно подвергается одностороннему огневому воздей ствию, которое характеризуется наличием непосредственного контак та пламени с обогреваемой поверхностью.

В непрерывном режиме (рис. 1а) вода подается в верхнюю часть рабочего полотна и стекает вниз по порам под действием силы тяже сти. 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 началь ный 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 тео рии 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 особенно стью является введение дополнительных упрощающих допущений, существенным образом не затрагивающих определяющие огнестой кость 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 d mv c p d 0.

(1) d Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных усло виях:

dT dT 0 d (t ) ;

q w ro w d ;

T 100 C. (2) ;

d 0 d 0 d d В выражениях (1) – (2) приняты следующие обозначения:

о – исходное значение объемной плотности сухого материала рабоче го 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:

mv o wd ;

(3) ' 1 d M k ''0, 25 T 3 ;

1, (4) d d 1 o ;

(5) qw Af (T f4 Tw4 ) f v mv c p T f Tw, (6) где Af 1/ 1/ f 1/ w 1;

v – коэффициент вдува пара в погранич ный слой газового потока, омывающего поверхность рабочего полот на;

w – степень черноты поверхности рабочего полотна;

– теп лопроводности каркаса пористого материала и газа, заполняющего поры;

Mk – параметр контактного сопротивления;

– параметр лучи стого теплопереноса.

Для упрощения интегрирования уравнения (1) производится за мена зависящей от температуры теплопроводности на ее среднеин тегральное 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 qw d d o wr c p Tw Tv ;

(7) dt Af (T f4 Tw4 ) f T f Tw qw v T f Tw ;

(8) Tw Tv r c p A f (T f4 Tw4 ) f T f Tw r d 1.

Tw Tv exp c p Tw Tv r c p v T f Tw (9) Дифференциальное уравнение (7) должно решаться при началь ном условии:

d t 0 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 уравне ния, полученного из условия баланса массы в элементарном слое :

d d mv d (11).

d mw Дифференциальное уравнение (11) должно решаться при гранич ном условии:

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

Решение дифференциального уравнения (11) позволяет опреде лить 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:

d H, (13) где H –высота рабочего полотна.

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

M k f w 0 ( w wa ) g cos H hk mw (14), H где kf – коэффициент проницаемости;

µ – динамическая вязкость воды;

w – плотность воды;

g – ускорение свободного падения;

hk - вы сота капиллярного поднятия жидкости;

– угол между осью локаль ных 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 перемен ный во времени расход воды, вследствие ее удаления из рабочего полотна.

Процесс массопереноса воды можно представить в виде переме щающегося 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 фильтра ции уменьшается на величину a. Участок рабочего полотна, распо ложенный выше координаты a, характеризуется остаточным содер жанием 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 высо ты перемещающегося столба воды, а массовой скорости ее дифферен циальным соотношением и последующее интегрирование полученно го дифференциального уравнения при начальном условии: =0, a=0, дает искомую зависимость a (a):

H hk a cos h a k ln.

a (15) cos k f 0 ( w wa ) g cos H hk В отличие от предыдущего случая (рис. 1а), при функционирова нии 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 проме жутку от момента высыхания до момента достижения температурой необогреваемой поверхности критического значения.

Продолжительность сушки определяется решением дифференци ального уравнения (7) при граничном условии (10) для каждой коор динаты при условии изменения содержания воды за фронтом испа рения 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 кон струкций». Расчетная область описывается двумя дифференциальны ми 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 тепло проводности производится методом конечных разностей с примене нием алгоритма, разработанного В.Л. Страховым и В.О. Калединым.

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

На основе описанной математической модели разработан алго ритм 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 характе ристик рабочего полотна, отвечающих за массоперенос воды;

- оценка точности и достоверности математической модели;

- определение фактических пределов огнестойкости конструкций;

- определение рабочих характеристик конструкций, подтвержде ние 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 подвешен ном 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 мас сы образцов или их частей в соответствующих состояниях: сухом, насыщения водой и влажном после удаления фильтрующейся воды.

Определенные в данной серии опытов значения являются исход ными 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, высо той 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 пери метру 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 функционирова ния 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 удовлетвори тельное 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 огнестой кость 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 представ ляет собой заполняемую от водопроводной сети водой емкость, одну из стенок которой образует рабочее полотно.

К 40-й минуте испытаний в рабочем полотне установился стаци онарный 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 противо пожарной шторы и огнезащитного укрытия.

Основные принципы работы конструкций противопожарной шторы заключаются в следующем.

б) в) а) 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 нижне го края с полом. По сигналу от теплового пожарного извещателя в капиллярно-пористую структуру рабочего полотна начинает пода ваться вода.

Как правило, подача воды осуществляется с постоянным расхо дом, обеспечивающим сохранение рабочим полотном теплоизолиру ющей способности на развитой стадии пожара. При этом гарантиру ется отсутствие образования существенного количества воды в защи щаемом помещении.

В конструкции противопожарной шторы реализованы следующие технические решения:

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

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

Разработанная конструкция гарантирует равномерность насыще ния рабочего полотна водой за необходимое время на начальной стадии пожара. Это достигается способностью образовывать зазор между нижней кромкой ванночки и рабочим полотном при возраста нии давления воды. Через образующийся зазор на поверхность рабо чего полотна поступает дополнительное количество воды. При необ ходимости 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 сово купностью следующих основных характеристик:

- уменьшением толщины и массы рабочего полотна более чем в 3 раза по сравнению с конструкциями, реализующими только пассив ный 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 крите риям EI.

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 сква жин. 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 основа ния 2 м, высотой 3 м и длиной 2,5 м.

Трансформируемость конструкции огнезащитного укрытия обес печивает его установку на объекте в течение 5 минут и возможность транспортировки к месту аварии в транспортных средствах, имею щихся 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 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 матема тическим 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 обеспе чения 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 эксперименталь ных данных показана достоверность и точность разработанной мате матической модели, алгоритмов и программ расчета.

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

7. Изложенные в диссертации теоретические положения, методи ки 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 огнезащит ного 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 объек тов 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 строительно го 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 «Теплоогне защита». – № 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.: Издатель ство МЭИ, 2006. – С. 320 – 323.

8. Заикин С.В. Огневые испытания огнезащиты для технологиче ского 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 противопо жарных 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 № Академия ГПС МЧС России. 129366, Москва, ул. Б. Галушкина, 4.