Устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара и термозащитный кожух для него

 

Использование: противопожарная техника. Сущность изобретения: устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара содержит систему принудительной подачи воздуха с магистралью подачи воздуха и нормально открытым клапаном, имеющим привод, снабжено термозащитным кожухом и нормально закрытым клапаном, смонтированным параллельно с нормально открытым клапаном. Клапаны выполнены в виде пироклапанов и установлены внутри термозащитного кожуха. Каждый из пироклапанов снабжен механическим устройством срабатывания, выполненным в виде подпружиненного накольника с чекой. Чека нормально открытого клапана подпружинена и законтрена штифтом из материала с температурой плавления 105 - 120^oC. В термозащитном кожухе устройства для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, содержащем секционный корпус из огнеупорного материала с элементами крепления, в качестве огнеупорного материала выбран алюмофосфатный текстолит. Элемент крепления секций корпуса размещен внутри секционного корпуса и выполнен составным из двух подпружиненных частей, спаянных между собой припоем, имеющим температуру плавления 180 - 190^oC. 2 c. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для прекращения и возобновления подачи воздуха (кислорода) в герметичные отсеки при возникновении пожара.

Пожар на борту орбитальной космической станции или подводной лодки может привести к катастрофе.

Причинами пожара чаще всего являются короткое замыкание электрооборудования, электрический разряд, загорание пыли в вентиляционных трубопроводах.

При возникновении пожара необходимо прежде всего прекратить подачу воздуха (кислорода) в герметичный отсек.

Известны автоматическое устройство, содержащее индикаторы нарушений температурных режимов, выполненные, например, в виде биметаллического термореле, снабженного мощными контактными, позволяющими управлять исполнительными органами защиты либо непосредственно, либо через промежуточное реле. Такая система защиты предполагает наличие электропитания.

Однако пожар может произойти и при таких обстоятельствах, которые исключают возможность подачи электропитания в помещение, где возник пожар, например, вследствие короткого замыкания электрооборудования.

Известно автоматическое противопожарное устройство, имеющее регулирующий на тепло прибор, при действии которого приводится во вращение электродвигатель, вращение вала которого через подпружиненный рычажно-зубчатый механизм передается на поршни и связанные с ним клапаны. При этом один из клапанов перекрывает подачу газа, а другой открывает канал системы распыления огнегасящей смеси.

Недостатком такого автоматического противопожарного устройства является необходимость подвода электроэнергии.

Известно, что орбитальной космической станции ОКС Freedom обнаружение пожара предполагается и в открытой среде кабины, и для среды в замкнутых шкафах с оборудованием.

Каждый шкаф имеет магистраль подачи воздуха с клапаном. Подсистема обнаружения и тушения пожара рассчитана на автоматические обнаружение и тушение пожара во всех герметичных объемах ОКС и снабжена устройством для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки ОКС, принятым за прототип.

При обнаружении пожара в шкафах с оборудованием путем обнаружения дыма в них с помощью фотоэлектрических детекторов тот шкаф, в котором вспыхнул пожар, будет изолирован путем закрытия клапана магистрали подачи воздуха и выключения вентилятора.

Недостатком устройства-прототипа является наличие фотоэлектрических детекторов, снижающих надежность системы обнаружения пожара, вследствие того, что указанное устройство связано с системой электропитания. Кроме того, устройстве-прототипе нормально открытый клапан подачи воздуха не защищен термозащитным кожухом.

Известно применение пламезащитного кожуха для привода клапана на очистных и нефтехимических заводах. Такой пламезащитный кожух, принятый за прототип, состоит из секций, каждая из которых содержит коробчатый каркас с раздвигающимися металлическими боковинами. Центральная секция расположена на приводе клапана. Секции между собой герметично соединены с помощью ступенчатого фланца. Каркас каждой секции кроме зоны расположения ступенчатого фланца расположен в корпусе из огнеупорного материала. Корпус изготавливают путем вакуумного формования. Примерный состав огнеупорного материала: 60% волокнистого оксида алюминия и 40% кварцевого связующего вещества.

Указанный пламезащитный кожух способен поддерживать температуру внутри кожуха (в месте расположения привода клапана) не выше 90^oC в течение 15 мин при температуру снаружи кожуха порядка 1090^oC.

Недостатками пламезащитного кожуха-прототипа являются: возможность лишь одноразового срабатывания привода клапана, защищенного таким кожухом; сложность технологии изготовления указанного пламезащитного кожуха (процесс вакуумного формования требует специального оборудования, сложная конструкция каркаса каждой секции); кожух защищает лишь один привод клапана; большая масса пламезащитного кожуха вследствие значительной его металлоемкости, что можно допустить в наземных установках, но недопустимо в случае применения, например, в космической технике.

Для применения устройства для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, например, в космической технике требуется выполнение целевого ряда следующих специфических условий: допустимая температура на поверхности устройства в течение 30 мин возможна до 800^oC при максимально допустимой температуре 1200^oC в течение 10 мин; устройство должно автоматически прекратить подачу воздуха при достижении температуры окружающей среды 105 120^oC; негерметичность закрытого клапана при температуре окружающей среды (воздуха) 800^oC и рабочем давлении до 400 атм не должна превышать 2 см³ мин; устройство должно допускать возможность ручного принудительного открывания с целью обеспечения подачи воздуха.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, включающем систему принудительной подачи воздуха с магистралью подачи воздуха и нормально открытым клапаном, имеющим привод, снабжено термозащитным кожухом и нормально закрытым клапаном, смонтированным параллельно с нормально открытым клапаном, причем оба клапана выполнены в виде пироклапанов и установлены внутри термозащитного кожуха, при этом каждый из пироклапанов снабжен механическим устройством срабатывания, выполненным в виде подпружиненного накольника с чекой, причем чека нормально открытого клапана подпружинена и законтрена штифтом из материала с температурой плавления 105 120^oC.

В термозащитном кожухе устройства для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, содержанием секционированный корпус из огнеупорного материала с элементами крепления, в качестве огнеупорного материала выбран алюмофосфатный текстолит, причем элемент крепления секций корпуса размещен внутри секционированного корпуса и выполнен составными из двух подпружиненных частей, спаянных между собой припоем, имеющим температуру плавления 180 190^oC.

На фиг. 1 3 изображено предложенное устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара; на фиг. 4 и 5 принципиальное устройство термозащитного кожуха.

Изображенное на фиг. 1 3 устройство содержит магистраль (трубки) 1 подачи воздуха, термозащитный кожух, выполненный из двух секций 2 и 3, охватывающих параллельно смонтированные нормально открытый пироклапан 4 и нормально закрытый пироклапан 5, каждый из которых снабжен механическим устройством срабатывания, выполненным в виде подпружиненного накольника с чекой. При этом чека 6 накольника нормально открытого пироклапана 4, установленная в корпусе 7, подпружинена пружиной 8 и законтрена штифтом 9, выполненным из материала с температурой плавления 105 120^oC, например из полиэтилена высокого давления.

На фиг. 4 и 5 показана конструкция крепления секций термозащитного кожуха.

Секции 2 и 3 термозащитного кожуха изготовлены из алюмофосфатного текстолита, например из АФТ-2Н, и соединены между собой элементом крепления, выполненным в виде составного болта, одна часть 11 которого крепится к внутренней стенке термозащитного кожуха винтами, а другая часть 12 подпружинена пружиной 13 и соединена с частью 11 припоем 14, имеющим температуру плавления 180 190^oC, например, припоем ПОССУ 61-05. В секции 2 выполнено отверстие для установки гайки 15 составного болта. Части детали 11 и 12 болта выполнены, например, из меди.

Предлагаемое устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара работает следующим образом.

При возникновении пожара в герметичном отсеке, где установлена система пожаротушения, после автоматического срабатывания последней горение продолжается за счет остаточного кислорода, содержащегося в объеме герметичного отсека, и кислорода воздуха, под давлением прокачиваемого через предложенное устройство. Для прекращения подачи воздуха через нормально открытый пироклапан 4 при достижении температуры окружающей устройство среды 105 120^oC штифт 9 чеки 6 накольника нормально открытого пироклапана 4 расплавляется, после чего пружина 8, распрямляясь, выдергивает чеку 6. Подпружиненный накольник обеспечивает срабатывание нормально открытого пироклапана 4, закрывающего подачу воздуха в герметичный отсек.

Дальнейшее горение производит только за счет воздуха, оставшегося в отсеке. В течение этого времени устройство, находясь в среде с температурой порядка 800^oC сохраняет герметичность, так как температура обоих пироклапанов в течение этого времени не превышает 100^oC, что достигается в случае применения предложенного термозащитного кожуха из алюмофосфатного текстолита с толщиной стенки порядка 80 мм. Если время нахождения устройства при температуре окружающей среды 800^oC составляет 30 мин, то при толщине стенки теплозащиты из упомянутого материала 80 мм, температура поверхности пироклапанов не превысит 80^oC, что является для них нормальным и допустимым температурным режимом.

Это следует из решения задачи нестационарной теплопроводности для плоской пластины при следующих граничных условиях: x 0; v v₀ 800^oC и остается постоянной в течение всего времени прогрева, x l ∂v/∂x = 0, т.е. теплоотвод от внутренней поверхности кожуха равен нулю при t 0, v 0.

Решение уравнения имеет вид ,
где φ^* интеграл вероятности;
c = λ/ρc, где λ, ρ, c-соовтетственно коэффициент теплопроводности, плотность и теплоемкость материала стенки;
t время; l толщина стенки (80 мм); v(l) температура внутренней поверхности стенки кожуха через время, t 30 мин.

Подставляя приведенные выше значения в формулу, получают v(l) 80^oC.

Учитывая, что теплоподвод к клапанам от стенки кожуха идет теплопроводностью через тонкий слой воздуха, а излучением при v(l) ≅ 80^oC можно пренебречь, можно сделать вывод, что температура клапанов в конце нагрева будет ниже 80^oC, что с учетом того, что допустимая температура для пироклапанов составляет +130^oC, свидетельствует о достаточности термозащиты.

После того, как концентрация кислорода в воздухе упадет до примерно 10 горение прекращается и начинается остывание газов в помещении до нормальной температуры. Ввиду того, что к началу остывания температуцра наружной поверхности устройства составляет порядка 800^oC, а остывание воздуха в отсеке идет постепенно, то в течение этого времени за счет нестационарной теплопроводности в стенках термозащитного кожуха происходит перераспределение тепла, что может привести к тому, что даже при остывшем наружном воздухе температура внутри термозащиты может подняться до величины, превышающей 130^oC, что, в свою очередь, может привести к несанкционированному срабатыванию второго нормально закрытого пироклапана 5 или выходу из строя его пиропатрона. Для предотвращения этого предложенный термозащитный кожух состоит из двух секций 2 и 3, соединенных одна с другой составным подпружиненным болтом, выполненным из двух частей 11 и 12. При достижении внутри термозащитного кожуха температуры, равной порядка 180^oC, Припой составного болта расплавляется, и пружина 13 составного болта, разжавшись, раскрывает секции термозащитного кожуха, что сообщает внутреннюю полость последнего и, следовательно, пироклапаны с окружающей средой, температура которой к моменту раскрытия кожуха не превышает 50^oC. Это приводит к тому, что температура пироклапанов прекращает расти и поэтому не будет превышать допустимой.

В термозащитном кожухе-прототипе важно защитить привод клапана в течение 15 мин после возникновения пожара до его одноразового срабатывания. В предлагаемом устройстве после срабатывания нормально открытого пироклапана, закрывающего подачу воздуха в герметичный отсек, должен сработать нормально закрытый пироклапан для того, чтобы возобновить подачу воздуха в отсек. При достижении окружающей устройство газовой средой нормальной температуры после тушения пожара происходит процесс выравнивания температуры внутри термозащиты, который приводит к дальнейшему повышению температуры внутренней стенки термозащиты, что, в свою очередь, может привести к увеличению температуры клапана по сравнению с ее величиной на момент достижения окружающей газовой средой нормальной температуры. Для применяемых в предлагаемом устройстве пироклапанов, как и для клапанов с электрическим приводом, существует предельно допустимая температура, которая при условиях, описанных выше, может быть превышена, если не принять дополнительных мер.

В предлагаемом устройстве при достижении температуры внутренней стенки термозащиты заданной величины производится раскрытие термозащитного кожуха, что приводит к сообщению пироклапанов с окружающей газовой средой, имеющей к этому времени нормальную для работы пироклапанов температуру.

Приводят обоснование изложенного выше оценку изменения температуры припоя составного болта в процессе остывания термозащитного кожуха после достижения окружающей средой нормальной температуры.

Уравнение теплопроводности для составного болта имеет вид

где λ коэффициент теплопроводности частей 11 и 12 составного болта;
l расстояние от стенки до зоны пайки;
S-площадь сечения болта;
T_ст температура стенки;
T_п температура в месте пайки;
c теплоемкость;
M масса деталей 11 и 12.

Это приближенное уравнение достаточно точно описывает процесс нагрева припоя, если учесть, что к моменту начала остывания температура стенки и температура составного болта отличаются мало, поэтому можно пренебречь излучением и теплопередачей от стенки к составному болту через окружающий его воздух, т.к. T_п=T_ст при t 0.

Учитывая это, рассматривают динамику прогрева припоя, продифференцировав по времени обе части управнения

Учитывая, что начальные температуры припоя и стенки термозащиты примерно равны, т. е. при t 0, T_п≈ T_ст, потребуется, чтобы скорость роста этих температур при остывании термозащитного кожуха были примерно одинаковыми в любой момент времени до раскрытия секций термозащитного кожуха, т.е. чтобы ∂T_ст/∂t ≈ ∂T_п/∂t. Для проверки выполнения этого условия проводят оценку по порядку величины членов управления (2). Для того, чтобы правая часть этого уравнения стремилась к нулю, необходимо выполнение неравенства ρcl²/λτ ≪ 1, где τ время нагрева термозащитного кожуха от 80 до 180^oC (80^oC-начальная температура перед остыванием); t ≈ 0,5 ч; ρ- плотность металла составного болта; c- теплоемкость.

Подставляя численные значения величин с учетом, что материал деталей составного болта медь, получают ρcl²/λτ ≈ 0,07, т.е. неравенство выполняется.

Затем приводится оценка изменения температуры клапана при остывании термозащитного кожуха.

Начальная температура клапана примерно равна температуре внутренней стенки термозащитного кожуха, т. е. к моменту начала остывания последнего T_кл≈T_ст 80^oC. Так как клапан не имеет прямого контакта с термозащитным кожухом, то подвод тепла к клапану осуществляется по трем каналам:
по трубкам 1 подвода и отвода воздуха;
теплопроводностью через тонкий слой воздуха;
излучением со стенки термозащитного кожуха.

При малой разнице температур T_кл и T_ст двумя последними видами теплоотдачи можно пренебречь и подвод тепла идет в основном по трубкам 1.

При остывании, т. е. при нормальной температуре окружающей среды, наружный конец трубки охлаждается окружающим воздухом, и тепло от участка трубки, расположенного внутри термозащитного кожуха, отводится наружу по магистральному трубопроводу и к клапану.

Оценку нагрева клапана при остывании термозащитного кожуха проводят с учетом того, что та часть трубопровода, которая находится внутри кожуха, имеет температуру, близкую к температуре термозащитного кожуха. Нагрев пироклапана оценивается по приближенной формуле
McdT_кл/dt = λ/l_тр(T_тр-T_кл)S_тр,
где l_тр, T_тр, S_тр длина, температура и площадь поперечного сечения трубопровода; M масса пироклапана.

Расчет приводят для конкретного пироклапана на давление 400 атм, имеющего условный диаметр проходного сечения трубы, равный 10 мм.

Учитывая, что материал трубы и пироклапана нержавеющая сталь, а T_тр равна температуре тиермозащитного кожуха в некотором среднем сечении, получают, что
q = λ/l_тр(T_тр-T_кл)S_тр≈ 5 кал/с
Для рассматриваемого пироклапана M≈ 3 кг, c 0,1 ккал/кг · град. Тогда, так как McΔT ≈ qτ_кл, то находится время τ_кл, за которое будет достигнута предельно допустимая температура пироклапана, равная 130^oC
ΔT = 130°-80°= 50°.
Подставляя M 3 кг, c 0,1 ккал/кл·град g=5 кал/с, можно получить, что τ_кл= 3000 c ≈ 0,8 ч.
Отсюда следует, что τ_кл больше времени прогрева внутренней стенки термозащитного кожуха до T_ст 180^oC, которое равно ≈ 0,5 ч. Следовательно, раскрытие терморзащитного кожуха произойдет значительно раньше, чем температура пироклапана достигнет 130^oC, что позволит после окончания тушения пожара и остывания предлагаемого устройства возобновить подачу воздуха в герметичный отсек.

Таким образом, предлагаемое устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара и термозащитный кожух для него имеют следующие основные преимущества перед соответствующими устройствами-прототипами:
устройство позволяет обеспечить двухразовое срабатывание на закрытие и открытие подачи воздуха после пожара с сохранением герметичности и работоспособности после пребывания в газовой среде с температурой 800^oC в течение 30 мин с последующим пребыванием в газовой среде, остывающей от 800 до 50^oC;
устройство срабатывает на закрытие и открытие подачи воздуха высокого давления (до 400 кг/см) без потребления электрической энергии и применения средств электроавтоматики: переключателей, усилителей и т.п.

устройство позволяет поддерживать допустимую температуру пироклапанов, находящихся внутри термозащитного кожуха (не более 100 -130^oC в течение указанной выше циклограммы при произвольной по длительности паузе от момента достижения окружающей газовой средой нормальной температуры до открытия нормально закрытого пироклапана для возобновления подачи воздуха в помещение (отсек).

Формула изобретения

1. Устройство для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, включающее систему принудительной подачи воздуха с магистралью подачи воздуха и нормально открытым клапаном, имеющим привод, отличающееся тем, что устройство снабжено термозащитным кожухом с установленными в нем нормально закрытым клапаном, смонтированным параллельно с нормально открытым клапаном, причем оба клапана выполнены в виде пироклапанов, а каждый из пироклапанов снабжен механическим устройством срабатывания, выполненным в виде подпружиненного накольника с чекой, причем чека нормально открытого клапана подпружинена и законтрена штифтом из материала с температурой плавления 105 120^oС.

2. Термозащитный кожух устройства для прекращения и возобновления подачи воздуха в герметичные отсеки при возникновении пожара, содержащий секционированный корпус из огнеупорного материала с элементами крепления, отличающийся тем, что в качестве огнеупорного материала выбран алюмофосфатный текстолит, причем элемент крепления секций корпуса размещен внутри секционированного корпуса и выполнен составным из двух подпружиненных частей, спаянных между собой припоем, имеющим температуру плавления 180 190^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5