Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков на защищаемые объекты

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, элементов инженерных коммуникаций, резервуаров хранения горючих газов и жидкостей, трубопроводов с арматурой. Способ заключается в формировании покрывающей защищаемый объект слоистой композиционной огнезащиты, при котором определяют ее оптимальный состав и структуру за счет моделирования процессов тепломассопереноса в огнезащитной конструкции и защищаемом объекте. При этом учитывают влияние нагрева и термического разложения на теплофизические характеристики материала, влагопереноса и сопровождающих его тепловых эффектов испарения-конденсации влаги в системе: композиционная огнезащита-защищаемый объект, а также лучистого и конвективного переноса теплоты через слои системы: композиционная огнезащита-защищаемый объект. Для расчета каждого слоя используют универсальное уравнение сохранения энергии или нестационарной теплопроводности. Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является получение оптимальной по толщине, массе и стоимости композиционной огнезащиты за счет учета сочетания различных физических эффектов, позволяющих блокировать лучисто-конвективный тепловой поток, поступающий от пламени к поверхности защищаемого объекта, и таким образом увеличение времени противодействия проникновению пожаров и повышение надежности в эксплуатации при экономном использовании средств. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к огнезащитным противопожарным средствам и может быть использовано для повышения до заданного уровня пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций, элементов инженерных коммуникаций, резервуаров хранения горючих газов и жидкостей, трубопроводов с арматурой.

К огнезащитным конструкциям предъявляются повышенные требования по обеспечению длительности противопожарной защиты и рабочим характеристикам при высоких температурах в течение определенного времени, необходимого для принятия мер активного противодействия распространению пожара и его ликвидации.

Известны способы огнезащиты с помощью различных покрытий (например, вспучивающихся и разлагающихся при нагреве с выделением пара), экранов и чехлов.

Известен способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков, заключающийся в формировании огнезащитной конструкции в виде огнестойкого экрана (патент RU №2182024, МПК 7 А 62 С 2/08, 2002).

Наиболее близким аналогом является способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков по патенту RU №2229910, МПК 7 А 62 С 2/10, 10.06.2004.

Указанные способы огнезащиты не предусматривают использование адекватного натуре математического моделирования процессов тепломассопереноса, происходящих в огнезащите и защищаемом объекте при огневом воздействии различной интенсивности и продолжительности. Это не позволяет проводить количественную оптимизацию состава и структуры огнезащиты (по толщине, массе и стоимости) с учетом характера и температурного режима огневого воздействия, а также теплофизических свойств защищаемого объекта (массы, теплопроводности, теплоемкости и т.п.).

Основной задачей предложенного изобретения является получение оптимальной по толщине, массе и стоимости композиционной огнезащиты за счет учета рационального сочетания различных физических эффектов, позволяющих блокировать лучисто-конвективный тепловой поток, поступающий от пламени к поверхности защищаемого объекта.

Поставленная задача решается в предложенном способе ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков на защищаемые объекты, заключающемся в формировании покрывающей защищаемый объект слоистой композиционной огнезащиты, при котором определяют ее оптимальный состав и структуру за счет моделирования процессов тепломассопереноса в композиционной огнезащите и защищаемом объекте, с учетом влияния нагрева и термического разложения на теплофизические характеристики материала, влагопереноса и сопровождающих его тепловых эффектов испарения-конденсации влаги в системе: композиционная огнезащита-защищаемый объект, а также лучистого и конвективного переноса теплоты через слои системы: композиционная огнезащита-защищаемый объект, при этом для расчета каждого слоя используют универсальное уравнение сохранения энергии или нестационарной теплопроводности, которое в системе координат 0X имеет вид

где: ϕ - пористость; ρ - плотность;

λ_Σ - эффективная теплопроводность капиллярно-пористого материала;

с, с_p - теплоемкость; Т - температура; t - время;

- проекция массовой скорости движения пара внутри пор на ось Х;

х - поперечная координата;

индексы: ′ - каркас пористого материала; ′′ - среда, заполняющая поры;

где: v_x - линейная скорость выгорания пенококса вспучивающегося покрытия; t_* - время начала выгорания пенококса; e_V - относительная деформация вспучивания; ρ_о - исходное значение объемной плотности сухого материала композиционной огнезащиты; μ_н - массовая доля конденсированного остатка в продуктах полного термического разложения; χ - степень завершенности процесса термического разложения или дегидратации; - плотность потока газа при испарении; K_D - коэффициент диффузии пара в проницаемой пористой среде; p_s - давление насыщения; Q_Σ - суммарный тепловой эффект процесса термического разложения или дегидратации; r - тепловой эффект фазового превращения вода - пар; - объемная скорость выделения массы в пористой среде при конденсации пара; x₀ - координата линии растекания пара; индексы: w - обогреваемая поверхность вспучивающегося покрытия; s - фронт испарения; в - граница между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала; с - конденсация, зона конденсации; гр - граница между слоями из различных материалов, между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой; нп - начало пластичности вспучивающегося покрытия;

при этом указанное уравнение нестационарной теплопроводности решается при следующих краевых условиях:

начальное условие

T(x, 0)=T₀= const.;

условие на обогреваемой поверхности

условие на фронте испарения

условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период конденсации пара

условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период испарения сконденсировавшейся жидкости, после достижения фронтом испарения этой границы

условие на границах между слоями из различных материалов и на границе между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой

условие на необогреваемой поверхности

или

где: α_f - коэффициент конвективной теплоотдачи от газовой среды к обогреваемой поверхности композиционной огнезащиты; η - коэффициент вдува, η = 0,5 для ламинарного пограничного слоя, η = 0,2 для турбулентного пограничного слоя; - массовая скорость газа (пара) на выходе из наружного слоя огнезащиты; Т_f, T₀ - температуры газовой среды и наружной (обогреваемой) поверхности композиционной огнезащиты; А_f - коэффициент лучистого теплообмена между газовой средой и обогреваемой поверхностью композиционной огнезащиты; σ - постоянная Стефана-Больцмана; w, w_max - текущее и максимальное значение массовой доли конденсата в пористом материале; - плотность потока газа при конденсации; λ_м - теплопроводность материала защищаемой стенки; α_e - коэффициент конвективного теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающей средой; А_e - коэффициент лучистого теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающими поверхностями, с учетом соответствующих угловых коэффициентов излучения; Т_х, Т_е - температура необогреваемой поверхности и окружающей среды; индексы: ′ - каркас пористого материала; ′′ - среда, заполняющая поры; w - обогреваемая поверхность вспучивающегося покрытия; s - фронт испарения; в - граница между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала; с - конденсация, зона конденсации; гр - граница между слоями из различных материалов, между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой.

В случае присутствия воздушной прослойки для расчета ее слоя используют уравнение сохранения энергии или нестационарной теплопроводности, имеющее в системе координат 0X следующий вид:

где: λ_э - эквивалентная теплопроводность воздушной прослойки, учитывающая естественную конвекцию;

при этом указанное уравнение нестационарной теплопроводности решается при следующих краевых условиях:

условие на границе слоя воздушной прослойки, обращенной к огневому воздействию

условие на границе слоя воздушной прослойки, обращенной к защищаемому покрытию

где: x_w - координата границы слоя воздушной прослойки, обращенной к защищаемому покрытию; q_i - плотность результирующего потока излучения на поверхностях, ограждающих прослойку.

Композиционную огнезащиту предпочтительно выполняют из следующей последовательности слоев:

- защитно-декоративный термостойкий слой;

- воздушная прослойка;

- вспучивающийся или терморасширяющийся слой;

- водосодержащий слой;

- капиллярно-пористый теплостойкий слой;

- капиллярно-пористый теплоизолирующий слой.

Техническим результатом, получаемым от использования изобретения, является увеличение времени противодействия проникновению пожаров и повышение надежности в эксплуатации при экономном использовании средств.

Поставленная задача решена и технический результат достигнут за счет определения рационального состава и структуры огнезащиты каждого конкретного объекта на основе адекватного натуре математического моделирования процессов тепломассопереноса в огнезащите и защищаемом объекте, позволяющего учитывать различные физические эффекты во всей их совокупности. При этом было получено универсальное решение для различных типов слоев композиционной огнезащиты.

Сущность изобретения иллюстрируется с помощью чертежа, на котором представлена обобщенная расчетная схема оболочки (стенки) с композиционной огнезащитой.

Принцип действия композиционной огнезащиты основан на блокировании лучисто-конвективного теплового потока, поступающего от пламени к поверхности объекта, с помощью таких физических эффектов, как:

- отражение и поглощение теплового излучения;

- теплоизоляция поверхности защищаемого объекта;

- поглощение теплоты при термическом разложении (дегидратации) материала огнезащиты;

- поглощение теплоты при фильтрации пара в капиллярно-пористом материале огнезащиты;

- поглощение теплоты при вспучивании прогретого слоя огнезащиты и теплоизоляция поверхности защищаемого объекта вспученным слоем.

Очевидно, что получить оптимальную по толщине массе и стоимости огнезащиту можно только при максимальной реализации и рациональном сочетании перечисленных физических эффектов. Это достигается соответствующим выбором состава и структуры огнезащиты.

Предлагаемый способ основан на использовании для определения рационального состава и структуры композиционной огнезащиты для каждого конкретного объекта адекватного натуре математического моделирования процессов тепломассопереноса в огнезащите и защищаемом объекте, позволяющего учитывать перечисленные физические эффекты во всей их совокупности.

Стенка с композиционной огнезащитой обогревается снаружи равномерно газовой средой с переменной во времени температурой T_f(t). От газовой среды к обогреваемой поверхности стенки поступают конвективный q_к и лучистый q_R тепловые потоки. При этом ее противоположная поверхность обменивается теплотой с внутренней газовой средой, имеющей температуру T_e. Композиционная огнезащита имеет в общем случае следующие функциональные слои:

- защитно-декоративный термостойкий слой 1 толщиной δ₁;

- воздушная прослойка 2 исходной толщиной δ₂;

- вспучивающийся (терморасширяющийся) слой 3 толщиной δ₃;

- водосодержащий слой 4 толщиной δ₄;

- капиллярно-пористый теплостойкий слой 5 толщиной δ₅;

- капиллярно-пористый теплоизолирующий слой 6 толщиной δ₆;

- часть капиллярно-пористого теплоизолирующего слоя 7 толщиной δ₇, заполненная сконденсировавшейся влагой.

Защищаемая оболочка или стенка 8 имеет толщину δ₈.

Защитно-декоративный слой 1 имеет следующие функции:

а) защиты других слоев от атмосферных осадков (проникновения воды);

б) отражения солнечной радиации, теплового излучения пламени и переизлучение тепловой энергии в окружающее пространство;

в) придания конструкции надлежащего внешнего вида;

г) защиты вспучивающегося слоя 2, толщина и пористость которого увеличиваются при тепловом воздействии на его поверхность, от эрозионного разрушения под действием ветра, конвективных потоков или турбулентных вихрей, возникающих в пламени.

Вспучивающийся (терморасширяющийся) слой 3 замедляет прогрев защитного пакета за счет перемещения нагретых слоев "навстречу" внешнему тепловому потоку и усиления теплоизолирующего эффекта вспучивающегося слоя при увеличении пористости его материала.

При нагреве каркаса пористого водосодержащего слоя 4 происходит его дегидратация (в первый период прогрева защитного пакета), сопровождающаяся поглощением значительного количества теплоты. Образующийся при этом пар растекается в двух направлениях: налево от линии растекания с переменной во времени координатой x₀(t) в сторону обогреваемой поверхности под действием избыточного общего давления и в противоположную сторону под действием градиента давления насыщенного пара, конденсирующегося в "холодной" зоне защитного пакета на стенках пор или волокон, а также на поверхности защищаемой оболочки 8. В результате на поверхности защищаемой оболочки образуется слой насыщенного водой материала 7, толщина которого со временем увеличивается.

Капиллярно-пористые теплостойкий слой 5 и теплоизолирующий слой 6 замедляют прогрев защитного пакета за счет низкой теплопроводности. Кроме того, во второй период прогрева, когда дегидратация слоя 4 завершилась, теплота дополнительно поглощается за счет фильтрации пара, образующегося при испарении конденсата со стенок пор и с поверхности насыщенного водой слоя 7.

В следующий (третий) период прогрева защитного пакета все его слои "работают" по принципу пористой или волокнистой тепловой изоляции. Причем материал их каркаса (волокон) подбирается из условия сохранения термостойкости в соответствующей температурной зоне.

Третий период прогрева защитного пакета завершается либо при достижении температурой защищаемой поверхности стенки 8 критического уровня, либо при выходе процесса прогрева рассматриваемой многослойной конструкции на стационарный температурный режим, когда температура на защищаемой поверхности стабилизируется.

Таким образом, при расчетах необходимо учитывать влияние нагрева и термического разложения на теплофизические характеристики материала, влагопереноса и сопровождающих его тепловых эффектов испарения-конденсации влаги в системе: огнезащитная конструкция-защищаемый объект, а также лучистого и конвективного переноса теплоты через слои системы: огнезащитная конструкция-защищаемый объект. Необходимо отметить, что в конкретных частных случаях состав композиционной огнезащиты может отличаться от рассматриваемого общего случая. Соответственно этому упрощается и математическое описание тепломассообменных процессов, происходящих при ее работе.

Применительно к рассмотренной расчетной схеме универсальное уравнение сохранения энергии (нестационарной теплопроводности) в системе координат 0X имеет вид:

а) для воздушной прослойки (слоя 2)

б) для остальных слоев расчетной области

Уравнение нестационарной теплопроводности решается при следующих краевых условиях.

Начальное условие

T(x, 0)=T₀=const.

Условие на обогреваемой поверхности

Условие на левой границе слоя 2

Условие на правой границе слоя 2

Условие на фронте испарения

Условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период конденсации пара

Условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период испарения сконденсировавшейся жидкости (после достижения фронтом испарения этой границы)

Условие на границах между слоями из различных материалов и на границе между огнезащитой и защищаемой стенкой

Условие на необогреваемой поверхности

или

где: ϕ - пористость; ρ - плотность; ρ_о - исходное значение объемной плотности сухого материала огнезащиты; с, с_p - теплоемкость; Т - температура; t - время; х- поперечная координата; x_w - координата границы слоя воздушной прослойки, обращенной к вспучивающемуся покрытию; λ_м -теплопроводность материала; λ_э - эквивалентная теплопроводность воздушной прослойки, учитывающая естественную конвекцию; λ_Σ - эффективная (суммарная) теплопроводность капиллярно-пористого материала; q_i - плотность результирующего потока излучения на поверхностях, ограждающих прослойку; - проекция массовой скорости движения пара внутри пор на ось х; v_x - линейная скорость выгорания пенококса вспучивающегося покрытия; t_* - время начала выгорания пенококса; e_V - относительная деформация вспучивания; χ - степень завершенности процесса термического разложения или дегидратации; Q_Σ - суммарный тепловой эффект процесса термического разложения или дегидратации; r - тепловой эффект фазового превращения вода - пар; - объемная скорость выделения массы в пористой среде при конденсации пара; w - текущее значение массовой доли конденсата в пористом материале; K_D - коэффициент диффузии пара в пористом проницаемом материале; p_s - давление насыщения; μ_н - массовая доля конденсированного остатка в продуктах полного термического разложения; σ - постоянная Стефана-Больцмана; α_f - коэффициент конвективной теплоотдачи от газовой среды к обогреваемой поверхности огнезащиты; Т_f, T₀ - температуры газовой среды и поверхности огнезащиты; А_f - коэффициент лучистого теплообмена между газовой средой и обогреваемой поверхностью огнезащиты; - массовая скорость газа (пара) на выходе из наружного слоя огнезащиты; α_e - коэффициент конвективного теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающей средой (воздухом); А_e - коэффициент лучистого теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающими поверхностями (с учетом соответствующих угловых коэффициентов излучения); Т_х, Т_е - температура необогреваемой поверхности и окружающей среды; η - коэффициент вдува (η = 0,5 для ламинарного пограничного слоя, η = 0,2 для турбулентного пограничного слоя); индексы: ′ - каркас пористого материала; ′′ - среда, заполняющая поры; w - обогреваемая поверхность вспучивающегося покрытия; s - фронт испарения; в - граница между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала; с - конденсация, зона конденсации; гр - граница между слоями из различных материалов, между огнезащитой и защищаемой стенкой; нп - начало пластичности вспучивающегося покрытия.

Выражение для определения координаты линии растекания пара (одна часть выделяющегося в зоне дегидратации пара движется налево от линии растекания (см. чертеж) к выходу из покрытия, а другая - направо, в зону конденсации), полученное из соответствующего условия баланса массы, имеет вид

где х₀ - координата линии растекания пара, на которой массовая скорость его движения равна нулю.

Уравнение сохранения массы при конденсации пара внутри пористого проницаемого материала имеет вид

Данное дифференциальное уравнение должно решаться при начальном условии:

где w₀ - массовая доля адсорбционной влаги в исходном материале.

Входящая в правую часть этого уравнения объемная скорость выделения массы при конденсации определяется из соотношений

С целью учета влияние заполнения пор конденсатом на коэффициент переноса пара в соответствии с известной книгой А.В. Лыкова "Тепломассоперенос" формула для коэффициента переноса пара в пористом материале при температурах ниже Т_s (в зоне конденсации) может быть представлена в виде

Параметр k_D по своему физическому смыслу является константой материала и может быть использован в качестве параметра согласования математической модели с экспериментом.

Решение записанной выше системы дифференциальных уравнений в частных производных получено методом конечных разностей по неявной четырехточечной схеме. Разностные аналоги дифференциальных уравнений с соответствующими краевыми условиями решались методом прогонки. На каждом шаге по времени реализовывался итерационный процесс, позволяющий определять значения параметров, зависящих от искомой температуры.

Для проведения численных расчетов по разработанному алгоритму создан программный комплекс применительно к современным персональным компьютерам.

При заданном температурном режиме огневого воздействия на подлежащий огнезащите объект и известных геометрических и теплофизических характеристиках объекта оптимизация состава и структуры его композиционной огнезащиты производится путем параметрических расчетов с использованием созданного программного комплекса. В ходе расчетов изменяются соотношения между толщинами слоев, входящих в состав выбранного варианта композиционной огнезащиты. В качестве условия для определения требуемой суммарной толщины композиционной огнезащиты (при каждом промежуточном соотношении толщин слоев) используется условие равенства температуры защищаемой поверхности критическому значению в конце промежутка времени, равного нормативному пределу огнестойкости защищаемого объекта.

Характерными примерами практического применения предложенного способа композиционной огнезащиты могут служить разработанная авторами конструктивная композиционная огнезащита:

- несущих строительных конструкций подземного торгового комплекса "Охотный ряд" на Манежной площади;

- железобетонной обделки третьего транспортного кольца Москвы и транспортных тоннелей в составе участка Краснопресненского проспекта от МКАД до Проспекта маршала Жукова;

- действующих нефтяных скважин;

- резервуаров для хранения сжиженных углеводородных газов.

Основные положения предлагаемого математического описания процессов тепломассопереноса в композиционной огнезащите и защищаемом объекте, а также формулы для параметров, входящих в записанные уравнения и краевые условия к ним, приведены и обоснованы в следующих основных публикациях.

Источники информации

1. Страхов В.Л., Леонова С.И., Гаращенко А.Н. Некоторые результаты определения температурной зависимости теплофизических характеристик композиционных полимерных материалов // Инженерно-физический журнал. 1977. Т.33. № 6. - С.1047-1051.

2. Страхов В.Л., Чубаков Н.Г. Расчет температурных полей во вспучивающихся материалах // Инженерно-физический журнал. 1983.Т.45. №3. - С.472.

3. Страхов В.Л., Чубаков Н.Г. Расчет нестационарного прогрева и уноса массы вспучивающихся покрытий в горячих газовых потоках //Инженерно-физический журнал. 1988. Т.55. №4. - С.392.

4. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Расчет нестационарного прогрева многослойных огнезащитных конструкций // Вопр. оборон. техники. Сер.15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. - 1994. - Вып.1 (109) - 2 (110). - С.30 - 36.

5. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Комплексное моделирование пожара и огнезащиты // Теплообмен при химических превращениях: Труды Первой Рос. нац. конф. по тепломассообмену. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - С. 212 - 217.

6. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты // Пожаровзрывобезопасность. № 3. 1997. - С. 21 - 30.

7. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование сложного поведения тепло- и огнезащиты / В сб. межд. конф. по внутрикамерн. процес. "Пробл. конверсии и экологии энерг. Мат-в" - ИПМ УрО РАН, Ижевск, 1997.

8. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Крутов А.М. Комбинированная огнезащита // Еврострой. 1998. №2. - С.24-25.

9. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы огнезащиты, содержащей в своем составе воду // Пожаровзрывобезопасность. 1998. №2.

10. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Озеров Н.В., Рудзинский В.П. Использование математического моделирования при проектировании противопожарных судовых конструкций / В сб. Морского Регистра Судоходства, Вып.20, ч.2, 1998.

11. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Каледин Вл.О., Рудзинский В.П. Моделирование работы тепло- и огнезащиты с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации, неодномерного тепломассопереноса и вспучивания / В сб. Свободная конвекция. Тепломассообмен при хим. превращениях. Труды 2-ой Рос. Национальной конференции по теплообмену. Т.3. М.: Изд-во МЭИ, 1998.

12. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Моделирование работы теплозащиты с учетом взаимосвязи физико-химических превращений со структурой и свойствами ее материала // Вопросы оборонной техники. Сер.15, Вып.1 (118). - 1998.

13. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование процесса работы теплоогнезащиты из водосодержащих материалов // Вопросы оборонной техники. Сер.15. Вып.2 (119). - 1998.

14. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Крутов А.М., Рудзинский В.П., Голованов В.И., Кривошапкин И.С. Разработка композиционной огнезащиты повышенной эффективности из термостойких базальтоволокнистых материалов и водосодержащих составов // Пожаровзрывобезопасность, №2, 1999.

15. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П., Кузнецов Г.В. Разработка, численная реализация и апробирование математических моделей работы теплоогнезащиты с учетом процессов термического разложения, испарения-конденсации и вспучивания-усадки // Вопросы оборонной техники, Сер. 15, Вып.1(122), 1999.

1. Способ ослабления воздействия потока энергии в виде света, тепла и конвективных газовых потоков на защищаемые объекты, заключающийся в формировании покрывающей защищаемый объект слоистой композиционной огнезащиты, при котором определяют ее оптимальный состав и структуру за счет моделирования процессов тепломассопереноса в композиционной огнезащите и защищаемом объекте, с учетом влияния нагрева и термического разложения на теплофизические характеристики материала, влагопереноса и сопровождающих его тепловых эффектов испарения-конденсации влаги в системе: композиционная огнезащита-защищаемый объект, а также лучистого и конвективного переноса теплоты через слои системы: композиционная огнезащита-защищаемый объект, при этом для расчета каждого слоя используют универсальное уравнение сохранения энергии или нестационарной теплопроводности, которое в системе координат 0X имеет вид

,

где ϕ - пористость;

ρ - плотность;

λ_Σ - эффективная теплопроводность капиллярно-пористого материала;

с, с_p - теплоемкость;

Т - температура;

t - время;

- проекция массовой скорости движения пара внутри пор на ось Х;

х - поперечная координата;

индексы: ′ - каркас пористого материала;

′′ - среда, заполняющая поры;

t > 0; ; ;

при,

где v_x - линейная скорость выгорания пенококса вспучивающегося покрытия; t_* - время начала выгорания пенококса; e_V - относительная деформация вспучивания; ρ_о - исходное значение объемной плотности сухого материала композиционной огнезащиты; μ_н - массовая доля конденсированного остатка в продуктах полного термического разложения;χ - степень завершенности процесса термического разложения или дегидратации; - плотность потока газа при испарении; K_D - коэффициент диффузии пара в проницаемой пористой среде; p_s - давление насыщения; Q_Σ - суммарный тепловой эффект процесса термического разложения или дегидратации; r - тепловой эффект фазового превращения вода - пар; - объемная скорость выделения массы в пористой среде при конденсации пара; x₀ - координата линии растекания пара;индексы: w - обогреваемая поверхность вспучивающегося покрытия; s - фронт испарения; в - граница между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала; с - конденсация, зона конденсации; гр - граница между слоями из различных материалов, между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой; нп - начало пластичности вспучивающегося покрытия;

при этом указанное уравнение нестационарной теплопроводности решается при следующих краевых условиях:

начальное условие:

T (x, 0) = T₀ = const.;

условие на обогреваемой поверхности:

;

условие на фронте испарения:

;

;

условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период конденсации пара:

;

;

условие на границе между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала в период испарения сконденсировавшейся жидкости, после достижения фронтом испарения этой границы:

;

;

условие на границах между слоями из различных материалов и на границе между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой:

;

условие на необогреваемой поверхности:

или ,

где α_f - коэффициент конвективной теплоотдачи от газовой среды к обогреваемой поверхности композиционной огнезащиты; η - коэффициент вдува, η = 0,5 для ламинарного пограничного слоя, η = 0,2 для турбулентного пограничного слоя; - массовая скорость газа (пара) на выходе из наружного слоя огнезащиты; Т_f , T₀ - температуры газовой среды и наружной (обогреваемой) поверхности композиционной огнезащиты; А_f - коэффициент лучистого теплообмена между газовой средой и обогреваемой поверхностью композиционной огнезащиты; σ - постоянная Стефана-Больцмана; w, w_max - текущее и максимальное значение массовой доли конденсата в пористом материале; - плотность потока газа при конденсации; λ_м - теплопроводность материала защищаемой стенки; α_e - коэффициент конвективного теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающей средой; А_e- коэффициент лучистого теплообмена между необогреваемой поверхностью стенки и окружающими поверхностями, с учетом соответствующих угловых коэффициентов излучения; Т_х, Т_е - температура необогреваемой поверхности и окружающей среды; индексы: ′ - каркас пористого материала; ′′ - среда, заполняющая поры; w - обогреваемая поверхность вспучивающегося покрытия; s - фронт испарения; в - граница между зоной конденсации и зоной насыщенного водой материала; с - конденсация, зона конденсации; гр - граница между слоями из различных материалов, между композиционной огнезащитой и защищаемой стенкой.

2. Способ по п.1, в котором в случае присутствия воздушной прослойки для расчета ее слоя используют уравнение сохранения энергии или нестационарной теплопроводности, имеющее в системе координат 0X следующий вид:

;

где λ_э - эквивалентная теплопроводность воздушной прослойки, учитывающая естественную конвекцию;

при этом указанное уравнение нестационарной теплопроводности решается при следующих краевых условиях:

условие на границе слоя воздушной прослойки, обращенной к огневому воздействию:

;

условие на границе слоя воздушной прослойки, обращенной к вспучивающемуся покрытию:

,

где x_w - координата границы слоя воздушной прослойки, обращенной к вспучивающемуся покрытию; q_i - плотность результирующего потока излучения на поверхностях, ограждающих прослойку.

3. Способ по п.2, в котором композиционную огнезащиту выполняют из следующей последовательности слоев:

защитно-декоративный термостойкий слой;

воздушная прослойка;

вспучивающийся или терморасширяющийся слой;

водосодержащий слой;

капиллярно-пористый теплостойкий слой;

капиллярно-пористый теплоизолирующий слой.