Использование теплозащитных материалов для тепловой защиты несущих конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование теплозащитных материалов для тепловой защиты несущих конструкций

В.А. Дуреев, канд. техн. наук, старший преподаватель УГЗУ

М.Н. Мурин, старший преподаватель УГЗУ

А.А. Савченко, курсант УГЗУ

Постановка проблемы. В настоящее время важной и актуальной научно-технической задачей является обеспечение специальной защиты несущих частей строительных конструкций. Такая задача возникает в тех случаях, когда незащищенная конструкция под действием тепловых потоков, либо после прекращения их действия, неминуемо должна разрушиться. Это требует уточнения конструктивных и расчетных подходов при обеспечении необходимых характеристик пожарной безопасности соответствующих объектов.

Анализ последних достижений и публикаций. В зависимости от конкретных условий, могут быть реализованы различные методы тепловой защиты несущих конструкций, с использованием разрушающихся (активных) и неразрушающихся (пассивных) теплозащитных покрытий (ТЗП) [2]. Большинство ТЗП являются композиционными. Процессы, проходящие в ТЗП при нагреве, связаны с рядом физико-химических превращений отдельных составляющих. Эти процессы и их влияние на механизм поглощения тепла в ТЗП носят сложный характер [2] и требуют отдельного рассмотрения и всестороннего анализа.

Постановка задачи и ее решение. Аналитическое определение теплового состояния покрытий, защищающих элементы несущих конструкций от теплового воздействия при пожаре, позволяет отразить влияние различных факторов, оценить их значимость, выделить главные из них. Это в свою очередь дает возможность решить задачи по определению теплового состояния теплозащиты и несущей стенки, времени безопасного теплового воздействия, необходимой толщины ТЗП. Решение таких задач позволит предотвратить снижение прочностных характеристик несущих элементов и разрушения строительных конструкций во время пожара и после его прекращения.

В ТЗП происходит резкое падение температуры, а в точке контакта несущей стенки и покрытия температурная кривая претерпевает резкий излом. Следовательно, можно принять температуру по толщине несущей (металлической) стенки постоянной, и ее рост практически не лимитируется её теплопроводностью; он определяется условиями подвода тепла через теплозащитное покрытие. Температуры на границе покрытия ТП и металла ТМ равны:

.

где: ф - время теплового воздействия, с.

Тепловые потоки слева и справа от контактной поверхности равны:

,

где: лм, лп - коэффициенты теплопроводности стенки и покрытия, Вт/мК; х - координата, м.

При сделанных допущениях и с учетом того, что для металлической стенки тепловой поток, направленный в окружающую среду, пренебрежимо мал, задача о нахождении температурного поля в двухслойной стенке сводится к интегрированию уравнения теплопроводности [1]:

, (1)

где: - коэффициент температуропроводности покрытия, м2/с.

Определим на участке х = [0,] граничные и начальные условия:

; (2)

; , (3)

где: см - теплоемкость материала стенки, Дж/кгК; см - плотность материала стенки, кг/м3; дм - толщина стенки, м; Т0 - начальная температура, К; б(ф) - коэффициент теплоотдачи, Вт/мК; дп - толщина ТЗП, м.

Наряду с приведенными выше допущениями полагаем постоянство во времени коэффициента теплообмена б(ф) = б и температуры газового потока ТГ(ф)= ТГ [2, 3].

В условиях, когда критерий Фурье Fo ? 0,3, для практических оценок величины относительной безразмерной температуры и защищенной стенки, следует пользоваться формулой:

, (4)

; ;

Bi - критерий Био; М - безразмерная характеристика теплофизических свойств стенки и покрытия.

Формула (4) может использоваться для решения следующих задач [3]:

1) При заданных параметрах газового потока, геометрических и теплофизических характеристиках материала стенки и ТЗП, по формуле (4) рассчитывается температурный режим несущей стенки.

2) При заданной толщине ТЗП и заданной допустимой температурой металлической стенки м доп - определяется время роботы конструкции:

. (5)

3) При заданном времени З работы стенки определяется толщина ТЗП:

. (6)

Оценим влияние тепла, аккумулированного остаточным слоем ТЗП, на тепловое состояние несущей стенки, т.е. определим долю тепла, идущего на прогрев конструкции после прекращения теплового воздействия, рисунок 1. Определим тепло, аккумулированное в остаточном слое ТЗП:

. (7)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Оценка тепла, аккумулированного остаточным слоем ТЗП: М - защищаемая металлическая стенка; ТS - температура поверхности; ТДОП - допустимая температура несущей стенки; ОСТ-толщина остаточного слоя ТЗП

Как следует из рисунка 1, площадь под кривой Т(х) близка к площади треугольника. Тогда:

. (8)

Запишем (7) с учетом (8):

. (9)

Увеличение температуры несущей стенки определим по формуле:

. (10)

В действительности, этот прирост температуры будет еще меньше, вследствие отвода тепла от покрытия в атмосферу (от остаточного слоя после воздействия на ТЗП теплового потока). Кроме того, часть тепла останется в остаточном слое ТЗП вследствие повышения температуры ТДОП.

Формулы (4), (5), (6) позволяют в любой момент времени и в любой точке металлической стенки и ТЗП определить их тепловой режим и оценить влияние всех факторов на тепловое состояние конструкции.

Формула (4) показывает, что уровень нагрева стенки определяется не только величинами Тг, и , а также, в большей степени, зависит от соотношения М теплофизических характеристик материалов ТЗП и металлической стенки.

Формула (5) определяет продолжительность работы несущей конструкции и показывает, что доп зависит от тех же факторов, что tм().

Формула (6) определяет необходимую толщину ТЗП и показывает, что коэффициент теплоотдачи не оказывает существенного влияния на толщину ТЗП. Однако теплофизические характеристики металлической стенки (см, м) и ее толщина м оказывают существенное влияние на необходимую толщину п ТЗП.

Следует отметить, что расчеты по формулам: (4), (5), (6), (10) дают несколько завышенный результат (5 8 %), то есть отклонения идут в запас “прочности”.

Наличие в теплозащитном слое источников тепла не вносит особенностей в решение рассмотренной задачи.

Выводы. Представлены решения задач тепловой защиты элементов несущих конструкций, позволяющие определить температурный режим несущей стенки и защитного покрытия, необходимую толщину ТЗП, время работы конструкции с учетом повышения температуры несущих элементов за счет тепла аккумулированного в слое ТЗП.

Литература

тепловой защита строительный конструкция

1. Лыков А.В. Тепломассообмен. - М.: Энергия, 1972.

2. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. - М.: Энергия, 1976. - 392 с.

3. Приходько И.М. Теплопроводность двухслойной стенки при изменяющихся во времени коэффициенте теплоотдачи и температуре окружающей среды. АН БССР ИФЖ, Т. 18, N 2, Минск, 1970, С. 323-327.

4. Приходько И.М., Винник А.Л., Дуреев В.А. Тепловая защита конструкций // Інтегровані технології та енергозбереження. - Харків: ХДПУ. - 2001. № 4. - С. 70-75.

Размещено на Allbest.ru