CC BY
64
4/2009 ВЕСТНИК
ТРАНСФОРМИРУЕМЫЕ ОГНЕЗАЩИТНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОВЫШЕННОЙ ОГНЕСТОЙКОСТИ
СВ. Заикин, В.Л. Страхов
ЗАО «Теплоогнезащита», г. Сергиев Посад
Предложен новый способ огнезащиты. Разработаны перспективные средства огнезащиты. Разработана математическая модель для расчета оптимальных параметров их конструкций.
New way of fire protection is suggested. Perspective fire protective devices are created. Mathematical model for calculating optimal characteristic of the constructions is developed.
Одной из обязательных мер по обеспечению пожарной безопасности зданий и сооружений, установленных Федеральным законом №123-ФЗ [1], являются мероприятия по ограничению распространению пожара. В рамках этих мероприятий СП 2.13130.2009 [2] предусматривается разделение зданий и сооружений на противопожарные отсеки путем установки противопожарных преград.
В ряде случаев особенности эксплуатации зданий и сооружений диктуют необходимость применения в качестве противопожарных преград трансформируемых огнезащитных ограждающих конструкций с пределом огнестойкости REI120 и более.
В настоящий момент наиболее известными из таких устройств являются водяные завесы и противопожарные шторы. В конструкции противопожарных штор для обеспечения указанного предела огнестойкости предусмотрено водяное орошение.
Основным недостатком таких устройств является большой расход воды. При применении водяной завесы или одной шторы в комбинации с ней он составляет 1 л/с на пог. м ширины защищаемого проема. Немецкой компании Stöbich Brandschutz GmbH & Co KG, удалось добиться снижения расхода воды до уровня 0,05 л/с на пог. м ширины защищаемого проема, разработав систему, состоящую из двух штор с орошением поверхности наиболее удаленной от источника нагрева.
В результате работы таких устройств образуется значительное количество воды, наносящее существенный ущерб зданиям и сооружениям.
Для устранения описанной проблемы авторами предложен новый способ, заключающийся в ограждении защищаемого объекта, огнезащитным экраном, в пористой структуре материалов которого, при создании парокапельновоздушной среды из охлаждающей жидкости, проявляется непрерывный физический эффект испарительного охлаждения [3].
Принцип работы огнезащитного экрана основан на блокировании радиационно-конвективного теплового потока от пламени на основе рационального сочетания физических эффектов: отражения и поглощения теплового излучения, испарительного охлаждения, а также теплоизолирующего эффекта экрана и воздушной прослойки между экраном и объектом.
По принципу действия предлагаемый способ является комбинированным, поскольку в нем совмещены функции активной и пассивной огнезащиты. Благодаря это-
му резко повышается эффективность огнезащиты, так как совмещение функций усиливает действие каждого из способов, применяемых обычно по отдельности.
Для определения оптимальных конструктивных параметров огнезащитного экрана для конкретных условий его применения разработана математическая модель, описывающая тепломассоперенос в его стенке, при нагреве пламенем одной из поверхно-
Вода в непрерывном режиме подается в верхнюю часть экрана и стекает по его стенке вниз под действием силы тяжести по закону фильтрации.
При нагреве одной из поверхностей насыщенного водой экрана в его стенке в поперечном направлении осуществляется теплоперенос и перенос массы водяного пара к обогреваемой поверхности.
Проведенные численные оценки показывают, что при математическом моделировании допустимо пренебречь:
- массопереносом воды в поперечном направлении экрана;
- массопереносом водяного пара в продольном направлении.
С учетом этих допущений процесс теплоперенос и массоперенос водяного пара в стенке экрана можно принять квазиодномерным.
Кроме того, возможно принятие следующих упрощающих допущений, позволяющих получить аналитическое решение поставленной задачи:
а) процесс теплопередачи от обогреваемой поверхности через зону сухого материала к фронту испарения квазистационарен;
б) отток теплоты от необогреваемой поверхности экрана пренебрежимо мал;
в) в исходном состоянии волокнистый ма-Рисунок 1 - Расчетная схема теп- териал огнестойкого экрана насыщен водой и ломассопереноса по толщине ог- прогрет до температуры, близкой к температуре
нестойкого экрана из пористых кипения воды;
материалов в режиме непрерыв- г) значение концентрации воды за фронтом
ной подачи воды: 1 - зона сухого испарения не зависит от положения фронта ис-материала; 2 - фронт испарения; парения.
3 - зона насыщенного водой ма- С учетом перечисленных допущений рас-
териала четная схема тепломассопереноса в огнезащит-
ном экране имеет вид, показанный на рисунке 1.
На рисунке 1 использованы следующие обозначения: ^ и ц - локальные координаты; д№ - плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью экрана; ту - плотность потока пара, направленного от фронта испарения к обогреваемой поверхности; ^ - координата фронта испарения; Тк - температура обогреваемой поверхности; Ту - температура испарения; Т/ - температура пламени; о/ - коэффици-
4/2009
ВЕСТНИК _МГСУ
ент конвективном теплоотдачи от горячих газов пламени к омываемой ими поверхности экрана; тш - массовая скорость течения воды; ш - содержание воды.
При одностороннем нагреве огнезащитного экрана происходит перемещение фронта испарения по направлению от обогреваемой поверхности к необогреваемой. Признаком высыхания огнезащитного экрана является достижение фронтом испарения его необогреваемой поверхности.
Поле температуры в стенке экрана определяется из решения квазистационарного уравнения теплопроводности, записанного в системе координат в следующей форме [4]:
А.
3о
зт
3о
+ т с
V р
ат
3о
= 0.
Уравнение (1) должно решаться при следующих граничных условиях:
0 ^ ^ (0; д, = ~К
а
-X —
Е а%
= грАа; т|б=б = 100 • с
(1)
(2)
-0
Решение уравнения (1) с граничными условиями (2) подробно описано в работе [5]. Зависимость от времени положения фронта испарения воды (толщины сухого слоя), определяется из решения обыкновенного дифференциального уравнения вида:
- — = -
" а р0Цг +с
(3)
»{г + ср (г - Т )) •
Входящие в это уравнение плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью экрана дш, и температура обогреваемой поверхности рассчитываются по формулам:
4 а(т; - т4) + б; Т - Тш)
Ж^) ■
дш ='
(4)
1 +
Г = т + —
ш v с
ехр
Т - Т + г/с
ш v / р
А; СТ(Т;4 - Т4) + «; ^ ~ Т^
-1
(5)
В выражениях (3) - (5) использованы следующие обозначения: о = 5,67-10-8 постоянная Стефана-Больцмана; X - среднеинтегральное в диапазоне Тш и Т значение суммарной теплопроводности сухого слоя; г - тепловой эффект фазового превращения вода - пар; ср - теплоемкость водяного пара; - коэффициент вдува пара в пограничный слой газового потока, омывающего поверхность экрана; А;( = 1/(1/е; +1/еш -1); ё;
- излучательная способность пламени; - степень черноты поверхности экрана.
Решение обыкновенного дифференциального уравнения (3) проводится численно методом Эйлера при начальном условии:
^ а 1=0 =
Оценку точности расчетов времени сушки огнезащитного экрана, а следовательно и справедливость принятых упрощающих допущений, проводили путем сопоставления получаемых результатов с данными экспериментальных исследований.
Экспериментальные исследования по определению времени сушки проводили с экраном высотой 1,8 м и с фактической толщиной стенки равной 19 мм. Экран был изготовлен по швейной технологии и состоял из обшивок и заполнителя. В качестве материала обшивок использовалась кремнеземная ткань. Заполнитель был сформиро-
Е=0
ван четырьмя слоями базальтоволокиистого рулонного материала толщиной 5 мм марки МБОР-5, характеризующегося номинальной плотностью равной 100 кг/м3.
Огневое воздействие на одну из поверхностей экрана создавали горением дизельного топлива. В процессе проведения эксперимента был обеспечен контакт пламени с обогреваемой поверхностью экрана. Средняя температура горячих газов, замеряемая на расстоянии 250 мм от омываемой ими поверхности экрана, в стационарном режиме составила 1000 °С.
Перед началом огневого воздействия произвели полив экрана водой с расходом, гарантирующим его насыщение. После начала огневого воздействия наблюдали процесс сушки экрана. Признаком высыхания экрана считается превышение температурой необогреваемой поверхности значения 100 0С. Измерение температуры необогревае-мой поверхности производили на трех уровнях: на расстоянии 0,1 мот грунта, в середине экрана и в его верхней части на расстоянии 0,05 м от крайней верхней точки.
Результаты расчета в сравнении с данными экспериментальных исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Сравнение результатов расчета и экспериментальных данных по опреде-_лению времени сушки огнезащитного экрана высотой 1,8 м_
Расстояние от поверхности грунта, м Содержание воды КГ/КГ Время сушки, мин.
Расчет Эксперимент
0,1 5,68 13 10,5 - 18
0,9 1,06 - 5,68 18 14 - 24
1,75 1,06 58 36 - 50
Из таблицы 1 видно, что результаты расчета времени сушки огнезащитного экрана удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Таким образом, описанная математическая модель теплопереноса и массопереноса водяного пара по толщине стенки экрана обладает достаточной достоверностью.
Изменение содержания воды в стенке огнезащитного экрана обусловлено ее мас-сопереносом под действием силы тяжести и вытеканием из экрана в его нижней части. Вследствие этого изменяется и время сушки экрана в зависимости от места расположения контрольной точки.
В режиме непрерывного полива вода подается в верхнюю часть экрана и стекает вниз по порам в материале его стенки под действием силы тяжести. Сопротивление течению воды в капиллярно пористой среде описывается законом Дарси. В этом случае целью математического моделирования является определение оптимального расхода воды и конструктивных параметров экрана для его реализации.
Задача решается в квазистационарном приближении применительно к расчетной схеме, показанной на рисунке 1.
Условие баланса массы в элементарном слое экрана единичной ширины имеет вид:
т«(§ - ^) - [т„ (5 - ^) - т„Д^ ] = туДг|. (6)
Массовая скорость испарения воды определяется следующим выражением [4]:
тV =Р 0 ™4^, (7)
где р0 - исходное значение объемной плотности сухого материала огнестойкого экрана.
Согласно выражениям (3) - (5) массовая скорость испарения является функцией толщины сухого слоя ту (Да ). По толщине элементарного слоя Д^ массовая скорость
4/2009 ВЕСТНИК _4/2009_МГСУ
испарения принимается постоянной. Из условия баланса массы в элементарном слое по продольной координате экрана получаем дифференциальное уравнение для определения зависимости толщины сухого слоя от координаты
а = т V а ) (8)
Оц т ш
Для определения зависимости тv (£,а) следует воспользоваться соотношениями
(3) - (5).
Так, подставив (3) в (7), получим выражение для массовой скорости испарения воды вида:
" (9)
UI - -7-\ .
v ^+с, (tw - T)
Входящая в формулу (9) плотность теплового потока, поступающего от пламени в подповерхностный слой экрана, в случае, когда факел пламени соприкасается с поверхностью, определяется по формуле (4).
Решение обыкновенного дифференциального уравнения (8) проводится численно - методом Эйлера, при начальном условии:
^(0) = 0.
Таким образом, решение обыкновенного дифференциального уравнения (8) совместно с алгебраическим уравнением (5) и формулами (9) и (4) дает распределение толщины сухого слоя по высоте не орошаемой части экрана в зависимости от массовой скорости подачи воды и интенсивности нагрева его поверхности.
Данное распределение оптимально, когда вся вода, подаваемая в стенку экрана, расходуется на испарение и не вытекает в окружающее пространство из нижней части экрана. При этом температура в любой точке расположенной на необогреваемой поверхности экрана должна быть равна температуре испарения воды, то есть 100 °С. Это означает, что при ^ равном длине экрана ^0.
Для экрана, размеры и структура стенки которого аналогичны тем, что имели место в экспериментальных исследованиях по определению времени сушки, данное распределение обеспечивается при расходе воды 0,0079 л/с на м пог. ширины экрана.
Для экранов с аналогичной структурой стенки высотой 3 и 5 м расход воды, обеспечивающий оптимальное распределение толщины сухого слоя по высоте, составил соответственно 0,014 и 0,021 л/с на м пог. ширины экрана.
Таким образом, огнезащитные ограждающие устройства, спроектированные на основе нового комбинированного способа огнезащиты, должны иметь очевидные преимущества по сравнению с существующими конструкциями такого рода. Основными преимуществами являются следующие:
- снижение в несколько раз расхода воды по сравнению с лучшими существующими прототипами;
- отсутствие или незначительное количество вытекающей из экрана неиспарив-шейся воды;
- сохранение защитных свойств при перебоях в подаче воды.
Уже нашло практическое применение, созданное на основе предложенного способа, огнезащитное укрытие, предназначенное для повышения пределов огнестойкости наземных нефтяных скважин до двух часов и более при пожаре, вызванном горением углеводородного топлива. В рабочем положении оно имеет формы треугольной призмы с размерами: высота - 3 м, длина - 2,5 м и ширина основания треугольной грани - 2 м. Общий вид огнезащитного укрытия показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Общий вид огнезащитного укрытия для фонтанной арматуры нефтяных
скважин
Для транспортировки огнезащитное укрытие трансформируется таким образом, что может перевозиться на машине и переносится к месту установки бригадой из 4-х человек по принципу носилок.
Следует также отметить, что данное огнезащитное укрытие может функционировать в режиме периодического орошения из ручного пожарного ствола. При этом допускаются перебои в подаче воды суммарной продолжительностью, равной 1 часу.
Перспективным также является внедрение огнезащитных штор, выполняющих функции противопожарных преград с повышенной огнестойкостью в зданиях и сооружениях различного назначения.
Литература
1. Федеральный закон №123-Ф3 от 22.07.2008 г. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности.
2. СП 2.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты.
3. Пат. 2229910 (RU), 2003. МПК А 62 С 2/10.
4. В.Л. Страхов, A.M. Крутов, Н.Ф. Давыдкин. Огнезащита строительных конструкций/ Под ред. Ю.А. Кошмарова. - М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 2000. - 433 с.
5. Страхов В.Л., Заикин C.B. Математическое моделирование нестационарного прогрева насыщенного водой огнезащитного экрана на этапе сушки // Пожаровзрывобезопасность. -2005. - №6 - С. 26 - 32.
Ключевые слова: комбинированный способ огнезащиты, противопожарная преграда, огнезащитный экран, огнезащитная штора, трансформируемые огнезащитные ограждающие конструкции, предел огнестойкости, тепломассообмен, фронт испарения, время сушки.
Key words: combined way of fire protection, fire barrier, fire-protective shield, fire-protective blind, convertible fire-protective enclosure, fire-resistance rating, heat-mass exchange, vaporization front, drying time.
Рецензент: д.т.н., профессор МГСУ Корольченко А.Я.
