Огнепреградитель
FLAME ARRESTER

Предлагаемое техническое решение относится к области противопожарной техники и может быть использовано на предприятиях химической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в различных системах хранения и транспортировки пожароопасных и взрывоопасных продуктов. В частности, изобретение относится к устройствам для задержки пламени и предотвращения распространения огня при резервуарном нефтехранении.
Уровень техники в данной области характеризуется следующими сведениями.
Известен огнепреградитель [И.И. Стрижевский, В.Ф. Заказное., Промышленные огнепреградители., М.: Химия.: 1974, стр. 67, 74 и 75], содержащий корпус с входным и выходным патрубками и огнепреграждающий элемент, выполненный спиральной намоткой на общую ось двух металлических лент, одна из которых плоская, а другая гофрированная.
кр
В этом огнепреградителе пламя задерживается системой каналов, образованных лентами при их совместной намотке, причем ширина задерживающего пламя канала не может превышать некоторой критической величины - d, которая определяется исходя из нормальной скорости пламени, температуры горения, температуры огнепреграждающего элемента, рабочего давления и т.д. Тепло, выделяющееся при горении, поглощается металлическими стенками каналов огнепреграждающего элемента (кассеты) и отводится от места локализации пламени к корпусу огнепреградителя (До некоторого времени общепринятым заблуждением являлось мнение о преимущественном рассеяния тепла на корпусе огнепреградителя (см. например, И.И. Стрижевский, В.Ф. Заказнов. Промышленные огнепреградители., М., Химия., 1974.), где рассеивается конвекцией, излучением и протекающим по каналам газовым потоком, постепенно нагревая его.
Также известен огнепреградитель (Flame arrestor) по патенту US 007241137 В2 от 10.06.2007, Int. Cl. F23D 14/82 (2006.01), U.S. Сl. 431/346; 60/39.11; 431/328; inventors: Christoph Leinemann, Braunschweid (DE); Thomas Heidermann, Didderse (DE) (это же решение известно по немецкому патенту DE №20320687 U1 от 21.04.2005, а также по международному патенту WO 2005/014112 А1, выданному 17.02.2005 по процедуре РСТ).
В этом огнепреградителе имеется дисковая структура с передней и задней поверхностями (огнепреграждающий элемент), содержащая множество ориентированных вдоль газового потока каналов с большей площадью поперечного сечения, образованных первой гофрированной металлической лентой, намотанной спирально совместно с гладкой металлической лентой и множество каналов с меньшей площадью, образованных второй металлической гофрированной лентой, также намотанной спирально совместно со второй гладкой лентой.
В этом решении присутствует одно неоспоримое достоинство. Авторы признают, что радиальная теплопроводность огнепреграждающего элемента кассетного огнепреградителя (т.е. от центра кассеты к корпусу огнепреградителя) существенно меньше, чем его осевая составляющая (т.е. вдоль оси намотки лент)(Такой характер теплопроводности обусловлен сравнительно плохим тепловым контактом между витками плоской и гофрированной лент и большим количеством таких тепловых сопротивлений на пути теплового потока к корпусу.). Это не способствует действенному отводу тепла от огнепреграждающего элемента (особенно от его центральных областей) к корпусу и делает применение только такого метода снижения температуры огнепреграждающего элемента (и повышения его огнестойкости) малоэффективным и небезопасным. Собственная теплоемкость насадки такого огнепреградителя тоже явно недостаточна для длительного сопротивления нагреву огнепреграждающего элемента при дефлаграционном горении. Экспериментально было установлено, что при посадке пламени на поверхность огнепреграждающего элемента основное тепло рассеивается передачей его от насадки к газу, протекающему внутри ее каналов. Поэтому авторы патента US 007241137 В2 заявили устройство, способствующее дополнительному охлаждению огнепреграждающего элемента за счет газа, протекающего по его каналам, что является достоинством данного решения. Даже небольшое увеличение времени, в течение которого огнепреграждающий элемент препятствует проникновению пламени внутрь охраняемого объема, может оказаться решающим в критической ситуации.
Однако этому устройству, как и предыдущему, присущ существенный недостаток, заключающийся в том, что отдельные микрочастицы с высокой температурой могут напрямую пролететь через огнепреграждающий элемент, не касаясь стенок его каналов, и попасть в охраняемую полость, вызвав тем самым воспламенение горючей парогазовой смеси внутри резервуара.
7
Этот недостаток устранен в решении «Огнепреградитель» по патенту на полезную модель №44942 U1, МПК - А62С 4/02 от 03.11.2004, (пуб. 10.04.2005 г.), которое по технической сущности наиболее близко к заявляемому изобретению. Этот огнепреградитель содержит разъемный корпус с входным и выходным патрубками и обоймы с огнепреграждающим элементом, выполненным в виде двух металлических лент плоской и гофрированной, намотанных спирально, при этом угол гофра гофрированной ленты составляет α≤arctg(h/a), где a - шаг гофра, h - высота гофра.
В отличие от рассмотренных выше аналогов в этом огнепреградителе гофры наклонены под острым углом к длинной стороне ленты таким образом, что исключается возможность пролета отдельных микрочастиц с высокой температурой без прямого контакта со стенками канала, образуемого поверхностями плоской ленты и обращенной к ней поверхностью гофра гофрированной ленты.
Однако и этому решению свойственны недостатки. При дефлаграционном горении (которое является самым опасным для огнепреградителей такого типа) поток парогазовой смеси имеет сравнительно небольшие скорости протекания через поперечное сечение огнепреграждающего элемента (через его каналы). Это способствует развитию двух негативных процессов:
а) за счет низких и, как правило, однородных скоростей газа на выходе из каналов огнепреграждающего элемента формируется устойчивое и спокойное пламя, что ведет к образованию минимального промежутка между пламенем и выходной поверхностью насадки (так называемый процесс «посадки пламени на кассету» или «пленочное горение»). Такой характер горения приводит к быстрому и сильному нагреву огнепреграждающего элемента;
б) внутри каналов огнепреграждающего элемента формируется ламинарный поток парогазовой смеси, что резко снижает эффективность конвекционных процессов в каналах и, тем самым, уменьшает отдачу тепла от нагретого огнепреграждающего элемента к протекающему газу.
Все это приводит к перегреву материала насадки и, как правило, его расплавлению или деформации и локальному перегоранию через сравнительно небольшой промежуток времени (20-25 мин). Этого времени, зачастую, бывает недостаточно для эффективной борьбы с возгоранием резервуара. Из-за низкой надежности существующих конструкций огнепреградителей данного типа (т.н. «кассетных» огнепреградителей) эксплуатация резервуаров с воспламеняющимися и взрывоопасными веществами становится небезопасной.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности огнепреградителя и, как следствие, повышение степени безопасности эксплуатации резервуаров с нефтепродуктами и другими пожароопасными жидкостями.
Технический результат применения данного изобретения заключается в уменьшении скорости роста температуры огнепреграждающего элемента огнепреградителя при посадке пламени на его поверхность, с последующим выходом на режим насыщения при температурах существенно меньших порога разрушения материала насадки, что влечет за собой увеличении времени сохранения защитных свойств огнепреградителя (промежутка времени от посадки пламени до начала тепловой деформации огнепреграждающего элемента или самовоспламенения горючей смеси в резервуаре). Увеличение этого временного промежутка соответствует повышению эффективности работы огнепреградителя.
Для решения поставленной задачи в данной заявке, так же как и в ближайшем аналоге, огнепреградитель содержит разъемный корпус с входным и выходным патрубками и обоймы с огнепреграждающими элементами. Каждый из огнепреграждающих элементов выполнен из двух металлических лент, плотно свернутых в рулон с образованием узких каналов для прохождения паровоздушной смеси. Первая из этих лент выполнена гофрированной с углом наклона гофр по отношению к длинной стороне ленты не более α≤arctg (h/a), где a - шаг гофра, h - высота гофра.
В отличие от ближайшего аналога вторая лента огнепреграждающего элемента предлагаемого огнепреградителя также выполнена гофрированной с шагом гофр не более шага гофр первой ленты b≤а и с углом наклона гофр, выбранным из диапазона π - arctg (h/b)≤β≤arctg (h/a). При этом угол наклона гофр второй ленты не равен углу наклона гофр первой ленты β≠α
Для достижения максимальной эксплуатационной безопасности огнепреградителя площадь поперечного сечения единичного канала, заключенного между плоскостью, касательной к вершинам гофра, и обращенной к этой плоскости поверхностью гофра первой ленты, ограничена соотношением:
б
б
кр
где d - безопасный диаметр гашения пламени(Безопасный диаметр определяют исходя из требуемого по условиям эксплуатации коэффициента безопасности k≥2 [Огнепреградители и искрогасители. Общие технические требования. Методы испытаний]. Этот коэффициент показывает во сколько раз безопасный диаметр должен быть меньше величины критического диаметра гашения пламени d для данной паровоздушной смеси.). Подобную площади единичного канала первой ленты, площадь поперечного сечения единичного канала второй ленты (фиг. 6) выбирают из аналогичного соотношения:
Вариантом исполнения такого огнепреградителя является устройство, в котором боковые стенки гофр, по крайней мере одной из лент, также выполнены гофрированными. Шаг этой дополнительной гофрировки менее или равен шагу гофр второй из лент. Угол наклона дополнительной гофрировки к длинной стороне ленты γ отличается от углов наклона гофр первой и второй лент γ≠α≠β.
Для достижения оптимальной огнестойкости в огнепреградителе по предыдущему варианту угол наклона гофр первой ленты выбран из диапазона π/4<α≤arctg (h/a). При этом дополнительная гофрировка боковых стенок первой ленты выполнена перпендикулярно длине ленты, а угол наклона гофр второй ленты выбран из соотношения β=2⋅(α-π/4).
Еще один вариант исполнения огнепреградителя предусматривает наличие чередующихся наклонных и прямых (ориентированных перпендикулярно длинной стороне ленты) участков в составе гофр любой из лент или в обеих лентах сразу. При определении допустимых углов наклона наклонных участков гофра, за высоту h принимают суммарную высоту всех наклонных участков одного гофра.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 приведен разрез варианта исполнения огнепреградителя по данному предложению.
На фиг. 2. схематически представлен состав и устройство огнепреграждающего элемента предлагаемого огнепреградителя.
На фиг. 3. представлена диаграмма допустимых значений углов наклона гофр первой и второй лент.
На фиг. 4 приведена схема формирования площади поперечного сечение гофра синусоидальной формы.
На фиг. 5 «а» и «б» приведены схемы, иллюстрирующие предельные случаи формирования суммарной площади каналов.
На фиг. 6 представлена конфигурация и составляющие площади суммарного канала, образуемого двумя совмещенными гофрированными лентами.
На фиг. 7 приведена схема взаимодействия канала огнепреграждающего элемента предпочтительной формы с потоком паровоздушной смеси.
На фиг. 8 представлена схема, поясняющая выбор углов наклона гофр обеих лент и конфигурацию дополнительной гофрировки первой из лент для огнепреграждающего элемента предпочтительной формы.
На фиг. 9 представлены варианты исполнения гофр первой и второй лент предлагаемого огнепреградителя.
На фиг. 10 схематически представлен вариант механизма для выполнения основной и дополнительной гофрировок лент.
На фиг. 11 приведены графики полученных экспериментально температурных (°С) распределений (по радиусу) поверхности огнепреграждающих элементов ближайшего аналога и заявленной конструкции (в сравнимых условиях и через 18 минут после посадки пламени).
На фиг. 12 приводятся графики скороподъемности температуры центральных частей (r=30 мм) поверхностей огнепреграждающих элементов аналога и заявленной конструкции.
На чертежах позициями обозначены:
1 - корпус огнепреградителя;
2 - выходной патрубок;
3 - входной патрубок;
4 - огнепреграждающий элемент;
5 - шпилька;
6 - гайка;
7 - первая гофрированная металлическая лента;
8 - вторая гофрированная металлическая лента;
9 - ось для навивки гофрированных лент;
10 - обечайка огнепреграждающего элемента;
11 - зона дополнительной гофрировки боковых стенок канала;
12 - условная траектория парогазового потока в канале;
13 - гладкая металлическая лента;
14 - верхний прямозубый каток;
15 - нижний прямозубый каток;
16 - металлическая лента с дополнительной гофрировкой;
17 - верхний косозубый каток;
18 - нижний косозубый каток;
19 - металлическая лента с основной и дополнительной гофрировками;
20 - график распределения скорости паровоздушной смеси по радиусу огнепреграждающего элемента ближайшего аналога;
21 - график распределения скорости паровоздушной смеси по радиусу огнепреграждающего элемента по данному предложению;
22 - график распределения температуры по радиусу огнепреграждающего элемента ближайшего аналога;
23 - график распределения температуры по радиусу огнепреграждающего элемента огнепреградителя по данному предложению;
24 - график скороподъемности температуры поверхности огнепреграждающего элемента ближайшего аналога;
24 - график скороподъемности температуры поверхности огнепреграждающего элемента по данному предложению.
Огнепреградитель (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с выходным 2 и входным 3 патрубками (расположенными соосно с корпусом 1) и огнепреграждающих элементов 4 совместно с патрубками при помощи шпилек 5 и гаек 6, закрепленных в корпусе 1 огнепреградителя. Каждый огнепреграждающий элемент 4 (фиг. 2) выполнен навивкой двух гофрированных лент 7 и 8 на общую ось 9 и заключен в обечайку 10, при этом первая из лент выполнена гофрированной с углом наклона гофр по отношению к длинной стороне ленты не более α≤arctg (h/a), где a - шаг гофра, h - высота гофра, а вторая выполнена гофрированной с шагом гофр не более шага гофр первой ленты с≤а и с углом наклона выбранным из диапазона π - arctg (h/b)≤β<arctg (h/a), причем β≠α.
б
Кроме того, площади поперечного сечения единичных каналов для первой ленты не превышают величины , а для второй  где - d безопасный диаметр гашения пламени для данной паровоздушной смеси.
Боковые стенки гофр по крайней мере одной из лент выполнены гофрированными с шагом гофрировки d≤b и углом наклона γ≠α≠β, а для предпочтительного варианта исполнения огнепреградителя угол наклона гофр первой ленты выбран из диапазона π/4<α≤arctg (h/a), гофрировка боковых стенок ее выполнена перпендикулярной длине ленты, а угол наклона гофр второй ленты равен β=2⋅(α-π/4).
В варианте устройства гофры любой из лент могут содержать чередующиеся наклонные и прямые участки.
Работу устройства согласно настоящему предложению рассмотрим на примере предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи.
При хранении в резервуарах нефтепродуктов или иных горючих жидкостей за счет процесса испарения и операций откачки-закачки внутри полости резервуара образуется пожароопасная паровоздушная смесь. При возникновении огня с внешней стороны резервуара, пламя может проникнуть вовнутрь корпуса 1 огнепреградителя (фиг. 1) через его выходной патрубок 2 и локализоваться на внешней, обращенной к атмосфере, стороне его огнепреграждающего элемента 4. Как правило, огнепреграждающий элемент 4 без зазора устанавливается в корпус 1 огнепреградителя и при помощи деталей крепления (например, шпилек 5 и гаек 6) уплотняется в нем так, чтобы исключить непосредственный контакт охраняемого пространства (патрубок 3) с атмосферой. Сообщение охраняемого пространства с атмосферой происходит только через узкие (огнегасящие) каналы в огнепреграждающем элементе 4, поэтому непосредственно в момент возникновения пожара и в течение времени, определяемого огнестойкостью огнепреградителя, проскок пламени вовнутрь резервуара блокируется, но при длительном воздействии пламени на огнепреграждающий элемент события могут начать развиваться по менее благоприятному сценарию. При посадке пламени горение в непосредственной близости с огнепреграждающим элементом может поддерживаться в течение длительного времени. Это происходит в силу постоянной подпитки пламени выходящей из резервуара горючей паровоздушной смесью. При этом разогрев резервуара внешним пламенем пожара может долго поддерживать этот поток, что приводит к неопределенному по длительности воздействию пламени на поверхность огнепреграждающего элемента 4.
Т.к. процесс испарения (даже при внешнем нагреве) по интенсивности не сопоставим с такими процессами, как слив и закачка нефтепродуктов, образующийся при испарении парогазовый поток в сечении огнепреградителя имеет сравнительно невысокие скорости. Это ведет к формированию ламинарного течения внутри каналов огнепреграждающего элемента и является причиной медленного (дефлаграционного) горения на его поверхности.
Такой режим признан как самый опасный для целостности огнепреграждающего элемента, т.к. ведет к возникновению и развитию пленочного горения (сопровождающегося повышенной теплоотдачей от пламени к насадке) и характеризуется пониженной теплопередачей от насадки в поток протекающих газов, т.е. именно этот режим определяет стойкость огнепреградителя и степень эксплуатационной безопасности охраняемых объектов. Теплоотвод к корпусным деталям огнепреградителя, как уже упоминалось, слабо влияет на температуру его насадки, а теплоемкость материала огнепреграждающего элемента недостаточна для длительного сдерживания роста температуры. Все это приводит к ускоренному прогреву огнепреграждающего элемента до температур разрушения его материала или до температур вспышки парогазовой смеси в охраняемом резервуарном пространстве.
Из литературы [Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. - М.: Наука, 1979. - 415 с.] известно, что размещение на пути распространения ламинарного потока возмущающих барьеров способствует его турбулизации, влияя, тем самым, на интенсивность протекающих тепломассобменных процессов. Такое решение эффективно и в рассматриваемом случае.
Огнепреграждающий элемент (фиг. 2) предлагаемого огнепреградителя, как и в ближайшем аналоге, выполнен из двух металлических лент 7 и 8 плотно свернутых в рулон с образованием между ними множества узких каналов для прохождения паровоздушной смеси. Ленты могут быть навиты на общую ось 9, располагающуюся по центру огнепреграждающего элемента и для устойчивости конструкции заключены в общую обечайку 10. Как и в аналоге, первая лента 7 выполнена гофрированной с шагом «а» и углом наклона гофр «α» по отношению к длинной стороне ленты. Чтобы исключить пролет без контакта со стенками каналов раскаленных микрочастиц в охраняемую полость, угол наклона гофр первой ленты выбран из соотношения α≤arctg (h/a), где a - шаг гофра, h - высота гофра.
В отличие от известного решения в предлагаемом устройстве вторая лента 8 также выполнена гофрированной с шагом гофр «b» и углом наклона «β». Для исключения прямого пролета раскаленных микрочастиц угол наклона гофр второй ленты выбран из диапазона π - arctg (h/b)≤β<arctg (h/a). Для большей наглядности области допустимых значений этих углов графически отображены на диаграмме (фиг. 3). Эффективная работа предлагаемого устройства (т.е. внесение возмущений в парогазовый поток) будет осуществляться, если углы наклона гофр двух лент не равны между собой β≠α. В этом случае ламинарный парогазовый поток, протекающий по каналу одной из лент на своем пути встречает возмущающую структуру, образованную гофрами другой ленты, что способствует его турбулизации. Нарушение ламинарной структуры потока внутри каналов огнепреграждающего элемента приводит к повышению эффективности теплообмена между нагретыми стенками каналов и протекающим в них газом. Этот процесс ведет к снижению температуры кассеты, что влечет за собой повышение надежности огнепреградителя и способствует решению поставленной в заявке задачи.
Одновременно с этим при использовании двух гофрированных лент структура каналов, образованных этими лентами становится более разветвленной, в ней появляются боковые отводы, которые провоцируют перетекание парогазовой смеси из данного канала в смежные. Во-первых, это влечет за собой дополнительное нарушение ламинарности потока, что также содействует интенсификации тепломассобменных процессов в огнепреграждающем элементе. Во-вторых, нарушение гладкого течения парогазового потока вблизи поверхности огнепреграждающего элемента способствует образованию неустойчивой структуры пламени, что, в свою очередь, снижает вероятность возникновения режима пленочного горения и уменьшает интенсивность теплообмена между пламенем и поверхностью огнепреграждающего элемента. Уменьшение интенсивности этого процесса также приводит к снижению температуры огнепреграждающего элемента, что способствует решению поставленной задачи.
Но вне зависимости от материала и геометрии применяемых насадок основной задачей огнепреграждающих элементов остается не допущение проскока пламени из области горения (над насадкой) в охраняемый объем. Для этого эффективные размеры каналов, образуемых двумя свернутыми в спираль гофрированными лентами не должны выходить за пределы, допустимые для данных условий эксплуатации (для данной конкретной паровоздушной смеси). Однако при сложной и разветвленной структуре образующихся в этом случае каналов не так просто учесть влияние размеров гофр на эффективное поперечное сечение образуемых суммарных каналов.
б
Для определения допустимых размеров гофрировок были проведены дополнительные расчеты, которые позволили установить зависимости площади поперечного сечения единичного канала (фиг. 4) от геометрии гофр, правила сложения единичных площадей для канала, образуемого двумя гофрированными лентами (фиг. 5а и 5б) и ограничения на размеры гофр каждой из этих лент. Установлено, что если площадь поперечного сечения единичного канала, заключенного между плоскостью, касательной к вершинам гофра, и обращенной к этой плоскости поверхностью гофра (фиг. 6) первой ленты, не превышает величины , а второй ленты - величины  где d - безопасный диаметр гашения пламени для данной паровоздушной смеси, то эффективное сечение любого из образуемых в огнепреграждающем элементе каналов не выходит за пределы, регламентируемые правилами эксплуатационной безопасности(Более подробно эти расчеты и выводы приведены в приложении к настоящей заявке.). Последним обеспечивается надежность работы огнепреградителя и безопасность эксплуатации резервуаров, оборудованных такими огнепреградителями, что полностью отвечает поставленной в заявке задаче.
Решению поставленной задачи способствует также то, что боковые стенки гофр, по крайней мере, одной из лент, также выполнены гофрированными с шагом менее или равным шагу гофр второй ленты, причем угол наклона гофрировки γ отличается от углов наклона гофр первой и второй лент γ≠α≠β. Такое исполнение огнепреграждающего элемента позволяет оптимально использовать даже небольшие скорости парогазового потока для улучшения теплообмена между ним и насадкой. В силу того, что парогазовый поток сначала проходит через патрубки резервуара и входной патрубок 3 огнепреградителя (фиг. 1), он движется преимущественно коллинеарно их оси. Поэтому в единичный канал огнепреграждающего элемента (фиг. 7), сформированный из первой 7 и второй 8 гофрированных лент, поток входит под небольшим углом и, натолкнувшись на стенку канала, поворачивает вдоль него. При исполнении на боковых стенках канала дополнительной гофрировки (на фигуре 7 для наглядности область дополнительной гофрировки условно обведена штриховой линией и обозначена цифрой 11) 11 поток (одна из возможных траекторий потока на фигуре 7 условно изображена в виде изогнутого цилиндра и обозначена цифрой 12) 12 реагирует и на эту неоднородность и несколько меняет свою траекторию, поворачивая вверх до встречи со второй гофрированной лентой. Там поток попадает в ложбинку, образованную гофрами второй ленты и, следуя ей, входит во взаимодействие со стенками гофры первой ленты и неоднородностями, образованными дополнительной ее гофрировкой. Вдоль этой дополнительной гофрировки поток спускается вниз до дна канала и практически попадает в исходное положение(Конечно, эта траектория условна, важно другое - среднестатистический поток в канале, отклоняясь на каждом из препятствий, за счет своей кинетической энергии все больше прижимается к стенкам канала и как бы «обегает» их вкруговую, одновременно продвигаясь от входа в канал к его выходу.). Таким образом, при правильно подобранных размерах гофрировок и их углах среднестатистический поток в каждом из единичных каналов начинает совершать движение по спирали. (На фигуре 7 показана такая форма гофрировок, при которой инициируется закручивание потока по часовой стрелке, но возможен и иной подбор параметров канала, при котором закручивание будет происходить в обратном направлении.) Определяющими здесь являются процессы закручивания и возмущения потока паровоздушной смеси внутри каждого из каналов огнепреграждающего элемента, что по данным ряда источников могут повысить эффективность теплообменных процессов до полутора раз. (Это подтверждается многочисленными исследованиями, например: Дрейцер Г.А. Эффективность использования закрутки потока для интенсификации теплообмена в трубчатых теплообменных аппаратах, Теплоэнергетика. 1997. №11. С. 61-65.) Таким образом, исполнение дополнительной гофрировки, по крайней мере одной из лент, при отличии углов наклона всех гофрировок способствует турбулизации и закручиванию потока и увеличивает интенсивность теплоотдачи от насадки к протекающему газу, что содействует решению поставленной в заявке задачи.
Предпочтительный вариант исполнения данного устройства включает все признаки предыдущего описания, но характеризуется согласованным набором основных геометрических размеров составляющих элементов. В частности, угол наклона гофр первой ленты 7 в этом случае выбирается из диапазона π/4<α≤arctg (h/a), гофрировка боковых стенок первой ленты выполнена перпендикулярной ее длине, а угол наклона гофр второй ленты 8 выбран равным β=2⋅(α-π/4). На изображении, иллюстрирующем топологию предпочтительного варианта (фиг. 8), заметно, что направления, по которым в основном ориентированы препятствия потоку 12 (по углу «γ» для дополнительной гофрировки и по углу «β» для гофр второй ленты), отстоят от основного направления его дрейфа (по углу «α») на равные угловые промежутки. Согласно приведенным выше соотношениям, эти угловые расстояния равны: α-γ=α-π/2, и α-β=α-2⋅(α-π/4)=α-π/2. То есть угловые расстояния направлений основного дрейфа потока от возмущающих равны между собой. Из этого следует, что среднестатистическая траектория потока паровоздушной смеси в каждом из каналов огнепреграждающего элемента представляет собой спираль с постоянным шагом. Последнее повышает вероятность закручивания потока 12 внутри канала и уменьшает непродуктивные потери его энергии, что также способствует решению поставленной в заявке задачи.
Возможным вариантом исполнения лент огнепреградителя является их гофрировка в виде чередующиеся наклонных и прямые участков (фиг. 9). Следует учесть, что при расчете допустимых углов наклона (согласно п. 1 формулы предполагаемого изобретения) за высоту - «h» (для корректности работы формулы) в этом случае принимают суммарную высоту наклонных участков гофр. Исполнение гофр металлических лент с чередующимися участками, имеющими разные углы наклона по отношению к длине лент приводит к постоянному изменению направления движения потока, его дополнительной турбулизации, что также направлено на решение задачи, поставленной в предполагаемом изобретении.
3
1
3
В качестве примера реализации устройства рассмотрим процесс изготовления ленты с дополнительной гофрировкой боковых стенок наклонных гофр (фиг. 10). Металлическая лента 13 (алюминиевая фольга, толщиной 0.35 мм) предварительно обрезанная до ширины 55 мм пропускается через два катка 14 и 15 шириной 70 мм для нанесения дополнительной гофрировки. Эти гофры ориентированы ортогонально длинной стороне ленты 13. Катки 14 и 15 имеют профилированные поверхности в виде прямозубых цилиндрических шестерен, которые на ленте 16 формируют гофры с шагом d=1.2 мм и глубиной δ=0.4 мм. Лента с нанесенной предварительной гофрировкой 16 подается на вход двух других катков 17 и 18 похожих на косозубые шестерни. Профили зуба поверхностей катков имеют в поперечнике синусоидальную форму с шагом 4 мм и высотой 1.15-1.25 мм. Косой зуб катков образован участками спирали с углом наклона ее к образующей цилиндра в 5°. На верхнем катке 17 эта спираль закручена (если считать от наблюдателя) против хода часовой стрелки (фиг. 10), а на нижнем - 18 по ходу. При этом форма зубцов выполнена таким образом, чтобы они во время выполнения операции могли входить один в другой с зазором на формируемую ленту 19, и чтобы стыковка их по вершинам синусоидального профиля была плотной, а по боковым сторонам формируемых гофр имела некоторую свободу с зазором не менее 0.75 мм на сторону. Такой профиль зуба катков обеспечивает формирование на ленте наклонных гофр с шагом а=4.15 мм, высотой δ=1.1 мм, углом наклона α=5° и с дополнительной гофрировкой боковых стенок гофр с шагом d=1.2 мм и высотой δ=0.4 мм, при ортогональности этой гофрировки к длинной стороне ленты. Если для повышения эффективности работы элемента вторую ленту 8 тоже планируется снабдить дополнительной гофрировкой, ее формирование происходит по такой же схеме, а если такой необходимости нет, то одно звено процесса для этой ленты 8 просто опускается.
Две сложенные вместе ленты 7 и 8 (фиг. 2) закрепляются на общей оси 9 и плотно наматываются на нее до заполнения пространства внутри обечайки 10. От сдвига слоев насадка может быть закреплена штырями, проходящими насквозь ее, ось 9 и обечайку 10 или внешними полосами, закрепленными на обечайке (на чертеже не показаны).
Готовый огнепреграждающий элемент 4 (фиг. 1) вставляется в корпус 1 огнепреградителя и корпус стягивается при помощи узлов крепления - шпилек 5 и гаек 6.
Важным этапом в производстве огнепреградителей являются испытания огнестойкости их огнепреграждающих элементов. Сравнительные испытания огнепреграждающих элементов ближайшего аналога и огнепреградителя по данному предложению проводились на специализированном стенде, конструкция которого описана в работе (Хоботов А.В. Методика и оборудование для проведения испытаний огнепреградителей ленточного типа: (Сборник научных трудов.) Саратов, СГТУ, 2007). Эксперименты проводились по общей методике, описанной в статье (Хоботов А.В. Влияние локальной скорости газового потока на распределение температуры и скорость нагрева поверхности огнепреградителя: Безопасность труда в промышленности - 2008 - №12. С. 46-49). После поджигания паровоздушной смеси через каждые три минуты пламя гасилось для замера температуры поверхности огнепреграждающего элемента. Замеры температуры осуществлялись бесконтактным методом при помощи инфракрасного лазерного пирометра по направлению от центра огнепреграждающего элемента к обечайке. Обобщенные результаты сравнительных испытаний приводятся на фигурах 11 и 12.
На фигуре 11 приведены графики радиального распределения температур по поверхностям огнепреграждающих элементов ближайшего аналога (график 22) и заявленной конструкции (график 23) в сравнимых условиях (т.е. при одинаковом составе паровоздушной смеси и сравнимых радиальных распределениях скоростей потока 20 и 21). Данные на графике (фиг. 11) соответствуют температурным распределениям через 18 минут после посадки пламени на поверхности элементов. Как видно из этих графиков, при прочих равных условиях температура внешних, обращенных к пламени, слоев огнепреграждающего элемента в заявленной конструкции во всех точках по радиусу примерно на 100°С ниже, чем у ближайшего аналога. Это свидетельствует о том, что в предлагаемом изобретении поставленная задача решена.
На фигуре 12 приводятся графики скороподъемностей температур центральных частей огнепреграждающих элементов аналога (график 24) и предлагаемой конструкции (график 25). Как видно из графиков, у предложенной конструкции по сравнению с ближайшим аналогом есть запас времени до того момента, когда материал насадки приблизится к порогу плавления (для алюминия 660°С), прогорит и спровоцируют тем самым возгорание в защищаемом объеме. Тем более, что температурный график предлагаемого в заявке устройства 25 ко времени измерения уже вышел на точку насыщения и подъем температуры либо прекратился, либо существенно замедлился. К этому же времени подъем температуры центральных слоев насадки аналога 24 продолжался прежними темпами, и температура центральных слоев ее через 18 минут уже достигла точки размягчения алюминия и приближается к точки его плавления. Все это позволяет считать доказанным, что задача предполагаемого изобретения решена в полной мере.
Предлагаемое решение обладает следующими достоинствами: расположение и форма гофрировок лент огнепреграждающего элемента препятствует возникновению режима пленочного горения непосредственно у поверхности насадки, способствует эффективной передаче тепла от насадки к паровоздушной смеси, препятствуя запредельному подъему температуры материала огнепреграждающего элемента, чем снижаются вероятности повреждения огнепреграждающего элемента и самовоспламенения горючей смеси в охраняемом объеме и увеличивается время защищенности объекта от проникновения пламени, то есть повышается надежность огнепреграждения. Экспериментально доказано, что при прочих равных условиях огнепреградитель предложенной конструкции обеспечивает более высокую способность к защите объекта, чем ближайший аналог, что позволяет считать, что задача изобретения решена.