огнепреградитель

Формула изобретения

1. Огнепреградитель, содержащий полый, закрытый днищами цилиндрический корпус из немагнитного материала, входной патрубок, соосно расположенный в первом днище, магнит со сквозным осевым каналом, закрепленный в корпусе у первого днища соосно входному патрубку, поджатый пружиной к магниту цилиндрический клапан со сквозным осевым каналом и обладающий магнитными свойствами, при этом его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю упомянутого магнита, два выходных патрубка, установленных в боковой стенке корпуса, один из которых расположен вблизи магнита, закрепленного у первого днища, и перекрыт боковой поверхностью цилиндрического клапана, а второй выходной патрубок расположен вблизи второго днища с возможностью перекрытия патрубка боковой поверхностью цилиндрического клапана после перемещения последнего до упора во второе днище, термочувствительный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри в виде покрытия, нанесенного на магнит, нагреватель, установленный на внешней поверхности корпуса коаксиально термочувствительному элементу, отличающийся тем, что в сквозном осевом канале магнита размещена пружина из материала с эффектом памяти формы с температурой восстановления формы, равной или близкой температуре точки Кюри материала термочувствительного элемента, причем длина пружины из материала с эффектом памяти формы при температуре ниже ее температуры восстановления формы превышает длину сквозного осевого канала магнита на величину не меньшую, чем длина хода цилиндрического клапана до второго днища, при этом пружина из материала с эффектом памяти формы, находясь в поджатом состоянии, одним концом упирается в первое днище, а вторым концом - в поджимающий ее цилиндрический клапан.

2. Огнепреградитель по п.1, отличающийся тем, что диаметр пружины с эффектом памяти формы и диаметр сквозного осевого канала магнита превышают диаметр сквозного осевого канала клапана и внутренний диаметр входного патрубка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области противопожарной техники и может быть использовано в первую очередь на трубопроводах в различных системах хранения и транспортирования пожароопасных и взрывоопасных продуктов добычи, переработки и производства.

Известен огнепреградитель по А.С. СССР №1026816, МКИ А 62 С 3/04, содержащий установленный в корпусе огнепреградительный элемент в виде нормально открытого подпружиненного клапана, зафиксированного термочувствительным элементом, выполненным в виде сильфона и расположенным в выходном патрубке, и петлевую трубу для связи полости корпуса с выходным патрубком, установленным на боковой поверхности корпуса, а петлевая труба, связывающая полость корпуса с выходным патрубком, подсоединена к корпусу под клапаном. Известный огнепреградитель при аварийной ситуации полностью перекрывает путь продуктам сгорания к расположенным за ним участкам трубопроводной системы.

Основным недостатком огнепреградителя по А.С. СССР №1026816 является выполнение термочувствительного элемента, фиксирующего подпружиненный клапан, в виде сильфона, что ограничивает температурный диапазон настройки огнепреградителя, сужает область его применения и снижает надежность срабатывания.

Известен также огнепреградитель по патенту РФ на изобретение №1802716 5 МПК А 62 С 4/00, который принят в качестве ближайшего аналога, содержащий полый, закрытый днищами цилиндрический корпус из немагнитного материала, входной патрубок, соосно расположенный в первом днище, магнит со сквозным осевым каналом, закрепленный в корпусе у первого днища соосно входному патрубку, поджатый пружиной к магниту цилиндрический клапан со сквозным осевым каналом и обладающий магнитными свойствами, при этом его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю упомянутого магнита, два выходных патрубка, установленных в боковой стенке корпуса, один из которых расположен вблизи магнита, закрепленного у первого днища, и перекрыт боковой поверхностью цилиндрического клапана, а второй выходной патрубок расположен вблизи второго днища с возможностью перекрытия патрубка боковой поверхностью цилиндрического клапана после перемещения последнего до упора во второе днище, термочувствительный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри в виде покрытия, нанесенного на магнит, нагреватель, установленный на внешней поверхности корпуса коаксиально термочувствительному элементу.

Когда вследствие возникновения источника тепловыделения или при включении электронагревательной обмотки, температура продукта, проходящего через огнепреградитель, достигает заданного значения точки Кюри материала ферромагнитного покрытия неподвижного магнита, последний теряет свои ферромагнитные свойства и перестает удерживать магниты [1]. В результате чего магниты, обращенные одноименными полюсами навстречу друг другу, начинают отталкиваться и подвижный магнит (клапан), преодолевая сопротивление поджимающей его пружины, перемещается ко второму днищу корпуса, закрывает выходной патрубок и открывает дополнительный выходной патрубок, через который отводятся продукты сгорания. 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.

Однако потеря ферромагнитных свойств материалом термочувствительного элемента при нагреве его до точки Кюри и выше происходит не мгновенно и не по всему объему указанного ферромагнитного материала. Возникающие при этом силы отталкивания магнита могут быть несоосны корпусу, что может привести к заклиниванию клапана. Кроме того, внутренняя поверхность корпуса может корродировать, на ней также могут образовываться различные осадки и появляться различные частицы, например в виде песка, обусловленные физико-химическими свойствами проходящего через огнепреградитель продукта, степенью его очистки. Это затрудняет перемещение клапана и устойчивую фиксацию в корпусе в положении перекрытия трубопроводной системы и даже может привести к его заклиниванию, поскольку сила отталкивания магнитов может оказаться явно недостаточной для преодоления возникающих сил трения и сил сопротивления различных твердых частиц (например, песчинок). Кроме того, пульсации давления продукта в трубопроводе при возникновении аварийной ситуации могут привести к автоколебаниям подпружиненного с обеих сторон цилиндрического клапана, что исключает его устойчивую фиксацию в корпусе. Основным недостатком огнепреградителя по патенту №1802716 является низкая надежность.

Перед заявленным изобретением поставлена задача - улучшить условия перемещения клапана внутри корпуса и фиксации его в положении перекрытия трубопроводной системы при возникновении аварийной ситуации с целью повышения его надежности.

Для решения поставленной задачи в устройстве, содержащем полый, закрытый днищами цилиндрический корпус из немагнитного материала, входной патрубок, соосно расположенный в первом днище, магнит со сквозным осевым каналом, закрепленный в корпусе у первого днища соосно входному патрубку, поджатый пружиной к магниту цилиндрический клапан со сквозным осевым каналом и обладающий магнитными свойствами, при этом его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю упомянутого магнита, два выходных патрубка, установленных в боковой стенке корпуса, один из которых расположен вблизи магнита, закрепленного у первого днища, и перекрыт боковой поверхностью цилиндрического клапана, а второй выходной патрубок расположен вблизи второго днища с возможностью перекрытия его боковой поверхностью цилиндрического клапана после перемещения последнего до упора во второе днище, термочувствительный элемент, выполненный из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри в виде покрытия, нанесенного на магнит, нагреватель, установленный на внешней поверхности корпуса коаксиально термочувствительному элементу, в сквозном осевом канале магнита размещена пружина с эффектом памяти формы с рабочей температурой равной или близкой температуре точки Кюри материала термочувствительного элемента, причем длина пружины из материала с эффектом памяти формы при температуре ниже ее рабочей температуры превышает длину сквозного осевого канала магнита, на величину не меньшую, чем длина хода цилиндрического клапана до второго днища, при этом пружина из материала с эффектом памяти формы, находясь в поджатом состоянии, одним концом упирается в первое днище, а вторым концом - в поджимающий ее цилиндрический клапан. При этом диаметр пружины с эффектом памяти формы и диаметр сквозного осевого канала магнита превышают диаметр сквозного осевого канала клапана и внутренний диаметр входного патрубка.

Данные соотношения размеров пружины с эффектом памяти формы, сквозного осевого канала магнита и сквозного осевого канала клапана необходимы для обеспечения работоспособности пружины с эффектом памяти формы, помещаемой в сквозном осевом канале магнита. В этом случае пружина с эффектом памяти формы будет надежно поджиматься подпружиненным клапаном к первому днищу корпуса в районе входного патрубка, что позволит ей в дальнейшем при достижении температуры восстановления формы перемещать цилиндрический клапан ко второму днищу, преодолевая сопротивление поджимающей его пружины.

Явление, называемое эффектом памяти формы, - это обратимое двунаправленное явление. Суть его в том, что деталь, например пружина, “запомнившая” некоторую форму вследствие определенной обработки, деформируется (сжимается) при низкой температуре, а затем, когда пружина нагреется до температуры превращения Т (температуры восстановления формы), она восстанавливает исходную “запомнившуюся” форму, и, распрямляясь, развивает силу восстановления формы, равную F_в. При охлаждении пружины ниже температуры Т она вновь может быть деформирована внешней силой F_д, создаваемой подпружиненным клапаном, “запоминая” исходную недеформированную форму. При дальнейших переходах температуры пружины через точку, равную Т, весь описанный выше цикл деформации пружины с эффектом памяти формы вновь повторяется. В качестве сплава, из которого изготавливаются пружины с эффектом памяти формы, используются сплавы “титан-никель” (Ti-Ni), имеющие температуру превращения (рабочую температуру) в пределах T=20...100°C [2].

С учетом вышеизложенного использование эффекта точки Кюри ферромагнитных материалов и эффекта памяти формы сплавов (Ti-Ni) приводят к тому, что перемещение цилиндрического клапана в корпусе огнепреградителя осуществляется под воздействием суммы двух сил: силы F_м отталкивания намагниченного цилиндрического клапана и магнита при нагреве ферромагнитного покрытия магнита до заданного значения точки Кюри и силы F_в восстановления формы пружины с эффектом памяти формы при нагреве этой пружины до температуры восстановления ее формы равной или близкой упомянутой выше точки Кюри.

При этом существенно увеличивается усилие, перемещающее цилиндрический клапан при срабатывании огнепреградителя, что в значительной степени исключает его заклинивание в корпусе вследствие возникновения на стенках последнего различных отложений, что делает огнепреградитель достаточно инвариантным к свойствам продукта, а также уменьшает риск возникновения режима автоколебаний цилиндрического клапана.

Таким образом, достигается технический результат, а именно улучшение условий перемещения клапана внутри корпуса и фиксации его в положении перекрытия трубопроводной системы при возникновении аварийной ситуации, что повысило надежность огнепреградителя.

На фиг.1 приведен общий вид огнепреградителя в исходном штатном состоянии, а на фиг. 2 - вид огнепреградителя при его срабатывании в случае возникновения аварийной ситуации.

Огнепреградитель содержит полый закрытый днищами 1 и 2 цилиндрический корпус 3 из немагнитного материала с соосно расположенным в днище 1 входным патрубком 4, магнит 5 со сквозным осевым каналом 6, закрепленный в корпусе 3 у днища 1 соосно входному патрубку 4, поджатый пружиной 7 к магниту 5 цилиндрический клапан 8 со сквозным осевым каналом 9 и с магнитными свойствами, при этом его магнитное поле направлено навстречу магнитному полю упомянутого магнита 5, два выходных патрубка 10 и 11, установленных в боковой стенке корпуса 3. Патрубок 10 расположен вблизи магнита 5, закрепленного у днища 1 соосно входному патрубку 4 и перекрыт боковой поверхностью цилиндрического клапана 8, а выходной патрубок 11 расположен вблизи днища 2 с возможностью перекрытия боковой поверхностью клапана 8 при перемещении его до упора в днище 2, термочувствительный элемент 12, выполненный из ферромагнитного материала с заданной точкой Кюри в виде покрытия, нанесенного на магнит 5, нагреватель 13, установленный на корпусе 3 коаксиально термочувствительному элементу 12, размещенная в сквозном осевом канале 6 магнита 5 пружина 14 с эффектом памяти формы с температурой восстановления формы, равной или близкой температуре точки Кюри материала термочувствительного элемента 12, причем длина этой пружины 14 при температуре ниже ее температуры восстановления формы превышает длину сквозного осевого канала 6 магнита 5, в котором она размещена в поджатом состоянии под действием подпружиненного клапана 8, на величину не меньшую, чем длина хода цилиндрического клапана 8 до днища 2, а сама пружина 14, находясь в поджатом состоянии, одним концом упирается в днище 1, а вторым концом - в поджимающий ее цилиндрический клапан 8.

Введение в состав огнепреградителя сжатой пружины 14 с эффектом памяти формы и размещение ее в сквозном осевом канале 6 магнита 5 в поджатом состоянии служит для дополнительного контроля температуры продукта, проходящего через входной 4 и выходной 11 патрубки огнепреградителя, и создания дополнительного усилия на подпружиненный цилиндрический клапан 8, когда температура продукта достигнет температуры восстановления формы сжатой пружины 14 с эффектом памяти формы. В этом случае пружина 14 “вспоминает” начальную форму, начинает распрямляться (совершает рабочий ход) и с восстанавливающей силой F_в начинает воздействовать на подпружиненный клапан 8 в одном направлении совместно с силой F_м отталкивания намагниченного клапана 8 и магнита 5, возникающей, когда термочувствительный элемент 12 в виде ферромагнитного покрытия магнита 5 нагреется до температуры точки Кюри, принадлежащей диапазону температур восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы.

Для того чтобы пружина 14 с эффектом памяти формы, помещенная соосно внутри сквозного осевого канала 6 магнита 5, могла воздействовать на клапан 8 и перемещать его к днищу 2, диаметр этой пружины 14 превышает внутренний диаметр входного патрубка 4 и сквозного осевого канала 9 клапана 8.

Таким образом, в заявленном устройстве конструктивно реализуется элемент с эффектом памяти формы, действующий по методу смещения, когда деформация пружины 14 с эффектом памяти формы при низкой температуре осуществляется внешней силой F_д, то есть силой, с помощью которой подпружиненный цилиндрический клапан 8 воздействует на пружину 14, сжимая ее до величины, равной длине сквозного осевого канала 6 магнита 5, в котором она размещена.

Устройство работает следующим образом:

В исходном штатном состоянии, когда температура продукта, проходящего через устройство, ниже точки Кюри материала термочувствительного элемента 12 и близкой ей температуры восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы, то под действием пружины 7 происходит поджатие клапана 8 к магниту 5 и сжатие пружины 14 до величины длины сквозного осевого канала 6 магнита 5. При этом под действием магнитных сил F_м и деформирующей силы F_д, создаваемой пружиной 7, поджимающей цилиндрический клапан 8 к магниту 5, происходит надежная его фиксация у термочувствительного элемента 12 магнита 5. В этом случае цилиндрический клапан 8 открывает путь продукту через выходной патрубок 11 и закрывает выходной патрубок 10. Соответствующее исходное состояние огнепреградителя в штатном режиме показано на фиг.1, а путь прохождения продукта указан стрелками.

Когда в подводящем трубопроводе появятся продукты сгорания или возникнет пламя, они через входной патрубок 4 доходят до термочувствительного элемента 12 и пружины 14 с эффектом памяти формы и нагревают их. При достижении материалом ферромагнитного покрытия значения точки Кюри, оно теряет свои ферромагнитные свойства и перестает шунтировать магнитные поля клапана 8 и магнита 5, в результате чего магнитные поля клапана 8 и магнита 5 оказываются направленными встречно, между ними возникает сила F_м отталкивания, под действием которой клапан 8, преодолевая сопротивление поджимающей его пружины 7, начинает перемещаться по направлению к выходному патрубку 11, стремясь перекрыть его выходное отверстие и открыть патрубок 10 для отвода пламени и продуктов сгорания. Одновременно, поскольку точка Кюри термочувствительного ферромагнитного покрытия равна или близка температуре Т восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы, происходит восстановление первичной формы самой пружины 14. Сила восстановления F_в также начинает воздействовать на клапан 8 и, преодолевая сопротивление поджимающей его пружины 7, также начинает перемещать клапан 8 по направлению к выходному патрубку 11, перекрывая его выходное отверстие и открывая патрубок 10, через который происходит отвод пламени и продуктов горения.

Следует также отметить, что при нагреве ферромагнитного покрытия до точки Кюри, оно перестает шунтировать магнит 5 и возникающее при этом в сквозном осевом канале 6 магнита 5 магнитное поле, охватывая пружину 14 с эффектом памяти формы, дополнительно увеличивает ее силу F_в восстановления формы за счет магнитоупругого мартенситного превращения [2]. Соответствующее положение огнепреградителя в положении срабатывания при аварийной ситуации и путь движения продукта, указанный стрелками, показаны на фиг.2.

Таким образом, при достижении транспортируемым продуктом температуры срабатывания огнепреградителя движение клапана 8 по направлению к днищу 2 корпуса 3 осуществляется под воздействием двух сил: силы отталкивания F_м намагниченного клапана 8 и магнита 5 и силы F_в восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы. В сумме эти силы преодолевают деформирующую силу F_д, создаваемую пружиной 7, поджимающей клапан 8, и обеспечивают надежное перемещение клапана 8 внутри корпуса 3 по направлению к днищу 2, а также надежное удержание его в положении, когда выходной патрубок 11 закрыт, а патрубок 10 отвода пламени и продуктов сгорания открыт.

Когда воздействие пламени или нагретых продуктов сгорания на термочувствительный элемент 12 и на пружину 14 прекращается, они охлаждаются соответственно ниже точки Кюри термочувствительного элемента 12 и температуры восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы, что приводит к восстановлению ферромагнитных свойств термочувствительного элемента 12 и исчезновению силы F_в восстановления формы пружины 14 вследствие ее охлаждения. В этом случае возникающая сила F_м притяжения намагниченного клапана 8 к термочувствительному элементу 12 и сила F_д пружины 7, поджимающая клапан 8, преодолевая сопротивление силы F_н деформации пружины 14 при низкой температуре, перемещают клапан 8 до упора по направлению к магниту 5 и фиксируют его у ферромагнитного покрытия магнита 5. Тем самым вновь открывается проход продукту через выходной патрубок 11 и закрывается проход через патрубок 10 отвода пламени и продуктов горения. В этом штатном состоянии устройство находится до тех пор, пока температура продукта, проходящего через него, не достигнет температуры срабатывания огнепреградителя (точки Кюри материала ферромагнитного покрытия 12, равной рабочей температуре пружины 14 с эффектом памяти формы или принадлежащей допустимому диапазону изменения этой температуры).

В дальнейшем, когда температура продукта, проходящего через огнепреградитель, вновь достигнет температуры его срабатывания или превысит ее, весь описанный выше цикл работы устройства вновь автоматически повторяется.

Использование двух элементов (термочувствительного элемента 12 в виде ферромагнитного покрытия магнита 5 с заданной точкой Кюри и пружины 14 с эффектом памяти формы с температурой восстановления формы равной или близкой этой точке Кюри), контролирующих температуру продукта, проходящего через огнепреградитель, обеспечивает перемещение намагниченного цилиндрического клапана 8 в корпусе устройства под действием двух сил.

Таким образом, при срабатывании устройства существенно увеличивается усилие пружины 14, под действием которого цилиндрический клапан 8, преодолевая сопротивление поджимающей его пружины 7, перемещается в корпусе устройства. В этом случае намагниченный цилиндрический клапан 8 перемещается под действием силы F_м отталкивания магнита 5 и намагниченного клапана 8, а также силы восстановления формы F_в, развиваемой пружиной 14 с эффектом памяти формы. Указанное обстоятельство позволяет преодолевать тормозящие усилия по ходу клапана 8, обусловленные свойствами продукта (различными отложениями и окисями, возникающими на внутренней поверхности корпуса, посторонними предметами: песчинками и другими твердыми частицами, содержащимися в продукте, проходящем через огнепреградитель). Технически это повышает надежность огнепреградителя и позволяет использовать его для контроля и обеспечения безопасности, различных по качеству продуктов проходящих через него.

Кроме того, за счет силы F_в восстановления формы пружины 14 с эффектом памяти формы при ее нагреве и силы F_м отталкивания намагниченного цилиндрического клапана 8 при нагреве термочувствительного элемента 12 до температуры точки Кюри, принадлежащей температурному диапазону восстановления формы пружины 14, обеспечивается надежная фиксация и удержание клапана 8 у днища 2, что исключает возможность возникновения автоколебаний клапана 8 вследствие пульсации давления продукта в корпусе 1 при возникновении аварийной ситуации (при пожаре).

Тем самым достигается технический результат, а именно улучшение условий перемещения клапана внутри корпуса и фиксация его в положении перекрытия трубопроводной системы при возникновении аварийной ситуации, что повышает его надежность.

Источники информации

1. Белов К.П. Магнитные превращения. - М.: Физматгиз. 1959. - 259 с.

2. Хачин В. Память материалов. - М.: Наука и жизнь. Ежемесячный научно-техн. журнал, 1980, №3, с.2-9.