Delist.ru

 Трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости (29.04.2010)

Автор: Заикин Сергей Вениаминович

Полученные выражения (8) – (13) справедливы и для описания тепломассопереноса для случая однократного или периодического насыщения экрана водой (рис. 1б).

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

С учетом упрощающих допущений процесс массопереноса воды можно представить в виде перемещающегося под действием силы тяжести в направлении сверху вниз столба жидкости, характеризующегося плотностью ?0(wmax – wa). При вытекании некоторого количества воды из нижней части экрана высота столба жидкости, а, следовательно, и длина фильтрации уменьшается на величину ?a. Участок стенки экрана, расположенный выше координаты ?a, характеризуется остаточным содержанием воды wa, которая удерживается в пористой среде стенки экрана 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 достигается равенство ?=H-hk.

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

получаем разрешающее дифференциальное уравнение вида:

Интегрирование обыкновенного дифференциального уравнения (18) при начальном условии: ?=0, ?a=0, дает искомую зависимость ?a (?a):

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

Из решения дифференциального уравнения (8), при условии ?d(?) = ?, находится распределение времени сушки по высоте экрана.

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

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

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

В качестве защищаемого объекта рассматривается участок трубопровода с запорной, регулирующей или регистрирующей арматурой. Объекты данного типа распространены в промышленных зданиях и сооружениях связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и потреблением горючих газов и жидкостей.

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

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

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

Для математического описания радиационно-кондуктивного теплопереноса в волокнистых материалах стенки огнестойкого экрана при высоких температурах используется приближение радиационной теплопроводности. Сложный кондуктивно-конвективный процесс переноса теплоты в полости заменяется эквивалентным процессом теплопередачи.

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

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

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

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

В первой серии опытов определяли коэффициент проницаемости и высоту капиллярного поднятия воды для образцов в виде фрагментов экрана с размерами 1000х200х19 мм в диапазоне температур 20..100 0С. Насыщенные водой образы устанавливали на весах в подвешенном состоянии, 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.Определенные в данной серии опытов значения kf и hk использовались в качестве исходных данных для расчета распределения времени сушки экрана по высоте.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В отличие от традиционных способов огнезащиты орошением объекта водой, огнезащитное укрытие способно обеспечивать огнезащищенность объекта при отсутствии подачи воды в стенку экрана в течение 45 минут, а при подаче воды в стенку экрана – неограниченно долго. Расход воды при этом снижен в десятки раз по сравнению с орошением поверхности объекта водой.

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

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

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

загрузка...