DK156675B - Skaerm til beskyttelse mod varme - Google Patents

Description

DK 156675B

Den foreliggende opfindelse angar en skærm til spredning af varmepâvirkning. Opfindelsen angâr især en skærm beregnet til beskyttelse af organer, som igennem relativ lang tid skal modstâ termiske stramme af vilkârlig in-5 tensitet, som kan nâ op pâ en særdeles haj temperatur (som i tilfælde af en brand eller af et overordentlig kraftigt termisk fænomen kan fare til temperaturer over-skridende 2000 °C).

Man mader denne type af fænomen, nâr f.eks. en brand 10 er ârsag til adelæggelse af et luftfartaj. 0g nâr æsker- ne indeholdende registreringerne af hændelserne under flyvningen bar være effektivt beskyttet for at kunne blive reddet. Det er netop vigtigt efter en ulykke at kunne redde disse æsker, sâledes at man kan fâ viden 15 om ulykkens ârsag.

Det kan ligeledes i mange a-ndre tilfælde være nyttigt at beskytte et hvilket som helst organ mod en intens varmestram under et temmeligt langt tidsforlab. Dette kan f.eks. foreligge for næsespidserne af rumfartajer 20 under genidtrædelsesfasen i atmosfæren eller for de léger eller andre lukkemekanismer beskyttende mod ild, som er anbragt i nærheden af en varmekilde, der spon-tant kan blive meget intens.

Man kender forskellige midler til beskyttelse over for 25 en kraftig varmestram. Blandt disse kan nævnes sâdanne, hvis effektivitet kun afhænger af den iboende isoleren-de egenskab af de materialer, hvoraf midlerne bestâr.

Ued visse anvendelser vil imidlertid de mængder, de rumfang eller de tykkelser, som det er nadvendigt at 30 anvende, være sa store eller prohibitive, at man taver med at anvende sâdanne midler. Men selv nâr disse faktorer ikke er afskrækkende under henvisning til den nadvendig-hed, som dikteres af omstændighederne, viser det sig - ' νΥ>

DK 156675 B

2 meget ofte, at disse midler trods ait i visse tilfælde forbliver uanvendelige til opretholdelse af en tilstræk-kelig lav temperatur i det organ, der skal beskyttes, i tilstrækkelig lang tid.

5 Nu har man for at opnâ dette sidstnævnte résultat, dvs.

at opretholde det organ, der skal beskyttes, f.eks. ved en maksimal temperatur pâ 100 °C, medens omgivel-sernes temperatur kan nâ op pâ eller overstige 1100 °C eller 2000 °C, foreslâet en skærm til spredning af varme-10 pâvirkriing, hvis yderligere fordel bestâr i, at man reducerer beskyttelsesskærmens tykkelse med mindst halv-. delenj idèt inan som reference anvender en skærm bestâende âf et klassisk isol€rrlngsmateriale.. En sâdan skærm er omtalt i fransk patent'skrift nr. 2 061 509, og den er 15 i hovedsagen ejendommelig ved, at den mellem den varme væg og den kolde væg bestâr af en lagdelt fordampnings-dei i kontakt med den kqlde væg, et lagdelt overhednings-element mellem fordampningsdelen og den varme væg og et lagdelt, porost ildfast element mellem overhednings-20 elementet og den varme væg, idet denne varme væg er gennemboret med âbninger, som tillader den mættede damp, der udvikles i fordampningsdelen under funktioneringen af skærmen, og som overhedes under passage gennem over-hedningselementet, at undslippe gennem ydersiden af 25 den varme væg.

Man ved, at i den fuldstændige fordampningsproces med overhedning, sâledes som det fremgâr af de sâkaldte Mollier-diagrammer (der er velkendte for fagmanden) er overhedningen af den dannede damp for en fastlagt 30 beskyttelsestemperatur lig med en foregelse af enthal-pien, som er givet ved forskellen i ordinaterne mellem skæringspunktet mellem de isobare kurver og mætnings-kurven og disses skæringspunkt med de isoterme kurver.

DK 156675B

3

Man kan med en skærm, sâledes som den er omtalt ovenfor, gennemfare en effektiv termisk beskyttelse, hvori den laveste temperatur ikke overskrider fordampningstempe-raturen for den væske, som er indesluttet i fordampnings-5 delen, under hele varigheden af denne fordampning, som f.eks. kan være 100 °C for vand ved det normale atmos-færetryk pâ 1 bar, gennem et tidsforlab, som er direkte proportional med mængden af dette vand indesluttet i den omtalte fordampningsdel.

10 Nu ma man straks régné med, at skant en sâdan skærm udviser visse fordele i forhold til skærmen ifalge den kendte teknik, og skant for en vis ansket beskyttelses-grad skærmens tykkelse ifalge det ovennævnte patentskrift klart er blevet reduceret, forbliver ikke desto mindre 15 problemet, at den stiller visse rumlige pladskrav, som ikke altid kan opfyldes, især nâr det drejer sig om at beskytte organer eller e-lementer, som i sig selv nadvendigvis og absolut er begrænset til et reduceret rumfang, som ikke kan tillade eller tolerere et yder-20 ligere, betydeligt og mærkbart pladskrav. Idet beskyt- telsen af sâdanne organer dog forbliver uundgâelig, og skærmen ifalge det nævnte patentskrift af dimensions-mæssige grunde pâ den ene side og af grunde knyttet til den relative stivhed af strukturen pâ den anden 25 side ikke egner sig, vil det for fagmanden være nadven- digt at finde en skærm med mindst mulig omfang pâ den ene side og af bajeligt materiale pâ den anden side.

Ovenfor omtalte skærm ifalge patentskriftet frembyder iavri gt et problem, nâr den temperatur, som det element 30 eller det organ, der skal beskyttes, normal! er under- kastet, er hajere end fordampningstemperaturen for den væske, som er inkluderet i fordampningsdelen (hajere end 100 °C, nâr det drejer sig om vand). Mængden af væske indesluttet i denne fordampningsdel forbruges 4

DK 156675 B

ved denne normale anvendelsestemperatur, og den kan normalt ikke genvindes, med mindre man har til râdighed, sâledes som det er forudset i omtalte patentskrift, et middel til i fordampningsdelen at recirkulere overhedet 5 damp efter dennes kondensation. Dette middel er dog en lesning, som ikke nedvendigvis er tilfredsstillende i aile tilfælde. Der er sâledes stor risiko for, at der i tilfælde af en ildebrand, ikke er den tilstrækkelige mængde væske i fordampningsdelen, hvis rolle og funktion 10 er af grundlæggende betydning for beskyttelsens effekti- vitetsniveau. For fagmanden er det derfor ligeledes af betydning at kunne disponere over en fordampningsdel, der er tilfredsstillende fyldt med væskë ved hvilken som helst temperatur, 15 Endelig har de ildfaste elementer, som indgâr i sammen-sætningen af skærmen ifelge patentskriftet en dârlig reaktion pâ meget heje feemperaturer (lig med eller hejere end 2000 °C), hvilket viser sig ved deres nedbrydning.

En lesning af dette problem er ligeledes vigtigt.

20 Ifelge den foreliggende opfindelse lases imidlertid disse tre problemer ved anvendelse af en skærm til spred-ning af varme af den i fransk patentskrift nr. 2 061 509 beskrevne type, dvs. af en type som beskrevet i krav l's indledning, hvilken skærm er ejendommelig ved det 25 i den kendetegnende del af krav 1 anforte.

Som eksempler pâ materialer, som indgâr i udforelses-formerne for en skærm ifolge opfindelsen, kan man nævne: kolloidalt siliciumoxid som det pulverformede materiale, der er beregnet til at absorbere og fastholde en 30 væske til dannelse af en pasta eller en gel med kraf- tige thixotropiske egenskaber; 5

DK 156675 B

fibrose, lærredsagtige eller vævede materialer af ildfaste fibre, sâsom af sten, af keramisk materia-le eller af analoge materialer til dannelse af det bojelige materiale af typen filt, mâtter eller fiber-5 netværk; vilkârlige elastomere her især silicone-elastomere, som eventuelt er armerede med fibre, med lærreds-materiale eller med vævet materiale af ildfaste stof-fer eller analoge for de bojelige beklædningselemen-10 ter.

Ved en mulig udforelsesform omfatter den ydre overflade et fyldstof, der er i stand til at give en endoterm reaktion med den fordampede og overhedede væske stammende fra fordamper-overheder under forlobet af det termiske 15 angreb.

Som materiale, der sammen med den fordampede og overhedede væske fra fordamper-overhederen giver en endotherm reaktion, kan der med fordel vælges carbon-

Man ved, at carbon sammen med vand ved' haj temperatur 20 forer til den velkendte reaktion, der betegnes som vand- gasdannelse, og som er kraftigt endoterm. I det folgende kan man se betydningen af en sâdan endoterm reaktion ved en beskyttelse mod angreb af overordentligt kraftige varmepâvirkninger. 1 2 3 4 5 6

André ejendommeligheder og fordele knyttet til den fore- 2 liggende opfindelse vil fremgâ af den efterfolgende 3 beskrivelse, der skal ses i sammenhæng med vedlagte 4 tegning, der er en skematisk illustration af en skærm 5 ifolge opfindelsen, som er monteret pâ væggen af et 6 element, der skal beskyttes.

6

DK 156675 B

I denne tegning er v/ist i snit og skematisk det element 1, der skal beskyttes, pâ hvilket er fæstnet ved et hvilket som helst velkendt middel, sâsom ved oplimning, t> 5 ver overtrækning eller pâ anden mâde et beklædningslag 2; idet dette beklædningslag i sig selv tjener som under-stotning for selve hydratisator-overhederelementet 3; der med fordel kan bestâ af en bojelig, fiberbaseret armering, der er imprægneret med en pasta eller en gel 10 baseret pâ et stof med kraftige thixotrope egenskaber og en væske, hvis fordampningstemperatur er en funktion af den temperatur, som man ensker, at det element, der skal beskyttes, opretholder, eller af en bejelig, fiber-holdig armering, i hvis indre et sâdant stof er helt 15 ensartet fordelt i pulverformig tilstand, som er beregnet til med væsken med fastlagt fordampningstemperatur at danne den omtalte gel med kraftige thixotrope egenskaber.

Fordampnings-overhederelementet 3 er pâ sin side beklædt med et beklædningslag 4 af en struktur eller af en sammen-20 sætning, som kan være identisk med eller forskellig fra laget 2.

Lagene 2 og 4 er med fordel sammensat af elastomerer af en type, f.eks. silicone-elastomerer, som eventuelt er armeret med ildfaste fibre i form af mâtter, filt 25 eller vævet materiale, eller af et ildfast materiale- sâsom kvarts eller lignende. Disse lag fæstnes ved lim-ning eller pâ en hvilken som helst anden passende mâde henholdsvis pâ de underliggende elementer 1 og 3, der tjener som understotning deraf. 1

Baseret pâ arten og bejeligheden af de elementer, som udgor den sâledes fremstillede skærm ifolge opfindelsen, er det muligt, at denne fuldstændig slutter sig til konturerne af det element, der skal beskyttes, under

DK 156675 B

7 optagelse af den mindst mulige plads, idet man opnâr en betydelig beskyttelseeffektivitet med den mindst mulige tykkelse, hvilket vil fremgâ af de efterfalgende eksempler.

5 Det fænomen, ved hvilket man anvender en skærm ifalge opfindelsen, er som falger, idet man tager det tilfælde, hvor fordampnings-overhederelementet 3 er baseret pâ en vandig gel af kolloidal siliciumoxid: Nâr den ydre overflad af elementet 4 udsættes for angreb 10 af en intens varmestram (hvis temperatur kan nâ op pâ 1100 °C), og det hele befinder sig ved tryk pâ 1 bar, vil, idet denne varmestram nâr fordampnings-overhederelementet 3, dette udlase pâ den ene side ved det pâ-gældende tryk fordampningen af væsken indeholdt inden 15 i dette element (dvs. vandet i det foreliggende eksempel), og pâ den anden side overhe'dningen af den sâledes frem-stillede damp som derved fjerner den maksimale energi-mængde igennem elementet 4, som er blevet porast under indvirkning af dette varmeangreb. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Under det samlede procesforlab af fordampning og overhed- 2 ning fremkalder overhedningen af dampen en enthalpi- 3 foragelse, som er givet ved forskellen mellem den stabi- 4 liserede damptemperatur ved den kolde vægs niveau og 5 den maksimale temperatur for dampen, nâr den forlader 6 den termiske beskyttelse. Man vil heraf let forstâ, 7 at jo starre angrebsvarmestrammen er, desto starre vil 8 mængden af energi fjernet gennem det aktive materiale 9 være. Man opnâr yderligere en effektiv termisk beskyt 10 telse, ved hvilken den laveste temperatur ikke overskri- 11 der fordampningstemperaturen for den væske, som er inde- sluttet i fordampnings-overhederelementet, hvilket gælder under hele varigheden af denne fordampning, og som f.eks. kan være 100 °C for vand ved et atmosfærisk tryk pâ 8

DK 156675 B

1 bar igennem et tidsforleb, som er direkte proportional med mængden af dette vand inkluderet i fordampnings-over-hederelementet, uafhængigt af det termiske angreb.

Det fremgâr sâledes umiddelbart, at man kan definere 5 den laveste beskyttelsestemperatur gennem fordampnigs- temperaturen af den i fordampningsdelen indesluttede væske og/eller gennem det tryk, som denne fordampningsdel er underlagt.

Idet man stadig anvender vand som den i fordampningsdelen 10 indesluttede væske, ved man f.eks., at dette vand fordam- per ved ca. 17 °C under 0,02 bar, og at derfor den besky ttelsestemperatur , som man vil kunne opnâ, befinder sig mellem 17 °C og 100 °C under en tryk-variation mellem 0,02 og 1 bar, idet den angribende varmestrem stedse 15 er i sterrelsesordenen 1100 °C eller hojere.

Opfindelsens interesse er sâledes klar for fagmanden, især inden for rumfart (tilbagekomst til atmosfæren af et rumfartaj med en variation af trykket fra ca.

0,02 - 1 bar).

20 Udover arten af de væsker, som indesluttes i fordampnings delen, og som tillader pâ denne mâde at definere forskel-lige beskyttelsestemp«rturomrâder, bestemmer mængden af denne væske beskyttelsens varighed.

Under hensyntagen til selve konstruktionen af fordampnings-25 delen, er det dog muligt at forudse genopladning af sidstnævnte med en væske, idet det stof, som den er dannet af, er kraftigt vandsugende og med væsken danner en gel med kraftige thixotrope egenskaber.

Skærmen ifalge opfindelsen kan sâledes fra begyndelsen 30 bestâ af enten en allerede dannet gel udgerende fordamp-

DK 156675 B

9 nings-overhederelementet og (idet der henvises til teg-ningens afsnit 2) en tilforselsledning for væsken 5, sorti stammer fra et réservoir 7, og med en cirkulations-pumpe 6, der er styret automatisk i afhængighed af den 5 forbrugte væskemængde og/eller af temperaturen, eller af en substans beregnet til at danne denne gel til an-vendelesestidspunktet, idet denne substans befinder sig fordelt i pulverformig tilstand pâ et underlag (f.eks. pulverformig siliciumoxid) og det samme tilforselssystem 10 for væske. En sâdan udfarelsesform tillader pâ et vil- kârligt tidspunkt at afhjælpe og kompensere de væsketab, der kan forekomme under det termiske angreb, som vil kunne være af mindre voldsomhed, men som dog vil fore til fordampning af den i fordampnings-overhederen inde-15 sluttede væske.

Spredningen af energien kan iovrigt yderligere forstærkes ved, at man for beklædningselementet 4 vælger et ela-stomer-materiale, som tvangsmæssigt bliver porost ved forhojet temperatur, og som yderligere er i stand til 2'Cf at udvide sig, hvilket letter denne bortledning.

Det vandtætte element 4 kan pâ fordelagtig mâde og ifol-ge en udferelsesform i sin opbygning og sin konstruktion indeholde en substans eller en forbindelse baseret pâ carbon, og som i det særlige tilfælde af vanddamp forer 25 til en kraftigt endoterm reaktion (vandgasdanneisen) som absor.berer energi, der skal fjernes.

De efterfolgende eksempler belyser opfindelsen.

Disse resultater er opnâet gennem forsog bestâende deri, at man underkaster et provestykke indeholdende den ter-30 miske beskyttelse ifolge opfindelsen en varmestrom, som simulerer en carbonhydrid-brand, idet man placexer disse provestykker 1 m over et flammeleje (ca. 900 °C;), og idet man anbringer regelmæssigt fordelte termoelementer

DK 156675 B

10 mellem det ydre overfladelag og beskyttelsen pâ en sâdan mâde at man under forsagets forlab kan registrere tempe-raturen pâ forskellige punkter i pravestykket.

EKSEMPEL 1 5 Beskyttelse af beholdere

Forsaq med en beholder med diameteren 650 mm: Définition af pravestykket;

Understattelse : En spoleformet beholder af glasfiberar- meret epoxiformstof med diameteren 650 mm og ca. 1 m's længde.

Beskyttelse : Tykkelse 25 mm - den samlede varmebeskyt- telsesmasse: 101 kg.

7 Termoelementer er ensartet fordelt anbragt mellem behol-derens ydre overfladelag og den termiske beskyttelse.

15 Résultat af forsaqet:

Stabilisering pâ de 7 temperaturmâlepunkter pâ beholde-ren ved 100 °C - 10 °C efter 2 timers eksponering _ -samme niveau gennem 4 timer ved 100 °-C - 10 °C.

det varmeste punkt nâr temperaturen 110 °C efter 6 timers 20 eksponering over for varmestrammen. For at gennemfa- re dette var det nadvendigt at anvende 1400 1 brændstof.

Det skal bemærkes, at under disse forsagsbetingelser og med den samme tykkelse, sikrer de bedste hidtil kendte materi-aler en beskyttelse i starrelsesordenen 1 time, hvilket 11

DK 156675 B

f.eks. ville være tilfældet med den samme tykkelse for en skærm, som var blevet udfart i overensstemmelse med fransk patentskrift nr. 2 061 509.

EKSEMPEL 2 5 Mekanisk beskyttelse af konstruktionsmaterialer:

Forssg med to brandsikkerhedsgangbroer pâ off-shore-plat-f orm i______

Anvendt materiale:

Det anvendte forsogsmateriale er identisk med materialet anvendt ved beholder-forsegene.

Gangbroerne, som er anbragt 1 m over flammelejet (afstand mellem understottelsespunkterne 1 m), underkastes imidler-tid derudover en kraft pâ 500 daN (hvilket simulerer passage af en redningsmand belastet med en sâret), som pâfares 15 i midten af hver gangbro over en overflade pâ 300 x 300 mm.

·» Définition af pravestykkerne:

Underlag : En tremmevæg af letmetal • - (type I : uden perforeringer ) (type II: med perforeringer) 2° Dimensioner: 1080 x 300 mm - tykkelse 25 mm

Beskyttelse: lldfyldning af hulrummene i tremmevæggen ved hjælp af materiale ifelge opfindelsen (in-gen beskyttelse pâ den ovre overflade af gangbroen) 1

Prsvestyk- kernes masse : Type I : 14,215 kg

Type II: 13,545 kg.

12

DK 156675 B

Forsaqsresultat: Mâling af temperaturen pâ den ikke beskyttede overflade af pravestykkerne:

. Efter 1 times eksponering : Type I = 115 °C 5 Type II = 15G °C

. Efter 1 1/2 times eksponering: Type I = 140 °C

Type II = 200 °C

mâling af nedbajningsforagelsen midt pâ pravestykkerne efter 1 1/2 times eksponar-ing med varmestrommen: T0 , Type I : 4 mm . Type II: 9 mm henholdsvis ved forsogets afslutning en total nedbajning o —Pa: ----- · ----- . 14 mm for type I 15 . 19 mm for type II.

Den anfarte kritiske nedbajning for disse pravestykker er 22 mm.

Som et sammenligningsforsag blev disse tremmevægge afpravet under de samme betingelser: 20 - Uden termisk beskyttelse: nedsmeltning efter 6 minutters eksponering med en termisk beskyttelse baseret pa mineraluld: nedsmeltning efter 12 minutters eksponering.

Ovenstâende resultater farer til falgende konklusioner: 25 En skærm ifalge opfindelsen har vist sig i vidt omfang over-legen i forhold til hidtil anvendte isoleringsbeklædninger 13

DK 156675 B

takket være sin evne til at stabillsere temperaturen 1 nær-heden af fordampningstemperaturen for den væske, som er inde-sluttet i fordampnings-overhederelementet (100 °C nâr det dre-jer sig om vand) samt gennem varigheden af dens effektive 5 virkning. Den kan ligeledes grundet sin struktur og sin sammensætning efter enske blive fyldt med eller genfyldt med væsken, der skal fordampes, sâledes at man stadig har til râdighed den nadvendige eller tilstrækkelige mængde af en sâdan væske.

10 Under henvisning til disse resultater er anvendelsesmulig- hederne meget vigtige og omfattende: rumfartsomrâdet, petro-kemisk industri og i almindelighed en hvilken som helst sek-tor, hvor problemet vedrerende bekæmpelse af brand eller pâvirkning af intense varmestremninger stadig har vist 15 sig at være kritisk.

Derudover ville man kunne anvende materialer, som op til nu er forbudt at anvende til gennemfarelsen, konstruktionen aller færdiggar-elsen af systemer eller elementer til syste-mer, nâr der foreligger en brandfare, i forbindelse med en 20 beskyttelse gennemfert ifelge opfindelsen, sâledes som f.eks. anvendelsen af glas-formstof sammensatte materialer pâ boreplatforme til sas.

Claims (5)

1. Skærm til spredning af varme af typen omfattende en sâkaldt "kold" overflade bestemt til at placeres i kontakt med en væg, der skal beskyttes mod varme, 5 og en sâkaldt "varm" overflade tilpasset til at blive udsat for en sâdan varmepâvirkning, samt, mellem disse to overflader, midler bestemt til at tjene som fordamp-nings- og overhedningsdel, kendetegnet ved, at den omfatter: 10. som sin kolde overflade et lag af et fleksibelt po- lymermateriale (2), der eventuelt er armeret med et fibrast materiale, som fordampnings- og overhedningsdel (3) en flek-sibel, ikke vævet type af materiale, filt eller net-15 værk af ildfaste fibre, der tjener som bærelag eller armering for et uorganisk materiale i pulverform tilpasset til at absorbere og fastholde en væske til dannelse af en pasta eller gel med kraftige thixotrope egenskaber, hvilken væske ved normalt 20 tryk har et kogepunkt lig med den temperatur, ved hvilken det element, der skal beskyttes, skal holdes, som sin varme overflade et lag af et fleksibelt ela-stomer-materiale (4), der eventuelt er armeret med fibrast materiale, og som er placeret direkte pâ 25 fordampnings- og overhedningsdelen, og hvilket elastomermateriale bliver porest ved temperaturer hajere end væskens kogepunkt, sâledes at vssken kan fordampe ved det omgivende tryk.

2. Skærm til spredning af varme ifalge krav 1, k e n - 30 detegnet ved, at den varme overflade omfatter et fyldstof til at reagere endotermt med den fordampede og overhedede væske. ί.'-ϊ", ι.Γ: \ ι ·*Λ DK 156675 B

3. Skærm til spredning af varme ifelge krav 1, k e n -detegnet ved, at materialet til at absorbere og tilbageholde væsken.til dannelse af en pasta eller . 5 gel med kraftige thixotrope egenskaber er siliciumoxid.

4. Skærm ifolge krav 2, kendetegnet ved, at materialet, der reagerer endotermt med den fordampe-de og overhedede væske fra den hydratiserende og over-hedende væske, er carbon.

5. Skærm ifolge ethvert af kravene 1-4, k e n d e - t e g n e t ved, at der findes midler til at tilfare væske t,il fordampnings- og overhedningsdelen under varme-pâvirkningen.