ОГНЕПРЕГРАДИТЕЛЬ
FLAME ARRESTER

Изобретение относится к области противопожарной техники и может быть использовано в первую очередь на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей промышленности и на транспорте в различных системах хранения и транспортирования пожароопасных и взрывоопасных продуктов переработки и производства.
Известны огнепреградители, содержащие корпус с входным и выходным патрубками и установленные в корпусе огнепреградительные элементы. Так, огнепреградитель по авт. свид. №126650, А62-С-3/04 содержит огнепреградительный элемент, выполненный на основе сеток, в том числе и многослойных. Этот огнепреградитель, перекрывая путь пламени, не обеспечивает полную локализацию источника тепловыделения (пожара), поскольку горючие газообразные продукты сгорания в виде суспензии могут проникать через сетчатый огнепреградительный элемент.
Из всех устройств наиболее близким к заявленному является огнепреградитель по патенту SU 1802716 МКИ А-62-С-4/0, перекрывающий распространение пламени и продуктов сгорания в остальные части трубопроводной системы. Устройство включает полый цилиндрический корпус с соосно установленным входным патрубком и выходным патрубком, примыкающим к боковой поверхности корпуса, внутри которого расположен подпружиненный с помощью пружины цилиндрический клапан с фиксатором. Клапан выполнен в виде магнита с осевым отверстием, примыкающим к фиксатору. Фиксатор выполнен в виде термочувствительного покрытия (ферромагнитного материала) с заданной точкой Кюри, нанесенного на неподвижный магнит с осевым отверстием, примыкающим к входному патрубку. Полюса обоих магнитов направлены встречно. Устройство имеет в боковой стенке корпуса дополнительный выходной патрубок, который в исходном положении перекрыт клапаном. На корпусе устройства коаксиально термочувствительному элементу размещен нагревательный элемент.
Когда вследствие возникновения источника тепловыделения или вследствие включения электронагревательной обмотки температура продукта, проходящего через огнепреградитель, достигает заданного значения точки Кюри для данного материала ферромагнитного покрытия неподвижного магнита, последний теряет свои ферромагнитные свойства и перестает удерживать магниты. В результате этого магниты, обращенные одноименными полюсами навстречу друг другу, начинают отталкиваться и подвижный магнит (клапан), преодолевая сопротивление подпружинивающей его пружины, перемещается в днище корпуса, закрывает выходной патрубок и открывает дополнительный выходной патрубок, через который продукты сгорания отводятся в нейтрализационную камеру. Когда температура продукта, проходящего через огнепреградитель, станет ниже точки Кюри материала термочувствительного элемента, последний восстанавливает свои ферромагнитные свойства и притягивает к себе подвижный магнит (клапан), который закрывает дополнительный выходной патрубок и вновь открывает выходной патрубок. В дальнейшем, когда температура продукта, проходящего через огнепреградитель, вновь достигает заданного значения точки Кюри материала термочувствительного элемента (температуры настройки огнепреградителя), весь описанный выше цикл работы устройства вновь повторяется и т.д.
Аналогичным образом работает огнепреградитель, когда термомагнитное покрытие нагревается не продуктами сгорания, а с помощью включения нагревательного элемента. Тем самым осуществляется проверка срабатывания устройства на этапах производственного и выходного контроля, а также при проведении технического обслуживания, что повышает контролепригодность огнепреградителя, а следовательно, его надежность.
Однако данный огнепреградитель, как ряд других существующих огнепреградителей, защищает трубопроводную сеть и перекрывает распространение по ней пламени, начиная с места установки огнепреградителя. Зона трубопровода со стороны входного патрубка практически остается незащищенной. Кроме того, в трубопроводной сети в зависимости от условий ее прокладки не всегда можно осуществить «врезку» огнепреградителя в потенциально опасный участок. Поэтому источник тепловыделения (пожара), развиваясь и усиливаясь, достигнув огнепреградителя, может «пробить» его вследствие увеличившегося давления в трубопроводе при пожаре до того, как сработает огнепреградитель. Другими словами, до того как сработает огнепреградитель часть продуктов сгорания может через выходной патрубок проникнуть в защищаемый участок трубопроводной магистрали. Все это снижает защитные свойства и надежность огнепреградителя вследствие его тепловой инерции, обуславливающей его недостаточно высокое быстродействие, поскольку потеря ферромагнитных свойств материалом чувствительного элемента при нагреве его до точки Кюри происходит не мгновенно и не сразу, по всему объему материала термочувствительного элемента.
Кроме того, в случае вибраций, тряски и осевых перегрузок подвижный магнит, перекрывающий выходной клапан огнепреградителя при срабатывании последнего, может произвольно перемещаться в осевом направлении по направлению к фиксатору (магниту с термочувствительным покрытием), открывая (пусть хоть на непродолжительное время) путь продуктам сгорания через выходной патрубок в защищаемый участок трубопровода.
Таким образом, огнепреградитель по патенту SU 1802716 обладает недостаточно высокими быстродействием, надежностью и ограниченными защитными свойствами.
Перед заявляемым изобретением поставлена задача: повысить быстродействие устройства, надежность и расширить его защитные свойства.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее полый цилиндрический корпус с входным патрубком, установленным по оси корпуса в его торцевой части, и выходным патрубком, примыкающим к боковой поверхности корпуса, подпружиненный цилиндрический клапан с фиксатором, оба из которых выполнены в виде примыкающих друг к другу магнитов с осевыми отверстиями, полюса которых направлены встречно, дополнительный выходной патрубок, установленный в боковой стенке корпуса в зоне расположения клапана, термочувствительное покрытие из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри, нанесенное на фиксатор, размещенный на корпусе нагревательный элемент с выводами для подключения к источнику тока, причем расстояние между выходными патрубками не превышает расстояние, равное сумме высоты цилиндрического клапана плюс расстояние от фиксатора до центра дополнительного патрубка и диаметра основного патрубка за вычетом половины диаметра дополнительного выходного патрубка, дополнительно включен источник тока в виде преобразователя тепловой энергии нагреваемого при пожаре участка трубопровода, расположенного перед входным патрубком, в электрическую, а нагревательный элемент выполнен в виде электромагнитной катушки, своими выводами подключенной к источнику тока.
Источник тока, размещаемый на участке трубопровода перед входным патрубком, выполнен в виде термоэмиссионного или термоэлектрического источника тока. Термоэмиссионный и термоэлектрический преобразователи теплоты в электрическую энергию описаны в книге: Куландин А.А., Тимашев С.В., Атамасов В.Д. и др. Основы теории, конструкции и эксплуатации космических ядерных энергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. - 328 с. (см. страницы 83-118).
В качестве термомагнитного покрытия могут использоваться металлы и сплавы, обладающие различными значениями точек Кюри, что позволяет выбрать температуры срабатывания (настройки) огнепреградителя (см. книгу Белов К.П. Магнитные превращения. - М.: Физматгаз. 1959. - 259 с.).
Таким образом, при возникновении источника тепловыделения на участке трубопровода перед входным патрубком этот участок трубопровода нагревается, и тепловая энергия источника тепловыделения посредством теплопередачи по материалу трубопровода и с потоком продуктов сгорания и нагретого продукта доходит до источника тока. В результате этого источник тока (термоэмиссионный или термоэлектрический) вырабатывает электроэнергию, которая через подключенные к нему выводы электромагнитной катушки подается в нее, создавая электромагнитную силу, под действием которой фиксатор будет стремиться переместить клапан к торцевой стенке корпуса и тем самым перекрыть основной выходной патрубок и открыть дополнительный патрубок. Кроме того, электрический ток от источника тока нагревает катушку, тепло от которой через корпус передается к термочувствительному покрытию и нагревает его, что также будет способствовать его нагреву выше точки Кюри, потере ферромагнитных свойств термочувствительным покрытием и возникновению сил отталкивания между клапаном и фиксатором. Эта сила совместно с электромагнитной силой, создаваемой катушкой, будет стремиться переместить клапан к торцу корпуса и тем самым коммутировать поток продуктов сгорания, перемещающихся по трубопроводу, на дополнительный выходной патрубок, подключенный к системе сброса или нейтрализации.
Таким образом, огнепреградитель окажется в значительной степени подготовленным к срабатыванию. Поэтому, когда основной поток продуктов сгорания подойдет к нему, он сработает за более короткое время.
Следовательно, введение в состав огнепреградителя источника тока, располагаемого на трубопроводе со стороны входного патрубка, и нагревательного элемента, в виде электромагнитной обмотки (катушки), существенно повышает быстродействие огнепреградителя, что снижает вероятность «пробоя» огнепреградителя, т.е. прорыва пламени и продуктов горения в защищаемый участок трубопровода. Это в свою очередь повышает надежность трубопровода и расширяет зону, защищаемую огнепреградителем. Таким образом, достигается технический результат, а именно повышение быстродействия устройства, надежности и расширение защищаемой зоны.
На фиг.1 приведен общий вид огнепреградителя в статическом состоянии, а на фиг.2 - вид огнепреградителя при его срабатывании, когда температура термочувствительного покрытия достигнет точки Кюри вследствие его нагрева продуктом, проходящим через огнепреградитель, вследствие его нагрева электронагревательным элементом или вследствие его комплексного нагрева продуктом и электронагревательным элементом.
Огнепреградитель содержит полый цилиндрический корпус 1 с входным патрубком 2, установленным по оси корпуса 1 в его торцевой части, основной выходной патрубок 3, установленный в боковой стенке корпуса 1 вблизи другой его торцевой части, подпружиненный с помощью пружины 4 цилиндрический клапан 5, выполненный в виде магнита с осевым отверстием. Между клапаном 5 и торцевой частью со стороны входного патрубка 2 размещен термочувствительный элемент 6 выполненный в виде ферромагнитного покрытия из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри, которое нанесено на цилиндрический магнит 7 с осевым отверстием и фиксирует клапан 5. В боковой стенке корпуса 1 в зоне расположения клапан 5 установлен дополнительный патрубок 8, расстояние между которым и основным выходным патрубком 2 не превышает расстояние, равное сумме высоты цилиндрического клапана 5 плюс расстояние от цилиндрического магнита 7 до центра дополнительного выходного патрубка, плюс диаметр основного выходного патрубка за вычетом половины диаметра дополнительного выходного патрубка 8, при соблюдении этого условия при перемещениях клапана 5 будет открыт один из патрубков 3 или 8. На корпусе 1 коаксиально цилиндрическому магниту 7 размещен нагревательный элемент 9, выполненный в виде электромагнитной обмотки (катушки), своими выводами подключенный к источнику тока 10, преобразующему тепловую энергию нагретой части участка трубопровода со стороны входного патрубка 2 в электрическую. В случае запитывания постоянным электрическим током от источника 10 выводы электромагнитной обмотки таким образом подключены к источнику 10, чтобы создаваемое ею магнитное поле было направлено в ту же сторону, что и поле цилиндрического магнита 7.
Для исключения шунтирования магнитов 5 и 7 материал корпуса 1 выполняется из диамагнитных материалов (например, латуни, нержавеющей стали, различных пластмасс и т.д.), что обеспечивает свободное перемещение клапана 5 в корпусе 1.
Патрубок 8 предназначен для отвода продуктов сгорания и горячих газов в зону нейтрализации. Жесткость пружины 4 и напряженность магнитных полей магнитов 5 и 7 (клапана и фиксатора) подбираются таким образом, чтобы сила отталкивания этих магнитов превышала силу, с которой пружина 4 прижимает клапан 5 к неподвижному магниту 7 (фиксатору). Расстояние между основным 2 и дополнительным патрубками подбирается таким образом, чтобы исключить возможность одновременного открытия выходных патрубков 2 и 8 и тем самым исключить возможность отказа огнепреградителя и возникновения аварийной ситуации. Выключатель В1 служит для подключения перед началом работы электромагнитной обмотки 7 к источнику электрического тока 10, размещенному на участке трубопровода перед входным патрубком 2.
Выключатель В2 служит для имитации воздействия источника 10 на электромагнитную обмотку (катушку) 9 при проверках.
Устройство работает следующим образом.
В исходном рабочем состоянии, когда (выключатель В1 замкнут, а В2 разомкнут) температура продукта, проходящего через огнепреградитель, ниже точки Кюри ферромагнитного слоя термочувствительного элементов, последний сохраняет свои ферромагнитные свойства, в результате чего клапан 5, выполненный в виде цилиндрического магнита с осевым отверстием, под действием магнитных сил притяжения к термочувствительному элементу 6, выполненному из ферромагнитного материала с заданной точной Кюри, и подпружинивающей его пружины 4, прижимается к термочувствительному элементу 6 и фиксируется в этом положении. В этом случае клапан 5 перекрывает дополнительный выходной патрубок 8 и продукт через входной патрубок 2, осевое отверстие цилиндрического отверстия 6 с термочувствительным покрытием 7 и далее, заполняя корпус 1, через основной выходной патрубок 3 свободно проходит в защищаемую часть трубопровода, как это показано на фиг.1.
При отсутствии в подводящем трубопроводе источника тепловыделения перепад температур в источнике 10, преобразующего тепловую энергию нагретой части трубопровода в электрическую, отсутствует. Поэтому электрическая энергия в источнике 10 практически не вырабатывается и не подается в электромагнитную катушку 9, которая в этом случае не влияет на состояние клапана 6.
Когда в подводящем трубопроводе возникнет источник тепловыделения, то порождаемое им пламя и продукты сгорания нагревают материал трубопровода, его температура резко повышается, вследствие чего в установленном на нагревшемся участке трубопровода источнике электрического тока 10 возникает напряжение, запитывающее нагревательный элемент 9, выполненный в виде электромагнитной катушки 9. В результате этого происходит нагрев корпуса 1 и находящегося в тепловом контакте с ним термочувствительного покрытия 6. Кроме того, возникшее электрическое поле катушки 9 создает силу, которая направлена на отрыв клапана 5 от фиксатора 7 и на сжатие пружины 4.
В дальнейшем возможны два случая.
Первый случай. Источник тепловыделения в месте установки источника 10 в подводящей части трубопровода нагревает ее до высокой температуры, что обеспечивает высокую мощность источника 10.
В этом случае источник 10, преобразующий тепловую энергию нагретой части участка трубопровода в электрическую, создает такой ток в подключенной к нему катушке 9, который оказывается достаточным для того, чтобы создать такую электромагнитную силу, под действием которой клапан 5, выполненный в виде цилиндрического магнита, отрывается от термочувствительного покрытия 6, преодолевая сопротивление пружины 4, перемещается к выходному патрубку 3, перекрывает его и одновременно открывает входное отверстие дополнительного патрубка 8. С некоторым опозданием вследствие тепловой инерции (по сравнению с действием электромагнитных сил) происходит нагрев термочувствительного слоя 6 из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри. Когда температура этого слоя достигает значения точки Кюри, он теряет свои ферромагнитные свойства и перестает шунтировать магнитные поля магнитов 5 и 7. В результате чего магнитные поля этих магнитов оказываются направленными встречно и подвижный магнит (клапан 5), ранее прижатый к торцу корпуса 1 за счет электромагнитной силы катушки 9 и закрывающий входное отверстие основного выходного патрубка 3, за счет возникших сил отталкивания магнитов 5 и 7 перемещается и оказывается дополнительно прижатым к торцу корпуса, способствуя удержанию клапана 5 в положении, открывающем входное отверстие дополнительного выходного патрубка 8 и закрывающем входное отверстие основного выходного патрубка 3. В этом случае происходит опережающее срабатывание огнепреградителя. Поэтому, когда продукты сгорания достигнут огнепреградителя и войдут в его корпус 1, основной выходной патрубок 3 огнепреградителя будет уже закрыт, а дополнительный выходной патрубок 8 будет открыт и через него агрессивные и токсичные продукты горения непосредственно направятся в нейтрализационную камеру. При этом практически исключается «пробой» огнепреградителя и попадание продуктов горения в защищаемый им участок трубопровода.
Возможны и другие варианты, например, когда электромагнитная обмотка (катушка) 9 запитывается от постороннего мощного источника электроэнергии по сигналу системы контроля за пожароопасностью либо по команде оператора со специального командного пункта. Все эти варианты относятся к рассмотренному выше случаю. При этом также сохраняется возможность контроля работоспособности огнепреградителя при отсутствии источника возгорания путем запитывания электромагнитной (электронагревательной) катушки 9 от постороннего источника тока, имитируя тем самым воздействие источника возгорания.
Второй случай. Источник тепловыделения в подводящем трубопроводе не нагревает источник 10 в месте его установки так, чтобы он мог выработать электрическую мощность достаточную для перемещения клапана 5 и срабатывания огнепреградителя, но тем не повышает его быстродействие.
В этом случае катушка 10 все равно остается под током и создает некоторую силу, стремящуюся преодолеть сопротивление пружины 4 и переместить клапан 5 в положение, при котором закрыт основной выходной патрубок 3 и открыт дополнительный выходной патрубок 8. Однако клапан остается в исходном состоянии (см. фиг.1), поскольку электромагнитная сила, создаваемая электромагнитной катушкой 9, и последующий производимый ею нагрев термочувствительного покрытия 6 будут недостаточны как для непосредственного перемещения клапана 5 под действием электромагнитной силы электромагнитной катушки 9, так и для нагрева ферромагнитного покрытия 6 до точки Кюри, когда оно перестает шунтировать неподвижный магнит 7 и подвижный магнит (клапана) 5. В этом случае клапан 5 под действием возникшей силы отталкивания, магнитов 5 и 7 стремиться преодолеть сопротивление пружины 4. Однако эта сила не может переместить клапан 5 и закрыть основной выходной патрубок 3 и открыть дополнительный выходной патрубок 8.
Таким образом, огнепреградитель оказывается подготовленным к срабатыванию и, когда продукты срабатывания поступят в корпус 1, им для прогрева термочувствительного покрытия 6 до точки Кюри потребуется гораздо меньше времени, равно как и для перемещения клапана 5, на который уже действует создаваемая электромагнитной катушкой 9 сила, стремящаяся переместить клапан 5. В итоге для перемещения клапана 5 потребуется меньше времени для прогрева термочувствительного покрытия до точки Кюри, а само перемещение будет осуществляться под действием не одной силы (создаваемого электромагнитной катушкой 9), а под действием двух сил: силы, создаваемой электромагнитной катушкой 9, и силы отталкивания магнитов 5 и 7, возникшей вследствие потери ферромагнитных свойств термочувствительных покрытием 6 до точки Кюри.
В итоге повышается быстродействие огнепреградителя и его надежность (безотказность).
При проведении контроля работоспособности огнепреградителя выключатель В1 переводится в положение «Выключено», разрывая цепь питания электромагнитной катушки (обмотки) 9 от источника 10, а выключатель В2, запитывающий цепь питания электромагнитной обмотки (катушки) 9 от постороннего источника тока - в положение «Включено». Это приводит к нагреву обмотки (катушки) 10, имитирующему ее нагрев от воздействия источника тепловыделения, возникает на входном участке трубопровода. В этом случае устройство работает в порядке, аналогичном описанному выше.
После того как источник тепловыделения будет ликвидирован, источник 10, охлаждаясь, перестает вырабатывать электрический ток. В результате этого подключенная к источнику 10 электромагнитная обмотка (катушка) перестает нагревать термочувствительное покрытие 6, которое также будет охлаждаться за счет обесточивания источника 10. При этом также исчезает электромагнитная сила, отталкивающая клапан 5 от магнита (фиксатора) 6. В результате чего термочувствительное покрытие, также охладившись до температуры ниже точки Кюри, восстанавливает свои ферромагнитные свойства и клапан 5, притягиваясь к покрытию 6 за счет магнитных сил и прижимаясь к нему за счет силы разжимающейся пружины 4, открывает основной выходной клапан 3 и закрывает дополнительный клапан 8.
Таким образом, устройство приходит в исходное состояние. В дальнейшем при возникновении источника тепловыделения в подводящем участке трубопровода весь описанный выше цикл работы устройства повторяется.
Следует отметить, что источник электроэнергии 10, преобразующий тепловую энергию нагреваемого при пожаре участка трубопровода в электрическую, может быть установлен в самых недоступных местах трубопроводной системы, где «врезка» или установка огнепреградителя невозможна. Кроме того, электронагревательная катушка 9 может быть подключена не к одному, а одновременно к нескольким источникам электроэнергии типа 10, устанавливаемых на различных участках трубопроводной системы, что существенно расширяет защищаемую зону. При работе огнепреградителя в составе системы пожаровзрывопредупреждения электронагревательная катушка 9 может запитываться от высокочастотного генератора, который в свою очередь запитывается от постороннего источника тока (см. фиг.1 и 2), например от USB-выхода персонального компьютера. Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства обеспечивает защиту участков трубопровода не только после огнепреградителя (если смотреть по ходу продукта), но и перед огнепреградителем.
Тем самым достигается технический результат, а именно повышение быстродействия устройства, надежности и расширения его защитных свойств.