Vorrichtung zur Unterdrückung von Staub- und/oder Gasexplosionen

Abstract

 Zur Unterdrückung von Staub- und/oder Gasexplosionen in industriellen Anlagen werden Löschmittel aus einem Behälter (100), durch rasches Öffnen einer Klappe (1), unter einem Druck (p) in den Explosionsraum (12) eingeblasen.
Zur Elimination pyrotechnischer Elemente und zur Beschleunigung des Ansprechsverhaltens ist ein Auslösemechanismus (80) vorgesehen, welcher über einen Schieber (84) Rollen (61-64) bewegt. Dadurch wird ein Hebel (42) entriegelt, der seinerseits, über eine Kraftuntersetzung die auf einem kippbaren Sims (9) aufliegende Klappe (1,5) entriegelt und das unter dem Druck (p) stehende Lösmittel freigibt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Vorrichtungen zum Explosionsschutz in der Industrie beruhen in der Regel auf einer Explosionsunterdrückung oder auf mechanischen und/oder chemischen Sperren.

[0003] Notorisch bekannt ist die Explosionsunterdrückung mittels Stickstoff und Löschpulver, beispielsweise Amoniumphosphat oder Natriumbikarbonat (Lebensmitteltechnologie).

[0004] Dabei werden der Druckanstieg und/oder die Temperatur im explosionsgefährdeten Raum ständig überwacht und bei der Detektion beispielsweise einer Staub- oder Gasexplosion, mit dem diese begleitenden inneren Druckanstieg, Löschmittel unter einem Druck von zirka 60 bar aus einem Behälter in den Explosionsraum geblasen, was die Explosionsflamme weitgehend auf chemischer Basis löscht. Durch die Vermengung mit Löschpulver wird auch das übrige, noch nicht verbrannte Gemisch im Raum reaktionsunfähig, so dass die Gefahr von weiteren Verpuffungen gebannt ist.

[0005] Die bekannten Löscheinrichtungen weisen relativ hohe Ansprechzeiten auf; das Zeitintervall bis zur Öffnung der Ausblasmündung des Löschmittelbehälters liegt in der Grössenordnung von mehr als 5 Millisekunden. Dies bedeutet, dass sich die Explosionsflamme bereits weiter ausgedehnt hat als auf Grund der kurzen Ansprechzeit des die Explosion detektierenden Sensors nötig wäre.

[0006] Im weiteren erfolgt die Auslösung in den meisten Fällen durch einen pyrotechnischen Zünder, was inhärente, zusätzliche Verzögerungen verursacht und auch ein gewisses Sicherheitsrisiko in sich birgt. Ebenfalls beinhalten derartige Auslösevorrichtungen oft abgesprengte, mechanische Teile, welche in den Ausblasstrom des Löschmittels gelangen und dadurch zu eigentlichen, gefährlichen Geschossen werden.

[0007] Beim Export von Industrieanlagen sind pyrotechnischen Einrichtungen, sowohl aufgrund von Einfuhrbestimmungen als auch durch den Transportweg zum Einsatzort selbst, Schranken auferlegt, dies insbesondere dann, wenn eine gesetzlich vorgegebene Detonations-Energie überschritten wird.

[0008] Zudem sind Einrichtungen bekannt, welche nur in einer bestimmten Einbaulage, beispielsweise vertikal oder horizontal funktionieren.

[0009] Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, welche ohne pyrotechnische Mittel betriebssicher und lageunabhängig funktioniert. Zudem soll die Ansprechzeit verringert werden und es sollen keine Teile in die Strömung des Löschmittels gelangen können, welche in irgend einer Form gefährlich oder störend sind. Die Vorrichtung soll auch in bereits bestehende Industrieanlagen integrierbar sein und in ihren Abmessungen nicht oder nur unwesentlich grösser sein als bekannte, pyrotechnische Einrichtungen.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0011] Per im Anspruch erwähnte Riegel mit kippbarem Sims ist kinematisch günstig; er erlaubt mit einer geringen Auslöseenergie die Verschlussklappe des unter Druck stehenden Löschmittelbehälters zu öffnen, wobei nach der kurzen Kippbewegung des belasteten Sims die zur vollständigen Öffnung der Klappe erforderliche Energie durch den Gasdruck des Löschmittels aufgewendet wird. Im weiteren gelangen keine abgesprengten Teile in den Ausblasstrom, so dass die Gefahr von Verletzungen und/oder Beschädigungen weitgehendst ausgeschlossen ist.

[0012] In nachfolgenden abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands beschrieben.

[0013] Die Ver- und Entriegelung mittels einer zylinderförmigen Rolle, Anspruch 2, erfordert nur minimale Auslösewege und Energien.- Zur Freigabe des Hebels genügt eine Drehbewegung der Rolle auf ihrer Auflagefläche von 45°. Die Sicherheit der Auslösung lässt sich durch eine Ausführung

[0014] gemäss Anspruch 3 erhöhen.

[0015] Reihen weise angeordnete Rollen, auf welche eine seitliche Kraft einwirkt, Anspruch 4, neigen zum abheben (bzw. kollabieren) von ihrer Auflagefläche und erfordern deshalb lediglich eine geeignete Wegfreigabe zur Auslösung, vgl. Anspruch 5.

[0016] Die Auflagefläche lässt sich leicht den Raumverhältnissen anpassen.

[0017] Besonders einfach und wirtschaftlich ist die Ausführung nach Anspruch 6, welche zwei Versperr-Rollen freigibt.

[0018] Die konstruktive Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist kinematisch besonders günstig; es entsteht an den kräfteübertragenden Elementen weitgehend Rollreibung, so dass trotz hoher Kraftuntersetzung nur geringe Verluste resultieren. Zudem erlaubt diese Lösung eine einfache Prüfung der Vorrichtung auf ihre Funktionsicherheit.

[0019] Ein Linearmotor, Anspruch 8, bewirkt eine optimale Auslösung der Entriegelung.

[0020] Bevorzugt, aufgrund seines ausgezeichneten Verhaltens und der hohen Impulsleistung ist eine Ausführung auf der Basis des Anspruchs 9.

[0021] Durch eine Energiespeicherung in einem Ladekondensator lässt sich die Antriebsenergie optimal bereitstellen; vgl. Anspruch 10.

[0022] Nachfolgend werden anhand von Zeichnungen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

eine Funktionsskizze einer Vorrichtung zur Unterdrückung von Staub- und/oder Gasexplosionen,

Fig. 2

eine realisierte Vorrichtung nach Fig. 1, in perspektivischer Teilschnittdarstellung, in gesichertem Zustand,

Fig. 3

eine vergrösserte Detaildarstellung des Auslösemechanismus Fig. 2 und

Fig. 4

eine Variante eines kippbaren Riegels.

[0023] Die Darstellung Figur 1 zeigt das Prinzip der Ventilmechanik und ist nach den Methoden der Getriebesystematik gezeichnet.

[0024] Mit 1 ist hier eine Verschlussklappe, in geschlossenem Zustand bezeichnet. Diese Verschlussklappe 1 ist mit dem Innendruck eines Löschmittelbehälters belastet, so dass auf das Gesamtsystem I der Klappe 1 eine Kraft F von zirka 30 kN wirkt. Da die Klappe 1 einseitig gelagert ist verteilt sich die Kraft F auch auf das Gegenlager, d.h. auf den Verschlussmechanismus II wirken nur 15 kN. Der somit mit 15 kN belastete Verschlussmechanismus erfährt an einer Hauptfalle 20, aufgrund von Hebelwirkungen, eine Kraftuntersetzung im Verhältnis 1:10. Am Gelenkpunkt III wirkt daher noch eine Kraft von 1,5 kN. Die nachgeschaltete Auslösewelle reduziert diese Kraft nochmals auf 170 N; ebenso eine anschliessende Rollenauslösung 60 mit Auslösemechanismus 80, so dass die notwendige Kraft A zum Öffnen der Verschlussklappe 1 noch lediglich 0,5 N beträgt.

[0025] Ein praktisch realisiertes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 zu sehen, wobei hier eine notorisch bekannte Druckgasflasche mit 100 bezeichnet ist, welche ebenfalls bekannte Löschmittel Füllvorrichtungen und Druckwächter enthält.

[0026] Die Druckgasflasche 100 weist einen rotationssymetrischen Hals 101 auf; dessen Mündung ist durch eine aus zeichnerischen Gründen ausgefahrene Verschlussklappe 1 - mit in einer Nut 4 und nicht dargestellten Dichtungen - verschlossen.

[0027] Das Gehäuse der Vorrichtung ist mit 11 bezeichnet, das als Support eingesetzte Teil des Gehäuses mit 11a.

[0028] Die Klappe 1 weist auf einer Seite zwei Lager-Bohrungen 2 mit eingeschobenen Lagerzapfen 3 auf. Den Lager-Bohrungen 2 gegenüberliegend befindet sich ein nasenförmiger Vorsprung 5, welcher auf einem Riegel 6 ruht.

[0029] Der Riegel 6 besitzt ein maschinenfestes oberes Teil 7, in welches ein unteres, schwenkbares Teil 8 greift. Das Teil 8 besitzt ein schmales Sims 9, auf welchem der Vorsprung 5 der Klappe 1 aufliegt. Beweglich ist das Teil 8 an Drehflächen 10 des Riegels 6.

[0030] Der Riegel 6 seinerseits weist, einstückig angeordnet eine Hauptfalle 20 auf, welche mit dem Ende eines Auslegers 21 in eine nutförmige Ausnehmung 41 eine Auslösewelle 40 greift. Die Auslösewelle 40 besitzt stirnseitig einen Hebel 42 mit einer klinkenförmigen Auflagefläche 43, welche Auflagefläche formschlüssig auf einer vorderen Rolle 61, einem zylinderförmigen Stift, aufliegt.

[0031] Linienförmig berührend sind drei weitere Rollen 62,63,64 an der Rolle 61 angeschlossen. Das Ganze ist Bestandteil einer Auslösung 60; die mittleren Rollen 62 und 63 werden durch eine Kulissenplatte 84 niedergehalten; die beiden endseitigen Rollen 61 und 64 können sich aufgrund der übrigen Konfiguration nur in Quer-Richtung, d.h. normal zu ihrer Auflagefläche bewegen.

[0032] In der Kulissenplatte 84 befindet sich eine schräg angeordnete Kulisse 85, in welche ein nockenartiger Querbolzen 82 eingreift.

[0033] Angetrieben wird die Kulissenplatte 84 über den Querbolzen 82 und einen Stössel 81 durch einen Linearmotor 90, welcher kurzzeitig die Auslösekraft A bereitstellt.

[0034] Gespeist wird der Linearmotor 90 über Anschlussleitungen 35 von eine Quelle 34 mit zwischengeschaltetem Ladekondensator 33 über ein elektronisches Relais 32, welches über eine Signalverstärkung 31 mit einem notorisch bekannten, physikalische Grössen überwachenden Sensor 30 angesteuert wird.

[0035] Symbolisiert sind die bei einer Explosion auftretenden und/oder rasch ändernden Grössen durch ν = Strahlung; es können aber auch andere und/oder zusätzliche Parameter sein wie p = Druck oder T = Temperatur, etc.

[0036] Unterhalb des Hebels 42 befindet sich ferner ein Test-/Sicherungstift 15 mit einer Feststell-Schraube 16, deren Funktion in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird.

[0037] Wird im zu überwachenden Raum eine explosionsgefährliche Mischung 12 festgestellt, so sprechen ein oder mehrere Sensoren 30 an und aktivieren den Linearmotor 90 in Pfeilrichtung A.

[0038] Betrachtet man Fig. 3, so ist hier, in vergrösserter Darstellung der Auslösemechanismus 80 aus Fig. 2 zu erkennen.

[0039] Der Anker des Linearmotors 90 greift mit der Auslösekraft A in eine Stösselkupplung 81' des Stössels 81, in welchem Stössel sich der nockenförmige Querbolzen 82 befindet, wenn am Sensor 30, Fig. 2, ein entsprechendes Signal ν empfangen wird, und verschiebt die Kulissenplatte 84, über die Kulisse 85, in Hubrichtung H.

[0040] Dadurch werden die mittleren beiden Rollen 62 und 63 in Hubrichtung H entlastet und springen, aufgrund der Belastung über den Hebel 42, und den seitlichen Druck der Rolle 61 nach oben.

[0041] Zur Erhöhung der Systemsicherheit sind zusätzlich an der Kulissenplatte 84 zwei gabelförmige Mitnehmer 86 vorhanden, welche in zentral in den Rollen 62, 63 vorgesehene, ringförmige Nuten 62' und 63' greifen und deren Zapfen (Eindrehungen) umschliessen und falls nötig, die Hubbewegung H sicher übertragen.

[0042] Der Stössel 81 ist in einem Stössellager 83 geführt und nimmt zusätzlich eine Rückstellfeder 87 auf, die sich an einer ersten endseitigen Ausnehmung 88 und in einer Bohrung einer Hülse 81'' des Stössels 81 abstützt. Die entsprechende axiale Ausnehmung 88' dient der Durchführung des Stössels 81.

[0043] Zur Verringerung der Masse und damit des Trägheitsmomentes weist die Kulissenplatte 84 Aussparungen 84' und 84'' auf. Die eine Aussparung 84' dient zusätzlich dem mechanischen Blockieren des Schiebers 84 in seiner oberen Endstellung, beispielsweise bei Reinigungsarbeiten, indem durch diese Aussparung ein Werkzeug hindurchgeschoben wird, welches gleichzeitig in eine im Gehäuseteil 11a vorhandene Bohrung 91 greift.

[0044] Eine weitere axiale Ausnehmung 88 im Gehauseteil 11a dient der Montage; die notwendigen Seitenführungen 89 der Kulissenplatte 84 sind in üblicher Weise aus dem Gehäuseteil - einem eigentlichen Support - ausgefräst und der Blechdicke der Platte 84 angepasst.- Aus Übersichtlichkeitsgründen sind die auf der dem Betrachter zugewandten Seite vorhandenen Führungsplättchen des Schiebers 84 nicht eingezeichnet.

[0045] Es ist aus Fig. 3 leicht ersichtlich, dass bei einer Hubbewegung der Kulissenplatte 84 die Rolle 61 auf ihrer Auflagefläche 65 in die Verschieberichtung V, durch einen nach rechts weisenden Pfeil charakterisiert, verschoben wird.

[0046] Dies bewirkt eine Drehbewegung D, in Pfeilrichtung, des dadurch an seiner konkaven Auflagefläche 43 freigegeben Hebels 42.

[0047] Betrachtet man nun Fig. 2, so erkennt man ebenfalls leicht, dass die Nut 41 im zylindrischen Teil des Hebels 42 das untere Ende des Auslegers 21 ebenfalls freigibt, dass dadurch das Sims 9 des schwenkbaren Teils 8 um seine Längsachse kippt und die Verschlussklappe 1 an ihrem nasenförmigen Teil 5 entriegelt, aufspringt und das Löschmittel unter dem Druck p ausströmt. Die Dämpfung der schlagartigen Öffnungsbewegung der Verschlussklappe 1 erfolgt am Anschlag 13, welcher ein integriertes Dämpfungsglied 14 enthält.

[0048] Um bei Kontrollen der Vorrichtung keine ungewollte Öffnung der Verschlussklappe 1 hervorzurufen, ist eine einfache und sichere Testeinrichtung vorgesehen. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass ein Test-/Sicherungsstift 15 den Hebel 42 in seiner Drehbewegung blockiert. Der aus seiner Bohrung 15a, Fig. 3, herausziehbare Stift 15, Fig. 2, ist seinerseits durch eine Feststellschraube 16 gesichert. Das Vorhandensein des Test-/Sicherungstiftes in der Vorrichtung wird durch einen induktiven Positionsfühler 17, welcher in Fig. 3 angedeutet ist, festgestellt. Ein ebenfalls handelsüblicher Positionsfühler überwacht eine eventuelle Hubbewegung H der Kulissenplatte 84; beide Positionsfühler sind in einer Kontroll- und Überwachungseinheit zusammengeführt; sie unterbrechen die Betriebsbereitschaft der Anlage und zeigen dies auch an, falls ein entsprechendes Positionssignal eintrifft.

[0049] Somit wird beim Funktionstest, ohne dass eine Klappenauslösung erfolgt, der Auslöse-Hebel von der ersten Rolle abgehoben und dadurch gesichert.

[0050] Zum vereinfachten Einführen und Herausnehmen des Stifts 15 ist dieser leicht exzentrisch angedreht, was zusätzlich eventuell notwendige Justierarbeiten erleichtert.

[0051] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden folgende Grössen gemessen:

Gesamte Auslösezeit (Ab Signalregistrierung am Sensor 30 bis Auströmungsbeginn des Löschmittels) = 1.0 bis 2.0 ms

Maximale Beschleunigung des Linearmotors 90 (Voicecoil-Motor) = 3300 g; Endgeschwindigkeit des Stössels 7 m/s, nach 4,0 mm Stösselhub.

Maximale Auslösekraft A des Linearmotors = 150 N.

Speisespannung = 160 V= ; Kapazität des Kondensators 33 = 1000 µF.

[0052] Der an sich bekannte Linearmotor 90 funktioniert nach Art eines dynamischen Lautsprechers (u.a. J. Webers, Tonstudiotechnik, Franzis-Verlag München, 1979; M. Jufer, EPFL, Edition Georgi, St. Saphorin, 1979, Traité d'Electricité, Edition Transducteurs Eleéctromechaniques, vol. IX, ch. 8.1.1 - 8.2.3, Fig. 8.2.). Er kann selbsvertändlich durch andere eine schnelle Linearbewegung erzeugende Antriebsmittel ersetzt werden, bzw. diese können den im Industriebetrieb vorhandenen Energieträgern angepasst sein.

[0053] Selbstverständlich ist die Ausgestaltung der Kraftübertragung ebenfalls in weiten Grenzen frei wählbar. Die Variante nach Fig. 4 ist daher nur stellvertretend.

[0054] Der nasenförmige Vorsprung 5 der Verschlussklappe ist mit dem Druck F beaufschlagt und liegt auf ihrer Unterseite auf einer Hauptfalle 20', auf einer Kippfläche 6'' des Riegels 6', auf.

[0055] Auf der Gegenseite steht die zweite Kippfläche 6'' auf einem Sims 9' eines Ausleger 21'.

[0056] Durch die Auslöskraft A' welche vom Auslösemechanismus 80 ausgeübt wird, dreht sich die Hauptfalle 20' um 90°um die Drehachse 22, so dass der Vorsprung 5 für die Öffnung der Verschlussklappe entriegelt ist.

[0057] Im Gegensatz zu Fig. 2 ist hier das Sims 9' - im Sinne einer kinematischen Umkehr - breiter als die Kippflächen 6'' ausgebildet.

[0058] Ebenfalls könnte die Auslösung 60 an Stelle von Rollen auch Kugeln aufweisen, was aber aufgrund der resultierenden Punktbelastungen ungünstige Druckverhältnisse ergeben würde.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Unterdrückung von Staub- und/oder Gasexplosionen in industriellen Anlagen, insbesondere in geschlossenen Räumen und in Rohren, mittels eines mit Löschpulver und Druckgas gefüllten Behälters, dessen Verschlussklappe mit einem Vorsprung versehen und mit diesem, im Ruhezustand, auf einem steuerbaren Riegel aufliegt, welcher durch wenigstens einen Sensor aktivierbar ist, wodurch die Verschlussklappe um ihre Drehachse ausschwenkt und das Löschmittel den Raum oder das Rohr beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Riegel (6) kippbar ausgestaltet ist und dass der Vorsprung (5) der Verschlussklappe (1) im Ruhezustand auf einem Sims (9) des Riegels (6) aufliegt, wobei dieser Riegel (6) durch einen Auslösemechanismus (80) verschwenkbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslösemechanismus (80) als Kraft-Untersetzung ausgebildet ist, welche auf einen Hebel (42) wirkt und dass dessen Ver- und Entriegelung durch wenigstens eine zylinderförmige Rolle (61) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (42) endseitig eine konkave Auflagefläche (43) aufweist, welche auf einer ersten Rolle (61) aufliegt, an welcher, an ihre Mantelfläche wenigstens eine weitere Rolle (62) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass drei weitere Rollen (62-64) angeschlossen sind, welche sich auf einer Auflagefläche (65), einer Ebene oder Zylindermantelfläche, befinden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Rolle (61-64) in der Normalen zu ihrer Auflagefläche (65) ausrückbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kulissenplatte (84) vorgesehen ist, welche im Ruhezustand zwei Rollen (62, 63) auf ihrer Auflagefläche (64) fixiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass vier Rollen (61-64) vorgesehen sind, wobei die erste Rolle (61) in Richtung (V), parallel zur Auflagefläche (65) und die beiden mittleren Rollen (62, 63) in Hubrichtung (H), normal zur Auflagefläche (65) beweglich sind und die vierte Rolle (64) auf der Auflagefläche (65) festgehalten bleibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslösemechanismus (80) durch einen Linearmotor (90) angetrieben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (90) nach Art eines elektrodynamischen Lautsprechers aufgebaut ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (90) über einen Ladekondensator (33) gespeist ist.

Zeichnung