CN102271766A - 用于产生泡沫的灭火设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及产生泡沫的灭火设备和方法，其中泡沫形成液体在高速和压力下通过多个喷射器被引入到混合歧管中，并且不可燃烧的气体在高速和压力下在喷射器的下游沿着泡沫形成液体的流动方向被引入到混合歧管的中心中。在混合歧管中产生的泡沫通过与混合歧管连接的软管和喷嘴排出。该设备可以是独立式单元，支撑在框架上，其自身供应泡沫形成液体和不可燃烧的气体。

Description

用于产生泡沫的灭火设备和方法
技术领域
本发明涉及便携式灭火系统，其中可发泡液体和不易燃压缩气体在歧管中结合以产生泡沫。
背景技术
众所周知，泡沫的应用是用于灭火。通常，通过将空气与包含合适发泡剂的水流混合在一起而在火灾地点产生泡沫。泡沫的质量、泡沫中液体与气体的比、使用不可燃烧气体的能力，以及泡沫可被喷射的距离都是与灭火装备的设计和操作相关的因素。
Carroll等人的US5,058,809是典型的泡沫产生喷嘴，其设计成将周围环境空气吸入到包含泡沫产生剂的流动水流中。由此产生泡沫，并且泡沫从喷嘴的出口排出。同样已知的是，将偏转或冲击结构结合到泡沫产生喷嘴中，以方便混合并且增加泡沫的生产，例如Nysted的US4,330,086中所示。
泡沫产生喷嘴具有多个缺陷。因为空气含有氧，所以利用空气作为气体产生的泡沫对于灭火而言不是理想的。另外，许多喷嘴作为喷射器来操作，即流动水流的动能被用来将空气吸入到喷嘴中。动量守恒原理导致水流的速度降低。此外，设置在喷嘴中的偏转和冲击结构可以增大流体流过喷嘴的阻力。
Urquhart等人的US2,106,043公开了一种产生泡沫的方法，其中不可燃烧气体在泡沫形成腔室中与含水泡沫形成混合物混合。进入的气体在压力下分布在泡沫形成腔室中，其中气体的压力足以将泡沫从该腔室输送而通过附接到该腔室的软管和喷嘴。该气体是与含水混合物的流动垂直地引入的。
Mahrt的US5,881,817和Henry的US6,112,819中公开了具有混合歧管的泡沫产生装置，其中该气体相对于泡沫形成液体溶液的流动方向以小于90°的角度喷射。然而，上述参考文献均不包括在泡沫形成液体与被喷射到混合歧管中的气体接触之前增大泡沫形成液体的速度的喷射器或其它装置。
发明内容
本发明涉及用于产生泡沫的设备和方法，其可以用来灭火。该设备包括泡沫形成液体源和气体源，泡沫形成液体和气体均在压力下被引入到混合歧管中。泡沫产生于混合歧管中，流过软管并且从喷嘴排出。该设备可以安装在手推车上或安装在诸如卡车的自推进车辆上，或者可以是静止的，例如安装在建筑物中。
泡沫形成液体可以预混合并且存储在容器中。可替换地，如果需要，泡沫形成剂可在快速(on-the-fly)混合操作过程中被配量到大量液体中。例如，通过对存储有液体的容器增压或者通过泵送液体，泡沫形成液体在压力下被引入到混合歧管中。在将液体输送到歧管的线路中可以设置阀来控制液体的流量，由此允许操作者控制产生的泡沫的液体与气体比。举例来说，液体与气体比的范围可以为1∶15至1∶50，优选地为1∶20至1∶40。
气体可以在压力下被压缩并且存储在容器中。设置有调节器，以便在将气体引入到混合歧管之前将存储在容器内的气体的压力降低到所需的操作压力。压缩气体还可以用来对液体存储容器增压。例如，离开调节器的气体线路可以具有分支，其中一个线路用于将气体传送至混合歧管，另一个线路用来对液体存储容器加压。在该实例中，流到歧管的泡沫形成液体和流到歧管的气体将处于大致相同的压力下。
在本发明的一个实施例中，气体是不易燃气体。合适的不易燃气体的实例包括氮、二氧化碳、卤代烃、惰性气体、以及含氧浓度不足以支持燃烧的气体。
泡沫形成液体通过至少一个喷射器喷射到混合歧管的入口中。喷射器具有喷嘴，其横截面面积小于混合歧管的腔体的横截面面积。在一个实施例中，泡沫形成液体通过多个喷射器喷射到混合歧管中。例如，可以采用三到七个喷射器。喷射器可以是“自由射流喷射器”，其被限定为喷嘴横截面面积小于混合歧管的腔体的横截面面积的1/5的喷射器，其中射流被喷射到该混合歧管中。虽然据信具有喷嘴构造(即，入口渐缩至较窄的排出开口)的喷射器产生泡沫形成液体的高速锥形紊流，这增加了混合歧管中的泡沫生成，但是射流也可以通过孔口板中的孔或狭槽来形成。
在本发明的一个实施例中，当流量为10加仑/分钟时，液体离开喷射器喷嘴的速度为至少10英尺/秒，优选地至少15英尺/秒。
喷射器指向混合歧管的出口。据信有利的是，将喷射器设计成使产生的喷射样式填充混合歧管的腔体的横截面面积的至少50％，优选地填充至少75％，最优选地基本上填充整个横截面面积。
气体相对于泡沫形成液体流过歧管的方向以小于90°的角度在压力下被引入到混合歧管的腔体中，前述液体流过歧管的方向指的是相对于泡沫形成液体流动的下游方向。在一个实施例中，气体相对于泡沫形成液体的流动方向以60°或更小(优选45°或更小)的角度被引入。当气体与泡沫形成液体混合时，以足够的量和速度引入气体以便产生流过歧管出口的泡沫。
气体可以在喷射器喷嘴下游的位置处被引入。将气体引入到混合歧管中的位置点可以选择为与喷射器的喷射样式一致，该喷射样式能填充混合歧管的腔体的横截面面积的至少50％，优选地填充至少75％，最优选地基本上填充整个横截面面积。在一个实施例中，引入气体的位置点与喷射器喷嘴相距2至18倍喷嘴直径，优选地与喷射器喷嘴相距3至12喷嘴直径。
本发明的目的是使由于气体相对于液体通过混合歧管的流动的引入角度所导致的液体、气体和泡沫的动量损失最小化。各种手段可以用来实现该目的，包括通过以下游角度位于混合歧管的侧面中的端口、通过具有面向下游的孔的横杆、或者通过大致插在液体通过混合歧管的流动中心的管来引入气体。
据信，当以基本上与泡沫形成液体通过混合歧管的流动方向相同的角度将气体引入混合歧管中时，能最佳地保持流体的动量。另外，当气体被引入到距离混合歧管的腔体的中心1/2半径内的位置中时可实现性能的改进，其中该半径是在气体的引入点处与液体的流动垂直地测量的腔体半径。在一个实施例中，气体在液体通过混合歧管的流动的大致中心处，例如通过设计成“潜望镜”式形状的管被引入，一孔面向下游。
泡沫形成液体从喷射器喷嘴排出到混合歧管中时的压力以及气体排出到混合歧管中时的压力可以基本上相同，以避免堵塞效应，该堵塞效应可能导致不均匀的流量。本领域技术人员可以理解，泡沫形成液体和气体所经历的压降可以是不同的，并且液体和气体能够以不同的压力分别被传送至喷射器和混合歧管，以使得液体从喷射器排出的排出压力以及气体进入到混合歧管中的排出压力得到平衡。例如，可以采用两个调节器来降低气体存储容器中的气体压力，这允许将液体存储容器加压到第一压力，并且将传送到混合歧管的气体加压到第二压力。可替换地，该设备可设计成使得液体和气体在从容器流入到混合歧管时所经历的压降大致相同。
混合歧管具有入口、腔体、出口、以及将气体引入到混合歧管的腔体中的装置。在本发明的一个实施例中，混合歧管具有“流动通过”设计，其特征在于(i)腔体，其在入口和出口之间基本上是直的，即基本上不弯曲和弯折，以及(ii)出口位于腔体的下游端部处，即出口不突出到腔体中来引起液体、气体或泡沫的再循环。举例来说，混合歧管可具有圆柱形腔体，其内径为1至2英寸。在本发明的一个实施例中，从气体被引入到混合歧管的出口处的位置点起，混合歧管的直径基本上是相同的，由此避免了可能导致泡沫破裂或破灭的不稳定剪切。
软管的一个端部连接到混合歧管的出口。可以采用常规的消防带。喷嘴连接到软管的相对端部，用于引导和控制来自设备的泡沫的流动。
通过选择和组合上述特征，能够显著地增大泡沫形成液体引入到混合歧管中的速度，能够将喷射器定位成将高速锥形的泡沫形成液体引导至气体引入到混合歧管中的位置点附近，并且能够产生使气体的输送最大化的泡沫形成液体的喷射样式。此外，能够在增强均匀分布的位置点处沿着使流体动量损失最小化的方向将气体引入到混合歧管的腔体中。在混合歧管中产生的紊流和动量形成高质量的泡沫，该泡沫沿着软管的长度推进并且从喷嘴高速排出。
附图说明
图1是灭火设备的透视图。
图2是混合歧管的侧视图。
图3是混合歧管从出口侧截取的端部视图。
图4是混合歧管沿图2中所示的线4-4截取的剖视图。
图5是混合歧管沿图3中所示的线5-5截取的剖视图。
具体实施方式
在不限制本发明的范围的情况下，以下将说明优选的实施例和特征。说明书中引用的所有美国专利都以引用方式并入本文。除非另外指明，否则条件为25℃，1个大气压，50％的相对湿度，并且组合物中材料的百分比是按重量计。诸如狭槽的非圆形喷嘴的喷嘴直径是沿横跨较短的尺寸计算的。在具有非均匀喷嘴直径的多个喷嘴的情况下，利用面积加权法计算平均喷嘴直径，即每倍喷嘴直径测量值被喷嘴喷出点处的面积加权。
参见图1，灭火设备具有安装在框架3上的液体容器1和压缩气体容器2。框架3包括用于将该设备手动运输到火灾现场的轮子4和手柄5。该灭火设备安装在运输车辆上，例如安装在卡车的车架上，或者该灭火设备被设计为静止单元，例如可以设置在旅馆或饭店内，同样落在本发明的范围内。可被安装在包络框架上并且由个人运送到火灾现场的缩小比例的设备同样落在本发明的范围内。
液体容器1容纳有用于灭火的泡沫形成液体。液体容器1设置有用于添加液体的填充盖6。举例来说，泡沫形成液体可以是水和泡沫形成剂的水溶液，该泡沫形成剂为例如Fire-Trol Class A液体发泡剂、肥皂和洗涤剂。在可供选择的实施例(未示出)中，泡沫形成剂可以设置于安装在框架3上的单独容器中，由此当液体从存储容器传送至混合歧管时，例如通过将泡沫形成剂配量到诸如水的液体中，泡沫形成剂可以快速与液体混合。
来自液体容器1的液体在压力下被引入到混合歧管7。如图1所示，液体容器1中的压力迫使液体由浸渍腿部8向上提升，通过泡沫控制阀9而到达混合歧管7。泡沫控制阀9用来调节液体的流量，而液体的流量影响混合歧管7中产生的泡沫中液体与气体的比。为了安全的目的，可以限制泡沫控制阀9能够打开和关闭的程度，使得流入到混合歧管的液体流量不能增大到超过最大流量，也不能减小到低于最小流量。举例来说，该设备被设计成产生的液体流量为大约1至30加仑/分钟。
气体容器2可以利用金属带10或其它合适的支撑件安装在框架3上。通常，气体被压缩到约3,000磅/平方英寸(psig)。调节器11设置在气体容器2的出口上，用于将该气体容器内的压力降低到可使用的压力。例如，调节器11可被调节以便将气体的压力降低到约90至125psig。离开调节器11的气体在三通接头12处分流，其中三通接头12的线路13在配件14处连接到液体容器1。来自气体容器2的气体聚集在液体上方的空间中，由此提供压力以驱动液体由浸渍腿部8向上提升。三通接头12的另一个分支是线路15，该线路15连接至混合歧管7，用于将气体引入到该混合歧管中。从而，可以看到，来自容器1的液体和来自容器2的气体能够以大致相同的压力传送到混合歧管7。
本领域技术人员将会认识到，可以采用其它的装置在压力下将泡沫形成液体从容器1传送到混合歧管7。例如，液体容器1可以利用两个分开的调节器(未示出)被加压到比将气体传送至混合歧管7的压力更高的压力。在另一个实施例中，来自容器1的液体通过重力作用进给到泵(未示出)，该泵将压力下的液体泵送至混合歧管7。在本发明的另一个实施例中，可以提供第二气体容器和第二调节器以作为系统的备用设备。
在混合歧管7中产生的泡沫通过截流阀16、软管17和喷嘴18而传送。软管17的长度被选择为可提供给消防队员可操纵性并且能够进入火灾现场，但不会不必要地降低在混合歧管7中产生泡沫的速度。举例来说，软管17是柔性的，覆盖有帆布的软管的内径为1至2英寸。已经发现，在本文中长度从25至100英尺的软管是有用的。喷嘴18可以是可调式喷嘴，以用于控制泡沫的喷射样式和流量。
本领域技术人员能够选择用于液体容器1、气体容器2、框架3和管道的合适的材料和设计，以适应设备的组合物、压力和流量。例如在图1中所示，该设备可以设置有分别位于线路13和15中的止回阀30和31。
图2示出了混合歧管7的侧视图。气体通过线路15和联接件26流入到混合歧管7。混合歧管7具有螺纹端部28和29，用于将混合歧管7分别连接到阀9和16。
图3是混合歧管7的出口的端部视图，其示出了用于排出泡沫形成液体的具有四个喷射器喷嘴23的空间布置。气体通过连接到联接件26的管24引入到混合歧管中。气体通过管24中的出口25被引入到混合歧管7的大致中心，并且沿着与液体的流动方向大致相同的方向引入。混合歧管7具有内侧壁27。图中示出了所使用的四个喷射器。利用三到五个喷射器同样也能获得良好的结果。
图4是混合歧管7的剖视图，其示出了上述有关图3的部件。
参见图5，混合歧管7具有入口19、出口20和腔体21。泡沫形成液体通过喷射器22喷射到腔体21中。每个喷射器22都具有喷嘴23，该喷嘴23朝向出口20并且与流过混合歧管7的流体的流动同方向。喷射器入口的直径为约1/2英寸，并且喷射器喷嘴23的直径为约1/4英寸。例如为了最大化液体和气体之间的接触点处的速度、紊流和混合，设置具有不同长度和不同流出直径的喷射器，同样处于本发明的范围内。
气体通过具有开口25的管24引入到腔体21中。管24中的开口25定位在液体通过腔体21的流动的大致中心，即相对于腔体21的侧壁27的大致中心。管24和开口25可以设置有“潜望镜”式的设计，即具有指向出口20的弯头，以便最小化气体下游的动量损失。混合歧管7的腔体21的内径为1英寸，长度为3英寸。在本发明所示的实施例中，腔体21的出口20、截流阀16和软管17的内径与腔体21大致相同，由此使剪切作用以及泡沫速度的减小最小化。
管24的开口25位于喷射器22的喷嘴23的下游。在图5所示的实施例中，开口25位于喷嘴23的出口的下游大致9倍喷嘴直径处。喷嘴23的外边缘定位成与腔体21的侧壁27相距大致1/8到1/4英寸。利用14°的喷射角度，估计喷射器22的喷射样式在气体通过管24被引入的地方基本上充满腔体21。喷嘴23定位成在气体通过开口25排出的地方附近引导高速锥形的泡沫形成液体，同时产生使气体在腔体21中的输送最大化的喷射样式。
在本发明的可替代实施例(未示出)中，气体可以通过混合歧管侧面的端口引入到混合腔室7的腔体21中，如US5,881,817中所示，或者通过定位在混合腔室中的横杆引入到混合腔室7的腔体21中，如US6,112,819中所示，其前提条件是气体相对于液体的流动在下游被引入。
当然，本发明还有许多可替代的实施例包含在以下的权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种产生泡沫的方法，包括以下步骤：
(a)通过定位在混合歧管入口中的喷射器喷嘴，将加压泡沫形成液体引入到所述混合歧管的腔体中；
(b)将加压气体引入到所述混合歧管的所述腔体中，其中所述气体相对于液体通过所述混合歧管的流动方向以60°或更小的角度被引向下游；
(c)在所述混合歧管中产生泡沫；以及
(d)使所述泡沫从混合腔室的出口流向与一喷嘴连接的软管。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体相对于所述液体通过所述混合歧管的流动方向以45°或更小的角度在所述喷射器喷嘴的下游位置处被引入。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述加压泡沫形成液体通过多个喷射器喷嘴引入到所述混合歧管的入口中，并且该喷射器是自由射流喷射器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述喷射器布置成在气体被引入的位置处提供基本上充满所述混合腔室中的腔体的喷射样式，并且其中所述气体相对于液体通过所述混合歧管的流动方向以45°或更小的角度被引入。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在液体流量为10加仑/分钟时，所述泡沫形成液体从所述喷射器喷嘴的排出速度为10英尺/秒或更大。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述混合歧管为圆柱形，并且其内径为1至2英寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述泡沫形成液体通过3至7个喷射器引入到所述混合歧管的腔体中，其中所述喷射器是自由射流喷射器，并且其中所述气体在所述喷射器下游3至18倍喷嘴直径的位置处以与液体通过所述混合歧管的流动方向基本上相同的角度被引入。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述液体和气体被加压到基本上相同的压力。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述气体选自包括氮和二氧化碳的组。
10.一种产生泡沫的方法，包括以下步骤：
(a)通过定位在混合歧管入口中的喷射器喷嘴，将加压泡沫形成液体引入到所述混合歧管的腔体中；
(b)在所述喷射器喷嘴下游的位置处，将加压气体引入到所述混合歧管内的腔体中，其中气体在距离所述腔体的中心1/2半径以内的位置处引入到所述腔体中；
(c)在所述混合歧管中产生泡沫；以及
(d)使所述泡沫从混合腔室中的出口流入到与一喷嘴连接的软管。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述加压泡沫形成液体通过多个喷射器喷嘴引入到所述混合歧管的入口中，并且所述喷射器是自由射流喷射器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述泡沫形成液体通过3至7个喷射器引入到所述混合歧管的腔体中，其中所述喷射器是自由射流喷射器，并且其中所述气体在所述喷射器下游3至18倍喷嘴直径的位置处以与所述液体通过所述混合歧管的流动方向基本上相同的角度被引入。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述混合歧管为圆柱形，并且其内径为1至2英寸，所述混合歧管的特征在于流动通过设计。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述液体和气体被加压到基本上相同的压力，并且所述气体选自包括氮和二氧化碳的组。
15.一种泡沫产生设备，包括：
(a)混合歧管，其具有内腔体、入口和出口，其中所述出口位于所述腔体的与所述入口相对的端部；
(b)多个喷射器，其用于将加压泡沫形成液体喷射到所述混合歧管的入口中，其中所述喷射器朝向所述混合歧管的出口；
(c)用于在压力下将所述泡沫形成液体传送至所述喷射器的装置；
(d)用于在所述喷射器的下游以足够的量和速度将加压气体引入到所述混合歧管的腔体中以便产生流过所述混合歧管的出口的泡沫的装置，其中所述气体相对于液体通过所述混合歧管的流动方向被引向下游；
(e)软管，其具有第一端部和第二端部，所述第一端部连接到所述混合歧管的所述出口；以及
(f)喷嘴，其连接到所述软管的第二端部。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述气体在距离所述腔体的中心1/2半径以内的位置处被引入到所述腔体中。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述泡沫形成液体通过3至7个喷射器引入到所述混合歧管的腔体中，并且其中所述气体以与所述液体通过所述混合歧管的流动方向基本上相同的角度被引入。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述气体在所述喷射器下游3至12倍喷嘴直径的位置处被引入。
19.根据权利要求17所述的设备，其中所述泡沫形成液体包括水和发泡剂，并且所述气体是不易燃的。
20.根据权利要求17所述的设备，其中所述混合歧管为圆柱形，并且其内径为1至2英寸，所述混合歧管的特征在于流动通过设计。
21.根据权利要求17所述的设备，还包括阀，所述阀位于用于将加压泡沫形成液体喷射到所述混合歧管的入口中的喷射器的上游，并且用于控制泡沫形成液体到所述混合歧管的流动，由此调节所述混合歧管中的液体与气体的比。
22.一种泡沫产生设备，包括：
(a)液体容器，其用于加压的可发泡液体；
(b)气体容器，其用于加压的气体；
(c)歧管，其与所述液体容器和所述气体容器流体地连接，并且具有内腔体、入口和出口，其中所述出口位于所述腔体的与所述入口相对的端部；
(d)多个喷射器，其用于将加压的可发泡液体喷射到所述歧管的入口中，其中所述液体沿着朝向所述歧管的出口方向被喷射；
(e)用于在所述喷射器的下游以足够的量和速度将加压气体引入到所述混合歧管的腔体以及所述液体喷射中，以产生流过所述歧管的出口的泡沫的装置，其中所述气体在距离所述腔体中心1/2半径以内的位置处被引入到所述腔体中；以及
(f)软管，其连接到所述歧管的所述出口，并且能够传送所述泡沫。
23.根据权利要求22所述的泡沫产生设备，其中所述泡沫形成液体通过3至7个喷射器引入到所述混合歧管的所述腔体中，并且其中所述气体以与所述液体通过所述混合歧管的流动方向基本上相同的角度被引入。
24.根据权利要求23所述的泡沫产生设备，其中所述气体在所述喷射器下游3至18倍喷嘴直径的位置处被引入。
25.根据权利要求22所述的泡沫产生设备，其中所述气体在所述喷射器下游3至12倍喷嘴直径的位置处被引入。
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