NO339394B1 - Høyhastighetslavtrykksemitter - Google Patents

Description

Området for oppfinnelsen

Denne søknaden vedrører anordninger for emittering av atomisert væske, anordningen injiserer væsken inn i en gasstrøm, hvor væsken atomiseres og projiseres vekk fra anordningen.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Anordninger som så resonansrør anvendes for å atomisere væsker for forskjellige formål. Væskene kan være drivstoff, for eksempel, injisert inn i en jetmotor eller rakettmotor, eller vann sprøytet fra et sprinkelhode i et brannundertrykkingssystem. Resonansrør anvender akustisk energi, generert av en oscillatorisk trykkbølge-vekselvirkning mellom en gassjet og et hulrom, for å atomisere væske som injise-res inn i området i nærheten av resonansrøret, hvor den akustiske energien er til-stede.

Resonansrør av kjent konstruksjon og driftsmodus har generelt ikke de fluidstrøm-karakteristikkene som er påkrevd for å være effektiv i brann- beskyttelsesapplika-sjoner. Strømningsvolumet fra resonansrøret har en tendens til å være inadekvat, og vannpartikler generert ved atomiseringsprosessen har relativt lave hastigheter. Følgelig retarderes disse vannpartiklene betydelig innenfor omtrent 8 til 16 tommer fra sprinkelhodet og kan ikke overvinne en utvikling av stigende forbrenningsgass generert ved en brann. Således kan ikke vannpartiklene komme til brannkilden for å gi effektiv brannundertrykking. Videre, vannpartikkelstørrelsen generert ved ato-miseringen er ineffektiv for reduksjon av oksygeninnholdet for å undertrykke en brann dersom omgivelsestemperaturen er under 55 °C. I tillegg krever kjente reso-nansrør relativt store gassvolumer levert ved høyt trykk. Dette gir ustabil gasstrøm, som genererer signifikant akustisk energi og skiller seg fra deflektorflater som den passerer over, og fører til inneffektiv atomisering av vannet. Det er et klart behov for en atomiserende emitter som drifter mer effektivt enn kjente resonansrør, ved at emitteren bruker mindre gassvolumer ved lavere trykk for å produsere tilstrek-kelig volum av atomiserte vannpartikler, som har en mindre størrelsesfordeling, samtidig med at det opprettholdes signifikant moment ved utslipp, slik at vannpartikler kan overvinne røykutvikling fra brann og kan være mer effektiv ved brannun-deruttrykking.

US 3 084 874 omfatter et apparat og fremgangsmåte for dannelse av aerosoler, gassformede dispergerte systemer av væske og gass. Nærmere bestemt blir det beskrevet en aerosol-generator omfattende at par med konsentrisk-adskilte kanaler, hvor den indre eller gasskanalen har et innløp og et utløp, og den ytre eller fø-dekanalen som inneholder aerosolmaterialet har et innløp og et utløp. Et sylindrisk legeme strekker seg aksialt gjennom den sentrale delen av den indre kanalen. En flat barriere-enhet er integrert i og aksialt koblet til legemet og strekker seg aksialt adskilt fra og sidestilt med utløpet av den indre kanalen.

Oppsummering av oppfinnelsen

Oppfinnelsen vedrører en emitter for atomisering og utslipp av en væske fanget inn i en gasstrøm ifølge krav 1.

Oppfinnelsen inkluderer også en fremgangsmåte ifølge krav 8 for å drifte emitteren,

Kort beskrivelse av tegningene

Figur 1 er en langsgående snittbetraktning av en høyhastighets lavtrykksemitter ifølge oppfinnelsen; Figur 2 er en langsgående snittbetraktning som viser en komponent av emitteren vist i figur 1; Figur 3 er en langsgående snittbetraktning som viser en komponent av emitteren vist i figur 1; Figur 4 er en langsgående snittbetraktning som viser en komponent av emitteren vist i figur 1; Figur 5 er en langsgående snittbetraktning som viser en komponent av emitteren vist i figur 1; Figur 6 er et diagram som viser fluidstrømning fra emitteren, basert på et Schlieren fotografi av emitteren vist i figur 1 under drift; og Figur 7 er et diagram som viser prediket fluidstrømning for en annen utførelsesform av emitteren.

Detaljert beskrivelse av utførelsesformene

Figur 1 viser en langsgående snittbetraktning av en høyhastighets lavtrykksemitter 10 ifølge oppfinnelsen. Emitter 10 omfatter en konvergent dyse 12, som har et inn-løp 14 og et utløp 16. Utløpet 16 kan spenne i diameter fra mellom omtrent 3,175 mm til omtrent 25,4 mm (1/8 tomme til omtrent 1 tomme) for mange applikasjo-ner. Innløpet 14 er i fluidkommunikasjon med en trykksatt gasstilførsel 18, som tilveiebringer gass til dysen ved et forutbestemt trykk og strømningshastighet. Det er fordelaktig at dysen 12 har en bøyd konvergerende indre overflate 20, selv om andre former, så som en lineær konisk overflate, også er mulig.

En defektorflate 22 plasseres i fordelt relasjon med dysen 12, et gap 24 etableres mellom deflektorflaten og dyseutløpet. Gapet kan spenne i størrelse fra mellom omtrent 2,54 mm (1/10 tomme) til omtrent 19,05 mm (% tomme). Deflektorflaten 22 holdes i fordelt relasjon fra dysen med et eller flere støtteben 26.

Fortrinnsvis omfatter deflektorflaten 22 en overflatedel 28, som hovedsakelig er stilt på i linje med dyseutløpet 16, og en vinklet overflatedel 30 tilstøtende med og omsluttende den flate delen. En flatedel 28 er hovedsakelig rettvinklet med gass-strømmen fra dysen 12, og har en minste diameter omtrent lik diameteren for utlø-pet 16. Den vinklete delen 30 er orientert med en tilbakestrøksvinkel 32 fra den flate delen. Tilbakestrøksvinkelen kan spenne fra mellom 15° og omtrent 45°, og sammen med størrelsen på gapet 24 bestemmer dispergeringsmønsteret i strøm-men fra emitteren.

En deflektorflate 22 kan ha andre former, så som den bøyde øvre kanten 34 vist i figur 2, og den bøyde kanten 36 vist i figur 3. Som vist i figurene 4 og 5, kan deflektorflaten 22 også inkludere et resonansrør med lukket ende 38 omsluttet av en flat del 40 og en tilbakestrøket vinklet del 42 (figur 4) eller bøyd del 44 (figur 5). Diameteren og dybden av resonanshulrommet kan være omtrent lik diameteren for utløpet 16.

Igjen med referanse til figur 1, omslutter et ringromformet kammer 46 dyse 12. Kammer 46 er i fluidkommunikasjon med en trykksatt væsketilførsel 48, som tilveiebringer en væske til kammeret ved et forutbestemt trykk og strømningshastig-het. Flere kanaler 50 strekker seg fra kammeret 46. Hver kanal har en utgangsåpning 52, plassert tilgrensende dyseutløpet 16. Utgangsåpningene har en diameter på mellom omtrent 0,794 og 3,175 mm (1/32 og 1/8 tomme). Foretrukne avstan- der mellom dyseutløpet 16 og utgangsåpningene 52 spenner fra omtrent 0,397 mm til 3,175 mm (1/64 tomme til 1/8 tomme), som målt langs en radius linje fra kanten av dyseutløpet til den nærmeste kanten av utgangsåpningen. Væske, for eksempel vann for brannundertrykking, strømmer fra den trykksatte tilførselen 48 inn i kammeret 46 og gjennom kanalene 50, går ut fra hver åpning 52, hvor den atomiseres av gasstrømmen fra den trykksatte gasstilførselen, som strømmer gjennom dysen 12 og går ut gjennom dyseutløpet 16, som beskrevet i detalj nedenfor.

Emitter 10, når konfigurert for anvendelse i et brannundertrykkingssystem, er kon-struert for å drifte med et foretrukket gasstrykk på mellom omtrent 199,95 kPa til 413,69 kPa (29 psia til 60 psia) ved dyseinnløpet 14, og et foretrukket vanntrykk på mellom omtrent 6,895 kPa og 344,74 kPa (1 psig og omtrent 50 psig) i kammer 46. Mulige gasser inkluderer nitrogen, andre inerte gasser, blandinger av inerte gasser, såvel som blandinger av inerte og kjemisk aktive gasser, så som luft.

Drift av emitteren 10 er beskrevet med henvisning til figur 6, som er en tegning basert på Schlieren-fotografisk analyse av en emitter i drift.

Gass 45 går ut fra et dyseutløp 16 ved omtrent Mach 1,5, og treffer deflektorflaten 22. Samtidig slippes vann 47 ut fra utgangsåpninger 52.

Vekselvirkning mellom gassen 45 og deflektorflaten 22 etablerer en første sjokkfront 54 mellom dyseutløpet 16 og deflektorflaten 22. En sjokkfront er et område av strømningsorgan fra overlyds- til underlydshastighet. Vann 47, som går ut fra hullene 52, går ikke inn i området for den første sjokkfronten 54.

En andre sjokkfront 56 dannes i nærheten av deflektorflaten ved grensen mellom den flate overflatedelen 28 og den vinklete overflatedelen 30. Vann 47, sluppet ut fra åpningene 52, fanges inn med gassjeten 45 i nærheten av den andre sjokkfronten 56, og danner en væske-gassstrøms 60. En fremgangsmåte for innfanging er å anvende trykkdifferensialet mellom trykket i gassjetstrømmen og omgivelsene. Sjokkdiamantene 58 dannes i et område langs den vinklete delen 30, sjokkdiamantene begrenses til innenfor væske-gassstrømmen 60, som projiserer utover og nedover fra emitteren. Sjokkdiamantene er også overgangsområder mellom over-lyd- og underlydsstrømningshastighet og, følger av gasstrømmen, som blir overekspandert når den går ut fra dysen. Overekspandert strømning beskriver et strømingsregime, hvori det eksterne trykket (det vil si, det omgivende atmosfæris-ke trykket i dette tilfellet) er høyre enn gassutløpstrykket ved dysen. Dette produ serer skråstilte sjokkbølger som reflekterer fra den frie jetgrensen 49, som marke-rer grensen mellom væske-gasstrøm 60 og den omgivende atmosfæren. De skråstilte sjokkbølgene reflekteres mot hverandre for å danne sjokkdiamantene.

Signifikante skjærkrefter produseres i væsk-gasstrømmen 60, som ideelt sett ikke skilles fra deflektorflaten, selv om emitteren fortsatt er effektiv dersom separasjon forekommer som vist i 60a. Vannet som er fanget i nærheten av den andre sjokkfronten 56 utsettes for disse skjærkreftene, som er den primære mekanismen for atomisering. Vannet møter også sjokkdiamantene 58, som er en andre kilde for vannatomisering.

Således driftes emitteren 10 med flere mekanismer for atomisering, som produserer vannpartikler 62 mindre enn 20 mikrometer i diameter, hoveddelen av partiklene må holdes som mindre enn 5 um. De mindre dråpene er svevende i luft. Denne karakteristikken tillater dem å opprettholde nærhet til brannkilden for større brann-undertrykkingseffekt. Videre, partiklene opprettholder et signifikant nedgående moment, som tillater væske-gasstrømmen 60 å overvinne den oppstigende utvik-lingen av forbrenningsgasser som oppstår fra en brann. Målingen viser væske-gasstrømmen men en hastighet på 365 m/min (1200 ft/min) ved en avstand på 45,72 cm (18 tommer) fra emitteren, og en hastighet på på 213 m/min (700 ft/min) ved en avstand på 2,4 m (8 fot) fra emitteren. Strømningen fra emitteren observeres å treffe på gulvet i rommet hvor den driftes. Tilbakestrøksvinkelen 32 av den vinklete delen 30 til deflektorflaten 22 tilveiebringer en signifikant kontroll over den inkluderte vinkelen 64 av væske-gasstrømmen 60. Inkluderte vinkler på omtrent 120° er oppnåelig. Ytterligere kontroll over dispergeringsmønsteret til strømmen gjennomføres ved å justere gapet 24 mellom dyseutløpet 16 og deflektorflaten.

Under emitterdrift observeres det videre at røyklaget som akkumuleres i himlingen

i et rom under en brann trekkes inn i gasstrømmen 45, som går ut fra dysen og fanges inn i strømmen 60. Dette kommer i tillegg til de flere modi av slukkekarak-teristikker i emitteren, som beskrevet nedenfor.

Emitteren forårsaker et temperaturfall på grunn av atomisering av vannet, til de ekstremt små partikkelstørrelsene beskrevet ovenfor. Dette absorberer varme, og hjelper til i å dempe spredning av forbrenningen. Nitrogengasstrømmen og vannet som er fanget inn i strømmen erstatter oksygen i rommet med gasser som ikke kan støtte forbrenning. Ytterligere oksygen uttømte gasser i form av røyklaget, som er fanget inn i strømmen, bidrar også til oksygenunderskudd for brannen. Det observeres imidlertid at oksygennivået i rommet, hvor emitteren er satt ut ikke faller under omtrent 16 %. Vannpartiklene og den innfangete røyken danner tåke, som blokkerer overføring av strålingsvarme fra brannen, og denne varmeoverføringsmå-ten demper således spredning av forbrenning. På grunn av de ekstraordinært store overflatearealene, som oppstår fra de ekstremt små vannpartikkelstørrelsene, absorberer vannet energi lett og danner en damp, som videre fortrenger oksygen, absorberer varme fra brannen og hjelper til i å opprettholde en stabil temperatur som typisk knyttes til en faseovergang. Blandingen og turbulensen dannet av emitteren hjelper også til i å senke temperaturen i området rundt brannen.

Emitteren er forskjellig fra resonansrørene ved at den ikke produserer signifikant akustisk energi. Jetstøy (lyden som genereres av luft, som beveger seg over en objekt) er det eneste akustiske utkommet fra emitteren. Emitterens jetstøy har ingen signifikante frekvenskomponenter høyre enn omtrent 6kHz (halve driftsfre-kvensen for velkjente typer av resonansrør) og bidrar ikke signifikant til vannatomisering.

Videre, strømmen fra emitteren er stabil og skilles ikke fra deflektorflaten (eller erfarer forsinket utskilling, som vist ved 60a), i motsetning til strømmen fra reso-nansrør, som er ustabil og separerer fra deflektorflaten, som således fører til inneffektiv atomisering, eller til og med tap av atomisering.

En annen emitterutførelse 11 er vist i figur 7. Emitter 11 har kanaler 50 som er

vinkelmessig orientert mot dysen 12. Kanalene er vinkelmessig orienterte for å ret-te vannet eller en annen væske 47 mot gassen 45, for så å fange inn væsken i gassen i nærheten av den første sjokkfronten 54. Det antas at dette arrangementet vil legge til enda et område av atomisering i dannelsen av væske-gasstrømmen 60 projisert fra emitteren 11.

Emittere ifølge oppfinnelsen som driftes for å produsere en overekspandert gassjet med flere sjokkfronter og sjokkdiamanter oppnår flere atomiseringstrinn og fører til flere slukkemåter som anvendes til å kontrollere brannspredningen når det anvendes i et brannundertrykkingssystem.

Claims (14)

1. Emitter (10) for atomisering og utslipp av en væske (47) revet med seg i en gass-strøm (45), idet emitteren er koplingsbar i fluidkommunikasjon med en trykksatt kilde (48) av væsken (47) og en trykksatt kilde (18) av gassen (45), hvor emitteren omfatter: en dyse (12) som har et innløp (14) og et utløp (16), idet utløpet er sirku-lært og har en diameter, innløpet er koblingsbart i fluidkommunikasjon med den trykksatte gasskilden (18), og dysen (12) har en kurvet konvergent indre overflate (10); et ringromformet kammer (46) som omgir dysen (12) og er koplingsbar i fluidkommunikasjon til den trykksatte væskekilden (48); en kanal (50) som er koplet til det ringromformede kammeret og har et ut-gangshull (52) plassert tilgrensende utløpet (16); og en deflektorflate (22) plassert motstilt utløpet i adskilt forhold til dette, idet detektorflaten (22) har en første overflatedel som omfatter en flat overflate (28) orientert hovedsakelig rettvinklet på dysen (12) og en andre overflatedel (30) som omslutter den flate overflaten (28) og er orientert ikke rettvinklet på dysen (12), idet den flate overflaten har en minimumsdiameter som er omtrent lik utløpsdiame-teren, væsken (47) er utslippbar fra hullet (52), og gassen (45) er utslippbar fra dyseutløpet (16), væsken (47) blir dratt med gassen (45) og atomisert og danner en væske-gass-strøm som avbøyes av deflektorflaten (22) og strømmer vekk der-fra, karakterisert vedat emitteren (10) omfatter en rekke kanaler (50) som strekker seg fra kammeret (46) og hver kanal har et utløpshull (52) plassert tilgrensende dyseutløpet.

2. Emitter ifølge krav 1, hvor den andre overflatedelen (30) er en vinklet overflate (30) eller en kurvet overflate (34, 36).

3. Emitter ifølge krav 2, hvor den vinklede overflaten (30) har en tilbakestrøks-vinkel mellom omtrent 15° og omtrent 45° målt fra nevnte flate overflate (28).

4. Emitter ifølge krav 1-3, hvor: utløpet (16) har en diameter mellom 3,175 og 25,4 mm (1/8 og 1 tomme), hullet (52) har en diameter mellom 0,794 og 3,175 mm (1/32 og 1/8 tomme), eller nevnte deflektorplate (22) er adskilt fra utløpet med en avstand mellom 2,54 og 19,05 mm (1/10 og 3/4 tomme).

5. Emitter ifølge krav 1-4, videre omfattende et resonanshulrom med lukket ende posisjonert innen deflektorflaten (22) og omsluttet av nevnte flate overflate (28)

6. Emitter ifølge krav 1-5, hvor: utløpshullet (52) er adskilt fra utløpet (16) med en avstand mellom 0,397 og 3,175 mm (1/64 og 1/8 tomme), dysen (12) er innrettet for å operere over et gass-absolutt-trykk-område på mellom 199,95 kPa og 413,69 kPa (29 psia og 60 psia), eller kanalen (50) er innrettet til å operere over et væsketrykksområde på mellom 6,895 kPa og 344,74 kPa (1 psig og 50 psig).

7. Emitter ifølge krav 1-6, hvor kanalen (50) er vinkelmessig orientert mot dysen (12).

8. Fremgangsmåte for å operere en emitter ifølge krav 1-7, idet fremgangsmåten omfatter: utslipp av væsken fra hullet; utslipp av gassen fra utløpet, idet gassen får overlydshastighet; etablere en første sjokkfront (54) mellom utløpet (16) og deflektoroverflaten (22), hvor gassen bremser opp til underlydshastighet; etablere en andre sjokkfront (56) i nærheten av deflektoroverflaten (22), hvor gassen øker til overlydshastighet mellom den første sjokkfronten og den andre sjokkfronten, og avtar i hastighet etter å ha passert gjennom den andre sjokkfronten; dra med seg væsken i gassen nær ved minst én av sjokkfrontene for å danne en væske-gass-strøm; skyte ut væske-gass-strømmen fra emitteren; etablering av en flerhet av sjokkdiamanter (58) i væske-gass-strømmen (60) fra emitteren (10); dannelse av en overekspandert gass-strømjet fra dysen (12); og videre omfattende generering av moment i nevnte gass-strømjet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, videre omfattende å dra med seg væsken med gassen i nærheten av den andre sjokkfronten eller i nærheten av den første sjokkfronten.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, omfattende: tilførsel av gass til innløpet (14) ved et absolutt trykk på mellom 199,95 kPa og 413,69 kPa (29 psia og 60 psia); eller tilførsel av væske til kanalen (50) ved et trykk på mellom 6,895 kPa og 344,74 kPa (1 psig og 50 psig), hvor væske-gass-strømmen (60) ikke separerer fra deflektoroverflaten (22).

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, omfattende dannelse av ingen signifikant støy fra emitteren (10) annet enn gassjetstøy.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvor væske-gass-strømmen (60) haren hastighet på omtrent 365,76 m/min (1200 fot/min) ved en avstand på omtrent 457,2 mm (18 tommer) fra emitteren (10); fortrinnsvis slik at væske-gass-strømmen (60) haren hastighet på omtrent 213,36 mm/min (700 fot/min) ved en avstand på omtrent 2,44 m (8 fot) fra emitteren (10).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 8, videre omfattende etablering av strømningsmønster fra emitteren (10) som har en forhåndsbestemt inkludert vinkel ved å tilveiebringe en vinklet del av deflektoroverflaten (22); omfattende å trekke væske inn i gass-strømjetten ved anvendelse av et trykkdiffe-rensial mellom trykket i gass-strømjetten og omgivelsene, omfattende å dra med seg væsken inn i gass-strømjetten og atomisere væsken (47) inn i dråper mindre enn 20um i diameter; omfattende å trekke et oksygenuttømt røyklag inn i gass-strømjetten og fange inn røyklaget med væske-gass-strømmen (60) til emitteren (10).

14. Fremgangsmåte ifølge krav 8, omfattende å slippe ut en blanding av inerte og kjemisk aktive gasser fra utløpet; hvor nevnte gassblanding fortrinnsvis omfatter luft.