TWI341750B - High velocity low pressure emitter and method of operating it - Google Patents

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TWI341750B
TWI341750B TW095121013A TW95121013A TWI341750B TW I341750 B TWI341750 B TW I341750B TW 095121013 A TW095121013 A TW 095121013A TW 95121013 A TW95121013 A TW 95121013A TW I341750 B TWI341750 B TW I341750B
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Robert J Ballard
Stephen R Ide
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Victaulic Co Of America
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Description

1341750 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於發射霧化液體之設備，該設備將液體注入 一氣流内，該液體於該氣流内霧化並被投射出該設備。 【先前技術】 因為各種目的，使用諸如共振管之設備來霧化液體。該 等液體可為（例如）注入一喷射引擎或火箭馬達中之燃料，或 自一火災抑制系統内之一噴水頭中喷射之水。共振管使用 聲能量來霧化注入至在該共振管附近的存在聲能量之區域 内的液體，其中聲能量藉由一氣體喷柱與一空腔間之振盪 壓力波交互作用而產生。 已知设计及操作模式的共振管通常不具有所需來在防火 應用中有效的流體流量特徵。該共振管流體積傾向於不 當，且藉由霧化方法產生之水粒子具有相對的低速。結果， 該等水粒子於約8吋至16吋之喷水頭内顯著減速，且無法克 服由火產生之上升燃燒氣體之羽流。因此，水粒子不可到 達火源以便有效抑制火災。此外，若周圍溫度低於55^， 則藉由霧化產生之水粒子的大小在降低氧含量以抑制火災 時是低效的。另外，已知共振f要求高壓傳送之相對較大 的氣體容積。此產生不穩定I氣流，不穩定的&流產生顯 著的聲能量並與其行進過之㈣器表面分冑，如此導致水 之霧化低效。明顯需要比已知共振管更有效操作之霧化發 射器，因為該發射器在低壓下使用較小的氣體體積，以產 生具有更小尺寸分佈而體積充分的霧化水粒子同時於噴 112002.doc 射時維持充分的動量，以便水粒子克服火災煙羽而更為有 效地進行火哭抑制。 【實施方式】 圖1展示根據本發明之高速低壓發射器1 0之縱向别視 圖’發射器10包含具有入口 14及出口 16之漸縮噴嘴12。對 於許多應用而言’出口 16直徑可在約〇·ι 25吋至約1吋之間 的範圍内。入口 14與加壓氣體供應處18處於流體流通狀 態’該加壓氣體供應處以預定壓力及流動速率提供氣體至 喷嘴"儘管其他形狀（諸如線性傾斜表面）亦可行，但具有彎 曲的漸縮型内表面20之喷嘴12是有利的。 將偏轉器表面22定位成與喷嘴〗2處於分離關係，其令間 隙24形成於偏轉器表面與該噴嘴出口之間。該間隙大小可 在’勺0· 1吋至約0.75吋之間的範圍内。偏轉器表面22藉由一 或多個支持腳26而保持與噴嘴處於分離關係。 較佳地’偏轉器表面22包含大體上與噴嘴出口16對準之 扁平表面部分28，及鄰接並圍繞該扁平部分之有角度表面 为3〇。扁平部分28大體上垂直於自喷嘴12之氣流，且具 有一近似等於出口 16直徑之最小直徑。有角度部分30定向 成玄扁平。p分成後掠角3 2。該後掠角可在約1 $。與約4 5。 之間的範圍内，且該後掠角連同間隙24之大小—起決定自 發射器之流體的分散模式。 偏轉益表面22可具有其他形狀，諸如圖2中所示之上部彎 2邊34及ϋ 3中所不之弯曲邊36。如圖4及圖5 _戶斤示，偏轉 益表面22亦可包括封閉末端共振管38，其被扁平部分4〇及 112002.doc 1341750 後掠角部分42(圖4)或彎曲部分44(圖5)圍繞。該共振腔之直 徑及深度可近似等於出口 1 6之直徑。 再次參看圖1，環狀腔室46圍繞喷嘴12。腔室46與加塵液 體供應處48處於流體流通狀態下，該加壓液體供應處以預 定壓力及流動速率提供一液體至該腔室。複數個導管5〇自 腔室46延伸。每一導管具有鄰近喷嘴出口16定位之排出孔 52。該等排出孔直徑為約0.0625吋。喷嘴出口 16與排出孔 5 2之間的較佳距離範圍在約0,015吋至約〇 125对之間，兮距 離係沿著自喷嘴出口邊至排出孔之最近邊的半徑線量測得 到。如下文所詳述，液體（例如，用於火災抑制之水）自加壓 供應處48流入腔室46並經由導管50，自每一孔52排出，其 中液體被加壓氣體供應處流經噴嘴12並經由喷嘴出口 16排 出之氣流霧化。 當發射器10經組態以用於一火災抑制系統中時，其經設 計為在噴嘴入口 14處以在約29絕對磅每平方对至約 60 psia之間的較佳氣壓，及在腔室46内以在約1計示碎每平 方吋（psig)至約50 psig之間的較佳水壓，來進行操作。可行 氣體包括氮、其他惰性氣體、惰性氣體混合物以及惰性及 化學活性氣體（諸如空氣）之混合物。 參看圖ό描述發射器10之操作’圖6為基於一操作中的發 射器之紋影照片的圖式。 氣體45以約馬赫1.5排出噴嘴出口 16並撞擊於偏轉器表 面22上。同時，水47自排出孔52排出。 氣體45與偏轉器表面22之間的相互作用於嘴嘴出口 μ组 I12002.doc ⑧ 一震波前54。震波前為超音速至 出該等孔52之水47未進入第一震 偏轉器表面22之間形成第 次音速之流過渡區域。排 波前54之區域。 第二震波前56於扁平部分28與有角度表面部分％之間的 邊緣處形成而接近該偏轉器表面。自孔52排出之水47由氣 體喷柱&帶至接近第二震波前56處，從而形成液體氣體 流6〇 ° 一爽帶方法為使用氣流喷柱與周圍壓力間之壓差。 震動瓮形58沿有角度部分3〇形成於一區域内其中該等震 動菱形被限定於液體氣體流6〇内，它們自發射器向外及向 下投射。該等震動菱形亦為特級流速與次音速流速之間的 過渡區域，且係、因為在其排出喷嘴時氣流過度膨脹而造成 的。過度膨脹之流描述一流動體制，其中外部壓力（意即， 此情況下之周圍大氣麼）高於喷嘴處之氣體排除壓力。如此 產生斜震波，该等斜震波自標記液體氣體流6〇與周圍大氣 間之界限的自㈣射邊界49反射。$等斜冑㈣向彼此反 射以形成震動菱形。 在液體氣體流60内產生顯著剪力，液體氣體流6〇在理想 狀態下不與偏轉器表面分離，儘管在出現如60a所示之分離 的情況下，發射器仍然有效。經夾帶而接近第二震波前56 之水受到為用於霧化之主要機制的該等剪力。水亦遭遇到 為水霧化之次級來源的震動菱形5 8。 因此’發射器10用多個霧化機制進行操作，該等霧化機 制產生直從小於2 〇 μηι之水粒子6 2 ’其中大多數粒子經量測 為小於5 μηι。較小液滴浮於空氣中。此特徵允許該等較小 112002.doc 1341750 液滴保持接近該火源以用於產生較大的火災抑制效應。此 外’該等粒子保持顯著的向下動量，以允許液體氣體流60 克服由於火災造成的燃燒氣體上升羽流。量測值展示距發 射器18时處液趙氣體流具有速度〗2〇〇p尺/分（ft/min)，及距發 射器8呎處液體氣體流具有速度70〇 ft/mir^觀測到自發射 之流撞擊於用以操作該流之室内底板上。偏轉器表面22 之有角度部分30之後掠角32對液體氣體流60之夾角64提供 顯著控制。約120。之夾角為可達成的。對於流之分散模式 之額外控制係藉由調整喷嘴出口 16與偏轉器表面間之間隙 24來完成。 在發射器操作期間，進一步觀測到火災期間堆積在室内 房頂處之煙霧層被抽取至自喷嘴排出之氣流45中，且夾帶 於流60中。如下文所述，此添加至發射器多種模式之滅火 特徵中。 將水霧化為上文所述之極小粒子大小而使發射器引發一 温度下降。如此消耗火災熱量並幫助緩和燃燒之蔓延。氮 氣流及該流内所夾帶之水以不支持燃燒之氣體替代室内氧 氣。另外，夾帶於該流内呈煙霧層形式之耗盡氧氣的氣體 亦有助於火k之氧氣隔絕。然而，觀測到佈署有發射器之 室内之氧含量未下降至約16%以下。水粒子與夾帶煙霧形 成阻礙火災中之輻射熱傳遞之霧，因此藉由此熱傳遞模式 緩和了燃燒之蔓延。由於極小水粒子大小而導致的極大表 面面積，使得水易於吸收能量並形成蒸汽，其進一步轉移 氧氣、吸收火災熱量並幫助保持通常與相變相關聯之穩定 D2002.doc 10 1341750 /m度。發射器所形成之混合物及擾流亦幫助降低火災周圍 區域内之溫度。 發射器不同於共振管係因為在發射器内不產生顯著聲能 里。噴射雜訊（空氣在物件上移動所產生之聲音）僅為發射器 之聲輸出。發射器之噴射雜訊不具有高於約6 kHz(熟知型 共振管之工作頻率的一半）之顯著頻率成分且並不顯著有 助於水霧化。 此外，自發射器之流穩定且不與偏轉器表面分離（或如 60a處所示進行延遲的分離），其不同於自共振管之流，該 流不穩定且與偏轉器表面分離，因此導致低效的霧化乃至 造成霧化損失。 另一發射器實施例展示於圖7中，發射器丨丨具有導管5〇 , 其朝向喷嘴12成角度地定向^該等導管成角度地定向以向 氣體45導引水或其他液體47，使得於接近第一震波前“處 將該液體夾帶於氣體中。咸信此配置將在投射自發射器j 1 之液體氣體流6 0之形成中添加又一霧化區域。 根據本發明之經操作來產生具有多個震波前及震動菱形 之過度膨脹式氣體噴柱的發射器在用於一火災抑制系統中 時，達成了多階霧化並產生了用以控制火災蔓延之多種滅 火模式。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之一高速低壓發射器之縱向剖視圖； 圖2為展示圖1中所描述之該發射器之組件的縱向剖視 圖； H2002.doc (£> 1341750 3為展示圖1中所描述之該發射器之組件 丁叩碳向剖視 4為展示圖1中所描述之該發射器之 的縱向剖視 5為展示圖1中所描述之該發射器之 1干的縱向剖視
圖6為基於圖I中所示的該發射器在操作下之 片’而描繪自該發射器之流體流的圖；及 圖7為描繪該發射器之另一實施例之預剛流趙泣 【主要元件符號說明】 ^ @圖
圖 圖； 圖 圖； 圖 圖； 紋影照 1 〇高速低壓發射器 11 發射器 12 喷嘴 14 入口 16 出D 18 加壓氣體供應處 20 漸縮型内表面 22 偏轉器表面 24 間隙 26 支持腳 28 扁平表面部分 30 有角度表面部分 32 後掠角 34 上部弯曲邊 112002.doc 12- 1341750
36 •變曲邊 38 封閉末端共振管 40 扁平部分 42 後掠角部分 44 彎曲部分 45 氣體 46 環狀腔室 47 水 48 加壓液體供應處 49 自由噴射邊界 50 導管 52 排出孔 54 第一震波前 56 第二震波前 58 震動菱形 60 液體氣體流 62 水粒子 64 夾角 112002.doc

Claims (1)

1341750
第095121013號專利申請案 ，令文申請專利範圍替換本("年12月） ' 十Λ申請專利範圍： 1 . 一種用於霧化並排出一氣流内所夾帶之一液體之發射 器，該發射器可與該液體之一加壓源及該氣體之一加壓 源連接而處於流體流通狀態，該發射器包含： 一噴嘴，其具有一入口及一出口 ’一無阻礙之孔介於 其間，該出口具有一直徑，該入口可與該加壓氣體源連 接而處於流體流通狀態；
一導管，其與該噴嘴分離，且可與該加壓液體源連接 而處於流體流通狀態，該導管具有一與該噴嘴出口分離 並位於鄰近該出口之排出孔；及 偏轉器表面，其面向該出口定位，與該出口位置處 於分離關係且具有包含一大體上垂直於該噴嘴定向之平 L表面之第-表面部分，及包含一圍繞該平坦表面之有 角度表面部分之裳_主工Α 、 弟一表面部分，該平坦表面具有被相等 於該出口直禋之—旲 '、直徑所界定之一沾濕區，該液體 可自該孔排出，且兮盗 ^軋體可自該喷嘴出口排出，該液體 由该氣體夾帶並妹靈仆二 ^ 體流被該偏轉而形成一液體氣體流’該液體氣 2.如請求…之發二 濕區偏向並自該處流走。 3·如請中該喷嘴為-漸縮喷嘴。 之間。 益，其中該出口直徑在約1/8吋與約！吋 4·如請求項1之發射器 吋之間的直徑。 5.如請求項1之發射器 其中έ玄孔具有一在約1/32忖與約1 /§ 其中έ玄偏轉器表面與該出口間隔一 112002-99l2l3.doc 在約_对與約3/4时之間的距離。 6.如請求項1之發身 、 在約W64二：，其中該排出孔與該嘴嘴出口間隔-了興1/8吋之間的距離。 7，如請求们之發射器，其中 it ih 、鳴、.、工。周適以在一約29 psia 與約6〇㈣之間的氣壓範圍内操作。 8·如請求項1之發射器，其中 . . &、·工凋適U在一約1 psig 與約5〇 psig之間的液壓範圍内操作。 9.如請求項丨之發射器， ^ 3 具有封閉端之腔室， 位於該偏轉器表面之内且被該平坦表面圍繞。 10·如請求項丨之發射器，纟中該有角度表面部分具有一由該 坦表面量起之角度介於約i 5。與約45。之間的後掠角度。 u.如請求項1之發射器’進-步包含複數個該排出孔。 12. -種用於霧化並排出—氣流内所夾帶之—液體之發射 器，該發射器可與該液體之一加壓源及該氣體之一加壓 源連接而處於流體流通狀態，該發射器包含： 噴觜，其具有一入口及一出口，一無阻礙之孔介於 其間，該出口具有一直徑，該入口可與該加壓氣體源連 接而處於流體流通狀態； 一導管’其與該喷嘴分離，且可與該加壓液體源連接 而處於流體流通狀態’該導管具有一與該嘴嘴出口分離 並位於鄰近該出口之排出孔，·及 一偏轉器表面，其面向該出口，與該出口位置處於分 離關係，且具有包含一大體上垂直於該喷嘴定向之平坦 表面之第一表面部分，及包含一圍繞該平坦表面之曲面 J12002-9912l3.doc 之第二表面部分，該平坦表面具有被相等^徑 之一最小直徑所界定之一沾濕區。 13. 14. 15. 如請求項12之發射器’其中該導管朝向該噴嘴成角度地定 向。 如請求項1 2之發射器，進一步包含一且. y ° 3 具有封閉端之腔室， 位於δ亥偏轉器表面内且被該平坦表面圍繞。 一種操作一發射器之方法，該發射器包含： .一噴嘴，其具有一無阻礙之孔介於一可與一加壓氣體 源連接而處於流體流通狀態之入口與具有一直徑之出口 之間； 導官，其可與一加壓液體源連接而處於流體流通狀 態，戎導管具有一鄰近該出口定位之排出孔； 一偏轉器表面，其面向該出口定位以與該出口位置處 於刀離關係，6玄偏轉器表面包含一大體上垂直於該噴嘴 定向之平坦表面’該平坦表面具有被相等於該出口直徑 之一最小直徑所界定之一沾濕區； 遠方法包含： 將該液體自該孔排出； 將該氣體自該出口排出，該氣體達到超音速； 於該出口與該偏轉器表面之間形成一第一震波前， 其中該氣體減至次音速，然後撞擊該沾濕區； 接近該偏轉器表面形成一第二震波前，該氣體橫越 該沾濕區移動且在該第一震波前與該第二震波前之間 增至超音速’且在通過該第二震波前之後降低速度； H2002-99J213.doc 1341750
在至少該震波前之一於該氣體内失帶該液體以形♦成 —液體氣體流；及 自該發射器投射該液體氣體流。 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 如請求項15之方法，其包含在自該發射器之該液體氣體流 中形成複數個震動菱形。 如請求項1 5之方法，其包含自該喷嘴形成一過度膨脹的氣 流噴柱。 如請求項1 5之方法，其包含在一約29 psia與約60 psia之間 的壓力下供應氣體至該入口。 如請求項1 5之方法，其包含在一約1 psig與約50 psig之間 的壓力下供應液體至該導管。 如凊求項15之方法，其進一步包含由該氣體夾帶該液體至 接近該第二震波前。 如請求項丨5之方法，其進一步包含由該氣體夾帶該液體至 接近該第一震波前。 如請求項15之方法，其中該液體氣體流不與該偏轉器表面 分離。 如請求項15之方法，其包含除氣體噴柱雜訊外不自該發射 器形成顯著聲能量。 如請求項1 5之方法，其進一步包含在該氣流噴柱中產生動 量。 如請求項15之方法，進一步包含在约1200 ft/min之速度， 在距該發射器約18对之一距離處發射該液體氣體流。 如請求項15之方法，進一步包含在約700 ft/min之速度， 112002-991213.doc 1341750 '尸尸，ι丄’.Iy:'…、.（ .在距該發射器約8呎之一距離處發射^夜.-氣體流.：… 27.如β求項15之方法，其進一步包含藉由提供該偏轉器表面 之一有角度部分，來建立自該發射器之具有—預定夹角 之流模式。
28.如清求項15之方法，其包含使用該氣流噴柱中之壓力與周 圍壓力之間的一壓差，來將液體抽取至該氣流噴柱中。 29·如吻求項丨5之方法，其包含夾帶該液體至該氣流噴柱中， 並霧化該液體為直徑小於2〇 ^爪之液滴。 3〇·如：求項15之方法’其包含自該出口排出一惰性氣體。 3 1.如。月求項! 5之方法，其包含自該出口排出惰性氣體與化學 活性氣體之一混和物。 3 2.如明求項3丨之方法，其申該氣體混和物包含空氣。 33.如請求項15之方法，進—步包含將一耗盡氧之煙霧層抽耳 至由該出口排出之該氣體内，並由該發射器之該液體亲 體流失帶該煙霧層》 彳操作發射器之方法，該發射器包含： ^在"T與加壓氣體源連接而處於流體流通狀 t之入口與具有一直徑的的一出口之間具有一無阻礙 之孔； 導& ’其可與一加壓液體源連接而處於流體流通狀 心。亥導官具有—鄰近該出口定位之排出孔； 一偏轉器表面，其面向該出口定位以與該出口位置處 =^離關係，該偏轉器表面包含一大體上垂直於該噴嘴 疋向之平坦表面之平坦表面’該平坦表面具有被相等於 II2002-99I213.doc 1341750 沾濕區 該出口直徑之一最小直徑所界定之 該方法包含： 將該液體自該孔排出； 將該氣體自該出口排出’由該噴嘴產生一過度膨脹 的氣流噴柱，其中該氣體達到超音速； 將該氣流噴柱撞擊在該沾濕區上； 於該氣體内夾帶該液體以形成—液體氣體流；及 自該發射器投射該液體氣體流。 3 5·如請求項34之方法，其進一步包含： 於该出口與該偏轉器表面之間形成一第一震波前， 中該氣體由超音速降低至次音速； 接近該偏轉器表面形成一第二震波前，該氣體在該 -震波前與該第二震波前之間增至超音速，且在通過 第一震波前之後降低速度； 將該液 接近該第一震波前及該第二震波前中之一者 體夾帶於該氣體中。 36. 如請求項34之方法，其進—步包含在自該發射器之該液體 氣體流中形成複數個震動菱形。 37. 如請求項34之方法，其進一步包含將一耗盡氡之煙霧層抽 取至由該出口排出之該氣體内’並由該發射器之‘ 氣體流失帶該煙霧層。 112002-991213.doc • 6 -
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