CN106029236B - 一种自动高速旋转雾化装置及其应用和使用其的灭火方法 - Google Patents

Abstract

一种自动高速旋转雾化装置，包括具有上部和下部的旋转喷头，所述上部与带压流体连接，所述下部由一个或多个喷嘴(1，3)或喷孔通过轴承(56)与所述上部连接。所述上部是固定的。带压流体在从喷嘴喷出时，其部分动能形成反作用力以推动喷头的整个下部高速旋转。在带压流体撞击喷嘴斜面或斜缝或通过孔隙时，带压流体的大部分动能有效转化为促进水流雾化的表面能，从而形成大范围的雾化、分散和旋流体系。该自动高速旋转雾化装置因使用压力低、转速快、雾滴小而均匀，广泛应用于灭火、烟道气净化、城市净化、绿地浇水、景观装饰等。

Description

一种自动高速旋转雾化装置及其应用和使用其的灭火方法

技术领域

本发明涉及一种雾化装置，具体涉及一种借助流体自身动力产生高速旋转和雾化，显著提升过程强化效果的旋流雾化装置及其应用和使用该旋流雾化装置进行灭火的方法。

背景技术

喷雾技术在浓缩、干燥、吸收、烟道气及空气净化等传质传热过程广泛应用。传统的雾化技术是以气体为连续相，液体为分散相，通过把带压流体压入喷头细孔造成高速流雾化，该技术存在液体通过细孔产生的摩擦阻力导致动能损失大，雾化效果差，细孔容易堵塞等诸多弊端。一种改进的喷雾技术是使带压液体通过离心或前置螺旋结构使其雾化，大的液体流道虽然缓解了微孔堵塞问题，但仍然存着螺旋或喷口结垢和堵塞，影响雾化效果的问题。这种传统改进型雾化喷头，均采用了喷头固定流体通过特殊结构进行快速运动或碰撞分散的方式，绝大部分能量并迎面撞击的结构件吸收，液体在空间的分布范围、分布效果和气液接触时间及机会有限，会显著影响传质传热和反应效果。

离心雾化喷头是由雾化片、旋流片和分流片三部分组成。流体在一定压力下经分流片的小孔汇合到一个环形槽中，然后经过旋流片的切向进入旋流中心的旋流室，产生高速的旋转运动，并经中心孔喷出。流体在离心力的作用下克服了本身的粘性力和表面张力，被粉碎成细小液滴，并形成具有一定角度的圆锥形雾化区，然而这种离心雾化喷头仍然存在雾滴分布不均，中间水量小，水滴大甚至呈水柱状态，覆盖面积小，雾化效果差。因此，尽可能“因势利导”地将带压流体的动能转化为充分雾化的有效能的新型高效雾化喷头的创新很有价值。

通过旋风除尘、旋液分离不失为除尘除雾的有效方式。但同样因为完全依靠了进塔流体的初始动能，经引入管切向进入筒体受阻改变方向而产生旋转运动，虽然产生的离心力可将比重大的粉尘或/和液滴等带向壁面，实现气液或气固初步分离。但是，旋风除尘的结构同样使流体的动能很快被设备吸收只能形成效果有限的局部旋流，因此，旋风除尘或除雾作用有限，处理效果有待提升。虽然增加鼓风和排放设备可以提高流体流速，能耗将显著增加，同时气体流速加快也会影响脱硫效果。目前，烟道气中的PM10，PM2.5等粉尘必须经过布袋或静电除尘才能大部分去除，达到排放标准。

水雾除尘脱硫是烟道气净化的最常用方式，它是通过喷淋稀碱水的方式使尘粒、二氧化硫、氮氧化物等污染物与液滴或液膜在空中或填料表面充分接触被俘获，除尘效率可以达到80％～90％，可以同时脱除二氧化硫、氮氧化物等有害气体，但由于气量大、水量小、水滴分散性差、接触时间短、相间接触效果不理想，仍存在上述污染物净化脱除效果差、能耗和处理费用较高的问题。因为喷入的雾滴未能形成液体旋流，也未能带动气体旋流，从上向下喷出的液体在重力和初始动能的双重作用下，迅速落入塔底或形成壁流，存在严重的壁流和粘壁现象，传质传热效果还有待提升。目前只能采用加大直径、增加塔高、减少气速、增加多层喷头的形式以保证脱硫效果，造成投资大、设备占用空间大、能耗高、处理效果差，特别是燃煤锅炉尾气净化后，很难达到燃气锅炉的二氧化硫和粉尘排放标准。大量排放的粉尘和酸性气体，已经造成了经常的、持续的、大范围的雾霾天气，严重影响人们的正常生活。即使符合国家排放标准，实际上也是造成酸雨和雾霾的重大污染源。目前采取的控制煤炭使用量，从主城区撤出燃煤锅炉，限制锅炉使用价廉的煤炭燃烧，改用稀缺天然气作为燃料并不能治本。只会加重燃气资源的紧缺和企业和人们的生活成本。因此开发高效节能效果显著的雾化技术意义重大。

人工降雨，是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。

目前，人工降雨主要采用冷云催化、暖云催化、动力催化等方法，采用的催化剂主要有干冰、碘化银、盐粉等，存在着耗能大、气候云层条件要求苛刻、成本高等问题。

火灾是最经常、最普遍的威胁公众安全的主要灾害之一。对火的利用和控制是人类文明进步的标志。预防火灾和减少火灾的危害是消防工作的两大重要任务，因此有效防范火灾的发生和高效快速灭火的技术开发很有价值。燃烧是一个需要空气参与的强烈放热的化学氧化过程，消防灭火则以隔绝和稀释空气、覆盖燃烧区域、降温三种单独或其组合形式迅速阻止燃烧的过程。初期小火灾和少量油品灭火常用细河沙覆盖；容器口的火焰以及小火，也可以用石棉被或浸湿的棉被直接覆盖隔绝空气灭火；家居常用的泡沫灭火器，用于扑灭初期小火，它是由硫酸铝、碳酸氢钠作为灭火液，使用时通过倒置混合，产生氢氧化铝、水及二氧化碳的气液固混合物，可直接喷洒覆盖火焰及燃烧物，达到降温和隔绝空气的目的；精密仪器、电气设备、油罐区、库房、油泵房、发油间等场所的火灾常用二氧化碳灭火器或二氧化碳干粉灭火器灭火。然而小火如果不能迅速扑灭往往会发展成大火、猛火，上述手段往往难以奏效，必须动用消防水枪、消防车等大型消防装备灭火。因此如果不能快速高效扑灭初期火灾，往往贻误救火最佳时机，造成重大灾难。

如前所述现有的灭火方法实际上是通过降低温度或氧气浓度或减少接触等手段，达到终止氧化反应使火焰熄灭的目的。然而，现有的消防灭火手段，普遍存在固体和液体灭火剂分散不均匀、灭火剂用量大、灭火效果差、财产破坏严重、使用成本高、灭火面积小、无法有效清除有毒烟气等诸多问题。

从化工的原理分析灭火过程可以发现，现在所使用的各种消防器材和装备，都没有很好的进行灭火剂的雾化和分散，灭火过程的传质传热性能极差。水系灭火装置虽然水压和水量很大，但雾化效果差，喷洒面积小，用水量大，在与火焰接触的瞬间难以有效汽化吸热和稀释空气，大量的水瞬间流失，往往“车水火难灭”。大火如不能及时扑灭，将会造成重大的财产损失，燃烧产生大量的毒气和PM2.5往往会造成重大的人身伤亡和社会恐慌。

为提高灭火效果，也有人对喷头进行了分散水流改进，目前室内常用的结构简单的洒水喷头，只是依靠溅水盘使水流分散成了水珠，根本没有变成细化的水雾，虽然喷水面积比直接水流喷射有显著增加，但仍然覆盖面积不够，分布不均，中间水量小，水滴极大甚至是水柱状态，灭火效果并不理想。灭火常用的消防水枪是通过缩小出口口径，增加出口流速，溅射到物体表面产生雾化，大部分动能被溅射物体吸收，但由于受现场环境、距离和燃烧物形状影响，效果有限，且覆盖面积小，雾化效果较差，难以在短时间内压住火头，造成了水的利用率极低，灭火效率很差。一些高压细水雾喷头虽然雾化效果较好，但需要在10MPa压力左右，容易造成人身伤害和财产受损，且造价很高，难以普及。也有人使用在喷头中加入旋芯、障碍物遮挡和螺旋弹簧等特定的机械结构辅助雾化。其中旋芯结构喷头是最常见的雾化喷头，其原理是流体在压力驱动下进入旋流腔并产生强烈旋转从喷嘴中喷出，在离心力的作用下产生雾化，用于灭火时，存在以下问题。

(l)这种旋芯结构或喷射雾化装置会对流体产生“机械障碍”作用，使流体大部分动能被喷头体吸收，导致喷嘴的喷雾动量低，距离短，难以接近火焰，无法有效地克服火焰气流阻力，无法到达火焰内部和燃烧表面进行灭火，不能充分发挥水雾对燃烧表面的降温和覆盖作用。每个喷嘴的喷雾保护半径通常在0.5m左右，多喷头会增加成本，效果也难以有效提高。

(2)离心力辅助雾化会形成一个空心锥形，导致喷雾密度分布不均匀，不能充分发挥细水雾高效窒息灭火的能力。采用障碍物遮挡或者螺旋弹簧结构同样会导致大部分动能被其吸收，雾化喷头产生的雾滴直径较大。因此，开发节水高效、瞬间扑灭大火的新型装备意义重大。

综上所述，液体的充分雾化的应用需求广泛，技术存在瓶颈，具有挑战性。现有各种固定雾化喷头动能损失大，雾化效果不理想。虽然也有旋转浇水的喷头，但由于其转速低或喷嘴设计未优化，雾化效果差，未见在其它领域的应用。利用电机高速旋转虽然能够改善分散效果，但存在成本高、结构复杂、能耗高，使用范围有限等诸多问题，难以推广，因此，开发一种可广泛用于流体雾化、烟道气及空气净化、喷雾干燥或浓缩、消烟灭火等工农业领域的雾化装置具有重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中，各种固定雾化喷头动能损失大、雾化效果不理想的问题，进而提供一种应用广泛、能耗小，雾化效果好的自动高速旋转雾化装置。

为此，本申请采取的技术方案为，

一种自动高速旋转雾化装置，包括旋转喷头，所述旋转喷头包括连接带压流体的上部，和，由一个或多个喷嘴或喷孔通过轴承与所述上部连接的下部；所述上部是固定的；带压流体部份动能在从喷嘴喷出时形成反作用力推动喷头整个下部高速旋转，大部分动能在撞击喷嘴斜面或斜缝或通过孔隙有效转化为促进水流雾化的表面能，形成大范围的雾化和分散和旋流体系。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述上部与所述下部通过轴承相连接。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述旋转喷头包括依次连接的喷嘴、旋转头、轴承、管接头、紧固件和定位件，所述喷嘴固接于旋转头，旋转头与轴承和喷嘴连接，轴承连接管接头，定位件对轴承进行轴向和径向定位；

所述喷嘴和所述旋转头设置于所述下部，所述管接头设置于所述上部。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述旋转喷头连接扇叶或搅拌叶或浆叶。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述扇叶或搅拌叶或浆叶上设置有微孔。

上述的自动高速旋转雾化装置，旋转头与轴承和喷嘴连接，连接方式为螺纹连接或焊接；

旋转头内设流道口且开设有用于连接喷嘴的一个或多个孔或螺纹孔；

轴承为一个或者多个深沟球轴承组合，或，

轴承为一个或者多个深沟球轴承和轴向推力轴承组合。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述旋转喷头是子弹头形、橄榄形、圆形、方形、长柱形或横管形；

所述喷嘴是一个或多个提供旋转的喷嘴，或一个或多个提供旋转的喷嘴和一个或多个顶部喷嘴的组合；

上述的自动高速旋转雾化装置，开孔面积总和不超过管的横截面积，其中，所述开孔面积总和指所述喷嘴或喷孔的开孔面积总和，所述管指管接头，即，所述喷嘴或喷孔的开孔面积总和不超过所述管接头进口的横截面积。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述喷嘴为细孔喷雾喷嘴、雾化喷嘴、小液流喷射喷嘴或其结合。在喷射流体时，细孔喷雾喷嘴的喷射形式为细孔喷雾即细小的喷雾，雾化喷嘴的喷射形式为雾化的流体，小液流喷射喷嘴的喷射形式为小液流。

上述的自动高速旋转雾化装置，所述旋转喷头为三孔射流旋转喷头、三孔射流双针雾化喷头、子弹头型多孔射流旋转喷头、三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头、三孔射流喷嘴45°角旋转喷头或三孔射流双针喷嘴90°角雾化喷头，其中喷嘴45°角和喷嘴90°角是对位于旋转头两侧面的喷嘴的限定，喷嘴90°角指流体从位于旋转头两侧的喷嘴喷出时，流体的喷出方向与旋转头中轴线的方向的夹角为90°，以该方式喷出的流体能产生最大的旋转力矩，喷嘴45°角指流体从位于旋转头两侧的喷嘴喷出时，流体的喷出方向与旋转头中轴线的方向的夹角为45°，以该方式喷出的流体能在保证产生旋转力矩促进旋转喷头旋转的前提下，还能在沿旋转头中轴线的方向上产生水流分量。

上述自动高速旋转雾化装置的应用，所述旋转喷头单独或组合应用于釜、塔或罐中，或连接在带压流体输送管或带压水气混合器，或置于气相和/或液相中。

上述的自动高速旋转雾化装置的应用，所述自动高速旋转雾化装置设置于旋流净化塔中，旋转喷头设置在靠近烟道气入口塔底部并向上喷雾或设置在旋流净化塔中部。

上述的自动高速旋转雾化装置的应用，所述旋转喷头与泵、带压储水容器或管路相连接形成降温增湿除尘装置，以对大气进行人工局部干预进行大气净化或人工降雨，减轻雾霾，在室内、院内、小区内、街道内消烟除尘和消除PM2.5。

一种使用上述任一自动高速旋转雾化装置进行灭火的方法，所述旋转喷头连接在室内固定的自动喷水灭火系统、机动的消防水枪的出口、手提式灭火器、自来水管网、水泵、带压水气混装容器或带压流体输送管上。

一种使用上述任一自动高速旋转雾化装置进行灭火的方法，所述旋转喷头为三孔射流旋转喷头、三孔射流双针雾化喷头、三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头或子弹头型多孔射流旋转喷头。与现有技术相比，本发明具有如下优点，

(1)带压流体在从容器或管道中喷出时的动能一直没有受到重视和很好利用。我们在高效喷头的研发中发现，将喷头分为固定部份和用轴承相连接的可用喷嘴促进高速旋转的两个部份，通过“因势利导”的喷嘴设计，不但可以将一直被忽视传动能很好转化为转动能，而且可以有效避免动能损失，最大程度转化为充分雾化的表面能。这种新型旋转喷头借助流体对外喷射时的反作用力和小阻力优势可产生高速旋转，在液体或空气中旋转速度每分钟可达数百次到数万次不等，高速旋转的气流和液流不但可以带动周边气体和液体旋转，而且可以大大促进分散流体与介质的摩擦，强化雾化或分散效果。在旋转喷头上增加旋流叶片，更能加强体系旋流效果。三孔射流旋转喷头或子弹头形的多孔射流喷头可以克服现有喷头的弊端，实现长距离、宽范围、充分雾化、大面积覆盖、水雾在径向和环向分布更为均匀。通过中心喷嘴的孔眼形状、大小及角度、流量和水压的调节可以使旋转水雾达到数十米外的距离，顺风可以飘得更远；两侧的旋转喷嘴在液体喷出时曲面产生的反作用力可以带动喷嘴高速旋转，可大大扩展雾滴的有效雾化区域，中间喷头的雾化设计和高速旋转正好克服了现有喷头的空心化，提高了均匀度，更有效的保证宽范围覆盖，更重要的是成为了大范围、长距离、产生持续旋流的动力源，发挥了龙卷风“风眼”的效果。调节旋转喷嘴的水平角、改变喷嘴结构及液体的压力和流量可以方便的控制水雾量大小和分布范围，适应不同情况下的需要。

(2)脱硫除尘方面，将未经脱硫除尘处理的高温热烟道气用旋流板或切线进料方式，引入净化塔中，使气体沿着水平切线方向旋转并螺旋上升，形成第一种气体旋流，但效果有限(气速仅增加一倍左右，约10m/s左右)；在烟道气入口附近使用雾化旋转喷头或其与扇叶的组合喷头，可大大强化烟道气的旋流速度(气速增加3～5倍，最高可达35m/s左右)。显然从循环泵获得动量的循环液从喷嘴喷出时产生的反作用力推动活动喷嘴高速旋转，同时有效带动了气流的旋转。证明了雾化旋转喷嘴可将流体的能量转化为推动喷嘴和物流旋转的动能以及促进液滴进一步分散的表面能，成为了第二种旋流推动力；小流量即可高速旋转的雾化喷头可以在极短时间内大大增加气液接触的机会，使水雾汽化及烟道气快速降温，体积骤降形成负压，产生第三种旋流拉力。气体自身的动能，液体旋转产生的动能和体积收缩产生的自身的有效能合力促使流体更强、更快、作用范围更大的定向旋流运动，可产生类似龙卷风的快速旋流效果，并沿塔体快速螺旋上升，从整体向上运动方向改变为螺旋上升运动，旋转喷头起到了形成负压、促进旋流的龙卷风眼作用，可以更好地使物系自身的能量转化为有效能，强化过程混合，提高传质传热效果。夹带的灰尘、二氧化硫和二氧化氮等在自身动力和旋转力推动下有更多机会与悬浮在体系中雾化的弱碱水充分接触反应或被捕获，潮湿的环境和弱碱性的水雾可以显著消除体系静电，增强捕捉和沉降灰尘和有害气体效果。快速运动的气液旋流加速和促进了比重大的灰尘、液体朝着壁面富集，可显著增强除雾除尘效果，大大减少夹带。此外，富含水蒸汽的烟道气在旋转和冷却过程中会冷却成二次水雾，也可以协助吸尘和被有效分离。多塔串联、多位置和上下方向合理配置的旋喷雾装置可以进一步确保效果。其他有明显体积收缩或显著压差、能形成周边比中心压高且可持续大流量补充气体的体系，也可以诱导形成沿径向或轴向的大范围、长距离类似龙卷风的强烈旋流；烟道气中夹带的粉尘固体和液滴在获得数十倍的离心力帮助下可实现快速分离，二氧化硫等污染物也可充分地与稀碱水接触与反应被捕获，以旋流喷雾为核心的旋流净化塔装置可大大提升烟道气的处理量和除尘脱硫效果，可使燃煤锅炉达到和优于燃气锅炉的排放标准(SO₂和粉尘的排放浓度均可低于50mg/m³)，烟道气中的低品位余热借助塔壁换热夹套可有效换热可用于供热和制冷。

(3)人工降雨方面，目前人工降雨所用的干冰、碘化银、盐粉等催化剂，必须用飞机喷撒，或者用火箭发射，成本高、云层条件要求苛刻、效果不稳定。本发明仅需利用水，达到均匀分布、长距离、大面积覆盖的旋流雾化效果，可诱发云层中分散的水蒸气的迅速聚集，形成局部低压，诱导利用大气本身的能量，形成降雨，成本低、效果显著。

(4)高效灭火应用方面，从化工的原理深入的分析灭火过程可以得知，水喷雾灭火主要是利用降温，驱赶和稀释氧气达到阻止燃烧反应，熄灭火焰的目的。显然，雾化水的表面积可以增加成千上万倍，汽化水的体积可以增加上千倍。因此，使水充分雾化是有效增加吸热和蒸发面，同时产生快速吸热降温和高效窒息效果的关键。因此，雾化效果极好的旋流雾化装置可能会产生使大面积火场温度和氧浓度迅速下降，同时瞬间大量吸热产生的水蒸汽将导致燃烧区急剧膨胀，产生迅速阻隔和稀释空气快速消烟灭火的效果。本发明很好地解决达到快速高效灭火在空间中均匀分布、长距离、大面积覆盖的关键问题。旋转喷头的结构特点是连接水源的上部是固定的，下部有多个喷嘴并通过轴承与上部连接，带压水流的部份动能在从喷嘴喷出时形成反作用力推动喷头整个下部高速旋转，同时，大部分动能在撞击喷嘴斜面或斜缝或通过孔隙时并没有损失而是有效转化为促进水流雾化的表面能，这种巧妙借助喷嘴带压流体的反作用力推动新型喷头旋转部高速旋转的装备系统可促进液体的充分雾化和气液旋流的形成，实现过程强化，达到高效灭火的目的。新型旋转雾化喷头是利用带轴承的旋转喷头在流体对外喷射时的反作用力产生高速旋转，在气体或液体介质中的旋转速度可达到每分钟数百次到数万次不等的旋转速度，高速旋转的气流和液流可以有效带动周边气体和液体产生旋转流。实验结果表明，以结构简单的三孔射流旋转喷头或子弹头类的多孔射流喷头可以很好克服现有喷头的弊端，实现长距离、宽范围、充分雾化、大面积覆盖。通过中心喷嘴的孔眼大小、角度、流量及水压的调节可以使水雾在数十米外的距离也能有效到达燃烧物表面，顺风的效果更佳。两侧的旋转喷嘴在液体喷出时产生的动力可以带动三个喷嘴高速旋转，大大扩展了有效雾化区域，有效保证了宽范围均匀覆盖。而且，调节旋转喷嘴的水平角、改变喷嘴结构及液体的压力和流量可以方便的控制水雾量大小和分布范围，适应不同情况下的灭火需要。

进一步的实验结果表明，该系列高效旋转式雾化喷头即使接上自来水也有较好的旋转雾化效果，在消防要求的3公斤水压下，雾化效果更佳，上下喷雾覆盖直径可以达到8～10米，而且向上喷雾分布更均匀；水平喷射距离可以达到20米以外，宽度达5～9米。

按照国家的自动喷水灭火系统的灭火标准进行的从上往下喷水灭火实验及室外侧面灭火实验及增加汽油时强化火势的灭火实验，均表明新型旋流雾化喷头系列，特别是三孔射流旋转喷头和三孔射流双针雾化喷头及子弹头型多孔射流旋转喷头，无论下喷或侧喷均可达到瞬间消除黑烟，秒间压制火头，十秒内熄灭烟火的神奇效果，特别可对扑灭大火效果更佳！可实现快速降温消烟远距离压制大火，迅速接近火源，更适合大范围快速灭火。实验表明，该系列雾化喷头对灭汽油火也有奇佳的效果，充分雾化的水雾笼罩在火焰上方，迅速隔绝空气，在十几秒内就能熄灭1L油火。本发明是消防领域的重大技术创新，可以实现快速消烟灭火，高效安全环保，使用方便节水的理想目标。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1单轴承三孔射流旋转喷头90°优选结构；

图2单轴承三孔射流旋转喷头45°优选结构；

图3单轴承三孔射流双针雾化喷头优选结构；

图4单轴承螺旋雾化旋转喷头优选结构；

图5三孔射流单针雾化喷头优选结构；

图6双轴承三孔射流旋转喷头优选结构；

图7三轴承三孔射流旋转喷头优选结构；

图8带扇叶三孔射流旋转喷头优选结构；

图9带扇叶三孔射流旋转喷头优选结构；

图10子弹头形旋转喷头优选结构；

图11单臂单喷嘴旋转喷头优选结构；

图12单臂双喷嘴旋转喷头优选结构；

图13单臂双喷嘴单螺旋旋转喷头优选结构；

图14双层多喷嘴旋转喷头优选结构；

图15四喷嘴旋转喷头优选结构；

图16三孔射流旋转喷头在不同压力下的流量；

图17 3公斤压力下三孔射流旋转喷头下喷和上喷时径向水量分布；

图18 3公斤压力下三孔射流旋转喷头(45°)下喷和上喷时径向水量分布；

图19 3公斤压力下90°三孔双针射流旋转喷头下喷和上喷时径向水量分布；

图20 3公斤压力下单螺旋混合喷头下喷和上喷时径向水量分布；

图21风速测试点位置示意图；

图22-1现有洒水喷头结构；

图22-2现有水雾喷头结构；

图22-3现有单螺旋喷头结构；

图22-4现有三孔螺旋喷头结构；

图23 3公斤压力下不同旋转喷头水平喷射时径向和45°方向水量分布；

图24 3公斤压力下现有喷头下喷时径向水量分布；

图25手持子弹头型旋转喷头灭A类火前后温度变化。

其中，附图标记表示为，

1-扇形喷嘴，2-旋转头，3-广角扇形喷嘴，4-卡簧，5-深沟球轴承，6-推力轴承，56-轴承，7-轴承隔套，8-轴承座，9-螺钉，10-锁紧螺母，11-密封套，12-管接头连接螺母，13-扇叶，14-管接头，15-轴承套，100-边上点，200-1/2中心点，300-中心点。

具体实施方式

通过下面给出的本发明的实施例可进一步了解本发明，以下实施例仅为本发明的几个具体实施例，但本发明的范围并不局限于此，凡利用此方法或方案对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。以下实施例中，喷头均是设计流量参数为0.3MPa(3公斤)下流量为3m/h的旋转喷头，其中广角扇形喷嘴喷射角度均为75°，扇形喷嘴喷射角度均为60°，喷嘴的主流道直径均为2mm。

一、旋转喷头在不同压力下的转速与流量测定

实施例1：三孔射流旋转喷头在不同压力下的流量

将一只的三孔射流旋转喷头安装在有压力表和水泵的试验装置上，试验采用自来水，喷口水压为0.05、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35MPa。采用专用水箱和称重器收集水量并称重，每次喷水时间为2min。测量不同压力下喷头的流量，如附图16所示。

实验结果表明：喷头的流量与压力有很好的线性关系，可以根据需要进行调节。

实施例2：不同喷头在3公斤压力下的转速

将不同旋转喷头安装分别在试验装置上，试验采用净水，同样3公斤水压下，测量不同喷头的转速，如表1所示。实验结果表明，同样3公斤压力下，各种类型的喷头转速都大于2000r/min，其中螺旋雾化旋转喷头的转速最低，为2018r/min左右，三孔射流旋转喷头的转速最高，达7991r/min。三孔射流双针雾化喷头的稳定性最好。

表1不同喷头在3公斤压力下的转速

实施例3：不同喷头通入空气在空气介质中的转速

从喷头中通入空气，在空气介质中测试不同喷头在不同压力下的转速，如表2所示。在0.5公斤压力下，三孔射流双针雾化喷头的转速相对较高，最大转速为11132r/min。在相同压力下，螺旋雾化旋转喷头的转速相对较低。

表2不同喷头通入空气在空气介质中的转速

二、喷头不同情况下水量分布、喷雾半径和最远喷射距离测试

实施例4：不同喷头下喷和上喷时径向水量分布

喷头向下喷射和向上喷射时的水量分布状况分析：喷头距地面高度2.5m，从喷头正下方中心开始，径向放一排集水盒(S＝0.08m²)，在3公斤压力下开喷头3min后，称量距离中心喷头不同距离(即径向距离)的每个集水盒中收集到的水质量或体积，可以得到喷雾密度、有效喷雾半径和最远喷雾距离等径向流量分布情况，结果如图17～20所示。

水平喷射时喷头距地面高度1米，从喷头正下方开始，沿喷头正前方径向放一排集水盒(集水盒尺寸S＝0.08m²)(正前方)，2：偏离正前方45°角径向放一排集水盒(45°)，在3公斤压力下开喷头3min测定集水盒中的水质量和体积，计算每个集水盒的喷雾密度。结果如附图23所示。

如附图17所示，实验结果表明：90°三孔射流旋转喷头下喷时的雾滴主要分散在直径2米左右的区域内，上喷时雾滴可更好分散在直径5米以上的区域内。向上喷雾灭火可以覆盖更大范围，在直径3米左右达到最大。显然向上喷可使雾化水覆盖更大范围。

如附图18所示，实验结果表明：45°三孔射流旋转喷头下喷时的雾滴也主要分散在直径2米左右的区域内，上喷时雾滴可更广分散在直径4米左右的区域内。显然45°三孔射流旋转喷头向上喷雾同样比向下喷雾覆盖范围大很多，而且更均匀。

如附图19所示，实验结果表明：90°三孔双针射流旋转喷头上下喷时的雾滴分散性可以更好改善，雾滴可达直径5米左右的区域，上喷时可以显著增加5米以区域内的喷雾量，在直径2米左右达到最大。

如附图20所示，实验结果表明：单螺旋混合旋转喷头上下喷时的雾滴分散性也很好，雾滴可达直径3米左右的区域，上喷时可以显著增加4米左右区域内的喷雾量，在3米直径以内分布均匀。

如图23所示，90°三孔射流旋转喷头，水平喷射时，正前方在4米处喷雾量最大，45°方向2米处喷雾量最大。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3米。45°三孔射流旋转喷头水平喷射时正前方分别在1.5米和4-5米处喷雾量最大，而45°方向随着距离喷头越远喷雾量越少，可以得出喷嘴旋转45°时喷雾量更往中间集中。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6.5米，45°方向为3.2米。90°三孔射流双针雾化旋转喷头水平喷射时，正前方在3.5米处水量最大，45°方向随着距离喷头越远水量越少。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3.5米。当三孔射流双针雾化旋转喷头两侧喷嘴旋转45°时，正前方分别在1.5米和4-5米处水量最大，而45°方向和水平方向随着距离喷头越远水量越少。这与三孔射流45°喷嘴转角旋转喷头布水情况类似。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3.7米，水平方向为2米。两侧喷嘴旋转了45°后，两侧喷雾更加集中，弥补了侧喷头和中心喷头之间的空隙，水量分布更均匀。单螺旋混合旋转喷头水平喷射时，正前方在4-5米处水量最大，而45°方向在2米处水量最大(除去第一点)。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为2.8米。子弹头型旋转喷头的水量较大，水平喷射时正前方在2-3米处水量最大，而45°方向随着距离喷头越远水量越少。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方＞5米，45°方向为4.8米。

现有的洒水喷头、水雾喷头、单螺旋和三螺旋喷头以及三孔射流不旋转喷头时的水量分布情况，部分结果如附图24所示。

实验结果表明，三孔射流喷头不旋转时喷雾形状为水幕，喷雾范围较小，水幕下方径向水量分布中间高，随着距离增加水量减少。

三孔螺旋喷头和一螺旋喷头喷雾水量分布相似，三个螺旋喷头也是中间的螺旋喷头起主要作用，两侧螺旋喷头水量较小。螺旋喷头雾化效果也较好，但由于螺旋喷头是依靠机械阻挡撞击力和摩擦力的作用，可以明显看出下喷时出现中间空的现象，在1.5m处水量最大。

洒水喷头由于是溅水盘的作用中间水量少，在2.5m出水量最大，之后迅速降低。

水雾喷头是喷头中间有个旋芯结构的遮挡物，雾化效果不好，从图上可以看出喷雾密度很小且不均匀，喷雾密度在1.6以下，大部分区域达不到灭火要求。

实施例5：不同旋转喷头在不同压力和喷射状态下的喷雾半径和最远喷射距离

如实施例4所述的试验方法，测量在2公斤和3公斤压力下三孔射流旋转喷头(附图1)、三孔射流旋转喷头45°(附图2)、螺旋雾化旋转喷头(附图3)、三孔射流双针雾化喷头(附图4)、子弹头式旋转喷头(附图10)从上往下喷时的喷射半径，从下往向上喷射时的喷射半径和喷雾高度以及侧喷时的喷雾宽度和最远喷射距离。同时按同样的方法测试现有的市售洒水喷头和水雾喷头从上往下喷时的喷雾半径以及侧喷时的喷雾宽度和最远喷射距离，可以看出无论是上喷、下喷和侧喷，旋转喷头的喷射距离、范围远远大于现有喷头，特别是上喷和侧喷时喷射距离更远，符合大部分灭火使用方式，相关结果见表3、4。

表3不同类型旋转喷头在不同压力和不同喷射状态下的喷雾半径和最远喷射距离

表4现有类型喷头在不同压力和不同喷射状态下的喷雾半径和最远喷射距离

为了进一步验证旋流雾化技术在一定限制的空间内的效果，我们另外进行了在直径1200mm高10.5m的锅炉烟囱(不锈钢塔)进行了，塔内气速测定和二氧化硫脱除效果评价。

三、燃气锅炉烟道气塔内气速及脱硫效果评价

实施例6：燃气锅炉烟道气塔内气速测定(塔内测试点分布如附图21所示)

试验1：没有燃气，只开引风机(额定负荷40HZ，引风量为51000-69000m³/h)，塔内温度塔顶57℃，塔底76℃，进行空白实验，不同测试点的塔内气速如表5所示，塔径1.2m，塔高10m。

表5只开引风机下塔内各个点气速

试验2：开燃气，煤气量为1176m³/h，开鼓风机(7600-15000m³/h)和引风机(40HZ，引风量为51000-69000m³/h)，塔内温度塔顶146℃，塔底156℃，不开喷头，进行第二组空白实验，不同测试点的塔内气速如表6所示。

表6开燃气和鼓风机不喷水条件下各个点气速

试验3：开燃气时开中下喷头，喷水流量中部5.7-7.5m³/h，下部1.1-2.3m³/h，引风机和鼓风机都开，温度上下均为43℃。煤气量为1138m³/h。不同测试点的塔内气速如表7所示。

表7开燃气和鼓风机开中下喷头喷水条件下各个点气速

试验4：喷头上加扇叶(扇叶为ABS工程塑料材质，叶片数为3个，半径为375mm,)，其他条件同上述试验3相同，不同测试点下的塔内气速如表8所示。

表8喷头上加扇叶条件下各个点塔内气速

对只开引风机、增开燃气、增开喷头、喷头加扇叶四种不同条件下，整理不同风向的风速，如表9～表12所示。

表9风速测定(下风向)

表10风速测定(上风向)

表11风速测定(右风向)

表12风速测定(左风向)

可以明显看出，在下风向，开喷头的风速比不开喷头要大，说明气体旋流湍动大。喷头加扇叶比喷头不加扇叶的风速要大，最大可以达到22.5m/s。而与旋流方向一致的右风向的风速比左风向风速要大，更说明旋流的效果。

实施例7：燃煤锅炉烟道气脱硫除尘效果评价

双碱法除尘脱硫实验。相关条件和结果如下：烟道气流量55000Nm³/h，烟气温度180℃，进口SO₂浓度为2000mg/Nm³。塔径1.2m，塔高9m，液气比为2/1000，脱硫液为饱和石灰水和1％的氢氧化钠的混合液。改造前脱硫效率为90％，出口硫含量在400mg/Nm³，改造后脱硫率可达到99％左右，出口硫含量小于50mg/Nm³，粉尘含量可降低到10mg/Nm³，充分证明以旋转喷头为核心构件的旋流塔可以高效脱硫除尘，可以使燃煤锅炉烟道气净化后的二氧化硫及粉尘的排放浓度低于燃气锅炉尾气排放标准，对雾霾治理意义重大。

表13燃煤锅炉烟道气脱硫除尘效果评价

实施例8：应用于灭火的效果评价

按照国家的自动喷水灭火系统(GB5135-2006)中的灭火标准实验方法：木垛的尺寸(500*500*380mm)，由相互正交的10层杉木组成，每层5条，均匀分布，木条尺寸(38*38*500mm)，干燥到湿度为6-12％，称重。木垛放在钢制油盘上，盘中适量深度水＞15mm，倒入200mL汽油。喷头在木垛正上方2.5m。2min预燃，待汽油燃完后开启喷头，自点火起实验10min，关闭喷头，如木垛未熄灭，小心扑灭木垛，干燥到湿度在6-12％，称重，计算质量损失。在下风向6m处监测灭火前后的PM10和PM2.5变化。结果如表14所示。

使用三孔射流旋转喷头(附图2)，第一次结果如下：在2公斤压力下，下喷扑灭用200ml汽油已经引燃2分钟的木材火焰仅用10秒，消耗水量6.25L，烟雾全灭用时70秒，木垛的平均质量损失为8.6％。

使用三孔射流旋转喷头(附图2)，第二次结果如下在：2公斤压力下下喷，扑灭用200ml汽油已经引燃2分钟的木材火焰仅用8秒，消耗水量5L，烟雾全灭用时70秒，木垛的平均质量损失为5.9％。

如上所述木垛灭火实验方法，使用三孔射流双针雾化喷头45°，结果如下：在2公斤压力下下喷扑灭用200ml汽油已经引燃2分钟的木材火焰仅用6秒，消耗水量3.75L，烟雾全灭用时40秒，木垛的平均质量损失为6.4％。

如上所述木垛灭火实验方法，使用现有的洒水喷头，结果在2公斤压力下，下喷扑灭用200ml汽油已经引燃2分钟的木材火焰在10min内未把火扑灭，消耗水量1626.1L，木垛的平均质量损失为19.7％。

表14不同类型旋转喷头灭火效果

8.1手持子弹头型旋转喷头灭A类木垛火实验

采用上述木垛和引燃方法，引燃两分钟后，使用子弹头型旋转喷头在3公斤水压下手持式灭火，从木垛正面，距木垛1.8m处开始喷射，然后接近木垛，并向顶部、侧面等连续喷射，在距木垛20cm处放置热电偶，实时记录温度变化。结果扑灭大火仅用10s，消耗水量7.5L，烟雾全灭仅用时40s，消耗水量30L。热电偶检测的温度从开启喷头后迅速找40s内从256℃降到33℃。如附图25所示。

8.2加强火势灭火实验

采用上述木垛，在木垛下方油盘中加200mL汽油，同时在木垛上浇2L汽油，引燃后10s开始灭火。三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头在木垛正上方2.5m喷射。点火后燃烧迅猛，火焰高度超过3m，浓烟滚滚，开启喷头仅1s就迅速压住了火头(水量625mL/s)，浓烟迅速消失，5s后木垛面上的火焰熄灭，40s后木垛内部的零星小火全部扑灭，总耗水量仅25L，停止喷水后木垛无烟，不复燃。

8.3手持三孔射流双针雾化喷头灭B类火实验

根据国标GB 4351-2005中规定的B类火，也即可燃液体火。实验如下：在圆盘内放入70mm高的清水后，再倒入1L90#车用汽油，预燃10s后进行灭火，此时火焰高约2m，灭火开始，被笼罩住的火场中火焰高度迅速降低，水雾使火苗从油盘中隔离开，约12s后，火焰全部扑灭，共用水7.5L，火焰熄灭后，对油盘可以5次重复点燃，证明在大量汽油剩余时，仅用本高效旋转喷头雾化的少量水就可以扑灭燃油大火。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (16)

1.一种自动高速旋转雾化装置，包括旋转喷头，其特征在于，所述旋转喷头包括：

上部，所述上部连接带压流体，且是固定的；

下部，所述下部包含一个或多个喷嘴，且通过轴承与所述上部连接；

其中，

所述一个或多个喷嘴中的至少一个喷嘴在末端处具有带弧度的斜面，并且所述至少一个喷嘴的流体输送通道轴线与旋转喷头的下部的旋转轴线相交并且垂直，所述带压流体的一部分动能适于在从所述至少一个喷嘴喷出时形成反作用力以推动整个下部高速旋转，所述带压流体的大部分动能适于在被所述至少一个喷嘴的带弧度的斜面引导时有效地转化为用于促进所述带压流体雾化的表面能，以形成大范围的雾化和分散的旋流体系。

2.根据权利要求1所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述旋转喷头包括依次连接的喷嘴、旋转头、轴承、管接头、紧固件和定位件，所述喷嘴固接于所述旋转头，所述旋转头与所述轴承和所述喷嘴连接，所述轴承连接所述管接头，所述定位件对所述轴承进行轴向和径向定位；

所述喷嘴和所述旋转头设置于所述下部，所述管接头设置于所述上部。

3.根据权利要求2所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述旋转喷头连接扇叶或搅拌叶或浆叶。

4.根据权利要求3所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述扇叶或搅拌叶或浆叶上设置有微孔。

5.根据权利要求2所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，

所述旋转头与所述轴承和所述喷嘴连接，连接方式为螺纹连接或焊接；

所述旋转头内设流道口且开设有用于连接所述喷嘴的一个或多个孔；

所述轴承为一个或者多个深沟球轴承组合，或，

所述轴承为一个或者多个深沟球轴承和轴向推力轴承组合。

6.根据权利要求5所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，

所述旋转喷头是子弹头形、橄榄形、圆形、方形、长柱形或横管形；

所述喷嘴是一个或多个提供旋转的喷嘴，或一个或多个提供旋转的喷嘴和一个或多个顶部喷嘴的组合。

7.根据权利要求6所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述喷嘴的开孔面积总和不超过所述旋转头内的流道口的横截面积。

8.根据权利要求6所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述喷嘴为细孔喷雾喷嘴、雾化喷嘴、小液流喷射喷嘴或其结合。

9.根据权利要求1-8任一所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述旋转喷头为三孔射流旋转喷头。

10.根据权利要求9所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，所述三孔射流旋转喷头是三孔射流双针雾化喷头。

11.根据权利要求9所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，当流体从所述三孔射流旋转喷头的位于旋转头两侧的喷嘴喷出时，流体的喷出方向与喷嘴的流体输送通道轴线的夹角为45°或90°。

12.根据权利要求10所述的自动高速旋转雾化装置，其特征在于，当流体从所述三孔射流双针雾化喷头的位于旋转头两侧的喷嘴喷出时，流体的喷出方向与喷嘴的流体输送通道轴线的夹角为45°或90°。

13.一种权利要求1-12任一所述自动高速旋转雾化装置的应用，所述旋转喷头单独或组合应用于釜、塔或罐中，或连接在带压流体输送管或带压水气混合器，或置于气相和/或液相中。

14.根据权利要求13所述的自动高速旋转雾化装置的应用，其特征在于，所述自动高速旋转雾化装置设置于旋流净化塔中，旋转喷头设置在靠近烟道气入口塔底部并向上喷雾或设置在旋流净化塔中部。

15.根据权利要求13所述的自动高速旋转雾化装置的应用，所述旋转喷头与泵、带压储水容器或管路相连接形成降温增湿除尘装置，以对大气进行人工局部干预进行大气净化或人工降雨，减轻雾霾，在室内、院内、小区内、街道内消烟除尘和消除PM2.5。

16.一种使用权利要求1-12任一所述自动高速旋转雾化装置的灭火方法，所述旋转喷头连接在室内固定的自动喷水灭火系统、机动的消防水枪的出口、手提式灭火器、自来水管网、水泵、带压水气混装容器或带压流体输送管上。