Теплоизолятор объекта

Изобретение относится к теплоизоляционным, пожаростойким покрытиям, применяемым для защиты от высокотемпературных воздействий различных объектов. Теплоизолятор содержит изолирующие слои с закрепленным между ними волокном из материала с эффектом памяти формы, выполненным из ряда тонких проволок круглого сечения из эквиатомного титано-никелевого сплава. Каждая отдельная проволока волокна первоначально свернута в винтовую спираль и скручена относительно оси вращения в пластической области до деформации сдвига, близкой к предельной, на угол, определяемый по расчетной зависимости. Сплаву каждой отдельной проволоки задано фазовое превращение при критической температуре в раскрученную относительно оси вращения прямолинейную форму и развернутую винтовую спираль с числом витков вдвое меньше первоначального, проволоки в волокне эквидистантно сплетены между собой и закреплены между изоляционными слоями соединительными нитями, изоляционные слои и волокно прошиты соединительными нитями свободными стежками, изолирующие слои и соединительные нити выполнены из термостойкого арамидного композита. Изобретение обеспечивает усовершенствованную конструкцию теплоизолятора, обеспечивающую более эффективную защиту техники в экстремальных тепловых режимах, например при пожарах или высоких температурах в замкнутых объемах, имеет достаточную стойкость к агрессивным средам. 2 ил.

 

Изобретение относится к специальному машиностроению, а именно к теплоизоляционным, пожаростойким покрытиям, применяемым для защиты от высокотемпературных воздействий различных объектов, в том числе открытого пламени, для накрытия очага возгорания и лишения его доступа воздуха. Проблема повышения пожаростойкости объектов достаточно актуальна в связи с ростом объемов перевозок опасных грузов, реальностью террористических угроз, техногенных аварий, лесных пожаров и т.п.

Известно использование устройств предотвращения пожароопасных ситуаций: таких как средства пожаротушения в виде огнетушителей, покрытия пожароопасных объектов негорючими материалами, использование накидок, изготовленных на основе многослойных композиционных - металлических или волокнистых органических и неорганических соединений, имеющих в своем составе слоистое вспучивающееся огнезащитное покрытие [1, 2].

Известны устройства охлаждения, основанные на применении сплава с эффектом памяти формы со значительными экзо- и эндотермическими эффектами в них при охлаждении и нагреве в интервале мартенситных превращений [3].

Прототипом к заявляемому изобретению является слоистый композиционный материал, содержащий слои изолирующего материала с закрепленным между ними компонентом с эффектом памяти формы, который имеет свернутую (скрученную форму) при температуре выше температуры фазового перехода [4], позволяющее снижать температуру защищаемого объекта за счет уноса массы теплозащитного покрытия набегающим потоком воздуха.

Недостатками прототипа являются низкая эффективность практического применения (экзо- и эндотермических эффектов в них при охлаждении и нагреве в интервале мартенситных превращений [5]) в виду: неопределенности условий первоначального скручивания и точного состава материала, которые можно понимать как случайно выбранные, а также наличие препятствий для свободного восстановления формы, стремящейся изменяться при нагреве компонента с эффектом памяти формы, находящегося в композите. Кроме того, прототип не предусматривает возможность индикации персоналу о перегреве материала.

При этом в технике возникает потребность с максимальной эффективностью обеспечить теплоизоляцию и пожаростойкость объекта.

Данная задача может быть решена применением теплоизолятора объекта, сущность которого поясняется чертежами. На фигуре 1 изображен теплоизолятор объекта в исходном положении до начала фазовых превращений в сплаве с эффектом памяти формы, на фигуре 2 - внешний вид теплоизолятора объекта после окончания фазового превращения в сплаве с эффектом памяти формы.

Теплоизолятор объекта содержит изолирующие слои 1 с закрепленным между ними волокном из материала с эффектом памяти формы. Волокно из материала с эффектом памяти формы выполнено из ряда тонких проволок круглого сечения из эквиатомного титано-никелевого сплава, каждая отдельная проволока волокна первоначально свернута в винтовую спираль и скручена относительно оси вращения в пластической области до деформации сдвига, близкой к предельной, на угол, определяемый по зависимости φ=0,4·τ·D·G^-1·L^-1, где τ - предел прочности материала на кручение, D - диаметр проволоки, G - модуль упругости при кручении, L - длина отдельной проволоки, сплаву каждой отдельной проволоки задано фазовое превращение при критической температуре в раскрученную относительно оси вращения прямолинейную форму и развернутую винтовую спираль с числом витков, вдвое меньшим первоначального, проволоки в волокне эквидистантно сплетены между собой и закреплены между изоляционными слоями соединительными нитями 3, изоляционные слои 2 и волокно прошиты соединительными нитями свободными стежками, изолирующие слои 2 и соединительные нити 3 выполнены из термостойкого арамидного композита.

Теплоизолятор объекта работает следующим образом: в обычном режиме эксплуатации или хранении покрытие находится в плотно сжатом плоском виде или в рулоне при температуре ниже значения начала фазового перехода (критической, ниже 80-90°С) [5].

При воздействии на теплоизолятор объекта значительной тепловой нагрузки, превышающей расчетную, изолирующий слой 2, контактирующий с огнем, постепенно прогревается и передает тепло волокну 1 из материала с эффектом памяти формы, выполненному в виде тонких проволок круглого сечения из эквиатомного титано-никелевого сплава. Волокно 1 нагреваются до достижения критической температуры начала фазового превращения в материале. Материал волокна 1 претерпевает фазовое превращение и изменяет свою форму, т.е. разворачивается и приобретает заданную хаотично скрученную объемную форму. При этом расстояние между изолирующими слоями 2 увеличивается до расстояния, которое ограничивается изменением формы проволок, которые раскручиваются и стремятся приобрести прямолинейную форму. При этом значительная первоначальная деформация и силы трения отдельных проволок позволяют полностью восстановить форму до 60…80 процентов [5].

Объект нагревается до температуры, при которой происходит восстановление заданной по зависимости формы проволок волокон 1. Для сплава с эффектом памяти формы на основе, например, эквиатомной системы Ni-Ti эта температура для наиболее стабильных результатов восстановления составляет от 100°С до 150°С и может быть выбрана и установлена в зависимости от диапазонов температур предполагаемого перегрева [3, 5].

Восстановление формы проволок волокон 1 из скрученной в раскрученную относительно оси вращения прямолинейную форму обеспечивается силой термоупругости сплава и сопровождается термическим эффектом (в данном случае охлаждение на dT). dT=dH_п/C определяется энтальпией перехода dH_п и теплоемкостью сплава С [5]. Волокно 1 при нагреве выше критической температуры охлаждается, становится стоком избытка тепловой энергии и удаляют на расчетное расстояние поле интенсивных температур от защищаемого объекта.

Теплоизолятор объекта в режиме интенсивной терморегуляции (пожара) может работать ограниченное время, поглощая вполне определенное количество тепла. «Емкость» волокон, являющихся стоком тепла, пропорциональна количеству материала и может быть подобрана в соответствии с предполагаемыми перегревами.

Устройство эффективно при пожаре и предназначено для укрытия объектов от открытого пламени и высокой температуры, а также для накрытия очага возгорания и лишения его доступа воздуха. При этом в течение расчетного времени обеспечивает требуемый температурный режим и оперативный резерв времени для прибытия аварийно-спасательных команд.

После срабатывания покрытие приобретает волнообразную внешнюю форму и пассивно отводит тепло от объекта.

Значительные деформации внешнего изоляционного слоя покрытия могут служить индикатором для персонала о значительных температурах очага возгорания, что может эффективно снижать аварийность, особенно в авиации и на других мобильных и стационарных объектах.

Для приведения в исходную форму охлажденное до температуры ниже 20…30°С теплоизолятор объекта покрытие плотно сжимают [5]. При отсутствии значительных прогаров покрытия, после сжатия, устройство вновь готово к работе.

Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности, особенно при тушении очагов возгорания с большим количеством теплоты, и улучшении эксплуатационных характеристик ввиду возможности индикации персоналу о значительном нагреве. Положительный эффект обусловлен выполнением волокна из проволок со значительным скручиванием, степень которого определяется по расчетной зависимости, а также применением в качестве ограничителей соединительных нитей из арамидного композита [6].

Теплоизолятор объекта отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией, обеспечивающей более эффективную защиту техники в экстремальных тепловых режимах, например, при пожарах или высоких температурах в замкнутых объемах, имеет достаточную стойкость к агрессивным средам.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2091424 от 30.06.95 г.

2. "Цистерны". Устройство, эксплуатация, ремонт, Справочное пособие. - М.: Транспорт, 1990.

3. Патент РФ №2242844 от 20.12.2004 г.

4. Патент US №5804276 от 08.09.1998 г.

5. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна / Под ред. В.А.Займовского - М.: Металлургия, 1979 - 472 с.

6. Справочник по композиционным материалам. / Под ред. Дж.Любина; Пер с англ. А.Б.Геллера, М.М.Гельмонта. - М.: Машиностроение, 1988.

Теплоизолятор объекта, содержащий изолирующие слои с закрепленным между ними волокном из материала с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что волокно из материала с эффектом памяти формы выполнено из ряда тонких проволок круглого сечения из эквиатомного титано-никелевого сплава, каждая отдельная проволока волокна первоначально свернута в винтовую спираль и скручена относительно оси вращения в пластической области до деформации сдвига, близкой к предельной, на угол, определяемый по зависимости φ=0,4·τ·D·G^-1·L^-1, где
τ - предел прочности материала на кручение;
D - диаметр проволоки;
G - модуль упругости при кручении;
L - длина отдельной проволоки,
сплаву каждой отдельной проволоки задано фазовое превращение при критической температуре в раскрученную относительно оси вращения прямолинейную форму и развернутую винтовую спираль с числом витков вдвое меньше первоначального, проволоки в волокне эквидистантно сплетены между собой и закреплены между изоляционными слоями соединительными нитями, изоляционные слои и волокно прошиты соединительными нитями свободными стежками, изолирующие слои и соединительные нити выполнены из термостойкого арамидного композита.