способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, огнестойкий экран и огнезащитное укрытие на его основе

Формула изобретения

1. Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, включающий подачу регулируемым распылением охлаждающей жидкости на поверхность огнестойкого экрана с созданием парокапельно-воздушной среды, отличающийся тем, что используют экран с распределенными между его наружными огнестойкими слоями теплостойкими капиллярно-пористыми слоями волокнистого материала поверхностной плотности от 70 до 700 г/м² с увеличением плотности в направлении поверхности огневого воздействия с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения.

2. Огнестойкий экран, содержащий огнестойкие и теплостойкие слои, отличающийся тем, что теплостойкие слои выполнены из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземного или базальтового волокна диаметром 2-15 мкм или комбинации из них с распределенной поверхностной плотностью от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия, с наружными огнестойкими слоями из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 5-15 мкм или комбинации из них поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м², с сеткой с размерами ячеек от 5х5 до 25х25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия при соотношении толщин теплостойкого и огнестойких слоев от 5:1 до 20:1 с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения при регулируемом распылении охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия с созданием парокапельно-воздушной среды.

3. Экран по п.2, отличающийся тем, что наружные огнестойкие слои ткани пропитаны составом, отражающим тепловое излучение.

4. Огнезащитное укрытие, содержащее огнестойкий экран с огнестойкими и теплостойкими слоями и трубчатый каркас с сообщающимися каналами и форсунками для регулируемой подачи с распылением охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия экрана с созданием парокапельно-воздушной среды, отличающееся тем, что теплостойкие слои выполнены из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 2-15 мкм или комбинации из них с распределенной поверхностной плотностью от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия с наружными огнестойкими слоями из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 5-15 мкм или комбинации из них поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м², с сеткой с размерами ячеек от 5х5 до 25х25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия при соотношении толщин теплостойкого и огнестойких слоев от 5:1 до 20:1 с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения.

5. Укрытие по п.4, отличающееся тем, что наружные огнестойкие слои ткани экрана пропитаны составом, отражающим тепловое излучение.

6. Укрытие по п.4 или 5, отличающееся тем, что трубчатый каркас снабжен скрепленными с ним, а экран соединенными с ним в его нижней части гибкими связями, заостренными штырями для фиксации в грунте.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к противопожарным средствам и могут быть использованы для локального пожаротушения в промышленных и гражданских объектах с повышенной пожарной опасностью, защиты от проникновения пожара, возгорания, а также для повышения пределов огнестойкости экранов и укрытий.

К противопожарным экранам, используемым специальным укрытием, предъявляются повышенные требования по обеспечению или длительности противопожарной защиты и рабочим характеристикам при высоких температурах в течение определенного времени, необходимого для принятия мер активного противодействия распространению пожара и его ликвидации.

Известен способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, включающий подачу регулируемым распылением охлаждающей жидкости на поверхность огнестойкого экрана с созданием парокапельно-воздушной среды (патент RU №2182024, МПК⁷ А 62 С 2/08, 2002).

Известен способ экранирования огнетеплопотока посредством сетчатого экрана с подаваемым сверху пленочным потоком охлаждающей жидкости (патент RU №2156628, МПК⁷ А 62 С 2/08, 2000).

Известно также экранирование огнетеплопотоков с использованием водосодержащих компонентов в слоях волокнистого материала с определенным сроком использования (патент RU №2162189, МПК⁷ F 16 L 59/02, 2001).

Известен огнестойкий экран, содержащий огнестойкие и теплостойкие слои (патент RU №2182024, МПК⁷ А 62 С 2/08, 2002).

Известен противопожарный экран с огнестойкими и теплостойкими сетчатыми слоями (патент RU №2143634, МПК⁶ F 16 L 59/02, 2000).

Известен аналогичный огнезащитный материал с наружными огнестойкими и промежуточными теплостойкими слоями из волокнистых материалов (заявка GB №2351021 A1, МПК⁷ А 62 С 2/06, 1999).

Известно огнезащитное укрытие, содержащее огнестойкий экран с огнестойкими и теплостойкими слоями из керамики и трубчатый каркас с сообщающимися каналами форсунками для регулируемой подачи с распылением охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия экрана с созданием парокапельно-воздушной среды (патент RU №2182024, МПК⁷ А 62 С 2/08, 2002, патент RU №2156628, МПК⁷ А 62 С 2/08, 2000).

Известна противопожарная преграда, содержащая огнестойкую оболочку, закрепленную на рамном каркасе, и средство пожаротушения (патент RU №2014856, МПК⁵ А 62 С 13/00, 1994).

Известны другие устройства для тушения пожаров в локальных объемах с использованием средств распыления охлаждающей жидкости (патент RU №2079316, МПК⁶ А 62 С 31/05, 1997, патент RU №2173193, МПК⁷ А 62 С 31/05, 2001).

В других устройствах использованы экраны с теплостойкими свойствами (патент RU №2111779, МПК⁶ А 62 С 8/06, 1998, патент ЕР №0631515 В1, МПК⁶ А 62 С 8/06, 1996).

Указанные противопожарные средства, их экраны созданы с использованием разных принципов защиты от огневого воздействия без учета и развития явлений и эффектов, происходящих в самих структурах экранов, их слоях и материалах, что не позволяет повысить эффективность противодействия пожарам самих средств.

Наиболее близкими аналогами, выбранными из совокупности общих существенных признаков, принятыми в качестве прототипов, является способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков по патенту RU №2182024, огнестойкий экран из огнестойких и теплостойких слоев по патенту RU №2182024 и огнезащитное укрытие по патенту RU №2182024. Основной задачей является создание способа ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, огнестойкого экрана и огнезащитного укрытия на его основе с использованием новой концепции повышения их эффективности с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения при создании парокапельно-воздушной среды из охлаждающей жидкости в структуре материалов огнезащитного экрана.

Техническим результатом от использования изобретений является увеличение времени противодействия проникновению пожаров, упрощение конструкций, удобство их обслуживания и повышение надежности в эксплуатации.

Поставленная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения расположения волокнистых материалов, исходя из их свойств, распределения возрастания их плотности в направлении поверхности огневого воздействия, использования концепции проявления синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения внутри структуры экрана одновременно с огнестойкостью и теплостойкостью внешних и внутренних капиллярно-пористых волокнистых материалов.

Для этого в способе ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, включающем подачу регулируемым распылением охлаждающей жидкости на поверхность огнестойкого экрана с созданием парокапельно-воздушной среды, используют экран с распределенными между его наружными огнестойкими слоями теплостойкими капиллярно-пористыми слоями волокнистого материала по поверхностной плотности с увеличением плотности от 70 до 700 г/м² в направлении поверхности огневого воздействия с возможностью проявления или синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения.

В огнестойком экране, содержащем огнестойкие и теплостойкие слои, теплостойкие слои выполнены из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземного или базальтового волокна диаметром 2-15 мкм, или комбинации из них, с распределенной поверхностной плотностью от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия, с наружными огнестойкими слоями из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 5-15 мкм, или комбинации из них, поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м², с сеткой с размерами ячеек от 5 5 мм до 25 25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия, при соотношении толщин теплостойкого и огнестойких слоев от 5:1 до 20:1, с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения при регулируемом распылении охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия с созданием парокапельно-воздушной среды. Наружные огнестойкие слои ткани могут быть пропитаны составом, отражающим тепловое излучение.

В огнезащитном укрытии, содержащем огнестойкий экран с огнестойкими и теплостойкими слоями и трубчатый каркас с сообщающимися каналами и форсунками для регулируемой подачи с распылением охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия экрана с созданием парокапельно-воздушной среды, теплостойкие слои выполнены из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземных или базальтовых волокон диметром 2-15 мкм, или комбинации из них, с распределенной поверхностной плотностью от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия, с наружными огнестойкими слоями из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 5-15 мкм, или комбинации из них, поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м², с сеткой размерами ячеек от 5 5 мм до 25 25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия, при соотношении толщин теплостойкого и огнестойких слоев от 5:1 до 20:1, с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения. В огнезащитном укрытии наружные огнестойкие слои ткани экрана также могут быть пропитаны составом, отражающим тепловое излучение. Трубчатый каркас может быть снабжен скрепленными с ним, а экран соединенными с ним в его нижней части гибкими связями, заостренными штырями для фиксации в грунте.

Отличительными особенностями способа являются признаки:

- использование экрана с распределенными между его наружными огнестойкими слоями теплостойкими капиллярно-пористыми слоями волокнистого материала поверхностной плотности от 70 до 700 г/м² с увеличением плотности в направлении поверхности огневого воздействия;

- возможность проявления теплостойкими слоями синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения.

Отличительными особенностями огнестойкого экрана и огнезащитного укрытия на его основе являются признаки:

- выполнение теплостойких слоев из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 2-15 мкм, или комбинации из них;

- распределенная поверхностная плотность теплостойких слоев от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия;

- выполнение наружных огнестойких слоев из ткани на основе кремнеземного или базальтового волокна диаметром 5-15 мкм, или комбинации из них, поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м²;

- наличие сетки с ячейками от 5 5 мм до 25 25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия;

- соотношение толщин теплостойкого и огнестойких слоев от 5:1 до 20:1;

- возможность проявления теплостойкими слоями с указанными свойствами синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения;

- наличие пропитывающего состава в наружных огнестойких слоях, отражающего тепловое излучение.

Дополнительными отличительными особенностями огнезащитного укрытия являются признаки:

- снабжение трубчатого каркаса заостренными штырями, с ним скрепленными;

- снабжение огнестойкого экрана соединенными с ним гибкими связями заостренными штырями;

- возможность фиксации заостренных штырей в грунте.

Указанные отличительные признаки и способы выполнения огнестойкого экрана и огнезащитного укрытия на его основе являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Проявление в способе с использованием огнестойкого экрана из капиллярно-пористого материала с возрастанием плотности к поверхности огневого воздействия интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения, синергически возникающего с созданием парокапельно-воздушной среды при регулируемом распылении охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия экрана, создает огнезащитную преграду повышенной предельной стойкости и эффективности. Такие результаты наиболее оптимальные в волокнистых материалах с плотностью от 70 до 700 г/м². Способ реализован в огнезащитном экране и укрытии из него за счет выполнения теплостойких слоев из иглопробивного или иглопрошивного материала из кремнеземного или базальтового волокна диаметром 2-15 мкм, или комбинации из них, соотношения теплостойкого и огнестойкого слоев в пределах от 5:1 до 20:1 при выполнении огнестойких слоев из ткани на основе кремнеземного или базальтового волокна диаметром 5-15 мкм, или комбинации из них, поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м². Размещение под огнестойким слоем со стороны поверхности огневого воздействия сетки с ячейками 5 5 мм до 25 25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм предназначено для обеспечения формы устойчивости огнезащитного укрытия, пакета слоев на период огневого воздействия, исключения их разрыва за предельно возможными временными параметрами огневого воздействия.

Отражению теплового излучения способствует пропитка соответствующим составом наружного огнестойкого слоя ткани. Удержанию огнезащитного экрана от воздействия ветровых нагрузок способствует фиксация его трубчатого каркаса и экрана заостренными штырями в грунте.

Указанные отличительные существенные признаки способа, экрана и укрытия из него являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипах не обнаружены, что позволяет характеризовать предложенные технические решения как соответствующие критерию “новизна”.

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу создания способа ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, создания огнестойкого экрана и огнезащитного укрытия на его основе за счет распределения плотностей волокнистых материалов с возрастанием их к поверхности огневого воздействия, использования с преградными тепловыми свойствами волокнистых материалов как в теплостойких, так и в огнестойких слоях, их соотношение, синергически проявляющегося интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения при регулируемом распылении охлаждающей жидкости на поверхность огнестойкого экрана с созданием парокапельно-воздушной среды, что характеризует предложенные технические решения существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипов. Новые технические решения являются результатом разработки и экспериментальных исследований, творческого вклада, без использования стандартизованных разработок или каких-либо рекомендаций в данной области техники, основанной на использовании новых принципов построения структур волокнистых материалов, использования новых физических эффектов, являются оригинальными и неочевидными для специалистов, соответствуют критерию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретений поясняется чертежами с кратким их описанием.

На фиг.1 представлен общий вид огнестойкого экрана, на фиг.2 - общий вид огнезащитного укрытия, на фиг.3 - поперечное сечение экрана, на фиг.4 - развертка экрана укрытия на виде с внешней поверхностью, на фиг.5 - развертка экрана укрытия на виде с внутренней поверхностью, на фиг.6 - схема крепления трубчатого каркаса и экрана заостренными штырями в грунте.

Более подробное описание сущности изобретений с показом позиций на чертежах состоит в следующем.

Огнестойкий экран (фиг.1) содержит огнестойкие и теплостойкие слои 1, 2. Теплостойкие слои 2 выполнены из иглопробивного или иглопрошивного материала капиллярно-пористой структуры из кремнеземного или базальтового волокна диаметром 2-15 мкм, или комбинации из них, с распределенной поверхностной плотностью от 70 до 700 г/м² с увеличением поверхностной плотности в направлении поверхности огневого воздействия 3, с наружными огнестойкими слоями 1 из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром 5-15 мкм, или комбинации из них поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м² с сеткой 4 с размерами ячеек от 5 5 до 25 25 мм из стальной проволоки диаметром 0,1-1 мм под наружным огнестойким слоем 1 со стороны поверхности огневого воздействия 3, при соотношении толщин теплостойкого и огнестойкого слоев 2, 1 от 5:1 до 20:1, с возможностью проявления ими синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения при регулируемом распылении охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия 3 с созданием парокапельно-воздушной среды. Наружные огнестойкие слои 1 ткани могут быть пропитаны составом, отражающим тепловое излучение. Охлаждающая жидкость может быть подана на огнестойкий слой 5 с проявлением аналогичного физического эффекта испарительного охлаждения при огневом воздействии на поверхность 3.

Огнезащитное укрытие (фиг.2) содержит огнестойкий экран с огнестойкими и теплостойкими слоями 1, 2, выполненными с аналогичными структурами волокнистых материалов, показанных на фиг.1, и трубчатый каркас 6 с сообщающимися каналами 7, 8 и форсунками 9 для регулируемой подачи с распылением охлаждающей жидкости на поверхность огневого воздействия 3 с огнестойким слоем 1 или на огнестойкий слой 5 экрана с созданием парокапельно-воздушной среды. Наружные огнестойкие слои 1 огнезащитного укрытия также могут быть пропитаны составом, отражающим тепловое излучение. Трубчатый каркас 6 может быть снабжен скрепленными с ним, а экран - соединенными с ним в его нижней части гибкими связями 10 заостренными штырями 11 для фиксации в грунте. Функционирование огнестойкого экрана (фиг.1) и огнезащитного укрытия (фиг.2) на основе способа включает подачу регулируемым распылением охлаждающей жидкости по сообщающимся каналам 7, 8 и форсунке 9 на поверхность 3 огнестойкого экрана или на огнестойкий слой 5 с созданием парокапельно-воздушной среды, синергически с которой за счет экрана с распределенными между его наружными огнестойкими слоями 1, 5 теплостойкими капиллярно-пористыми слоями 2 волокнистого материала поверхностной плотности от 70 до 700 г/м² с увеличением ее в направлении поверхности огневого воздействия 3 проявляется ими интенсивный процесс непрерывного эффекта испарительного охлаждения.

Позиция 12 - тяговые ленты или шнуры для закрепления огнестойкого экрана на трубчатом каркасе 6.

Обоснование физической сущности изобретений в сравнении с прототипами заключается в следующем.

Принцип работы защитного экрана от потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков (прототипа) основан на создании завесы из распыленной охлаждающей жидкости путем ее подачи в пространство между сетками, выполненными из различных материалов.

Тепловое излучение от пламени и конвективные потоки нагретого газа частично отражаются от сеток, от созданной пленки жидкости, стекающей по сеткам, и от парокапельно-воздушной среды между сетками, а также частично поглощаются парокапельно-воздушной средой.

Тепловой баланс в зоне экрана этого типа может быть представлен в виде:

q =q_отр+q_прош+q_погл;

где q - суммарный (радиационно-конвективный) тепловой поток, падающий на единицу площади экрана;

q_отр - часть теплового потока, отраженного от экрана;

q_прош - часть теплового потока, прошедшего через экран;

q_погл - часть теплового потока, поглощенного охлаждающим агентом экрана.

Принцип работы огнезащитного экрана, выполненного из термостойких волокнистых материалов, 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.

Тепловой баланс в зоне экрана этого типа представляется в виде:

q’ =q’_отр+q’_изл+q’_исп+q’_изол;

где q’_изл - часть теплового потока, переизлученного нагретой поверхностью экрана в окружающее пространство;

q’_исп - часть теплового потока, поглощенного при испарении жидкости, заполняющей капиллярно-пористый слой экрана и фильтрации пара к его обогреваемой поверхности;

q’_изол - часть теплового потока, блокированного теплоизоляцией экрана и воздушной прослойкой между экраном и объектом.

Из сравнения представленных тепловых балансов следует:

а) плотность отраженного теплового потока во втором случае существенно выше, чем в первом (q’_отр>q_опр) в виду большей отражательной способности поверхности ткани по сравнению с отражательной способностью пленки жидкости и парокапельно-воздушной среды;

б) во втором случае падающий тепловой поток дополнительно уменьшается за счет переизлучения нагретой поверхности экрана (в этом случае в балансном соотношении присутствует соответствующее дополнительное слагаемое – q’_изл);

в) плотность теплового потока, поглощенного при испарении, во втором случае значительно больше, чем в первом (q’_исп>>q_исп), так как капли жидкости, движущиеся с большой скоростью между сетками, практически не успевают испариться;

г) во втором случае дополнительная часть внешнего теплового потока блокируется теплоизоляцией экрана и воздушной прослойкой между экраном и объектом (балансное соотношение содержит в правой части дополнительное слагаемое q’_изол, которое отсутствует в первом случае).

По принципу действия предлагаемый способ и устройство являются комбинированными: в них совмещены функции пассивной и активной огнезащиты. Благодаря этому резко повышается их эффективность, так как совмещение функций усиливает действие каждого из способов огнезащиты, применяемых обычно по отдельности (синергизм). Пассивная огнезащита реализуется:

а) за счет хорошей теплоизолирующей способности (в том числе и при высоких температурах) самого термостойкого материала экрана;

б) на способности капиллярно-пористого материала впитывать влагу, что резко повышает его огнезащитную способность, так как при этом реализуется сильный физический эффект испарительного охлаждения.

Роль активной огнезащиты выполняют распылители жидкости. Благодаря тому, что жидкость подается на поверхность защитного экрана и впитывается в него, ее требуемый расход значительно уменьшается по сравнению с вариантом оросительного охлаждения поверхности объекта, так как при этом в гораздо большей мере реализуется эффект испарительного охлаждения, а также теплоизолирующая способность паровой зоны, образующейся между экраном и объектом. Кроме того, часть жидкости, попадающей в зону пламени, окружающего защищаемый объект, также уменьшает интенсивность его теплового воздействия на огнезащитное устройство. Таким образом, активная огнезащита также реализуется в виде многофакторного процесса.

Перечисленные выше тепломассообменные процессы, происходящие в огнезащитном укрытии при огневом воздействии на его наружную поверхность, протекают в нестационарном режиме. Поэтому для количественного математического описания теплового состояния орошаемого огнестойкого экрана следует использовать обоснованную в книге: Страхов В.Л., Крутов А.М., Давыдкин Н.Ф. Огнезащита строительных конструкций (М.: Информационно-издательский центр “ТИМР”, 2000) постановку соответствующей краевой задачи, позволяющую учесть все перечисленные физические эффекты блокирования внешнего радиационно-конвективного теплового потока.

Нестационарное температурное поле в системе “огнезащитное укрытие - защищаемый объект” определяется из решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности, записанного в системе координат OXY, начало которой связано с обогреваемой поверхностью экрана:

а) для зон расчетной области, соответствующих экрану и защищаемому объекту

б) для зон расчетной области, соответствующих полости между экраном и защищаемым объектом

Дифференциальные уравнения (I), (II) решаются при следующих краевых условиях:

начальное условие:

условия на обогреваемых поверхностях:

условия на границах между материалами с различными теплофизическими характеристиками:

условия на оси (плоскости) симметрии расчетной области:

условия на поверхностях, ограждающих полость:

условия на границе между зоной конденсации и непроницаемой поверхностью (зоной насыщенного водой материала):

а) для периода конденсации

б) для периода испарения

условие в глубине грунта:

В формулах (I)-(XII) приняты следующие обозначения:

С - объемная теплоемкость материала, учитывающая тепловой эффект испарения; Т - температура; t - время; х, y - координаты; _x - эффективная теплопроводность материала в направлении оси 0Х; ^m,c_y - эффективная теплопроводность материала в направлении оси 0Y, учитывающая выделение теплоты при конденсации и поглощение теплоты при фильтрации; - плотность; с_p - теплоемкость пара (воздуха); _э - эквивалентная теплопроводность, учитывающая естественную конвекцию в полости; q - полный тепловой поток к обогреваемой поверхности; n - нормаль к поверхности; q_i - плотность результирующего потока излучения на i-той изотермической площадке поверхностей, ограждающих полость; r - тепловой эффект фазового перехода “вода-пар”; , - плотность потока пара при конденсации и испарении; y_с - координата границы между зоной конденсации и непроницаемой поверхностью (зоной насыщенного водой материала); х_w, y_w - координаты границ обогреваемых поверхностей конструкции; _гр, y_гр - координаты границ между слоями из материалов с различными теплофизическими характеристиками или границ полости; х_x, y_х - координаты необогреваемых границ.

В уравнении (I) показатель степени n равен 1 в случае осевой симметрии расчетной области и 0 - в случае плоской симметрии расчетной области.

Объемную теплоемкость материала, учитывающую тепловой эффект испарения (дегидратации), следует определять по формуле:

где - пористость материала; ’ - плотность каркаса (скелета); с’ - теплоемкость каркаса; _о - объемная плотность материала в исходном состоянии; К - массовая доля каркаса в составе капиллярно-пористого слоя; - степень завершенности процесса испарения охладителя внутри капиллярно-пористого слоя (дегидратации).

Эффективную теплопроводность материала в направлении оси 0Y, учитывающую выделение теплоты при конденсации и поглощение теплоты при фильтрации, следует определять по формуле:

где _y - эффективная теплопроводность материала в направлении оси 0Y;

К_D - коэффициент диффузии пара в пористом проницаемом материале;

p_s(T) - давление насыщения;

- плотность потока пара;

- средняя теплоемкость пара;

y_s - координата изотермы испарения;

y₀ - координат линии растекания пара.

Плотность потока пара в зоне конденсации рассчитывается по формуле:

Одна часть выделяющегося в зоне дегидратации пара движется от линии растекания в сторону обогреваемой поверхности, а другая - в противоположном направлении, в зону конденсации. Координата линии растекания пара определяется из соотношения:

Плотность потока пара в зоне дегидратации определяется из соотношений:

а) для потока пара, направленного в зону конденсации:

б) для потока пара, направленного в сторону обогреваемой поверхности:

Массовая скорость конденсации пара на непроницаемой поверхности (на границе насыщенного водой слоя) определяется из соотношения (XVII) при y=y_с. Массовая скорость испарения конденсата из зоны насыщенного водой материала после достижения этой границы фронтом испарения определяется непосредственно из условия (XI).

Эффективная теплопроводность материала в направлении осей 0X и 0Y, а также плотность и теплоемкость каркаса определяются экспериментально или расчетом по составу и свойствам компонентов материала.

Параметры процесса дегидратации капиллярно-пористого материала определяются экспериментально методом термогравиметрии.

Эквивалентная теплопроводность, учитывающая сложный перенос теплоты через полость молекулярной теплопроводностью газа и естественной конвекцией, определяется по формуле:

_э= Nu, (XIX)

где - молекулярная теплопроводность газа, заполняющего полость;

Nu - среднее число Нуссельта, зависящее от геометрических характеристик полости, перепада температуры между ограждающими поверхностями, средней температуры среды, ее теплофизических характеристик и вязкости.

Число Нуссельта рассчитывается по формуле:

Nu=C(GrPr)ⁿk (XX)

где С, n, k - эмпирические параметры;

Gr=g T ³/ ² - число Грасгофа;

g - ускорение свободного падения;

=1/T_ср; T_cр=0,5 (T_max+T_min);

T=Т_mах-T_min;

T_max, T_min - максимальное и минимальное значения температуры элементов поверхностей ограждающих полости;

- кинематическая вязкость газа, заполняющего полость;

- характерный размер полости;

Pr - число Прандтля газа.

Число Прандтля и теплофизические характеристики заполняющего полость газа определяются по таблицам справочника: Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

Расчеты по формулам (XIX), (XX) повторяются в ходе численного решения уравнения теплопроводности (II) на каждом шаге по времени. Необходимость этого обусловлена зависимостью от времени температуры поверхностей, ограждающих полость, а также зависимостью теплофизических характеристик заполняющего полость газа от температуры.

Результирующие потоки излучения на i-тых изотермических площадках неотражающих поверхностей, ограждающих полость, рассчитываются по формуле:

где _i, _j - интегральные коэффициенты теплового излучения соответствующих изотермических площадок;

- постоянная Стефана-Больцмана;

_ij - угловые коэффициенты излучения между соответствующими площадками;

T_i, T_j - температуры площадок, определяемые при совместном численном решении уравнений (I), (II) с краевыми условиями (III)-(XII).

Полный тепловой поток к обогреваемой поверхности укрытия определяется как сумма лучистой и конвективной составляющих:

q _f=q_лf+q_кf. (XXII)

Плотность лучистого потока, поглощенного поверхностью конструкции, определяется по формуле:

q_лf= _w(q_R- T⁴_w), (XXIII)

где q_R - плотность падающего на поверхность лучистого потока.

Плотность падающего лучистого потока зависит от расположения конструкции по отношению к факелу пламени. Наибольшее значение q_R имеет при расположении вертикальной конструкции на оси факела при х=0, а при ее удалении от оси q_R уменьшается до значения:

q_R= _f T⁴_f (при x=0,5 D).

где =5,67 10^-8 Вт/(м⁴ К) - постоянная Стефана-Больцмана.

Промежуточные значения q_R при 0 х 0,5 D вычисляются с помощью соотношения:

q_R=1,55 _f T⁴_fexp(-0,88x/D), (XXIV)

где х - расстояние от оси факела до рассматриваемой поверхности; D - характерный размер факела.

Плотность падающего теплового потока на элементарные площадки ограждающих поверхностей, удаленные от факела на различные расстояния и произвольно ориентированные по отношению к его оси, для случая оптически прозрачной среды между факелом и поверхностью (слабой задымляемости) рассчитывается с использованием соответствующих угловых коэффициентов облученности:

q_R= _f T⁴_f, (XXV)

где - угловые коэффициенты облученности (угловые коэффициенты).

На стадии развитого пожара в случае оптически плотной газовой среды плотность результирующего потока излучения к поверхности конструкции в зависимости от локальной температуры среды в окрестности рассматриваемого элемента поверхности рассчитывается по формуле:

q_лf=A_f (T⁴_f-T⁴_w), (XXVI)

где A =1/(1/ +1/ _w-1) - приведенная степень черноты газовой среды и поверхности;

- интегральный коэффициент излучения газовой среды,

T - локальная температура в окрестности рассматриваемого элемента поверхности (на внешней границе теплового пограничного слоя).

Конвективная составляющая полного теплового потока к обогреваемой поверхности конструкции рассчитывается по закону Ньютона:

q_кf= _f(T_f-T_w), (XXVII)

где - коэффициент конвективного теплообмена между газовой средой и обогреваемой поверхностью конструкции; T , T_w - температуры газовой среды и обогреваемой поверхности.

При известных скоростях газовой среды, определяемых в результате расчета динамики развития пожара, для коэффициентов теплоотдачи используются эмпирические критериальные формулы и формулы, полученные с помощью интегральных уравнений пограничного слоя.

Начальное распределение температуры по сечению конструкции принимается равномерным.

Для численного решения дифференциальных уравнений (I), (II) с краевыми условиями (III)-(XII) следует использовать метод конечных разностей в варианте метода дробных шагов.

Разностные аналоги дифференциальных уравнений с соответствующими краевыми условиями решаются методом прогонки, позволяющим производить уточнение нелинейных параметров, с использованием неявной четырехточечной схемы “зонт”. На каждом шаге по времени реализуется итерационный процесс.

Разностные аналоги исходных уравнений теплопроводности в каждом направлении по осям Х и Y прямоугольной системы координат принимаются в виде:

C_i=f₁(T^S_i);

_i=f₃(T^S_i).

Для повышения экономичности вычислительного алгоритма используется неравномерная разностная сетка по каждому из направлений.

Для проведения численных расчетов нестационарных температурных полей в сечении рассматриваемых конструкций можно использовать разработанный программный комплекс “Огнестойкость” версии T.1, сертифицированный по ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93, ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 9294-93. Этот программный комплекс разработан применительно к IBM-совместимым компьютерам и удовлетворяет современным требованиям по точности и достоверности получаемых результатов.

Численные расчеты позволяют выбрать обоснованно геометрические параметры укрытия, материал и толщины слоев экрана, а также интенсивность подачи охладителя, при которых обеспечивается заданная огнестойкость объекта с минимальными затратами.

Преимущества новых технических решений

1. Лучистый тепловой поток полностью поглощается в прилегающем к обогреваемой поверхности слое ткани экрана. В прототипе часть теплового излучения проходит сквозь водяную завесу экрана.

2. Наружная термостойкая ткань со специальным покрытием имеет большую отражательную способность по сравнению с отражательной способностью водяной пленки (в прототипе).

3. Кроме отражательной способности нагретая наружная поверхность обладает способностью переизлучать теплоту в окружающее пространство, что дополнительно снижает плотность теплового потока, поступающего во внутренний слой конструкции. Этот физический эффект в прототипе отсутствует.

4. Используемое в прототипе пленочное охлаждение малоэффективно и требует больших затрат охладителя. Поэтому в предлагаемом устройстве подача охладителя на поверхность экрана производится со значительно меньшим расходом. Причем большая часть подаваемой на поверхность экрана жидкости проникает через наружный слой ткани в капилляры и поры промежуточного слоя, до практически полного его насыщения.

5. После прекращения орошения поверхности экрана (при продолжающемся огневом воздействии) основным физическим эффектом, блокирующим тепловой поток, от огня становится физический эффект испарительного охлаждения.

Промежуточный капиллярно-пористый слой экрана выполнен из материала, способного поглощать охлаждающую жидкость до 80% по массе. В случае насыщенного водой экрана толщиной около 10 мм, благодаря испарению охладителя и фильтрации пара к обогреваемой поверхности экрана, температура его необогреваемой поверхности не превышает 100°С при огневом воздействии на обогреваемую поверхность экрана в течение 1 часа и более.

Этот сильный физический эффект в прототипе практически не реализуется.

6. После полного испарения охладителя из капиллярно-пористого слоя огнезащитный экран, выполненный из термостойких материалов и обладающий хорошей теплоизолирующей способностью, продолжает выполнять огнезащитную функцию в течение достаточно продолжительного времени. Этому также способствует теплоизолирующее влияние слоя воздуха, расположенного между экраном и объектом.

7. Огнезащитное укрытие, выполненное из термостойких материалов, в отличие от прототипа, работающего по принципу водяной завесы, способно сохранять свою целостность и выполнять огнезащитную функцию при сильном ветре. Для повышения прочности экрана в высокотемпературной зоне в его состав (под наружный слой ткани) вводится стальная сетка.

8. Для обеспечения устойчивости укрытия при действии ветра огнезащитный экран прикрепляется по нижнему контуру к грунту с помощью штырей.

9. Огнезащитное укрытие в исходном состоянии компактно и имеет относительно небольшую массу (не более 30-40 кг), что дает возможность его переносить вручную, в том числе по пересеченной местности.

10. В конструкции укрытия предусмотрена возможность его быстрой установки на защищаемый объект в полевых условиях (в том числе при наличии ветра). С этой целью экран выполнен гибким и в походном положении сворачивается в рулон. После установки опор над объектом экран автоматически разворачивается после выдергивания специального штыря из специальных петель.

Натурные испытания огнестойких экранов, укрытий на основе предложенного способа ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков с реализацией нового физического эффекта по предложенным техническим решениям показали положительные результаты, их эффективность.

Таким образом, новые технические решения при реализации проявляют новые свойства, воспроизводимы в производственных условиях, соответствуют и критерию “промышленная применимость”, т.е. уровню изобретений.

Могут быть различные комбинации в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема изобретений, изложенных в пунктах формулы.