Диссертация (1172932), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Принцип функционирования рабочего полотна основан на блокированиирадиационно-конвективного теплового потока от пламени на основе рационального сочетания физических эффектов: отражения и поглощения теплового излучения, испарительного охлаждения, а также теплоизолирующего эффекта рабочегополотна и воздушной прослойки между ним и расположенным за ним объектом.По принципу действия предлагаемый способ является комбинированным,поскольку в нем совмещены принципы активного и пассивного способов. Реализующее комбинированный способ обеспечения огнестойкости рабочее полотнопредполагается изготавливать из волокнистых термостойких материалов пошвейной технологии в виде слоистой конструкции. Для изготовления наружныхслоев предлагается применять кремнеземную ткань. Внутренний капиллярнопористый слой будет выполняться из нетканых рулонных материалов на основебазальтовых или кремнеземных волокон.

Для упрочнения рабочего полотна,с целью предотвращения его преждевременного разрушения от воздействиямеханических нагрузок, в конструкцию может вводиться легкая стальная сеткаили кварцевая ткань. Данные материалы могут применяться как в качественаружных слоев, так и устанавливаться дополнительно в структуре внутреннегослоя. Предлагаемое рабочее полотно должно эффективно функционироватьв условиях непрерывной (на протяжении всего времени огневого воздействия)подачи охлаждающей жидкости с помощью системы, встроенной в конструкциюпротивопожарной преграды. Из приведенного описания видно, что реализациякомбинированного способа обеспечения огнестойкости представляется весьмасложной и потребует решения целого круга технических и технологическихпроблем и существенных материальных затрат.Проведенный анализ показал, что существующие противопожарныепреграды имеют ряд существенных недостатков, в частности, ограниченныйпредел огнестойкости, требование большого расхода воды, сложность конструкции,28неприемлемо высокая стоимость и др.

При этом важно отметить, что простаямодернизация любого из рассмотренных способов и средств обеспечения теплозащиты не позволяет существенно повысить их эффективность, что требуетпоиска новых технических решений.В связи с изложенным, в настоящей работе, в качестве альтернативногоспособа защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаровГЖ и СПГ, к рассмотрению и разработке предлагаются противопожарныепреграды на основе теплозащитных сетчатых экранов, принцип действия которыхоснован на многократном ослаблении плотности теплового излучения пламени.1.4 Цель и задачи исследованияНа основе рассмотренных в настоящей главе статистических материаловоб опасных инцидентах, произошедших на объектах НГК, анализа требованийнормативных правовых актов и нормативных документов по пожарной безопасности, предъявляемых к разработке противопожарных преград, а также критического анализа существующих конструкций теплозащитных преград, применяемых как в отечественной, так и в мировой практике, поставлена цель работыи сформулированы задачи исследования.Целью работы являлась разработка высокоэффективных противопожарныхпреград на основе теплозащитных сетчатых экранов, принцип действия которыхоснован на многократном ослаблении плотности теплового излучения пламенипожаров проливов ГЖ и СПГ.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:– предложить альтернативный способ защиты людей и оборудованияот воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ на основе применения теплозащитных сетчатых экранов;29– выполнить теоретические исследования механизма теплопереноса, протекающего при взаимодействии потока энергии, излучаемого пожаром, с теплозащитным сетчатым экраном, а также численные оценки коэффициентов поглощениятепловых потоков в режимах «сухой» и «мокрой» сеток экрана;– обосновать наиболее эффективный способ распыления воды в межсеточномпространстве экрана и оптимальную конструкцию форсунки с экспериментальнымопределением ее характеристик, направленных на обеспечение равномерногозаполнения межсеточного пространства экрана каплями распыляемой воды;– экспериментально определить оптимальные параметры теплозащитныхэкранов (материал сеток, диаметр проволоки, размеры ячеек, межсеточное расстояние, расход воды на 1 м2 экрана), обеспечивающих максимальную степень ослабления тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ, а также огнестойкость противопожарной преграды, выполненной на основе применения теплозащитныхсетчатых экранов;– разработать модельный ряд противопожарных преград и теплозащитныхэкранов для защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоковпожаров проливов ГЖ и СПГ.30ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИНЦИПА РАБОТЫПРОТИВОПОЖАРНЫХ ПРЕГРАД НА ОСНОВЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХСЕТЧАТЫХ ЭКРАНОВ2.1 Оценка коэффициента ослабления лучистого теплового потокатеплозащитным экраном без водяного орошенияВ общем виде конструкция предлагаемого в настоящей работе теплозащитного экрана представляет собой две сетки (I и II) из нержавеющей стали, высотакоторых равна l (рисунок 2.1).

Сетки располагаются на расстоянии h друг от другав диапазоне изменения межсеточного расстояния от 0,1 до 0,2 м. В пространствомежду сетчатыми панелями экрана подается вода, распыляемая через форсунку(III), генерируя воздушно-капельную среду со скоростью V. На сетку I падаеттепловой поток с плотностью P0 (Вт/м2).IIIh•••••••••••••••••••••••••P0l••••••••••Рисунок 2.1 – Схематическое изображение•••••••••теплозащитного экрана••••••III ••••Оптические явления и процессы тепло- и массопереноса в такой неоднороднойсистеме носят существенно нелинейный характер и зависят от большого числапараметров. Следует отметить, что энергия горения передается в окружающуюсреду в основном посредством излучения пламенем пожара электромагнитныхволн [81, 82].

При этом, в связи с тем, что температуры горения веществ и материалов не превышают, как правило, 1100–1800 ºС [6, 83–87], в соответствиис оптической теорией излучения [88, 89] подавляющая часть теплового потокапожара приходится на инфракрасную область электромагнитных волн (ИК-спектр),длины волн которых значительно больше длин волн видимого спектра.31В зависимости от величины потока тепла и расхода воды в системе реализуются различные режимы теплозащиты.

Различие в этих режимах связано,прежде всего, с условиями подвода тепла, подвода охлаждающего реагента(в данном случае воздушно-капельной смеси) и теплообмена на первой сетке.Если скорость подачи воды на поверхность сетки меньше скорости ее испарения,то реализуется режим «сухой» сетки. В противном случае часть поступившейна сетку воды сливается по ней, образуя защитный водяной слой – режим«мокрой» сетки. Анализ условий поглощения и отвода тепла теплозащитнымэкраном для различных режимов приведен ниже.Процессы поглощения и рассеяния излучения с плотностью P0 препятствиемв виде «сухой» металлической сетки зависят, прежде всего, от ее геометрическихпараметров, то есть от отношения площади металлических участков к общейплощади сетки (шаг сетки – 680 мкм, просвет – 480 мкм, диаметр 200 мкм).

Дляиспользованных в данном случае сеток этот коэффициент равен 0 = 0,5.Определим коэффициент пропускания такой сетки, который, исходя из геометрической оптики [90, 91], должен был бы быть равен 0,5. Однако необходимоучесть эффекты рассеяния на краях отверстий, которые связаны, прежде всего,с «парадоксом экстинкции», заключающимся в том, что объект, размеры которогопревышают длину волны излучения, поглощает из падающего пучка в два разабольше энергии, чем это следует из геометрической оптики [92]. Иными словами,сечение поглощения такого объекта равно удвоенной площади ее геометрическогосечения.

Кроме этого, из оптической теории следует, что при уменьшении площадиисточника излучения в  раз его интенсивность падает по закону:I ~ I 0 exp(1  β) .(2.1)Таким образом, плотность потока излучения, прошедшего через сетку,составляет:Q1L P0 P0 ,S 8где S – коэффициент ослабления лучистого теплового потока сеткой.(2.2)32Процессы поглощения ИК-излучения металлическими участками сеткиприводят к увеличению ее температуры TS, которую с достаточной точностьюдля инженерных расчетов можно определить из уравнения:mS c pS  TS  4  T1  4 dTS   S  1  P0 FS  ε S σ     FSm ,dτ   S   100   100  (2.3)где mS – масса сетки; срS – удельная теплоемкость материала сетки; S – степеньчерноты материала сетки; Т1 – температура окружающей среды; FSm – площадьметаллических участков сетки; FS – площадь сетки;  = 5,6687 Вт/(м2∙K4) – постоянная Стефана-Больцмана.Нагретая поверхность сетки представляет собой источник вторичноготеплового излучения с плотностью:  TS  4  T1  4  FSmQE  ε S σ .  100   100   FS(2.4)Таким образом, плотность потока излучения, прошедшего через сетку,можно определить по формуле:QSL  Q1L  QE .(2.5)Однако, как видно из уравнения (2.4), плотность потока вторичного излучения зависит как от температуры самой сетки и размеров ячеек сетки, так и от температуры окружающей среды, которые в свою очередь зависят от режимов теплообмена на отдельных элементах конструкции.2.2 Режим «сухой» сетки2.2.1 Теплообмен на первой сеткеТеплообмен наружной поверхности сетки зависит от ее местонахождения.Если теплозащитный экран находится в непосредственной близости к факелупламени пожара, тогда теплообменом наружной поверхности сетки можнопренебречь, так как температура раскаленных частиц факела пламени вышетемпературы сетки.33Далее будем рассматривать именно такую ситуацию, когда теплозащитныйэкран находится в зоне пожара или в непосредственной близости от него, гдетемпература окружающей среды выше, либо равна температуре внешнейповерхности сетки.

Для дальнейшего анализа разделим вклад лучистого и конвективного теплообмена между конструктивными элементами сетки.Для определения количества тепла Q21 прошедшего через сетку I, орошаемую водяными каплями (без создания устойчивой водяной пленки на ее поверхности), и при пренебрежении частью лучистого теплового потока, излучаемогосеткой и поглощаемого парами воды, запишем уравнение теплового балансав следующем виде:Q21  P0 FS  QE  (QК  QН  QНп  Qm ) ,(2.6)где Qm – тепловая мощность, затрачиваемая на нагрев металла сетки I; QК – тепловая мощность, затрачиваемая на кипение воды; QН – тепловая мощность, затрачиваемая на нагревание воды, находящейся изначально при температуре 20 ºС;QНп – тепловая мощность, затрачиваемая на нагревание (перегрев) водяного парадо его текущей температуры.При выходе температуры сетки на постоянное значение уравнение (2.6)с учетом выражения (2.5) преобразуется к виду:Q21  QSL  (QК  QН  QНп ) .(2.7)Перепишем уравнение (2.6) в виде:Q21  P0 FS  QE  G1S H К  c p T100  T20   c pп Tп  T100   mS c pSdTS,dτ(2.8)где G1S – массовый расход воды на сетку I; НК – удельная теплота кипенияводы; ср – удельная теплоемкость воды; срп – удельная теплоемкость водяногопара; Тп – текущая температура водяного пара.При пренебрежении лучистым тепловым потоком, излучаемым сеткойи частично поглощаемым парами воды, изменение температуры сетки, орошаемой водой, найдем из условия, что теплота, переданная нагретой поверхностьюсетки (qS) воде в единицу времени (t) равна теплоте, затраченной на нагреваниеи кипение воды, а также перегрев пара (qB) за этот же промежуток времени:34qS  qBилиTS GS tH K  c p T100  T20   c pп Tп  T100 ,mS c рS(2.9)где TS = TS – T0 – изменение температуры сетки; T0 = 20 ºС – начальная температура сетки; mS – масса сетки; срS – удельная теплоемкость материала сетки.Таким образом, температура сетки I в каждый момент времени равна:TS1  TS  TS ,(2.10)где ТS – определяется из уравнения (2.3).2.2.2 Теплопоглощение паро-воздушно-капельной средойДля анализа процессов лучистого и конвективного теплопереноса через слойпаро-воздушно-капельной среды необходимо с достаточной степенью точностизнать параметры распыления.

Характеристики

Список файлов диссертации