Автореферат (1172917), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Рассчитана λпенококса = ʄ(T). Из-за образования пенококса уконструкций с указанной теплоизоляцией приведенное термическоесопротивление при изменении температуры от 20 до 470 °С снижается в 1,6–1,8раза, тогда как с базальтовой теплоизоляцией более чем в 3 раза, этот фактобъясняет положительный эффект полимерной ТИМ на огнестойкость ОЛДКрКдо его разложения.Шестая глава посвящена математическому моделированию теплопередачив ограждающих ЛДКрК с облицовочными материалами и полимернойтеплоизоляцией нового поколения, а также теплотехническому расчетуогнестойкости конструкций при стандартном режиме пожара [8].
Типичнаясхема теплопередачи через ограждающую каркасную конструкцию показанавыше (рисунок 4).В работе для моделирования теплопередачи в ограждающих конструкциях сцелью оценки их огнестойкости по признакам целостности и теплоизолирующейспособности (EI) использованы дифференциальные уравнения сохраненияэнергии и массы в системе, в предположении одномерного переноса тепла ипродуктов разложения.
Рассмотрены следующие физико-химические процессы,протекающие в отдельных элементах исследуемых ненесущих ограждающихконструкций и влияющие на теплопередачу. Первый слой СМЛ со стороныогневого воздействия имеет высокую термостойкость. Полагаем, что он неподвергается термическому разложению. В слое минеральной теплоизоляциимогут протекать реакции дегидратации, процессы испарения воды и конденсация,фильтрационный массоперенос пара и воды через пористый материал.
Слойполимерной теплоизоляции при нагревании выше определенной температуры(Тнр) разлагается с выделением газообразных летучих продуктов и образованиемкарбонизованного остатка. Текущая плотность () пенокомпозита с учетом егокарбонизации, выхода кокса (К) и усадки () соответствует уравнению:[1 – (1 – K)]/(1 – ),где α – степень конверсии.В этом случае можно рассматривать два варианта расчета теплопередачичерез теплоизоляцию.1. Твердая матрица мгновенно пиролизуется при достижении Тнр внезависимости от скорости нагрева. Образующийся кокс не влияет на транспортпродуктов разложения (принцип постоянства давления в к-фазе).2.Пиролизтвердойматрицыявляетсямногостадийнымссоответствующими кинетическими параметрами стадий.
Выход продуктовпиролиза зависит от давления в пористой среде (закон Дарси). Из-за усадки ТИМразной природы в результате плавления или «выгорания» пространство междуэлементамиконструкцииитеплоизоляциейстановитсячастичнонезаполненным. Усиление переноса тепла через этот слой за счеттеплопроводности, конвекции и лучистой энергии должно в принципе снижать18огнестойкость ограждающей конструкции в целом. Результирующий лучистыйтеплообмен в пустой полости между поверхностями элементов конструкциизависит от угловых коэффициентов излучения.Математическая модель тепломассопереноса в ограждающих деревянныхлегких каркасных конструкциях с указанными выше элементами и полимернымТИМ включает в себя следующие дифференциальные уравнения:1.Уравнение сохранения энергии:(1 – θ)ρ’cp ∂T/∂t = ∂/∂x(λ∂T/∂x) + m”cp”∂T/∂x – LvR.(7)2.Уравнение массопереноса продуктов термического разложенияТИМ:Cm∂p/∂t = ∂/∂x(λm∂p/∂x) + ∂/∂x(KD∂p/∂x) + R.(8)Начальные условия для уравнения сохранения энергии (5) для всехэлементов конструкции и уравнения (6):Tt=0 = T0; pt=0 = p0 .(9)Граничное условие на обогреваемой поверхности ограждающейконструкции:–λ(∂T/∂x) = αf(Tf – TСМЛ) + εζ(Tf4 – TСМЛ4).(10)Граничное условие на необогреваемой стороне ограждающей конструкции:–λ(∂Τ/∂x) = αe(Tx – Te) + εζ(Tx4 – Te4).(11)При отсутствии усадочных явлений и плотном соприкосновенииповерхности элементов ограждающей конструкции условия на границах междуотдельными слоями отвечают равенству температур и плотности тепловыхпотоков:Т|х гр – 0 = Т|х гр + 0;(12)–λ(∂Τ/∂x)|x гр - 0 = –λ(∂T/∂x)|x гр + 0.(13)При усадке теплоизоляции и возникновении пустого пространства междуСМЛ и теплоизоляцией со стороны огневого воздействия должны быть учтеныусловия на границе СМЛ и полости, а также на границе полости и поверхноститеплоизоляции (с угловыми коэффициентами излучения поверхностей,ограждающих полость).Условие на границе поверхности СМЛ и полости может быть описаноуравнением:–λ(∂T/∂x) = αc(TCМЛ – Tc) + F12 εζ (TСМЛ4 – ТТИМ4).(14)Соответственно, условие на границе полости и поверхности теплоизоляции:−λ(∂T/∂x) = αc(Tc – TТИМ) – F21εζ(ΤТИМ4 – TСМЛ4).(15)Рассматриваемой системе ограждающей конструкции присуще свойствовзаимного обмена излучением поверхностей с учетом угловых коэффициентовF21 = F12 и свойство замкнутости.
Последнее состоит в том, что сумма всехугловых коэффициентов излучения на поверхности, ограждающей полости,равна 1.В приведенных выше уравнениях с граничными условиями принятыследующие обозначения: θ – пористость; ρ – плотность; λ – коэффициенттеплопроводности; ср – теплоемкость; Т – температура; t – время; p – давление; Lv– энтальпия газификации; m” – массовая скорость фильтрации пиролизного газа;19α − cтепень превращения при пиролизе; R = dα/dt – скорость превращения(газовыделения при пиролизе); αi – коэффициент теплообмена; ε − степеньчерноты; ζ – постоянная Стефана – Больцмана; Сm – емкость пористого материалапо отношению к газам пиролиза c молекулярной массой М: Сm = М θ/RT; λm –коэффициент молярного переноса пиролизного газа: λm = θk/ν, где k, ν –коэффициент газопроницаемости и кинематическая вязкость пиролизного газа; КD– коэффициент диффузии газа. Размерные характеристики представлены всистеме СИ.На начальном этапе моделирования теплопереноса в ограждающейконструкции с полимерной теплоизоляцией принят алгоритм расчета по первомуварианту с применением только уравнения нестационарной теплопроводности безтепловых стоков.
Важно было выяснить, насколько недооценивается (илипереоценивается), по сравнению с экспериментом, вклад реальных физикохимических процессов.Для расчета строится геометрическая модель образца конструкции, котораясвободно разбивается на сетку конечных элементов с шагом 1 мм.При расчете теплопередачи через ограждающую конструкцию принятытеплофизические характеристики СМЛ и пенокомпозита, полученные ранее поэкспериментальным результатам до момента начала разложения теплоизоляции.Теплопроводность образующегося далее пенококса принята равной0,070 Вт/м·К. Коэффициент теплообмена для условий в используемой огневоймаломасштабной печи принят постоянным ɑf = 15 Вт/м2К.На рисунках 5 и 6 показаны результаты расчета температуры наповерхности элементов конструкции VII и IV, в сравнении сэкспериментальными значениями.Рисунок 5 – Температурно-временные кривые прогрева элементов ограждающейконструкции VII при стандартном режиме пожара:1 – температура в печи; 2 - на внешней поверхности СМЛ № 1;3 – с тыльной стороны поверхности СМЛ № 1 (на поверхности теплоизоляции);4 – на внутренней поверхности СМЛ № 2; 5 – на необогреваемой поверхностиконструкции (СМЛ № 2);2’; 3’; 4’;5’ – расчет20Как видно, экспериментальное значение предела огнестойкоститрехслойной ограждающей конструкции VII по признаку теплоизолирующейспособности и целостности равно 95 мин., а по расчету – около 100 мин.
Из-зааккумуляции тепловой энергии на поверхности теплоизоляции со стороныогневой экспозиции на 20-й мин. наблюдается резкое увеличение температурына межфазной границе ее с СМЛ №1. Такая динамика в некоторой степениобусловлена, по-видимому, экзотермической реакцией окисления пенококса,которая начинает активно протекать при температуре свыше 450–480 °С.Недоучет теплового эффекта этого процесса приводит к занижению расчетнойтемпературной кривой на рассматриваемом этапе нагрева.
Более близкими красчетным являются значения температуры, фиксируемые на необогреваемойповерхности ограждающей конструкции.Расчет конструкции V показал, что внешняя облицовка двумя слоями СМЛзамедляет нагрев полимерной теплоизоляции. Температура начала ееразложения в этом случае достигается почти на 10 мин. позже, чем приоблицовке одним слоем. Общий характер последующего изменения температурына межфазной поверхности СМЛ №2 и теплоизоляции сохраняется.
Расчетфиксирует естественную аккумуляцию тепла на поверхности теплоизоляции, нозаметна явная недооценка реальных термохимических процессов, протекающихв полимерной теплоизоляции при стандартном огневом действии. Это приводитк некоторому завышению расчетного предела огнестойкости конструкции попризнаку EI. На последующем этапе математического моделированияогнестойкости конструкций с полимерной теплоизоляцией «PENOCOM» будетучтено более сложное ее поведение. С помощью программы ANSYS Mechanicalпроведен для сравнения расчет огнестойкости ограждающей деревяннойкаркасной конструкции IV с теплоизоляцией «Rockwool» такой же толщины, каки полимерной (рисунок 6).Рисунок 6 – Изменение температуры на поверхности элементов конструкции IV взависимости от времени воздействия пожара: 1 – на внешней поверхности СМЛ состороны огня; 2 – на тыльной стороне СМЛ (внешней поверхности теплоизоляции);3 – на тыльной стороне теплоизоляции (внутренней поверхности OSB);4 – на необогреваемой поверхности конструкции; 1’;2’;3’;4’ – расчет21Наблюдаетсяудовлетворительноесовпадениерасчетныхиэкспериментальных значений температуры на поверхности элементовконструкции.
Соответственно, получено удовлетворительное совпадениерасчетного (54 мин.) и фактического пределов огнестойкости конструкции(52 мин.), а также индивидуальных вкладов отдельных элементов в пределогнестойкости ограждающей конструкции. Можно полагать, что в случаеиспользования «Rockwool» теплоизоляции вклад физико-химических процессовв ТИМ в предел огнестойкости конструкции не велик.Таким образом, подтверждено, что замена плиты «Rockwool Light» наполимерную теплоизоляцию «PENOCOM» такой же толщины позволяетзначительно увеличить предел огнестойкости ограждающей деревянной легкойкаркасной конструкции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
