АВАРИЙНЫЙ ТЕРМОКЛАПАН ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ
DISPOSABLE EMERGENCY THERMAL VALVE

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к аварийным термоклапанам одноразового действия с разрушаемой вставкой, и может быть использовано в пожарной отрасли, металлургии, нефтяной, газовой, а также в атомной промышленности, особенно в атомных электростанциях (далее - АЭС).
Известны клапаны, использующие плавкие вставки и стопоры для приведения в состояние открытия или закрытия клапана (см. Патент РФ №2149303, приоритет 23.11.1991, МПК: F16K 17/40; Патент GB №2342709, публикация 19.04.2000, МПК F16K 17/40; Патент РФ №2469 233, приоритет 09.11.2011, МПК F16K 17/40).
Общим недостатком указанных клапанов является значительное загромождение сквозного канала клапана в открытом положении, из-за чего их работоспособность крайне низка. Кроме того, большая часть перечисленных клапанов не предназначены для эксплуатации во взрывоопасных помещениях.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является аварийный термоклапан одноразового действия, который содержит корпус, в котором выполнен сквозной канал для подачи охлаждающей жидкости через его входное отверстие в направлении его выходного отверстия, и плавкий предохранитель, который расположен в сквозном канале корпуса. Плавкий предохранитель состоит из двух или более частей, полностью перекрывающих сечение сквозного канала, которые выполнены из материалов с различной температурой плавления и расположены в сквозном канале последовательно с нарастанием температуры плавления каждой последующей части в направлении от входного отверстия сквозного канала к его выходному отверстию (патент РФ на изобретение №2666841, заявка №2017131093 от 04.09.2017, МПК: F16K 17/00, F16K 17/40 - прототип).
Указанный клапан функционирует в двух режимах - в режиме ожидания и в режиме подачи охлаждающей жидкости.
В режиме ожидания теплофизические параметры у выходного отверстия не настолько высоки, чтобы вызвать плавление второй части легкоплавкой вставки плавкого предохранителя, который перекрывает сечение сквозного канал и препятствует истечению охлаждающей жидкости из бака. При этом плавкий предохранитель выдерживает давление гидравлического столба охлаждающей жидкости в емкости и расчетные нагрузки со стороны выходного отверстия за счет сил адгезии, связывающей корпус и плавкий предохранитель.
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 сквозного канала. Значение температуры (далее - температура открытия), например, 150°С, 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 значений, равных или превосходящих температуру плавления и разрушения второй части плавкого предохранителя, происходит его плавление и разрушение. Этим обеспечивается максимальное освобождение проходного сечения сквозного канала термоклапана, в котором первоначально находилась вторая часть плавкого предохранителя (в режиме ожидания), в ходе открытия термоклапана - при переходе в режим подачи охлаждающей жидкости.
Недостатком такого решения является недостаточная прочность клапана, ограничения по ударным нагрузкам, возникающих при взрывах в пожароопасном помещении. Фиксация плавкого предохранителя обеспечивается только за счет сил адгезии между материалом плавкого предохранителя и стенкой корпуса клапана, что может приводить к разрушению плавкого предохранителя клапана при возникновении взрывов в помещении, т.е. подаче и потере охлаждающей жидкости до факта возникновения пожара.
Задачей предложенного изобретения является разработка конструкции аварийного термоклапана одноразового действия с возможностью безотказного функционирования в случае возникновения значительных ударных нагрузок в пожароопасном помещении, а также обеспечением высоких значений 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 клапана при возникновении значительных ударных нагрузок в пожароопасном помещении, например, во время взрывов в пожароопасном помещении, при сохранении надежности и эффективности работы аварийного термоклапана одноразового действия в режиме подачи охлаждающей жидкости и при сохранении его габаритов.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном аварийном термоклапане одноразового действия для подачи охлаждающей жидкости во взрывоопасные помещения, содержащем полый корпус с входным и выходным отверстиями, в котором выполнен сквозной канал для подачи охлаждающей жидкости через его входное отверстие в направлении его выходного отверстия, согласно изобретению, упомянутый канал выполнен, по крайней мере, с одним поперечным уступом внутри с увеличением площади проходного сечения от входного отверстия к выходному отверстию, причем внутри упомянутого канала, с опорой на уступ, расположена пластина из высокопрочного материала, полностью перекрывающая входное проходное сечение клапана, при этом корпус клапана и упомянутый канал заполнены плавким предохранителем, состоящим по меньшей мере, из двух частей, разделенных упомянутой пластиной, выполненных из материалов с различной температурой плавления и расположенных в сквозном канале и корпусе последовательно с нарастанием температуры плавления каждой последующей части в направлении от входного отверстия сквозного канала к его выходному отверстию.
Сущность предложенного технического решения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан в разрезе вариант выполнения аварийного термоклапана одноразового действия в исходном положении, в режиме ожидания, на фиг. 2 показан в разрезе вариант выполнения аварийного термоклапана одноразового действия в режиме подачи охлаждающей жидкости, т.е. после разрушения плавкого предохранителя и удаления пластины из высокопрочного материала. На обеих фигурах стрелками показано направление движения охлаждающей жидкости.
Корпус 1 клапана выполнен из высокопрочного материала с высокой температурой плавления, например, из стали, со сквозным каналом от входного отверстия 2 к выходному 3. В сквозном канале клапана выполнено изменение поперечного сечения канала от входного отверстия 2 к выходному 3 в виде уступа с увеличением поперечного сечения, от входного отверстия 2 к выходному 3. Входное отверстие 2 сообщается с подводящим каналом с охлаждающей жидкостью 4. Выходное отверстие клапана находится в контакте со средой в помещении 5, где возможно возникновение пожара или взрыва. В клапане расположены, как минимум, два плавких предохранителя - 6 и 7, - из материалов с различной температурой плавления, с увеличением температуры их плавления от входного отверстия 2 к выходному отверстию 3. Температура плавления плавкого предохранителя 6, контактирующей с охлаждающей жидкостью, подбирается менее температуры плавления плавкого предохранителя 7, контактирующей со средой в помещении 5, где возможно возникновение пожара или взрыва. Температура плавления плавкого предохранителя 7, контактирующей со средой в помещении 5, равна температуре открытия клапана, и соответствует параметрам открытия клапана для тушения возгорания.
Между плавкими предохранителями - 6 и 7, расположена пластина 8 из высокопрочного материала с высокой температурой плавления. Пластина 8 опирается на уступ в сквозном канале клапана, полностью перекрывая проходное сечение входной части 2 клапана, при этом площадь поперечного сечения пластины 8 выполняется менее площади проходного сечения выходного отверстия 3. Перечисленные конструктивные решения, позволяют, после расплавления плавкого предохранителя 7, пластине 8 беспрепятственно покинуть сквозной канал клапана в направлении помещения 5 с высокой температурой, т.к. пластина 8 изначально опирается на уступ в сквозном канале клапана. Корпус клапана проходит через стенку 9 помещения, отделяющую от помещения 5 с возможностью пожара и взрыва. Стенка 9 помещения служит преградой для распространения высоких теплофизических параметров и ударных нагрузок из помещения 5 в окружающую среду либо соседние объемы помещения.
Пластина 8 из высокопрочного материала и высокой температурой плавления, воспринимает скачки давления в случае взрывов в помещении 5, опираясь на уступ в сквозном канале клапана 1, при этом прочность материала пластины 8 и материала клапана 1 позволяют сохранить конструкцию клапана 1 и запас охлаждающей жидкости в баках для тушения пожара в указанном случае возникновения ударных нагрузок в помещении 5.
Предложенный клапан функционирует в двух режимах - в режиме ожидания и в режиме подачи охлаждающей жидкости.
Функционирование клапана в режиме ожидания.
В режиме ожидания, при нормальной работе оборудования, теплофизических параметры, в частности, температура, в помещении 5 у выходного отверстия 3 клапана не столь высоки, чтобы вызвать плавление высокотемпературного предохранителя 7. Сечение сквозного канала клапана перекрыто плавкими предохранителями 6 и 7, а также пластиной 8 из высокопрочного материала, что препятствует истечению охлаждающей жидкости 4 через сквозной канал клапана. В этом режиме плавкие предохранители 6 и 7 противодействуют давлению гидравлического столба охлаждающей жидкости из бака 4 за счет сил адгезии, связывающих корпус клапана 1 и материал плавких предохранителей 6 и 7.
При возникновении взрыва в помещении 5, т.е. скачкообразного роста - изменения температуры и давления в пожароопасном помещении 5, защита запасов охлаждающей жидкости и баков с охлаждающей жидкостью 4 выполняется пластиной 8, с полным перекрытием сквозного канала клапана и опорой на уступ в сквозном канале клапана между входным и выходным отверстием корпуса клапана 1. Пластина 8 расположена между низкотемпературной 6 и высокотемпературной 7 частями плавкого предохранителя.
После удаления из проходного сечения клапана высокотемпературного плавкого предохранителя 7 и пластины 8, в результате контакта со средой в помещении 5, плавится и удаляется низкотемпературный плавкий предохранитель 6. Далее проходное сечение сквозного канала клапана становится свободным, что обеспечивает подачу охлаждающей жидкости 4 из емкостей с запасом охлаждающей жидкости через клапан 1, от входной части 2 к его выходной части 3, в помещение 5, в котором произошло возгорание.
Благодаря своей прочности, пластина 8 без разрушений передает нагрузку на корпус клапана, т.е. на уступ внутри него между входной и выходной частями клапана. Выбор материала плавкого предохранителя 7 осуществляется из категории упруго-пластичных материалов, не испытующих разрушение при сжатии-растяжении. В этом случае конструкция - плавкий предохранитель 6, 7 и пластина 8, т.е. конструкция канала клапана, - остается пригодной для дальнейшего функционирования клапана после взрыва в помещении.
Функционирование клапана в режиме подачи охлаждающей жидкости.
В случае возникновения высоких теплофизических параметров среды, в частности, пожара, в помещении 5 - повышения температуры в нем выше температуры плавления высокотемпературного предохранителя 7, происходит плавление материала высокотемпературного предохранителя 7, и образующийся расплав стекает в зону пожара, т.е. источника высокой температуры через выходную часть 3 клапана. На протяжении этого процесса низкотемпературный плавкий предохранитель 6, с малым значением теплопроводности, выполняет роль теплоизолятора, препятствуя теплоотводу через пластину 8 от высокотемпературного предохранителя к охлаждающей жидкости.
После разрушения высокотемпературного плавкого предохранителя 7, его вытекания и освобождения проходного сечения клапана перед пластиной 8, происходит нагрев материала пластины 8.
Повышение температуры пластины 8, приводит к плавлению низкотемпературного плавкого предохранителя 6. После этого пластина 8 свободно покидает начальное положение, и попадает в помещение 5 с высокой температурой.
Непосредственный контакт плавкого предохранителя 6 с низкой температурой плавления со средой в аварийном помещении 5 при высоких теплофизических параметрах приводит к быстрому разрушению плавкого предохранителя 6 с низкой температурой плавления.
Все перечисленное обеспечивает полное раскрытие проходного сечения канала клапана, от входного отверстия 2 к выходному 3, т.е. беспрепятственному поступлению охлаждающей жидкости 4 через сквозной канал клапана из баков с охлаждающей жидкостью в зону пожара благодаря разности гидравлических уровней на выходе из клапана и в баке с охлаждающей жидкостью.
Предложенный аварийный термоклапан является пассивным устройством, которое в соответствии с регламентом периодически проходит осмотр и периодическую замену. 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.
Предложенная конструкция аварийного термоклапана выполнена без применения сложных механических компонентов, взаимно перемещающихся при открытии термоклапана, что позволяет повысить надежность его функционирования и 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.
Предлагаемая конструкция клапана является автономно работающей и не требует для функционирования источников питания и управляющих сигналов. Основным назначением изобретения является тушение пожара в помещениях при возникновении возгораний, но, в то же время, конструкция клапана предусматривает сохранение работоспособности и подачи охлаждающей жидкости для случая возникновения взрыва в помещении.
Использование предложенного технического решения позволит создать аварийный термоклапан одноразового действия, обладающий высокой надежностью, который может быть использован в пожарной отрасли, металлургии, нефтяной, газовой и атомной промышленности, в частности, в атомных электростанциях, а также в других областях техники при необходимости подачи охлаждающей жидкости во взрывоопасные помещения с высокими теплофизическими параметрами при возникновении аварийных ситуаций.