Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в России активно развивается строительство больших зданий, предназначенных для размещения в них гипермаркетов, вокзалов, ангаров, таможенных терминалов и складов. Для зданий такого типа характерна повышенная пожарная опасность, обусловленная пребыванием в них большого количества людей и наличием значительной пожарной нагрузки. Как правило, такие объекты располагаются в крупных городах, и пожар в них может иметь катастрофические последствия.
К числу основных противопожарных мероприятий, предусмотренных Федеральным законом №123-ФЗ, относится устройство в зданиях противопожарных преград (стен и перегородок с нормируемыми пределами огнестойкости), ограничивающих распространение пожара. Для удобства эксплуатации упомянутых зданий, вместо противопожарных перегородок в них могут применяться трансформируемые конструкции в виде огнестойких штор, разворачиваемых при пожаре. Строительные нормы СП 4.13130.2009 допускают применение с этой целью противопожарных штор с пределом огнестойкости не менее ЕI 60. При использовании конструкций такого типа для заполнения проемов в противопожарных стенах требуемые пределы их огнестойкости достигают ЕI 150. Для достижения указанных высоких уровней огнестойкости штор требуется их орошение (насыщение) водой.
Большие размеры проемов, закрываемых трансформируемыми конструкциями (противопожарными шторами), и высокий уровень требуемых пределов их огнестойкости обусловливает важность и актуальность проблемы создания трансформируемых конструкций минимальной массы, сохраняющих свою работоспособность при продолжительном огневом воздействии. Причем, для повышения эффективности таких конструкций требуется минимизировать расход воды на их орошение.
Применение трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости также актуально для объектов добычи, переработки и потребления горючих газов и жидкостей.
Для обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности таких объектов используется орошение технологических установок водой с расходом 0,5 л/с на 1 м2 орошаемой поверхности. Обеспечение такого расхода в ряде случаев (например, в северных условиях) сопряжено с существенными техническими и экономическими трудностями. В этих случаях альтернативой орошению могут служить трансформируемые конструкции в виде переносных укрытий, стойких к воздействию пламени углеводородных топлив.
Научной гипотезой исследования является создание на основе синергического сочетания способов активной и пассивной огнезащиты нового (комбинированного) способа повышения огнестойкости, обеспечивающего высокую эффективность разрабатываемых на его основе трансформируемых противопожарных конструкций.
Целью исследования является разработка эффективных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости на базе комплексного подхода, сочетающего математическое моделирование и экспериментальные исследования тепломассопереноса в содержащих воду конструкциях.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих основных задач:
- оценка технического уровня существующих трансформируемых огнестойких конструкций;
- анализ современных способов и средств повышения огнестойкости конструкций;
- разработка нового более эффективного способа повышения огнестойкости трансформируемых противопожарных конструкций;
- разработка математической модели, алгоритмов и программ расчета тепло- и массопереноса при пожаре в водосодержащем огнестойком экране – основном элементе трансформируемых огнестойких конструкций;
- постановка и решение задачи о теплопередаче в системе, образованной обогревающей средой, огнестойким экраном и защищаемым объектом;
- разработка методики и проведение экспериментальных исследований тепломассопереноса в объектах при пожаре (в условиях проектной аварии);
- оценка точности и адекватности натуре разработанных математических моделей путем сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными;
- проведение расчетов с целью определения оптимальных параметров орошаемого (насыщенного) водой огнестойкого экрана;
- разработка трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости и рекомендаций по их практическому применению.
Объектами исследования являются трансформируемые ограждающие конструкции в виде противопожарных штор и огнезащитных укрытий, разработанные на основе нового комбинированного способа повышения огнестойкости.
Предметом исследования являются процессы тепло- и массопереноса в огнестойких трансформируемых конструкциях, насыщенных водой.
Теоретической и методологической основой исследования являются:
- теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах и массообменного пористого охлаждения;
- численные методы решения краевых задач тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах;
- численные методы решения задач о теплопередаче в системах, образованных ограждающими конструкциями и защищаемым объектом;
- методы экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса в ограждающих конструкциях.
Достоверность исследования подтверждается: адекватностью математической модели реальным процессам тепломассопереноса в системе «источник нагрева – ограждающая конструкция – 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 значимость работы состоит в возможности использования разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости для повышения уровня пожарной безопасности зданий и сооружений различного назначения, а также объектов нефтегазового комплекса.
Результаты исследования также применимы в работе проектных и строительных организаций, центров пожарной безопасности и аварийно-спасательных работ.
Теоретические результаты исследования применимы для использования в учебных процессах образовательных учреждений, специализирующихся на пожарной и промышленной безопасности.
Научная новизна диссертационной работы состоит в разработке автором трансформируемых противопожарных конструкций повышенной огнестойкости на основе нового (комбинированного) способа огнезащиты.
Научные результаты, полученные автором, состоят в следующем:
1. Предложен комбинированный способ повышения огнестойкости конструкций, основанный на рациональном сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации применяемого в ракетно-космической технике принципа массообменного пористого охлаждения;
2. Разработаны математическая модель, алгоритмы и программы 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, реализующее 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, на основе которых проведена оценка достоверности, точности и адекватности натуре разработанных математических моделей, алгоритмов и программ;
6. Сформулированы общие принципы проектирования трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости.
Личный вклад соискателя. Все исследования, изложенные в диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включён лишь тот материал, который непосредственно принадлежит соискателю, заимствованный материал обозначен в работе ссылками.
На защиту выносятся:
1. Результаты анализа существующих способов и средств повышения огнестойкости конструкций;
2. Комбинированный способ повышения огнестойкости, основанный на синергическом сочетании способов пассивной и активной огнезащиты и реализации принципа массообменного пористого охлаждения;
3. Математическая модель, алгоритмы, программы и результаты расчетов тепломассопереноса в насыщаемом водой пористом экране;
4. Результаты расчетов теплопередачи в системе, образованной защищаемым объектом и ограждающим устройством типа «укрытие»;
5. Результаты оптимизации конструктивных параметров разработанных трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости;
6. Методика и результаты экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса при пожаре в объектах, защищенных трансформируемыми конструкциями повышенной огнестойкости;
7. Рекомендации по применению разработанных автором трансформируемых конструкций повышенной огнестойкости на пожароопасных объектах.
Апробация и внедрение результатов исследования:
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XVIII Международной научно-практической конференции «Снижение риска гибели людей при пожарах» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003 г.); на 4-ой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2006 г.); на Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008 г.); на XXI Международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности» (Москва, ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009 г.).
Результаты работы внедрены в Региональном центре пожарной безопасности и аварийно-спасательных работ ООО «РН-Юганскнефегаз» (г. Нефтеюганск); ООО «ТюменНИИгипрогаз» ОАО «ГАЗПРОМ» (г. Тюмень); ООО «Центр производства нестандартного оборудования» (Московская обл., г. Сергиев Посад).
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 5 научных статьях [4, 5, 6, 8, 10], в том числе в 3-х статьях в изданиях, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, в 4-х тезисах докладов [2, 3, 7, 9] и в описании патента [1].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Диссертационная работа изложена на 157 страницах, содержит 54 иллюстрации и 6 таблиц. Библиография включает 136 наименований.
