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 рис.2.
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 зa(фa). Для полученных зависимостей зa(фa) 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.
Выводы
трансформируемый конструкция огнестойкость
1. Предложен комбинированный способ повышения огнестойкости конструкций, основанный на рациональном сочетании свойств пассивной и активной огнезащиты.
2. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета тепломассопереноса при пожаре в водосодержащем огнестойком экране, позволяющие определять оптимальные конструктивные параметры трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости в соответствии с тактикой их применения, а также с массой и габаритами защищаемого объекта.
3. Разработаны и созданы устройства, реализующие комбинированный способ повышения огнестойкости: огнезащитное укрытие и противопожарные шторы (трансформируемые конструкции повышенной огнестойкости), технические характеристики которых превосходят существующие аналоги.
4. Разработана методика проведения натурных огневых испытаний трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.
5. Получены экспериментальные данные, необходимые для оценки точности и адекватности натуре разработанной математической модели.
6. Путем сопоставления результатов расчета и экспериментальных данных показана достоверность разработанной математической модели, алгоритмов и программ расчета основных конструктивных параметров трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.
7. Сформулированы общие принципы проектирования трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.
8. Сформулированы актуальные задачи, решение которых обеспечит совершенствование разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.
Литература
1. Патент 2229910 (Россия): Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, огнестойкий экран и огнезащитное укрытие на его основе, 2003. МПК А62 С 2/10.
2. Страхов В.Л., Крутов А.М., Заикин С.В. Комбинированный способ огнезащиты пожароопасного технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы ХVIII науч.-практ. конференции. - Ч. 3 - М.: ВНИИПО, 2003.- С. 163 - 166.
3. Страхов В.Л., Крутов А.М., Заикин С.В. Рациональные способы и средства пассивной огнезащиты пожароопасного технологического оборудования // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы ХVIII науч. -практ. конференции. - Ч. 3 - М.: ВНИИПО, 2003. - С. 166 - 168.
4. Заикин С.В. Разработка быстро устанавливаемого огнезащитного укрытия для запорной и фонтанной арматуры нефтяных скважин // Пожарная безопасность. - 2005. - №5. - С. 87 - 92.
5. Страхов В.Л., Заикин С.В. Математическое моделирование нестационарного прогрева насыщенного водой огнезащитного экрана на этапе сушки // Пожаровзрывобезопасность. - 2005. - №6 - С. 26 - 32.
6. Страхов В.Л., Заикин С.В., Каледин В.О. Математическое моделирование нестационарного прогрева при пожаре элементов технологического оборудования нефтегазового комплекса с огнезащитой в виде укрытия: Труды четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. Том 3: Свободная конвекция. Тепломассообмен при химических превращениях. - М.: Издательство МЭИ, 2006. - С. 320-323.
7. Заикин С.В., Страхов В.Л., Карпов В.Л. Огневые испытания огнезащиты для технологического оборудования объектов добычи, переработки, транспортировки и хранения нефти и газа// Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы Международной науч.-практ. конференции. - Ч. 1 - М.: ВНИИПО, 2008.- С. 210 - 214.
8. Заикин С.В., Страхов В.Л., Каледин В.О. Новый способ и средства огнезащиты для объектов нефтегазового комплекса // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - №4. - С. 28 - 32.
9.Страхов В.Л., Заикин С.В., Крутов А.М. Разработка огнезащитного укрытия и противопожарных штор, реализующих комбинированный способ огнезащиты. // Актуальные проблемы пожарной безопасности: Материалы ХXI науч. -практ. конференции. - Ч. 1. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009. - С. 212 - 214.
10. Заикин С.В., Страхов В.Л. Трансформируемые огнезащитные ограждающие конструкции повышенной огнестойкости //Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2009. - №4 - С. 107 - 112.