СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ПРЕГРАДЫ И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ПРЕГРАДА
METHOD OF FORMING FIRE BARRIER AND FIRE BARRIER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к противопожарной технике и предназначено для локализации пожара в открытых технологических проемах, проемах зданий и сооружений с помощью формирования противопожарной преграды, в которой применяется огнезащитный экран.
Описание уровня техники
Основным элементом конструкции противопожарных преград в виде штор, определяющим их эффективность, является огнезащитный экран. Его основные технические характеристики определяются конструктивным исполнением и режимом работы, а также характеризуются нормированным пределом огнестойкости. Пределом огнестойкости конструкции называется промежуток времени от начала огневого воздействия до наступления одного из ее предельных состояний, которыми являются:
- при потере целостности, образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя;
- при потере теплоизолирующей способности, повышение температуры на необогреваемой поверхности конструкции в любой точке этой поверхности более чем на 180-220°С.
Было предложено большое разнообразие противопожарных конструкций, в которых используется огнезащитный экран.
При этом наиболее близким аналогом настоящего изобретения является техническое решение, известное из патента FR 2212759, в котором раскрывается противопожарное устройство, включающее: по меньшей мере один гибкий капиллярно-пористый огнезащитный экран для жидкости, размещенный в исходном состоянии внутри корпуса, расположенного в области, которая должна быть защищена от огня; средства для опускания огнезащитного экрана при возникновении пожара; пропиточный узел, предусмотренный внутри корпуса для пропитывания огнезащитного экрана охлаждающей жидкостью при его разматывании и опускании вниз, а также для непрерывного пропитывания экрана после его опускания. Пропитывание осуществляется посредством распылителей, выполненных внутри корпуса. В одном из вариантов выполнения указанный пропиточный узел включает в себя размещенную внутри корпуса емкость, выполненную с возможностью накапливания в ней охлаждающей жидкости, стекающей, в результате распыления, с пропитываемого экрана, намотанного на намоточном валу.
В данной конструкции исключены недостатки, характерные для решений, в которых осуществляется орошение необогреваемой поверхности экрана жидкостью, подаваемой от распылителей, расположенных над проемом на некотором расстоянии от плоскости экрана. Поскольку в патенте FR 2212759 распыление осуществляется внутри корпуса, то несколько уменьшается расход воды и исключается необходимость в прокладке труб и распылителей снаружи противопожарной преграды.
Однако данной конструкции присущи, в частности, следующие недостатки:
- хотя распылители находятся вблизи экрана, по-прежнему используется метод распыления и, следовательно, неизбежно образование значительного количества неиспарившейся части воды, оказывающей разрушающее воздействие на строительные конструкции, отделку и обстановку защищаемых помещений;
- кроме того, конструкция пропиточного узла не гарантирует 100% покрытие экрана водой, особенно при его искривлении, вызываемом избыточным давлением в помещении, в котором возникает пожар.
Раскрытие изобретения
Техническими задачами предложенного решения являются задачи, обеспечивающие устранение или по меньшей мере уменьшение влияния указанных проблем известного уровня техники и, в частности: отсутствие вытекающей из экрана неиспарившейся части жидкости; уменьшение расхода воды и снижение требований к напору в водопроводе; сохранение в течение некоторого времени теплоизолирующей способности экрана; а также отсутствие не пропитанных водой участков экрана при его искривлении, вызванном избыточным давлением в помещении пожара.
Поставленные задачи решаются в предлагаемом способе формирования противопожарной преграды, при котором:
при возникновении пожара опускают гибкий огнезащитный экран, выполненный из материала с капиллярной структурой, для перекрывания проема защищаемого перемещения;
осуществляют подачу охлаждающей жидкости в гибкий огнезащитный экран для создания в его капиллярной структуре парокапельновоздушной среды, при этом подачу охлаждающей жидкости осуществляют так, чтобы на начальной стадии охлаждающая жидкость проникала в стенку экрана посредством капиллярных явлений и затем, пройдя вглубь на расстояние, равное высоте капиллярного поднятия жидкости, распространялась вниз экрана посредством явления фильтрации под действием своей силы тяжести; и
после этого осуществляют регулирование расхода охлаждающей жидкости таким образом, чтобы температура в любой точке на необогреваемой поверхности огнезащитного экрана была равна температуре испарения воды.
Регулирование расхода охлаждающей жидкости предпочтительно осуществляют посредством изменения проходного сечения канала подачи жидкости и/или давления в системе подачи жидкости перед указанным каналом подачи жидкости.
Также регулирование расхода охлаждающей жидкости может осуществляться посредством создания капиллярно-пористой среды с заданными параметрами.
2
Для создания капиллярно-пористой среды с заданными параметрами огнестойкий экран предпочтительно выполняют из нетканых материалов на основе стеклянных, базальтовых или кремнеземных волокон, расположенных между слоями из кремнеземной ткани с поверхностной плотностью 150-600 кг/м.
Возможно чередование слоев из различных материалов и/или сочетание в слое различных волокон разного химического состава и/или разного размера.
Регулирование расхода жидкости предпочтительно осуществляется в автоматическом режиме по сигналу датчиков температуры, расположенных в нижней части необогреваемой поверхности огнезащитного экрана.
Температуру в огнезащитном экране предпочтительно поддерживают в диапазоне 100-160°С.
Настоящее изобретение также относится к противопожарной преграде, содержащей:
гибкий огнезащитный экран, выполненный из материала с капиллярно-пористой структурой и размещенный в исходном состоянии внутри корпуса, расположенного в верхней защищенной от огня области защищаемого помещения и имеющего в своей нижней части проход для экрана;
средства для опускания огнезащитного экрана при возникновении пожара;
пропиточный узел, предусмотренный внутри корпуса для пропитывания огнезащитного экрана охлаждающей жидкостью при его разматывании и опускании вниз, а также для непрерывного пропитывания экрана после его опускания, где указанный пропиточный узел включает в себя емкость, размещенную в внутри корпуса над указанным отверстием для прохода экрана и выполненную с возможностью подачи в нее охлаждающей жидкости, причем огнезащитный экран вплотную прилегает к емкости, образуя одну из ее стенок.
Огнезащитный экран может быть размещен в корпусе на намоточном валу или в сложенном состоянии.
Емкость может быть выполнена закрытой сверху или открытой сверху.
Противопожарная преграда предпочтительно содержит средства для регулирования расхода охлаждающей жидкости.
Техническим результатом от реализации предложенного технического решения является:
- отсутствие вытекающей из экрана не испарившейся части жидкости, способной оказывать разрушающее воздействие на строительные конструкции, отделку и обстановку защищаемых помещений;
- уменьшение расхода жидкости и снижение требований к напору в водопроводе в зданиях и сооружениях (в зданиях большого объема с большими проемами нет необходимости в устройстве хранилищ воды и насосных станций);
- отсутствие проникания пара в защищаемое помещение;
- сохранение в течение некоторого времени теплоизолирующей способности при прекращении орошения экрана жидкостью;
- отсутствие не пропитанных водой участков экрана, в частности при его искривлении, вызванном избыточным давлением в помещении пожара.
Краткое описание чертежей
Далее настоящее изобретение будет, только в качестве примера, описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Конструктивная схема противопожарной преграды в первом варианте выполнения;
Фиг.2 - Конструктивная схема противопожарной преграды во втором варианте выполнения;
Фиг.3 - Расчетная схема тепломассопереноса в водосодержащей капиллярно-пористой структуре огнестойкого экрана в режиме непрерывной подачи охлаждающей жидкости.
Варианты осуществления изобретения
Ниже со ссылками на указанные фигуры будет пояснен предложенный способ формирования противопожарной преграды, а также конструкция такой преграды.
На фиг.1 показана конструктивная схема противопожарной преграды в соответствии с первым вариантом выполнении, где ссылочными позициями обозначены: 1 - стена; 2 - корпус; 3 - намоточный вал; 4 - емкость пропиточного узла; 5 - входной штуцер; 6 - огнестойкий экран; 7 - термоуплотнительная лента; 8 - направляющий ролик; 9 - кронштейны.
В исходном положении, в штатном режиме эксплуатации здания, огнезащитный экран 6 хранится на намоточном валу 3, расположенном внутри корпуса 2. В случае возникновения пожара, по сигналу с пожарных извещателей, огнезащитный экран 6 переводится в рабочее положение, формируя, таким образом, противопожарную преграду. Развертывание огнезащитного экрана 6 осуществляется, после снятия электромагнитной блокировки, под действием собственного веса и веса отсекающей шины (не показана).
Предложенный способ предполагает изготовление огнезащитного экрана 6 из капиллярно-пористых материалов и создание в его пористой стенке парокапельновоздушной среды из охлаждающей жидкости. Это позволяет реализовать максимальное число механизмов отвода от экрана тепла, поступающего от обогревающей среды пожара.
Для подачи охлаждающей жидкости в стенку огнезащитного экрана 6 используется способность капиллярно-пористой среды впитывания жидкости под действием капиллярных сил и способности к организации ее течения в порах, описанного в научно-технической литературе как явление фильтрации.
Как показано на фиг.1, огнезащитный экран 6 в исходном состоянии на намоточном валу 3 хранится внутри корпуса 2, который устанавливается над проемом в стенах 1 и перегородках, на перекрытии или иных конструкциях несущего каркаса здания.
В альтернативном варианте конструкции огнезащитный экран 6 может храниться внутри корпуса 2 в сложенном состоянии (не показано) по принципу «гармошки».
При пожаре (в автоматическом режиме по сигналу извещателей или в ручном режиме) производится опускание огнезащитного экрана 6 под действием силы тяжести и формирование, таким образом, противопожарной преграды. Глубина опускания, как правило, равна высоте проема или коридора. В нижней части экрана 6 механически закреплена отсекающая шина (не показана), которая обладает достаточной массой для осуществления быстрого опускания огнезащитного экрана, а также осуществляет его плотное примыкание к полу или нижней части проема.
При повышении температуры необогреваемой поверхности огнезащитного экрана 6 до критического значения в него начинается подаваться охлаждающая жидкость (вода). Критическое значение температуры должно определяться как разность значения, соответствующего потере теплоизолирующей способности, и величины ее изменения в промежутке времени от момента начала подачи жидкости в емкость 4 до момента насыщения жидкостью нижней части экрана 6.
Охлаждающая жидкость подается от водопроводной линии в емкость 4 через штуцер 5, образующие пропиточный узел. Расход подаваемой охлаждающей жидкости определяется величиной проходного сечения в штуцере 5 и давлением в системе перед ним, составляющими в одном варианте средства для регулирования расхода охлаждающей жидкости.
В соответствии с изобретением, экран 6 вплотную прилегает к емкости 4, образуя одну из ее стенок. Дополнительное притягивание экрана 6 к емкости 4 осуществляется посредством направляющего ролика 8, который в данном варианте расположен в верхней части емкости 4. Данное прилегание экрана 6 к емкости 4 является важной отличительной особенностью предложенного решения, обеспечивающей получение указанного технического результата. Вследствие того, что экран 6 находится в постоянном контакте с объемом охлаждающей жидкости, содержащейся в емкости 4, т.е. фактически погружен в нее, на начальной стадии охлаждающая жидкость проникает в экран 6 посредством капиллярных явлений и, достигнув расстояния, равного высоте капиллярного поднятия жидкости, распространяется вниз экрана 6 посредством явления фильтрации под действием собственной силы тяжести.
Следует отметить, что поскольку на начальной стадии подачи охлаждающей жидкости огнезащитный экран 6 прогрет до температуры, превышающей температуру кипения охлаждающей жидкости, то может возникать реактивная сила при испарении охлаждающей жидкости, препятствующая ее прониканию в полотно. В конструкции пропиточного узла данная ситуация учтена следующим образом.
При возникновении препятствия прониканию охлаждающей жидкости в огнезащитный экран 6 будет осуществляться дальнейшее заполнение емкости 4. Полное заполнение емкости 4 охлаждающей жидкостью приведет к росту давления в ней. В результате возникнет сила, раскрывающая нижний стык между экраном 3 и кромкой емкости 4, при этом происходит мгновенный пролив воды на поверхность экрана 6 через образовавшуюся щель и, как следствие, его насыщение за минимальное время.
Для предотвращения распространения пламени из помещения, где возник пожар, в защищаемое помещение, в проходе для экрана 6, выполненном в нижней части корпуса 2, а также в направляющих штангах, в которых организован аналогичный проход, размещается термоуплотнительная лента 7. Термоуплотнительная лента 7 способна расширяться при температуре выше 200°С, заполоняя свободное пространство в проходе для экрана 6. Примечательно, что это происходит при более высокой температуре, чем при начальном насыщении огнезащитного экрана 6 охлаждающей жидкостью. Таким образом, начальное насыщение огнезащитного экрана 6 охлаждающей жидкостью происходит беспрепятственно.
После ликвидации пожара противопожарную преграду возвращают в исходное положение путем наматывания огнезащитного экрана 6 на намоточный вал 3. Вращение вала 3 в этом случае осуществляется с помощью трубчатого мотора.
На фиг.2 показан альтернативный вариант выполнения пропиточного узла. При этом на данной фигуре конструктивные элементы, соответствующие аналогичным элементам первого варианта, обозначены теми же ссылочными позициями.
Согласно данному варианту емкость 4 для охлаждающей жидкости не замкнута, и поэтому на начальной стадии насыщения огнезащитного экрана 6 происходит переполнение емкости 4 и перелив охлаждающей жидкости в нижнюю часть корпуса 2, откуда она попадает на огнезащитный экран 6 через отверстия 10 в зоне прохода для экрана, выполненного в корпусе 2.
Конструктивное выполнение направляющих элементов, представленных направляющими штангами и роликами-фиксаторами, закрепленными на боковых краях противопожарной преграды, а также зоны примыкания огнезащитного экрана 6 к полу или нижней части проема с применением отсекающей шины могут быть выполнены аналогично традиционным конструкциям.
Еще одной важной отличительной особенностью предложенного решения является регулирование расхода охлаждающей жидкости, которое производится путем создания капиллярно-пористой среды с заданными параметрами и/или с помощью средства для регулирования расхода охлаждающей жидкости (не показано), осуществляющего изменение расхода воды при ее подаче в пропиточный узел.
2
Для создания капиллярно-пористой среды применяются нетканые рулонные материалы на основе стеклянных, базальтовых или кремнеземных волокон, расположенные между слоями из кремнеземной ткани с поверхностной плотностью 150-600 кг/м. Слои могут быть скреплены между собой поперечной простежкой. Возможно как чередование слоев из различных материалов, так и сочетание различных волокон в слое. Кроме того, возможно сочетание в слое волокон разного химического состава и разного размера.
Сочетание промежуточных слоев и состава волокон в пределах каждого слоя выбирается по критериям оптимизации расчетным методом, разработанным на основе математической модели тепломассопереноса в стенке огнезащитного экрана, соответствующего условиям работы противопожарной преграды при пожаре. Далее приводятся математическая модель и критерии оптимизации предлагаемого технического решения.
Регулирование расхода подаваемой в пропиточный узел жидкости (это особенно актуально на начальной стадии пожара, когда значительно изменение воздействующей температуры во времени) может осуществляться в автоматическом режиме по сигналу датчиков температуры, расположенных в нижней части необогреваемой поверхности огнезащитного экрана. В этой зоне температура должна поддерживаться в диапазоне 100-160°С. Окрестность приближения должна определяться экспериментально. Понижение температуры до значений менее 100°С является косвенным признаком вытекания охлаждающей жидкости из экрана. Повышение температуры до значений, превышающих 160°С, свидетельствует о локальной потере теплоизолирующей способности. Регулирование расхода охлаждающей жидкости в этом случае осуществляется путем открытия/закрытия заслонки, установленной на входе в штуцер 5 (фиг.1 - 2). Регулирование расхода охлаждающей жидкости осуществляется таким образом, чтобы температура в любой точке на необогреваемой поверхности огнезащитного экрана была равна температуре испарения воды.
Эффективность предлагаемого технического решения обосновывается математическим моделированием процессов тепломассопереноса в водосодержащей стенке огнестойкого экрана при пожаре.
Математическая модель строится с принятием допущений, упрощающих решение уравнений тепломассопереноса, но сохраняющих при этом определяющие физические явления.
При моделировании процессов тепломассопереноса рассматривается двумерная область, ограниченная по поперечной координате ξ поверхностями экрана, а по продольной координате η - основанием и высотой экрана. На фиг.3 приведена расчетная схема тепломассопереноса в водосодержащей капиллярно-пористой стенке огнестойкого экрана в режиме непрерывной подачи охлаждающей жидкости, на которой обозначены: I - зона сухого материала; II -фронт испарения; III - зона водосодержащего материала.
w
d
w
v
f
f
f
a
а
a
d
Кроме того, на фиг.3 использованы следующие обозначения: q - плотность теплового потока, поглощенного обогреваемой поверхностью экрана;  - массовая скорость испарения охлаждающей жидкости; ξ - координата фронта испарения; T - температура обогреваемой поверхности; Т - температура испарения; T - температура пламени; α - коэффициент конвективной теплоотдачи от продуктов горения к омываемой ими поверхности экрана; ε - излучательная способность пламени;  - массовая скорость течения охлаждающей жидкости; η - координата границы зоны с адсорбционной жидкостью; т - время достижения границы зоны с адсорбционной жидкостью координаты η; w - массовое содержание охлаждающей жидкости; δ - толщина экрана; Δη - размер элементарного слоя по координате η; Δξ - уменьшение проходного сечения для потока охлаждающей жидкости по толщине слоя Δη.
Огнестойкий экран подвергается одностороннему огневому воздействию, которое характеризуется наличием непосредственного контакта пламени с обогреваемой поверхностью.
Охлаждающая жидкость подается в верхнюю часть стенки экрана с массовой скоростью  и стекает вниз по порам под действием силы тяжести. Одновременно происходит испарение жидкости, сопровождающееся массопереносом пара в капиллярно-пористой среде стенки в направлении к обогреваемой поверхности. В результате этого образуются две характерные зоны: сухого и водосодержащего материала, на границе которых происходит испарение жидкости. Водосодержащий материал характеризуется массовым содержанием жидкости w.
Протекающие в огнестойком экране физические процессы описываются уравнениями теплопереноса и баланса массы. Результатом их совместного решения является распределение толщины сухого слоя по высоте экрана для равновесного состояния процесса. В данном состоянии израсходованная на испарение жидкость компенсируется ее притоком извне, а распределение толщины сухого слоя по высоте экрана стационарно.
Массоперенос охлаждающей жидкости в стенке огнестойкого экрана является результатом протекания двух основных процессов: фильтрации под действием силы тяжести и капиллярного поднятия, обусловленного явлением смачивания и силой поверхностного натяжения жидкости. В рамках разработанной математической модели он описывается выражением для массовой скорости жидкости, полученным на основе формулы Дарси и выражения для определения высоты капиллярного поднятия жидкости в виде:
p
W
k
0
где  - массовый расход жидкости; k - коэффициент проницаемости, µ - динамическая вязкость жидкости, ρ - плотность жидкости; h - высота капиллярного поднятия жидкости; ρ - плотность сухого материала стенки экрана; Н - высота экрана.
Управляемым параметром, влияющим на расход жидкости, является коэффициент проницаемости.
Следует отметить, что коэффициент проницаемости является комплексным показателем, зависящим от химической природы материала и его макроструктуры. Данный показатель целесообразно определять экспериментально для каждого конкретного материала.
Согласно гипотезе Козени-Кармана, коэффициент проницаемости определяется параметрами капиллярно-пористой структуры материалов стенки экрана в соответствии с выражением вида:
f
где S - удельная поверхность волокон; k- структурный фактор.
Таким образом, для получения необходимого расхода текущей внутри экрана жидкости основными варьируемыми параметрами могут являться: пористость материала экрана, диаметр волокон, а также вязкость подаваемой в экран жидкости.
При диапазоне диаметров волокон, образующих применяющиеся в структуре стенки экрана материалы, составляющем 1-15 мкм, коэффициент проницаемости может варьироваться в достаточно широких пределах.
Распределение толщины сухого слоя по высоте экрана оптимально, когда вся жидкость, подаваемая в его стенку, расходуется на испарение и не вытекает в окружающее пространство из нижней части экрана. При этом температура в любой точке, расположенной на необогреваемой поверхности экрана, должна быть равна температуре испарения воды, то есть 100°С. Это обеспечивается выполнением условия равенства толщины сухого слоя в крайнем нижнем значении ординаты толщины экрана.
2
Проведенные в рамках разработанной математической модели расчеты показывают также существенное снижение расхода подаваемой в экран жидкости по сравнению с известными конструкциями противопожарных преград. Минимальные значения могут составлять около 0,005 л/м.
Описанные выше варианты выполнения противопожарной преграды следует рассматривать только в качестве примерных вариантов. Возможны также различные модификации описанных выше вариантов конструкции, которые также будут очевидны специалистам в данной области техники. Предполагается, что такие варианты выполнения не должны ограничивать предложенное решение, объем которого определяется нижеследующей формулой изобретения.