Аварийный термоклапан одноразового действия
EMERGENCY SINGLE-ACTING THERMAL VALVE

Изобретение относится к машиностроению, а именно к аварийным термоклапанам одноразового действия с разрушаемой вставкой, и может быть использовано в металлургии, нефтяной, газовой и атомной промышленности, в частности в атомных электростанциях, и в других областях техники, при необходимости подачи охлаждающей жидкости в объем с высокими теплофизическими параметрами при возникновении аварийных ситуаций.
Известен термоклапан, содержащий стопор и плавкую вставку, которая в случае необходимости срабатывает по заданному температурному диапазону (Патент РФ 2149303, приоритет 23.11.1991, МПК: F16K 17/40).
Данный клапан должен надежно срабатывать в аварийных режимах при повышении температуры сверх допустимого значения, однако, из-за того, что в качестве запорного элемента использован шарик, расход среды через клапан ограничен и не является устойчивым.
Известен термоклапан, содержащий два аксиально установленных подпружиненных штока, плавкий предохранитель, прижимную прокладку и фиксатор, соединяющий между собой прилежащие концы первого и второго штоков (патент GB 2342709, публикация 19.04.2000, МПК F16K 17/40).
Недостатком данного технического решения является низкая надежность работы данного клапана, так как плавкий предохранитель удален от контролируемой зоны и расположен в средней части корпуса клапана.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является аварийный термоклапан одноразового действия, преимущественно для подачи охлаждающей воды, содержащий цилиндрообразный корпус, в котором на торцах выполнены входное и выходное отверстия, расположенные в цилиндрообразном корпусе, аксиально установленные первый и второй подпружиненные штоки, на конце второго из которых закреплена заслонка с прижимной прокладкой для герметичного перекрытия входного отверстия, плавкий предохранитель и фиксатор, соединяющий между собой прилежащие концы первого и второго штоков, при этом плавкий предохранитель расположен в перфорированной гильзе, которая смонтирована на стенке выходного отверстия цилиндрообразного корпуса, на свободном конце первого штока установлен поршень с возможностью захода внутрь перфорированной гильзы, а фиксатор состоит из установленного на конце первого штока конуса с расположенным на нем в разведенном положении разрезным пружинным кольцом, упорной втулки для кольца и обечайки, которая укреплена на втором штоке, при этом кольцо установлено таким образом, что при движении первого штока оно соскальзывает с конуса внутрь обечайки для обеспечения перемещения штоков в одном направлении (патент №2469233, заявка №2011145286/06 от 09.11.2011, МПК: Р16К 17/40 - прототип).
Указанный клапан работает следующим образом. Командой на срабатывание аварийного термоклапана (режим подачи охлаждающей воды) является повышение температуры в районе выходного отверстия цилиндрообразного корпуса. Температура должна быть достаточна для разложения плавкого предохранителя, на который опирается подпружиненный поршень. Плавкий предохранитель расплавляется приблизительно при температуре 600°С и вытекает из отверстий перфорированной гильзы, поршень вдавливается пружиной в гильзу и тянет за собой шток, который скользит по втулке. Разрезное разведенное пружинное кольцо фиксатора сталкивается торцом втулки на конусный концевик и сжимается, попадая внутрь обечайки, освобождая ход обечайки со штоком, который в свою очередь вызывает ударное расширение пружины и смещает обечайку, которая садится на пусковой цилиндр. Одновременно шток тянет за собой заслонку с прокладкой и открывает входное отверстие для подачи охлаждающей воды к оборудованию. Вода поступает из емкости и движется по входному отверстию между посадочным местом седла заслонки дальше в межреберные каналы, ограниченные ребрами, к выходному отверстию для подачи на охлаждаемое оборудование.
Недостатками такого решения являются низкий расход охлаждающей жидкости в режиме подачи охлаждающей воды ввиду загромождения проточной части клапана конструктивными элементами, недостаточная надежность работы аварийного термоклапана, обусловленная необходимостью выполнения последовательных механических перемещений ряда элементов клапана для его открытия, большой объем периодических регламентных работ в режиме ожидания, таких как поверки усилий постоянно находящихся в высоконагруженном состоянии в режиме ожидания пружин либо их периодические замены, значительная громоздкость конструкции.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции аварийного термоклапана одноразового действия с высокой надежностью и эффективностью работы, обеспечиваемой за счет повышения расхода охлаждающей жидкости в режиме подачи охлаждающей жидкости при сохранении его габаритов и повышения технологичности обслуживания в ходе эксплуатации.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и эффективности работы аварийного термоклапана одноразового действия за счет повышения расхода охлаждающей жидкости в режиме подачи охлаждающей жидкости при сохранении его габаритов.
Технический результат достигается тем, что в предложенном аварийном термоклапане одноразового действия, содержащем корпус, в котором выполнен сквозной канал для подачи охлаждающей жидкости через его входное отверстие в направлении его выходного отверстия, и плавкий предохранитель, расположенный в сквозном канале корпуса, плавкий предохранитель состоит из по меньшей мере двух частей, полностью перекрывающих сечение сквозного канала, выполненных из материалов с различной температурой плавления и расположенных в сквозном канале последовательно с нарастанием температуры плавления каждой последующей части в направлении от входного отверстия сквозного канала к его выходному отверстию.
В варианте исполнения корпус в месте размещения плавкого предохранителя снабжен поперечными ребрами жесткости.
В варианте исполнения корпус имеет поперечные уступы, выполненные в месте размещения плавкого предохранителя, с переменным поперечным сечением сквозного канала в направлении от входного отверстия к выходному.
Сущность предложенного технического решения раскрыта на фиг. 1, где показан в разрезе предпочтительный вариант выполнения аварийного термоклапана одноразового действия в исходном положении, в режиме ожидания.
На фиг. 2 показан в разрезе предпочтительный вариант выполнения аварийного термоклапана одноразового действия в режиме подачи охлаждающей жидкости, т.е. после разрушения плавкого предохранителя, стрелками показано направление движения охлаждающей жидкости.
Предложенный аварийный термоклапан одноразового действия в предпочтительном варианте содержит корпус 1, размещенный и закрепленный в стенке 4 помещения, внутри которого возможна авария с резким повышением теплофизических параметров. В корпусе 1 выполнен сквозной канал, имеющий входное отверстие 2 и выходное отверстие 3, выполненные с возможностью подачи охлаждающей жидкости из емкости 5 в область высоких теплофизических параметров с противоположной стороны аварийного термоклапана при возникновении аварийной ситуации, т.е. превышения проектного значения температуры среды у выходного отверстия 3. Внутри сквозного канала установлен плавкий предохранитель, состоящий из контактирующей с охлаждающей жидкостью первой части 6 и контактирующей со средой с высокими теплофизическими параметрами второй части 7 плавкого предохранителя, полностью перекрывающих сечение сквозного канала. Таким образом, плавкий предохранитель состоит из двух компонентов: первой части 6 и второй части 7, расположенных по направлению от входного отверстия 2 к выходному 3 и контактирующих между собой и внутренними стенками корпуса клапана. При этом первая часть 6 плавкого предохранителя выполнена из материала с меньшей температурой плавления, чем вторая часть 7 плавкого предохранителя.
Корпус 1 может иметь поперечные уступы, расположенные в месте расположения плавкого предохранителя. Входное отверстие 2 сквозного канала термоклапана сообщается с охлаждающей жидкостью в емкости 5. В последней поддерживается необходимый уровень жидкости для обеспечения подачи ее самотеком через открытый термоклапан при возникновении высоких теплофизических параметров в области, граничащей с выходным отверстием 3 сквозного канала. Стенка 4 помещения, в которой в аварийных условиях возникают высокие теплофизические параметры, служит преградой для распространения возникающих высоких теплофизических параметров в окружающую среду и соседние объемы помещения. Кроме того, к стенке помещения 4 герметично крепится аварийный термоклапан с возможностью обслуживания в течение срока эксплуатации. Сообщение с емкостью 5 с охлаждающей жидкостью обеспечивается для входного отверстия 2 аварийного термоклапана с целью выполнения своих функций клапаном в режиме подачи охлаждающей жидкости.
Предложенный аварийный термоклапан функционирует в двух режимах: в режиме ожидания и в режиме подачи охлаждающей жидкости следующим образом.
В режиме ожидания теплофизические параметры у выходного отверстия 3 не настолько высоки, чтобы вызвать плавление второй части 7 легкоплавкой вставки плавкого предохранителя, который перекрывает сечение сквозного канал и препятствует истечению охлаждающей жидкости из бака 5. При этом плавкий предохранитель выдерживает давление гидравлического столба охлаждающей жидкости в емкости 5 и расчетные ударные нагрузки со стороны выходного отверстия 3 за счет сил адгезии, связывающей корпус 1 и плавкий предохранитель, а в предпочтительном варианте - также за счет размещения уступов и поперечных ребер жесткости в месте размещения плавкого предохранителя.
Кроме того, в режиме ожидания могут возникать ударные нагрузки, такие как скачки давления, при которых аварийный термоклапан должен обеспечивать герметичность конструкции до момента достижения заданных теплофизических параметров у выходного отверстия 3, т.е. препятствовать протоку размещенной в баке охлаждающей жидкости 5 от входного отверстия 2 к выходному отверстию 3. Демпфирование ударных нагрузок производится, в основном, второй частью 7 плавкого предохранителя, которая непосредственно контактирует со средой с высокими теплофизическими параметрами.
Предложенный аварийный термоклапан является пассивным устройством, которое в соответствии с регламентом периодически проходит осмотр и периодическую смену аварийных термоклапанов в соответствии с регламентом. При этом выполнение аварийного термоклапана с плавким предохранителем, состоящим из нескольких полностью перекрывающих сечение сквозного канала аварийного термоклапана частей, не содержит движущихся механических устройств. Это повышает технологичность процесса обслуживания клапана, упрощает процедуру обслуживания и тем самым повышает надежность и эффективность работы аварийного термоклапана.
Событием, при котором происходит срабатывание аварийного термоклапана, т.е. переход из режима ожидания в режим подачи охлаждающей жидкости, является повышение теплофизических параметров, в частности температуры, в районе выходного отверстия 3 сквозного канала. Значение температуры (далее - температура открытия), превышение которого приводит к смене режима работы термоклапана - из режима ожидания в режим подачи охлаждающей жидкости - устанавливается при изготовлении аварийного термоклапана за счет выбора материалов, из которых выполняются части плавкого предохранителя.
Срабатывание аварийного термоклапана происходит следующим образом. После достижения температуры среды у выходного отверстия 3 значений, равных или превосходящих температуру плавления и разрушения второй части 7 плавкого предохранителя, происходит плавление и разрушение второй части 7 плавкого предохранителя. Плавкий предохранитель до момента разрушения воспринимает давление гидростатического столба жидкости в баке 5 с охлаждающей жидкостью, а процесс разрушения второй части 7 плавкого предохранителя инициируется исключительно контактом с высокотемпературной средой у выходного отверстия 3. При этом первая часть 6 плавкого предохранителя выполняет роль теплоизолятора, не допускающего контакт с охлаждающей жидкостью второй части 7 плавкого предохранителя вплоть до полного плавления и разрушения части 7. Этим обеспечивается максимальное освобождение проходного сечения сквозного канала термоклапана, в котором первоначально находилась вторая часть 7 плавкого предохранителя (в режиме ожидания), в ходе открытия термоклапана - при переходе в режим подачи охлаждающей жидкости.
После разрушения второй части 7 плавкого предохранителя возникает непосредственный контакт высокотемпературной среды с первой частью 6 плавкого предохранителя. Контакт первой части 6 предохранителя со средой при высоких теплофизических параметрах и гидростатическое давление охлаждающей среды в емкости 5 совместно приводят к быстрому плавлению и разрушению части 6 плавкого предохранителя. Последнее обусловлено тем, что температура плавления первой части 6 плавного предохранителя ниже, чем для материала второй части 7, и температура плавления первой части 6 плавкого предохранителя незначительно превосходит температуру охлаждающей жидкости. По окончании разрушения плавкого предохранителя сквозной канал аварийного термоклапана от входного отверстия 2 до выходного 3 свободен, препятствия протоку охлаждающей жидкости через аварийный термоклапан отсутствуют. Таким образом, термоклапан функционирует в режиме подачи охлаждающей жидкости через полное сечение сквозного канала из емкости 5 самотеком в область с высокими теплофизическими параметрами, как показано на фиг.2, что обеспечивает высокую надежность и эффективность работы аварийного термоклапана. Еще раз подчеркнем, что движение охлаждающей жидкости на входном отверстии 2 обеспечивается избыточным давлением, возникающим благодаря существованию давления гидростатического столба жидкости в емкости 5.
Повышение прочности плавкого предохранителя термоклапана в условиях значительных перепадов давлений может достигаться установлением поперечных ребер жесткости, которые увеличивают прочность плавкого предохранителя, находящегося в режиме ожидания термоклапана, и не создают значительного загромождения проходного сечения в режиме подачи охлаждающей жидкости.
Поперечное сечение сквозного канала аварийного термоклапана может изменяться вдоль осевой координаты сквозного канала. Это может быть обеспечено, например, одним или несколькими уступами в месте размещения плавкого предохранителя. В этом случае увеличивается предельный перепад давления для термоклапана в режиме ожидания при возникновении аварийных скачков давления в области с высокими теплофизическими параметрами, так как в данном случае фиксацию плавкого предохранителя, кроме сил адгезии, возникающих на границе плавкого предохранителя и корпуса 1, осуществляет механический контакт плавкого предохранителя с одним или несколькими уступами. В предпочтительном варианте изобретения уступы выполнены в месте расположения второй части 7 плавкого предохранителя аварийного термоклапана.
Предложенная конструкция аварийного термоклапана выполнена без применения механических компонентов, перемещающихся при открытии термоклапана. Это позволяет повысить надежность функционирования термоклапана. Данная конструкция позволяет увеличить проходное сечение термоклапана при неизменных габаритных размерах либо снизить последние при неизменном расходе охлаждающей жидкости. Оптимизация массовых и габаритных характеристик аварийного термоклапана также обеспечивает снижение себестоимости изготовления термоклапана.
Предложенный аварийный термоклапан одноразового действия обладает высокой надежностью и может быть использован в металлургии, нефтяной, газовой и атомной промышленности, в частности в атомных электростанциях, а также в других областях техники при необходимости подачи охлаждающей жидкости в объем с высокими теплофизическими параметрами при возникновении аварийных ситуаций.