防火門背火面溫升預(yù)測模型研究

防火門背火面溫升預(yù)測模型研究

結(jié)構(gòu)組件的抗火災(zāi)性能評估方法主要指對不同相關(guān)設(shè)計消防標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的建筑組件的燃燒性能和火災(zāi)極限數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，并根據(jù)組件的實際情況設(shè)計和進(jìn)行抗火災(zāi)性能試驗。耐火性能試驗是一種以標(biāo)準(zhǔn)升溫方式確定構(gòu)件耐火性能的方法,是目前最為可靠的方法。目前,國際也針對不同火災(zāi)場景采用了一些附加的測試方法,如緩慢升溫方法、室外火災(zāi)升溫方法以及火災(zāi)荷載較高的高碳火災(zāi)升溫方式。這些方法可以結(jié)合性能化評估的結(jié)果,對不同火災(zāi)場景下的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的升溫條件下的耐火性能判斷。但是,耐火性能試驗一般規(guī)模較大,需要人力物力較多,如果在試驗前對耐火性能有一個初步的評價結(jié)果,對于檢測機(jī)構(gòu)和送檢單位來說,都會大大提高試驗檢測效率。筆者根據(jù)傳熱學(xué)理論,在標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線條件下,以某防火門為例,建立了一個防火門背火面溫升簡化預(yù)測模型,并與實際測試結(jié)果進(jìn)行對比。1外對流傳熱系數(shù)h0在模型建立過程中進(jìn)行一定的假設(shè),條件如下:(1)防火門為一維導(dǎo)熱;(2)爐內(nèi)對流和輻射傳熱系數(shù)hr和爐外對流傳熱系數(shù)h0近似等于25W/(m2·K);(3)無內(nèi)熱源;(4)防火門內(nèi)相同材質(zhì)是均質(zhì)的;(5)防火門背火面與環(huán)境之間的輻射換熱是小表面與無限大腔體之間的換熱問題,可忽略;(6)較厚材料由于在升溫過程中需要一定的導(dǎo)熱過程,所以導(dǎo)熱系數(shù)通過積分求平均獲得;而較薄材料由于導(dǎo)熱較快,導(dǎo)熱系數(shù)采用瞬態(tài)值獲得。1.1物理模型耐火爐中的防火門受火模型,見圖1所示。1.1.1受火面溫升t耐火爐中的標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線符合式(1)。Tw-T∞=345lg(8t+1)(1)式中:Tw為試驗爐內(nèi)溫度平均值,可近似看作防火門受火面溫升,℃;T∞為環(huán)境溫度,取27℃;t為試驗從開始起進(jìn)行的時間,min。1.1.2導(dǎo)熱系數(shù)t由于升溫過程為非穩(wěn)態(tài)過程,導(dǎo)熱系數(shù)k隨溫度變化而變化,因此通過查找手冊建立導(dǎo)熱系數(shù)方程,其中碳-硅鋼的導(dǎo)熱系數(shù)見式(2)。k(T)=62.475-0.03225T(2)防火玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)見式(3)。k(T)=3.54exp(-T/283.93)+2.82(3)膨脹蛭石的導(dǎo)熱系數(shù)見式(4)。k(T)=0.00159+2.07339×10-4T(4)1.1.3試驗爐熱阻計算從傳熱學(xué)角度講,當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時,遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。對于熱流經(jīng)過的截面積不變的平板,導(dǎo)熱熱阻為l/(k·A)。其中:l為平板的厚度;A為平板垂直于熱流方向的截面積;k為平板材料的導(dǎo)熱系數(shù)。能量從爐內(nèi)經(jīng)由下列途徑傳出到環(huán)境空氣:(1)從爐內(nèi)空氣到防火門受火面的自然對流;(2)從爐壁到防火門受火面的熱輻射;(3)從防火門受火面到背火面的熱傳導(dǎo);(4)防火門背火面向環(huán)境空氣的自然對流;(5)防火門背火面向環(huán)境空氣的熱輻射。由此得到熱回路,各項熱阻如圖2所示。在圖2中,Ta為爐內(nèi)空氣溫度;hi為爐內(nèi)對流傳熱系數(shù);Ts為防火門背火面溫度;q為熱傳導(dǎo)及傳熱方向。防火門的熱阻計算方法依據(jù)其實際構(gòu)成確定,見式(5)。Rd=m∑n=1∑n=1mLnknALnknA(5)式中:m為構(gòu)成防火門的材料種類。門扇的熱阻計算見式(6)。m∑n=1Lnkn=0.00862.475-0.03225Τw+0.051Τw-Τs∫ΤwΤsk(Τ)dΤ+0.00862.475-0.03225Τs=0.00862.475-0.03225Τw+0.050.00159+0.000207(Τw+Τs)2+0.00862.475-0.03225Τs(6)∑n=1mLnkn=0.00862.475?0.03225Tw+0.051Tw?Ts∫TwTsk(T)dT+0.00862.475?0.03225Ts=0.00862.475?0.03225Tw+0.050.00159+0.000207(Tw+Ts)2+0.00862.475?0.03225Ts(6)門框的熱阻計算見式(7)。m∑n=1Lnkn=0.1251Τw-Τs∫ΤwΤsk(Τ)dΤ=0.12564.475+0.03225(Τw+Τs)2(7)∑n=1mLnkn=0.1251Tw?Ts∫TwTsk(T)dT=0.12564.475+0.03225(Tw+Ts)2(7)從試驗爐腔體到防火門背火面的總熱阻包括受火面并聯(lián)的對流和輻射的等效熱阻以及防火門的傳導(dǎo)熱阻。因而有式(8)。∑Rt=(11/(hrA)+11/(hiA))-1+Rd∑Rt=(11/(hrA)+11/(hiA))?1+Rd(8)1.2門扇的熱平衡關(guān)系根據(jù)能量守恒定律,熱能和機(jī)械能進(jìn)入一個控制體積的速率減去這些能量離開控制體積的速率一定等于這些能量在控制體積中貯存的速率。對防火門背火面來說,達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)時,貯存在控制體積中的能量不變,也就是流入的能量等于流出的能量,建立熱平衡公式,見式(9)～式(13)。˙Ein=Τw-Τs∑RtE˙in=Tw?Ts∑Rt(9)˙Eout=h0A(Τs-Τ∞)E˙out=h0A(Ts?T∞)(10)˙Ein=˙EoutE˙in=E˙out(11)Τa-Τs∑Rt=h0A(Τs-Τ∞)=Τw-Τs(11/(hrA)+11/(hiA))-1+m∑n=1LnknA(12)Ta?Ts∑Rt=h0A(Ts?T∞)=Tw?Ts(11/(hrA)+11/(hiA))?1+∑n=1mLnknA(12)h0(Τs-Τ∞)=Τw-Τs(hr+hi)-1+m∑n=1Lnknh0(Ts?T∞)=Tw?Ts(hr+hi)?1+∑n=1mLnkn(13)建立模型如下:門扇的熱平衡關(guān)系式見式(14)。h0(Τs-Τ∞)=Τw-Τs(hr+hi)-1+m∑n=1Lnkn=(345lg(8t+1)+Τ0-Τs)/((hr-hi)-1+0.00862.475-0.03225[345lg(8t+1)+Τ0]+0.050.00159+0.000207(345lg(8t+1)+Τ0+Τs)2+0.00862.475-0.03225Τs)(14)h0(Ts?T∞)=Tw?Ts(hr+hi)?1+∑n=1mLnkn=(345lg(8t+1)+T0?Ts)/((hr?hi)?1+0.00862.475?0.03225[345lg(8t+1)+T0]+0.050.00159+0.000207(345lg(8t+1)+T0+Ts)2+0.00862.475?0.03225Ts)(14)門框的熱平衡關(guān)系式見式(15)。h0(Τs-Τ∞)=Τw-Τs(hr+hi)-1+m∑n=1Lnkn=(345lg(8t+1)+Τ0-Τs)/((hr-hi)-1+0.12564.475-0.03225(345lg(8t+1)+Τ0+Τs)2(15)1.3防火門框架結(jié)構(gòu)熱分析將各種已知條件帶入上述方程中,得到蛭石防火門門扇的熱平衡關(guān)系式,見式(16)。25(Τs-300)=(345lg(8t+1)+300-Τs)/150+0.00862.475-0.03225[345lg(8t+1)+300]+0.050.00159+0.000207(345lg(8t+1)+300+Τs)2+0.00862.475-0.03225Τs)(16)蛭石防火門門框的熱平衡關(guān)系式,見式(17)。25(Τs-300)=(345lg(8t+1)+300-Τs)/(150+0.12564.475-0.03225345lg(8t+1)+300+Τs2)(17)利用MATLAB對上述方程進(jìn)行計算求解,得到結(jié)果見圖3所示。防火門、防火窗是進(jìn)行防火分隔的措施之一,要求能隔絕煙火,對防止火災(zāi)蔓延、減少火災(zāi)損失關(guān)系很大。根據(jù)我國實際情況,將隔熱防火門定為A0.5(丙級)、A1.0(乙級)、A1.5(甲級)、A2.0、A3.0五級,其對應(yīng)的耐火隔熱性相應(yīng)為0.5h、1.00h、1.50h、2.0h、3.50h。根據(jù)模型的計算結(jié)果,甲乙丙級相應(yīng)時刻的背火面溫度,見表1所示。根據(jù)測試要求,試件背火面的平均溫升超過試件表面初始平均溫度140℃或背火面任何一點的溫升超過該點初始溫度180℃時,則認(rèn)為試件失去隔熱性。由表1可以看出,蛭石防火門門扇背火面溫度在1.50h時為142℃,但計算結(jié)果并不是絕對可靠的,還與初始溫度有關(guān)(該計算模型中采用的是27℃)。2防火門扇背火面溫度變化情況圖4為某廠家的蛭石防火門在耐火試驗爐中的耐火測試圖,爐溫為標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線,標(biāo)有數(shù)字的各點為熱電偶的溫度測點,防火門尺寸為1.4m×2.4m。圖5為蛭石防火門門扇背火面溫度實測點與計算值的比較,從圖5看出兩者吻合較好。但45min之后差異變大,這是因為隨著溫度的升高,防火門中水分不斷析出,同時防火門出現(xiàn)變形以及燒蝕等現(xiàn)象,由此產(chǎn)生一定的誤差。因此,防火門耐火試驗中應(yīng)同時考慮隔熱性和完整性的要求,很多防火門達(dá)到了隔