Выпускное сопло к газовому клапану

Выпускное сопло к газовому клапану

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к пожарозащитным предохранительным клапанам, а именно к выпускным клапанам, предназначенным для перепуска и сброса избыточного давления газов из емкостей пневмосистем в атмосферу, и может быть использовано как в промышленности, так и в быту. Изобретение направлено на повышение безопасной эксплуатации газовых комплексов водородной энергетики за счет подавления возгорания водородно-воздушной смеси при выпуске водорода при атмосферном давлении окружающей среды из различных объемов.

При внезапном выбросе газа повышенного давления в атмосферу из выходного отверстия используемых клапанов [1, 2] возникает сверхзвуковая струя. Температура газа падает по мере расширения струи, однако существуют причины для резкого локального повышения температуры за счет перехода механической энергии струи в тепловую энергию (нагрев истекающего газа в результате трения в пограничном слое; при неизентропическом торможении скачка уплотнения в стационарной струе; скачке торможения в импульсной струе; при взаимодействии струи с каким-либо препятствием; нагрев окружающей атмосферы в пусковой ударной волне и перемешивание горячего воздуха с истекающим газом на турбулизированной контактной поверхности). Таким образом, при выпуске газа из наполненных свыше нормы объемов (магистралей, резервуаров, баллонов) в атмосферу может произойти возгорание газа с последующим его взрывом и причиной этого является недостаток в конструкции выпускного сопла газовых клапанов, выполняемой, как правило, в виде цилиндрического патрубка (заявки № 95106192, № 92009343).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является конусообразное сопло выходного клапана по RU 2078272 С1 (прототип). Недостатком выпускного устройства прототипа является то, что по мере повышения сбрасываемого избыточного давления газа становится пожароопасной (взрывоопасной) зона истекающего в атмосферу газа.

Задачей изобретения является обеспечение безопасности эксплуатации газовыпускной системы резервуаров за счет управления волновой структурой истекающей импульсной струи применительно к уничтожению зон с температурой выше температуры воспламенения водородно-воздушных смесей.

Технический результат изобретения достигается управлением выхода расширяющегося газового потока из канала сбросного клапана, с использованием выпускного сопла, выполненного в виде соединенных между собой патрубка и сопла и имеющего на конце канала сопла отверстие крестообразной формы. Введение в геометрию канала выходного сбросного клапана отверстия крестообразной формы создает течение газа, когда взаимодействие волн разрежения и уплотнения газа и воздуха приводит к уничтожению прямого скачка уплотнения в потоке (ликвидации диска Маха) [3] и исключению возгорания газовоздушной смеси.

Максимальное уменьшение температуры зон выпускного газа происходит за счет использования сопла длиной L≈5 диаметрам канала выходного патрубка с крестообразной формой отверстия и отношением длины луча креста (а) к его ширине (в) к=а/в≈4. Газовый поток, встречая препятствие в виде зауженного крестообразного участка выходного сопла, вызывает отражение волны, поэтому, чтобы этого не происходило, площадь сечения крестообразного отверстия S₂ выбирается большей площади цилиндрического диаметра патрубка S₁. Целесообразно для этого сопло выполнить в начале конусообразно расширяющимся для обеспечения условия S₂>S₁.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически изображено устройство, состоящее из общего вида газовой емкости 1 с выходным патрубком 2 и соплом 3, на конце канала которого выполнено отверстие крестообразной формы; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - схема струй газа без использования выпускного сопла; на фиг.5 - схема с использованием выпускного сопла. Сверхзвуковое течение из канала патрубка тормозится на скачке уплотнения (диске Маха), что вызывает поток возвратно-движущегося газа и повышение температуры в зонах газовой струи, а использование выходного сопла крестообразной формы подавляет скачки уплотнения в струе газа.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

1. При превышении номинального давления в газовой емкости 1 срабатывает выходной предохранительный клапан и горючий газ поступает в канал выходного патрубка 2.

2. При проходе газа через патрубок возникает давление, которое обеспечивает сверхзвуковую скорость истечения газа. В результате разности давлений между атмосферным и внутри канала будет вырываться струя газа.

3. Проходя крестообразное отверстие сопла 3, газ формирует на выходе конусообразный факел струи с меньшим углом в вершине конуса, чем это имело бы место в случае использования сброса газа без сопла.

Предварительные опыты показали, что крестообразное отверстие сопла изменяет граничные условия истечения и влияет на характер взаимодействия вееров разрежения в потоке за ударной волной, что определяет структуру течения и характер возникновения скачков уплотнения в потоке, косых и прямых ударных волн, а также амплитуду пусковой ударной волны в воздухе. Проведенные расчетно-экспериментальные оценки позволили установить, что использование специального выходного сопла в выпускном клапане при сбросе избыточного давления с отверстием крестообразной формы исключает резкое повышение температуры (возникновение диска Маха) в струе газа и приводит к ослаблению пусковой ударной волны.

Предложенная конструкция выпускного сопла к газовому клапану удобна для использования и может выполняться в виде единого целого с выходным патрубком или съемной с использованием резьбовой втулки. Варьирование диаметром и длиной выходного сопла позволяет в широком диапазоне изменять параметры струи выпускаемого газа.

Таким образом, перечисленные новые существенные признаки, используемые в данном пожарозащитном сопле предохранительного клапана, позволяют повысить взрывобезопасность энергетических установок водородной инфраструктуры (комплексов по производству, аккумулированию, хранению, транспортировке) и надежность эксплуатации газовых клапанов в условиях повышенной опасности (наличие высоких температур и открытого пламени). Устройство отличается простотой конструкции и надежностью работы, имеет небольшие размеры, относительно дешево и не требует специальных материалов.

Источники информации

1. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование. М.: Высшая школа, 1988.

2. Е.Б.Столпнер, З.Ф.Панюшев. Справочное пособие для персонала газифицированных котельных. Л.: Недра, 1990.

3. Сизов A.M., Жигач С.И. и др. Фурма для продувки расплава газом, авторское свидетельство № 1137108.

1. Выпускное сопло к газовому клапану, выполненное в виде соединенных между собой патрубка и сопла, отличающееся тем, что на конце канала сопла выполнено отверстие крестообразной формы.

2. Выпускное сопло к газовому клапану по п.1, отличающееся тем, что сопло с патрубком соединено с помощью резьбового соединения.