CN1099898C - 低温无氧空气森林消防灭火机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温无氧空气森林消防灭火机，它利用纯相变无热制冷装置高效制取深冷冷量，在森林火场现场冷凝液化无氧空气，同时利用人工低温冷量与高热烟气之间的温差能量产生机械动力，提供航空动力，驱动森林火场无氧空气相变热力循环，并提供大量高压低温无氧空气形成无氧空气幕墙灭火。本发明是一种成本低廉、安全可靠的森林消防灭火机，可熄灭任意规模森林火灾，有效地避免森林火灾所造成的巨大经济损失与严重环境污染。

Description

低温无氧空气森林消防灭火机

本发明涉及消防灭火机，特别涉及一种利用低温无氧空气消灭森林火灾的消防灭火机。

目前森林防火尚无有效的森林消防灭火机械。无论是发展中国家采用人力扑灭火灾的办法，还是发达工业国家采用航空施喷水与二氧化碳等灭火剂的办法，都是杯水车薪，于事无补，致使全球森林火灾时有发生，连月不熄，损失十分惨重。

本发明的目的是提供一种新的低温无氧空气森林消防灭火机，它采用纯相变无热制冷技术，利用纯相变无热制冷装置以高倍效率制取低温深冷冷量，在森林火灾现场冷凝液化无氧烟气，同时利用人工低温环境与高热烟火之间的温差所具有的能量产生动力，将高压低温无氧空气喷射到森林火灾现场灭火。

本发明的技术解决方案如下：

一种低温无氧空气森林消防灭火机，其基本部件与以水为工质的热力蒸汽发动机相类似，利用纯相变无热制冷技术的多级制冷循环，它包括由制冷压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器组成的提供原始制冷量的首级蒸气压缩制冷循环装置，过冷液态工质冷凝板，次一级液态制冷工质，以及将上述部件均设置在内的第一保温压力容器，连同工质泵；包括装有中间级制冷蒸发器、过冷液态工质冷凝板和液态制冷工质的中间N级保温压力容器，连同工质泵；

它还包括装有中间N级制冷蒸发器、过冷液态工质冷凝板的末端保温压力容器，末端保温压力容器的下部装有换热器和高压工质泵，并在末端保温压力容器内的下部灌注液态无氧空气，使换热器浸泡在液态无氧空气中，末级相变制冷循环的制冷工质为液态无氧空气，首级相变制冷循环至末级相变制冷循环的各级制冷工质的蒸发温度，依级次排列顺序递增，首级制冷工质蒸发温度最低；

灭火机的外形主体是一底部呈内凹形半球壳状的大型容器，该大型容器由抗压导热的金属板密封制成，其内部分隔成一层以上环状形隔离空间，其中心空间设置第一保温压力容器，在第一保温压力容器的外层空间设置中间N级保温压力容器，在中间N级保温压力容器的下方空间设置末端保温压力容器，在末端保温压力容器的内侧空间设置液态无氧空气高压储液舱；以上部分为灭火机副装置，副装置各个部件通过联接管连接；本发明还包括发动机主装置，主装置与副装置之间通过输液管及输气管连接；

所述灭火机主装置包括由结构圆壳和保温层构成的换热腔，在该换热腔内安装的使液态无氧空气吸热汽化成高压无氧空气的蒸发器，在蒸发器上方设置的涡轮风扇叶片，从大型容器的中心处穿过并垂直设置的机轴，使高压无氧空气透平作功的透平膨胀机和发电机，为灭火机提供航空推力的呈水平状的航空螺旋桨，以及将低温高压无氧空气喷向森林火场的高压无氧空气喷管；高压无氧空气喷管设置在大型容器的内凹形半球壳状底板上，让高热高密度无氧压缩空气与深冷液态无氧空气进行热量交换的换热腔悬置在大型容器下方的内凹形半球壳状空间的中心位置，位于换热腔内的涡轮风扇叶片安装在机轴的下端，透平膨胀机设置在机轴的上端即大型容器中心处的上方，透平膨胀机叶轮受力面所承受的轴向推力朝向上空方向，透平膨胀机与涡轮风扇叶片同轴安装，在透平膨胀机的上方位置同轴安装发电机，在发电机的上方位置同轴安装呈水平状的航空螺旋桨；

所述灭火机主装置上装有输气换向阀和输液换向阀，输气换向阀通过第一高压输气管连接高压无氧空气活动喷管，输气换向阀还通过第二高压输气管与透平膨胀机连接，第三高压输气管将输气换向阀与液态无氧空气高压储液舱内的低温无氧空气层接通；输液换向阀通过第一高压输液管与位于末端保温压力容器下部的高压工质泵连接，输液换向阀还通过第二高压输液管与换热腔内的蒸发器接通，又由三通高压输液管连接到液态无氧空气高压储液舱；

所述灭火机主装置上的换热腔通过输气管与灭火机副装置内的位于末端保温压力容器内的换热器连接，主装置上的透平膨胀机的尾气管则与副装置内的末端保温压力容器内冷凝空间连通；

上述蒸发器，透平膨胀机，使低温无氧空气冷凝成液态无氧空气的末端保温压力容器内的冷凝空间，以及使液态无氧空气重新进入蒸发器的高压工质泵，由此形成热力蒸气作功循环；上述涡轮风扇叶片，换热腔，将压缩无氧空气再次在液态无氧空气中快速冷却的换热器，使低温无氧空气最后冷凝成液态无氧空气的冷凝空间，液态无氧空气高压储液舱，高压工质泵，末级制冷蒸发器，以及将高压无氧空气喷向自然空间的活动喷管，由此构成森林火灾现场无氧空气流的相变热力循环；

所述热力蒸气作功循环与所述纯相变无热制冷中末级相变以冷制冷循环构成同一热力循环，其对外制冷量用来消耗高热烟气中的热量，其热力蒸气作功能量产生机械动力并发电；

所述森林火灾现场无氧空气流的相变热力循环，与所述纯相变无热制冷中的另一支末级相变以冷制冷循环构成同一相变热力循环，其对外制冷量用来消耗高热烟气中的热量，为森林消防灭火提供大量高压低温无氧空气。

本发明由灭火机副装置和灭火机主装置组成，采用纯相变无热制冷技术，实行多级相变以冷制冷循环，以高倍的制冷效率制取出大量低温深冷冷量，并多次重复利用上述冷量来冷却和液化大量森林火场烟气，重复利用森林火灾现场的无氧空气来熄灭森林火灾，并可以形成无氧空气幕墙来熄灭森林火场与火种，并同时利用人工制造的低温冷量与森林火场的热量之间的温差所具有的能量为整个装置提供机械动力，实行就地取材，以火灭火，彻底熄灭火源。

下面结合附图对本发明作详细描述。

附图是一种低温无氧空气森林消防灭火机的结构示意图。

参看附图，灭火机的外形主体是一个底部呈内凹形半球壳状的大型容器，该大型容器内的中心空间上部为操作驾驶舱1，操作驾驶舱1设置驾驶员出入门13。在大型容器内的中心空间设置第一保温压力容器2。在第一保温压力容器2内安装制冷压缩机23、冷凝器24、节流器35和蒸发器25，组成首级蒸气压缩制冷循环，提供原始冷量。第一保温压力容器2内的底部注入液态制冷工质19，上述首级蒸气压缩制冷循环中的制冷压缩机23、冷凝器24被浸泡在液态制冷工质19中。第一保温压力容器2内的中部安装过冷液态工质冷凝板17，在底部液态制冷工质19中安装次一级工质泵31。

在大型容器内第一保温压力容器2的外层空间设置中间N级保温压力容器4。中间N级保温压力容器4内的上部安装中间级制冷蒸发器26，在中部安装过冷液态工质冷凝板17，在底部充注液态制冷工质20，并安装下一级工质泵22。工质泵31通过吸液管从第一保温压力容器2的底部吸入液态制冷工质19，经工质输液管38输入中间级制冷蒸发器26。液态制冷工质19通过蒸发器26从下一级制冷循环中的回笼制冷工质蒸气中吸收热量并汽化形成蒸气，经保温回气管45回到第一保温压力容器2内冷凝空间冷凝液化，由此形成相变以冷制冷循环。

在大型容器内中间N级保温压力容器4的下方空间设置末端保温压力容器5。末端保温压力容器5内的上部安装中间N级制冷蒸发器27，在中部安装过冷液态工质冷凝板17，在下部灌注末级液态制冷工质，即液态无氧空气21。在液态无氧空气21的上层设置换热器29，在下层安装高压工质泵30。工质泵22从中间N级保温压力容器4内吸入液态制冷工质20，经输液管39输入中间N级制冷蒸发器，并从低温无氧空气中吸热汽化形成蒸气，经保温回气管40回到中间N级保温压力容器4内的冷凝空间冷凝液化，由此形成相变以冷制冷循环。

在大型容器内末端保温压力容器5的内侧空间设置第一液态无氧空气高压储液舱6，第一高压储液舱6内装有液态无氧空气21。在大型容器内末端保温压力容器5的下方空间设置第二液态无氧空气高压储液舱7，第二高压储液舱7内也装有液态无氧空气21。

以上部分为灭火机副装置，其中各个部件通过联接管连接。

灭火机主装置包括由结构圆壳8和保温层构成的换热腔44，在该换热腔44内安装的使液态无氧空气吸热汽化成高压无氧空气的蒸发器28，在蒸发器28上方设置的涡轮风扇叶片14，从大型容器的中心处穿过并垂直设置的机轴10，使高压无氧空气透平作功的透平膨胀机12和发电机11，为灭火机提供航空推力的呈水平状的航空螺旋桨9，以及将低温高压无氧空气喷向森林火场的高压无氧空气喷管15。高压无氧空气喷管15设置在大型容器的内凹形半球壳状底板上，可以设置在底板周边下沿，也可以设置在底板周边的任何位置。换热腔44悬置在大型容器下方的内凹形半球壳状空间3的中心位置，换热腔44内的涡轮风扇叶片14安装在机轴10的下端，透平膨胀机12设置在机轴10的上端，即大型容器中心处的上方。透平膨胀机12的叶轮受力面所承受的轴向推力朝向上空方向。透平膨胀机12与涡轮风扇叶片同轴安装，在透平膨胀机12的上方位置同轴安装发电机11，在发电机11的上方位置同轴安装呈水平状的航空螺旋桨9。涡轮风扇叶片14从内凹形半球壳状空间3吸入并压缩无氧空气流，换热腔44让高热高密度无氧压缩空气与蒸发器28内的深冷液态无氧空气进行热量交换。

灭火机主装置上装有输气换向阀18和输液换向阀16。输气换向阀18通过第一高压输气管43连接高压无氧空气活动喷管15，输气换向阀18还通过第二高压输气管37与透平膨胀机12连接，第三高压输气管33将输气换向阀18与第一液态无氧空气高压储液舱6内高压低温无氧空气层接通。

输液换向阀16通过第一高压输液管42与位于末端保温压力容器5内下部的高压工质泵30连接，输液换向阀16还通过第二高压输液管32与换热腔44内的蒸发器28接通，又由三通高压输液管36连接到第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7内液态无氧空气层。

灭火机主装置上的换热腔44通过输气管34与灭火机副装置内的位于末端保温压力容器5内的换热器29连接，主装置上的透平膨胀机12的尾气管41则与副装置内的末端保温压力容器5内冷凝空间连通。

高压工质泵30从末端保温压力容器5内的下部吸入液态无氧空气21，经第一高压输液管42、输液换向阀16、第二高压输液管32，进入换热腔44内的蒸发器28，液态无氧空气21通过蒸发器28与经过换热腔44内的由涡轮风扇叶片14强力压缩的高热高密度无氧空气流换热，汽化成可以作功的高压无氧空气，再经第二高压输气管37进入透平膨胀机12透平作功，驱动透平膨胀机12运转并为装于同一机轴10上的发电机11、水平状航空螺旋桨9、涡轮风扇叶片14提供动力，发电机11向制冷压缩机1、工质泵31、工质泵22和高压工质泵30提供正常工作运行电力，高压无氧空气透平降温降压后，其尾气由尾气管41导入末端保温压力容器5内的冷凝空间冷凝液化，由此形成末级相变以冷制冷循环与热力蒸气作功循环。

森林火灾现场的无氧空气流的相变热力循环，与所述纯相变无热制冷中的另一支末级相变以冷制冷循环亦构成同一相变热力循环。该循环由高压工质泵30、第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7、高压无氧空气活动喷管15、涡轮风扇叶片14、换热器29、末端保温压力容器5内的冷凝空间、以及液态无氧空气21所构成。无氧高热烟气流经大型容器下方的内凹形半球壳状空间3汇集，受涡轮风扇叶片14强力压缩后进入换热腔44，与换热腔44内的蒸发器28里面的末级制冷工质，即深冷液态无氧空气21进行大温差的冷热交换后，冷却成低温压缩空气，再经输气管34进入末端保温压力容器5内的换热器29，由于换热器29浸泡在低温低压的液态无氧空气21之中，换热器29内的无氧空气流再次被强力冷却后进入末端保温压力容器5内的冷凝空间冷凝液化，再经高压工质泵30通过第一高压输液管42、输液换向阀16进入第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7，因高压储液舱的金属结构板与整个装置的外壳结构金属板作导热连接，故从外部自然环境与热烟气流中吸收热量，使高压储液舱内的液态无氧空气由此不断吸热汽化成低温高压无氧空气，低温高压无氧空气经第三高压输气管33、输气换向阀18、第一高压输气管43导入高压无氧空气活动喷管15，活动喷管15从空中喷向森林火场，由此形成森林火灾现场的无氧空气流相变热力循环与另一支末级相变以冷制冷循环。

第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7内的液态无氧空气21因从装置外壳向外界吸热汽化形成低温高压无氧空气，在必要时亦可以通过第三高压输气管33、输气换向阀18、第二高压输气管37，进入透平膨胀机12内透平作功，透平后其尾气经尾气管41回到末级保温压力容器5内冷凝空间重新冷凝液化，形成热力蒸汽作功循环。

向森林火场喷出的高压低温无氧空气，可以通过在大型容器的内凹形半球壳状底板上周边均匀分布的高压无氧空气活动喷管15，按一定幅度摆动扫射形成圆锥形无氧空气幕墙，从空中罩住森林火场，幕墙所包围的空间内的无氧热烟气被换热腔44内的涡轮风扇叶片14强力抽取压缩回收，进入无氧空气流的相变热力循环，由此形成无氧空气的多次重复利用。

本发明所述的低温无氧空气森林消防灭火机在森林火场上空停留，其航空动力由涡轮风扇叶片14压缩无氧空气时的推力、透平膨胀机12透平作功时的轴向推力、活动喷管15喷气时的反推力，必要时由透平膨胀机12提供动力驱动水平状航空螺旋桨9产生的推力所构成。它能使灭火机克服自身重力、长时间停留在森林火场上空任意位置，同时可以依靠活动喷管15水平喷射高压无氧空气产生水平反推力，作短距离水平移位。当发现森林火警后，可由直升飞机或者陆运工具将低温无氧空气森林消防灭火机快速运至火场附近，投入灭火运行。

本发明所述的灭火机的工作流程如下：

启动制冷压缩机23制冷，其热量由液态制冷工质19的汽化潜热消耗，液态制冷工质19因消耗制冷压缩机23与冷凝器24的外排热量所产生的蒸气，在第一保温压力容器2的冷凝空间内冷凝液化。

启动工质泵31，让液态制冷工质19进入中间级制冷蒸发器26，从次一级制冷工质蒸气中吸热汽化，并经保温回气管45回到第一保温压力容器2内的冷凝空间冷凝液化。

启动工质泵22，让液态制冷工质20进入中间N级制冷蒸发器27，并从末级制冷的低温无氧空气中吸热汽化，经保温回气管40回到中间N级保温压力容器4内的冷凝空间冷凝液化。

启动高压工质泵30，让液态无氧空气21进入第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7，从大型容器外壳吸热汽化成低温高压无氧空气后，经第三高压输气管33、输气换向阀18、第二高压输气管37进入透平膨胀机12作功透平，驱动发电机11和涡轮风扇叶片14正常工作运行，让发电机11为制冷压缩机1、工质泵31、22、高压工质泵30提供正常工作运行电力。高压无氧空气透平后经尾气管41再次回到末端保温压力容器5的冷凝空间冷凝液化。

透平膨胀机12带动涡轮风扇叶片14强力压缩无氧空气流，产生高热高密度压缩无氧空气后，调整输液换向阀16，让高压工质泵30从末端保温压力容器5内泵出的液态无氧空气21经第一高压输液管42、输液换向阀16、三通输液管36，在进入第一、第二液态无氧空气高压储液舱6、7时，同时通过第二输液管32进入蒸发器28快速汽化成高压无氧空气，通过第二高压输气管37驱动透平膨胀机12加倍作功；与此同时调整输气换向阀18，切断其与第二高压输气管37的连接，让液态无氧空气高压储液舱6内的上部高压低温无氧空气经第三高压输液管33、输气换向阀18、第一高压输气管43进入活动喷管15，将无氧高压低温空气向森林火场喷射。

启动灭火机顶部的水平状航空螺旋桨9，让灭火机垂直升降，调节活动喷管15的喷气方向为水平方向，使灭火机在森林火场上空水平移动。

本发明为及时熄灭任意规模的森林火灾，提供了一种成本低廉、安全可靠的消防灭火机，从而有效地避免了森林火灾对人类社会所造成的巨大物质损失及环境污染所带来的危害。

Claims (1)

1、一种低温无氧空气森林消防灭火机，其基本部件与以水为工质的热力蒸汽发动机相类似，利用纯相变无热制冷技术的多级制冷循环，它包括由制冷压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器组成的提供原始制冷量的首级蒸气压缩制冷循环装置，过冷液态工质冷凝板，次一级液态制冷工质，以及将上述部件均设置在内的第一保温压力容器，连同工质泵；包括装有中间级制冷蒸发器、过冷液态工质冷凝板和液态制冷工质的中间N级保温压力容器，连同工质泵；

其特征在于，它还包括装有中间N级制冷蒸发器、过冷液态工质冷凝板的末端保温压力容器，末端保温压力容器的下部装有换热器和高压工质泵，并在末端保温压力容器内的下部灌注液态无氧空气，使换热器浸泡在液态无氧空气中，末级相变制冷循环的制冷工质为液态无氧空气，首级相变制冷循环至末级相变制冷循环的各级制冷工质的蒸发温度，依级次排列顺序递增，首级制冷工质蒸发温度最低；

灭火机的外形主体是一底部呈内凹形半球壳状的大型容器，该大型容器由抗压导热的金属板密封制成，其内部分隔成一层以上环状形隔离空间，其中心空间设置第一保温压力容器，在第一保温压力容器的外层空间设置中间N级保温压力容器，在中间N级保温压力容器的下方空间设置末端保温压力容器，在末端保温压力容器的内侧空间设置液态无氧空气高压储液舱；以上部分为灭火机副装置，副装置各个部件通过联接管连接；本发明还包括发动机主装置，主装置与副装置之间通过输液管及输气管连接；

所述灭火机主装置包括由结构圆壳和保温层构成的换热腔，在该换热腔内安装的使液态无氧空气吸热汽化成高压无氧空气的蒸发器，在蒸发器上方设置的涡轮风扇叶片，从大型容器的中心处穿过并垂直设置的机轴，使高压无氧空气透平作功的透平膨胀机和发电机，为灭火机提供航空推力的呈水平状的航空螺旋桨，以及将低温高压无氧空气喷向森林火场的高压无氧空气喷管；高压无氧空气喷管设置在大型容器的内凹形半球壳状底板上，让高热高密度无氧压缩空气与深冷液态无氧空气进行热量交换的换热腔悬置在大型容器下方的内凹形半球壳状空间的中心位置，位于换热腔内的涡轮风扇叶片安装在机轴的下端，透平膨胀机设置在机轴的上端即大型容器中心处的上方，透平膨胀机叶轮受力面所承受的轴向推力朝向上空方向，透平膨胀机与涡轮风扇叶片同轴安装，在透平膨胀机的上方位置同轴安装发电机，在发电机的上方位置同轴安装呈水平状的航空螺旋桨；

所述灭火机主装置上装有输气换向阀和输液换向阀，输气换向阀通过第一高压输气管连接高压无氧空气活动喷管，输气换向阀还通过第二高压输气管与透平膨胀机连接，第三高压输气管将输气换向阀与液态无氧空气高压储液舱内的低温无氧空气层接通；输液换向阀通过第一高压输液管与位于末端保温压力容器下部的高压工质泵连接，输液换向阀还通过第二高压输液管与换热腔内的蒸发器接通，又由三通高压输液管连接到液态无氧空气高压储液舱；

所述灭火机主装置上的换热腔通过输气管与灭火机副装置内的位于末端保温压力容器内的换热器连接，主装置上的透平膨胀机的尾气管则与副装置内的末端保温压力容器内冷凝空间连通；

上述蒸发器，透平膨胀机，使低温无氧空气冷凝成液态无氧空气的末端保温压力容器内的冷凝空间，以及使液态无氧空气重新进入蒸发器的高压工质泵，由此形成热力蒸气作功循环；上述涡轮风扇叶片，换热腔，将压缩无氧空气再次在液态无氧空气中快速冷却的换热器，使低温无氧空气最后冷凝成液态无氧空气的冷凝空间，液态无氧空气高压储液舱，高压工质泵，末级制冷蒸发器，以及将高压无氧空气喷向自然空间的活动喷管，由此构成森林火灾现场无氧空气流的相变热力循环；

所述热力蒸气作功循环与所述纯相变无热制冷中末级相变以冷制冷循环构成同一热力循环，其对外制冷量用来消耗高热烟气中的热量，其热力蒸气作功能量产生机械动力并发电；

所述森林火灾现场无氧空气流的相变热力循环，与所述纯相变无热制冷中的另一支末级相变以冷制冷循环构成同一相变热力循环，其对外制冷量用来消耗高热烟气中的热量，为森林消防灭火提供大量高压低温无氧空气。

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