控制气体爆燃的装置和方法

专利名称：控制气体爆燃的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种控制可燃性物质爆燃的系统，特别涉及一种抑制工业应用中可燃性气体爆燃的系统在许多工业应用包括公用、化学和石油化学品生产厂、石油精制、冶金工业、酒厂、涂料和油漆生产、海运业、印刷业、半导体生产、制药、和气溶胶罐填充操作中，控制作为原料、产品或副产品的可燃性气体。此外，由于地上或地下管道系统泄漏、可燃性液体的泄漏、或污物或垃圾堆积场中天然有机物的分解也释放可燃性气体。
可燃性气体是当可燃性气体与氧以足够的体积浓度存在时，可响应点火源而爆燃的任何气体或蒸气。典型的爆燃是由可燃性气体形成的负热引起的。可燃性气体一般在可燃性气体的爆炸下限之上和爆炸上限之下的浓度下爆燃。
在爆燃中，可燃性气体或其它可燃性物质的燃烧引发化学反应，通过将热量和/或自由基传至可燃性气体的相邻分子而向外传播。自由基是含有未成对电子的原子的任何可反应基，如OH、H、和CH3。热量和/或自由基的传递点燃相邻的分子。以此方式，爆燃一般以约0.2ft/sec至约20ft/sec的速度通过可燃性气体向外传播或扩散。爆燃产生的热量一般导致在有限的面积内压力迅速增加。
为降低发生爆燃的可能性，在上述应用中规程通常要求爆燃抑制系统。爆燃抑制系统一般包括一检测爆燃发生的传感器和当爆燃发生时向可燃性气体中喷射爆燃抑制剂的装置。
最普遍使用的爆燃抑制剂是饱和的含氯氟烃，如Halon1301(一溴三氟甲烷)、Halon2402(二溴四氟乙烷)和Halon1211(一溴一氯二氟甲烷)。饱和的含氯氟烃可作为气体或液体喷入可燃性气体中。由于饱和的含氯氟烃的沸点低和蒸发热低(例如沸点一般不高于约0℃和蒸发热不大于约100cal/g)，所以在多数应用中液态含氯氟烃喷入可燃性气体时将立即气化。
喷入后，饱和的含氯氟烃蒸气不仅稀释了对可燃性气体的燃烧有用的氧，而且减弱了自由基传播爆燃的能力。氧的稀释降低了与可燃性气体反应的氧的浓度从而降低了爆燃的传播速度。饱和的含氯氟烃蒸气在自由基可能与爆燃相邻的可燃性气体分子反应之前与燃烧反应中释放的自由基反应，从而减弱了自由基传播爆燃的能力。
由于饱和的含氯氟烃的排放危害环境，近来已缩减了饱和含氯氟烃的应用。特别地，饱和含氯氟烃的排放有很高的消耗大气臭氧的潜能，据信其对地球上大气臭氧层的减少起了一定的作用。最近一些国家已颁布法律限制使用饱和含氯氟烃。此外，大多数国家近来已加入了国际协定禁止生产饱和含氯氟烃。
除饱和含氯氟烃对环境有害之外，爆燃过程中饱和及不饱和的含氯氟烃与可燃性气体分子的反应副产物也可能对人体有害。具体地，反应副产物包括氢氯酸、氢氟酸、全氟聚合物和碳酰氟均公知为有毒的副产物。
另一种爆燃抑制剂是碳酸氢钠，其作为固体颗粒喷入可燃性气体中。为产生和喷射该颗粒，典型地是燃烧含该颗粒的固体如爆炸性固体组合物。燃烧使碳酸氢钠气化，碳酸氢钠在环境气氛中是作为许多小颗粒凝固的。该颗粒通过吸收爆燃产生的热量和截断爆燃产生的自由基而抑制爆燃反应。
由于在多数应用中现有的传送系统一般不能在初期以足够的时间来抑制爆燃反应将颗粒送入可燃性气体，所以碳酸氢钠还未广泛地用作爆燃抑制剂。要起作用应使爆燃抑制系统迅速地将抑制剂送入可燃性气体。含该颗粒的固体通常不以控制的速度燃烧，因此不能迅速地将颗粒送入爆燃中。另外，很多传送系统不能将颗粒均匀地分散在含可燃性气体的整个面积内。因为爆燃可发生在所给面积内各部位并从点火点迅速传播，所以爆燃抑制系统应能迅速且均匀地将颗粒分散在整个面积。
本发明的目的之一是提供一种减小了对环境的影响的爆燃抑制系统。
本发明的另一目的是提供一种减少了对人体的危害的爆燃抑制剂。
本发明进一步的目的是提供一种可迅速检测爆燃的系统。相关的目的是提供一种检测后可迅速将爆燃抑制剂送至爆燃的系统。
进一步的目的是提供一种在含有爆炸浓度的可燃性物质的大气中降低了爆燃危险的系统。
进一步的目的是提供一种可基本上均匀地将爆燃抑制剂分布在整个含可燃性物质限定区域的系统。
在本发明的一方面中，已发现通过热量的吸收可有效地抑制爆燃，特别是通过利用细雾状液流，其可迅速气化以快速地除去爆燃传播的热量，从而可有效地抑制爆燃。上述一个或多个目的可通过提供这样一种系统实现，该系统包括(i)位于限定区域内用于将液滴流分散在限定区域内的分散装置；(ii)位于限定区域内用于检测限定区域内的预定条件并产生相应信号的传感装置；和(iii)与传感装置和分散装置相连用于响应由传感装置收到的信号而驱动分散装置的驱动装置。为通过吸收热量有效地抑制爆燃，已发现液滴应有小于约80微米的沙得(Sauter)平均直径。为迅速地将液滴分散在限定区域内，液滴离开分散装置的速度优选至少为约100ft/sec。在这方面，系统优选能够在检测预定条件后约100毫秒内将要求浓度的液滴分散在限定区域内。
虽然该系统可用于抑制涉及可燃性气体、固体、和液体的爆燃，但该系统特别适用于抑制燃烧温度在约500-约2500℃范围内的可燃性气体的爆燃。这种可燃性气体包括苯、醚、甲烷、乙烷、氢、丁烷、丙烷、一氧化碳、庚烷、甲醛、乙炔、乙烯、肼、丙酮、二硫化碳、乙酸乙酯、己烷、甲醇、甲基乙基酮、辛烷、戊烷、甲苯、二甲苯、HFC-152a、及其混合物。
作为一种有效的爆燃抑制剂，液体应有足以迅速吸收爆燃产生的热量的沸点和蒸发热。优选地是液体的沸点不低于约50℃。液体的蒸发热应不小于约500cal/g。优选的液体是水。
限定区域是设计由爆燃抑制系统保护防止爆燃的区域。限定区域典型地是包含可燃性物质源的封闭区域或在封闭区域内其中爆燃的危险最大的区域。限定区域的大小将随应用而改变。
在本发明的一个具体实施例中，所述预定条件是限定区域内可燃性物质的浓度。通过检测限定区域内可燃性物质的浓度，传感装置能够在爆燃实际发生之前检测限定区域内可导致爆燃发生的条件。这样分散装置能够在爆燃发生之前将液滴流分散在限定区域内，从而降低限定区域内发生爆燃的可能性。
在本发明的另一具体实施例中，传感装置是第一传感装置和第二传感装置中至少之一。第一传感装置至少包括以下之一静压检测器、压力增加速度检测器、和火焰光检测器。第二传感装置是可燃性物质检测器。为有效地抑制爆燃，第一和第二传感装置应能够在限定区域内预定条件为约100毫秒之内检测预定条件。
在本发明的另一方面，分散装置包括一接触装置，用于使载气与液体接触形成包括分散于载气中的液滴流的流体。载气与液体的接触优选地是通过分离载气和液体的多孔界面实现。含有液体的通道一般位于与多孔界面相邻处，以将载气分散于通过多孔界面的液体中。
载气优选选自氮、二氧化碳、空气、氦、氩、及其混合物。载气可通过燃烧一种推进剂而产生、推进剂优选选自叠氮化铅、叠氮化钠、及其混合物。
分散装置优选地是包括一通道，其有一与接触装置相通的入口和一用于将液滴流分散于限定区域内的出口。该通道垂直于流体流动方向的横截面积在流体流动方向从入口至出口降低以增加流体的速率。通道的横截面积优选地是在喉部是最小的。在喉部垂直于流体流动方向的横截面积优选地是小于通道中垂直于流体流动方向的横截面积。
出口垂直于流体流动方向的横截面积优选地是在流体流动方向从喉部增加，以使流体速率因载气在出口中膨胀而增加。喉部的出口下游中流体的压力优选不大于喉部液体压力的约53％。优选地是载气在出口中的膨胀将使流体在沿出口的第一位置有超音速，在第一位置下流的沿出口的第二位置有音速。从超音速向音速的转变产生一使液滴的尺寸减小的冲击波。如上所述的分散装置能产生本发明第一方面中所提出的液滴尺寸分布和液滴速率。
在本发明的另一方面，分散装置优选包括两个共轴的圆盘，在两盘之间形成一内空间。该内空间包含通道和带有位于共轴圆盘的轴上的接触装置的出口。共轴圆盘从沿着共轴圆盘周边的多个位置分散流体。在一些结构中，分散装置可实现使液滴基本上均匀地分布在整个限定区域内。
本发明的另一方面提供一种抑制可燃性物质在限定区域内爆燃的方法，包括以下步骤(i)提供一种蒸发热不小于500cal/g的液体；(ii)将液体以沙得(Sauter)平均直径不小于约80微米的液滴流分散在限定区域内(iii)将可燃性物质爆燃产生的热量转移至液滴；(iv)使液滴气化；和(v)使基本上与爆燃相邻的可燃性物质的温度保持在低于可燃性物质的燃烧温度下。
本发明的另一方面提供一种分散液滴流的方法，包括以下步骤(i)在一导管中提供一种液体；(ii)提供一种载气；(iii)当液流通过导管时将载气分散于液流中；(iv)分散步骤之后降低液流速率；(vi)使液流雾化形成夹带于载气中的液滴流；(vii)使液滴的速率增至超音速；(viii)使液滴的速率降至音速；和(ix)当液滴的速率从超音速降至音速时降低液滴的平均尺寸。典型情况音速(即声音的速度)为约1100ft/sec，超音速为高于音速的速率。上述分散装置可采用该方法。
本发明致力于常规爆燃抑制系统的上述限制。本发明的一些具体实施中，本发明用水作为液体。与其它爆燃抑制剂相比，水不仅减少了环境问题而且减少了对人体的危害。
在其它具体实施中，本发明在爆燃发生之前检测助长爆燃条件。在此具体实施中，传感装置是一种可燃性物质检测器，其在爆燃开始之前检测可燃性物质的潜在爆炸浓度。相反，传统的爆燃抑制系统仅在爆燃开始之后开始抑制爆燃。
其它的具体实施例提供一种迅速地将液滴流分散于整个限定区域以抑制爆燃的系统。液滴离开分散装置的较大速率使液滴能被分散，从而迅速地抑制爆燃。相反，一些传统的爆燃抑制系统不能在足以防止爆炸的时间内将爆燃抑制剂分散在整个限定区域内。
本发明的其它具体实施例基本上均匀地将液滴流分布在整个限定区域内。基本上均匀的分布是通过从沿分散装置周边的多个位置分散液滴实现的。相反，很多现有的爆燃抑制系统不能将爆燃抑制剂基本上均匀地分散在整个限定区域内，因而降低了抑制剂熄灭爆燃的能力。
这些和其它的优点将通过下面详细描述的本发明的各种具体实施例而公开。


图1为说明本发明爆燃抑制系统的一具体实施例的示意流程图；图2为图1所示爆燃抑制系统的一具体实施例应用于限定区域的示意图；图3为图1所示爆燃抑制系统的一具体实施例位于限定区域的示意图；图4为图1所示爆燃抑制系统的一具体实施例应用于限定区域的示意图；图5为图1所示爆燃抑制系统的一具体实施例应用于限定区域的示意图；图6为液体雾化装置的一具体实施例的透视图；图7为图6所示液体雾化装置的一具体实施例的剖面图；和图8为图6所示液体雾化装置的一具体实施例的平面图。
本发明提供一种抑制可燃性物质爆燃的系统。该系统不仅能在初期熄灭爆燃，而且能降低在有高于爆炸下限浓度的可燃性物质的限定区域内发生爆燃的可能性。
参见图1，本发明的爆燃抑制系统包括位于限定区域24内用于将液滴流28分散于限定区域24内的分散装置20，位于限定区域24内用于检测限定区域24内的预定条件并产生相应于此检测的信号36的传感装置32，和与传感装置32和分散装置20相连用于响应从传感装置32收到的信号36驱动分散装置20的驱动装置40。
所述预定条件是将指示限定区域24内高爆燃危险发生或爆燃实际发生的条件。预定条件典型地基于一个或多个下列参数；在限定区域24内预定的静压，在限定区域24内预定的压力增加速度，在限定区域24内出现预定波长的红外线和紫外线发射，或在限定区域24内可燃性物质的预定浓度。
参见图2，分散装置20典型地位于限定区域24内(图2中限定的是全封闭空间)，以将液滴44基本上均匀地分散于整个限定区域24内。限定区域24内分散装置20的数量和位置将根据限定区域24的尺寸和形状及由分散装置20所产生的液滴流28的散布情况确定。分散装置20可以是适用于将液滴分散于限定区域24内的任何装置，如喷嘴或其它类型的液体雾化器。
液滴44的尺寸分布和表面积是爆燃抑制中的重要变量。尺寸分布和表面积是液滴44的抑制爆燃能力的指示，因为尺寸分布决定液滴44可吸收的热量，而表面积决定由液滴44吸收的热的速度。被吸收的热量取决于限定区域24内可燃性物质的预期浓度。
一般地，液滴44应有足以根据热量的吸收而迅速气化的尺寸，并有足以被分布于整个限定区域24内的质量。表示液滴44的尺寸分布的变量是沙得(Sauter)平均直径。沙得平均直径是液滴44的总体积除以它们的总表面积。液滴44的沙得平均直径优选为小于约80微米，更优选是小于约50微米，最优选是小于约30微米。
在限定区域24内液滴44的表面积为在所选时间点限定区域24内液滴44的尺寸分布和液滴44的浓度的函数。在多数应用中，在限定区域24内液滴44的峰浓度优选在约1.5gal/1000ft3至约20gal/1000ft3，更优选在约2gal/1000ft3至约15gal/1000ft3，最优选约4gal/1000ft3至约10gal/1000ft3。
基于限定区域24内液滴的尺寸分布和液滴的浓度，在峰液滴浓度下限定区域24内液滴44的每单位体积的总表面积优选是至少约75m2/m3，更优选是至少约100m2/m3，最优选是至少约150m2/m3。
虽然不希望受这方面的任何理论所限制，但相信由限定区域24内分散装置20所释放的液滴44是通过吸收由爆燃释放的热量和通过稀释限定区域24内的氧浓度而抑制爆燃的。由液滴44吸收的热量降低了爆燃的传播速度，并且当传递给可燃性物质分子的热量不足以使分子的温度升至其燃烧温度之上时熄灭爆燃。爆燃的传播速度由传热速度、可燃性物质的燃烧温度、限定区域24内存在可燃性物质的量、和限定区域24内的温度和压力控制。热量被液滴44吸收降低了热量传递给可燃性物质分子的速度。液滴44因吸热而气化还通过所得蒸气稀释了限定区域24内的氧浓度，从而降低爆燃的传播速度。
进一步还据信液滴44通过吸收热量减少了限定区域24内爆燃发生的可能性。据信液滴44在爆燃建立之前吸收由可能的爆燃点火源如火花或由可燃性物质的分子燃烧所产生的热量。
为了抑制爆燃，液滴44必须迅速地分散于限定区域24中。通常，在限定区域24内液滴44的要求峰浓度应在检测到预定条件的约20至约150毫秒内实现。为减少爆炸的可能性，优选在检测到预定条件后约50至250毫秒内熄灭爆燃。
液滴44离开分散装置20的喷射速率和速度是爆燃抑制系统迅速响应预定条件的能力的重要变量。每单位限定区域24体积的液滴喷射速率优选是至少约1.51/sec/m3，更优选是至少约31/sec/m3，最优选是至少约51/sec/m3。在多数应用中，液滴的喷射速率将优选在约0.5至约51/sec的范围内。液滴44离开分散装置20的速度优选在约100ft/sec至约500ft/sec的范围内，更优选约150ft/sec至300ft/sec。
适于作为液滴44的液体应有足以吸收爆燃所产生的热量的蒸发热。液体的蒸发热优选是至少约500cal/g，更优选是至少约800cal/g。
适合的液体应有足以保持在液相直至从爆燃吸收了热量才气化的沸点。液体的沸点优选不低于约50℃，更优选不低于约80℃，最优选不低于约90℃。
适合的液体应有足以形成液滴44的表面张力。优选情况是，液体的表面张力不大于约.006lbs/ft。
基于上述因素，优选用于爆燃抑制系统的液体是水。正如所评价的那样，水价廉、普遍适用、环境可接受、且无毒。
液体可包括添加剂以提高液滴44抑制爆燃的能力，如自由基遮盖剂，其优选的是碱金属盐，它包括碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠及其混合物。自由基遮盖剂在液体内的浓度范围从约1％至饱和。
液体可包括添加剂以降低液体的凝固点用于在低温下使用。如所评价的，水的冰点为约0℃，其在很多应用中是在系统温度之上。液体可包括这种防冻剂如甘油、丙二醇、二甘醇、1，2-亚乙基二醇、氯化钙、及其混合物。
液体可包括添加剂以改变液滴44的表面张力。例如，湿润剂是有效的，因为它们降低了液体的表面张力，从而增加了可吸热的自由表面的量。适合的湿润剂包括表面活性剂。
液体可包括用于降低分散装置20中摩擦损失的添加剂。线性聚合物(没有支链的单一直线型化学链的聚合物)在降低湍流的摩擦损失方面是最有效的。聚环氧乙烷是用于降低液体中湍流的摩擦损失的最有效的聚合物。
为增强对爆燃的抑制，液滴44离开分散装置20的温度应低于环境的温度。液滴44吸收爆燃产生的热量的速率与液滴表面和液滴周围的大气之间的温差直接相关。液滴44离开分散装置20时的温度应在约5℃至约30℃的范围内。
传感装置32位于限定区域24内，用于检测限定区域24内的预定条件。传感装置32应能够在少于约100毫秒内检测预定条件。因为爆燃抑制系统中的一个目的是要尽可能早的在爆燃初期将爆燃抑制剂喷入限定区域24内，所以对于多数应用的可燃性物质检测器是优选的传感装置32。可燃性物质检测器是指检测限定区域内可燃性物质的存在或测量限定区域内可燃性物质的浓度的任何装置。优选的可燃性物质检测器包括可燃性气体指示器、易燃蒸气检测器、可燃性气体分析器、火焰-电离检测器、红外型分析器及其组合。不同于其它类型检测器，可燃性物质检测器不需要爆燃发生而产生信号36至驱动装置40。相反，可燃性气体检测器能够在爆燃之前检测限定区域24内可燃性物质的爆炸水平。
可燃性气体检测器典型地是当可燃性物质的浓度超过特定水平时产生信号36至驱动装置40，所述特定水平一般低于可燃性物质的爆炸下限。表1列出各种可燃性气体的爆炸下限(L.E.L)。
表1气体或蒸气 L.E.L.％(V/V)丙酮 2.5乙炔 2.3苯1.4二硫化碳 1.0一氧化碳 12.5乙酸乙酯 2.2乙醚 1.7己烷 1.2氢4.0甲醇 6.7甲基乙基酮1.8辛烷 1.0戊烷 1.40丙烷 2.20甲苯 1.3二甲苯1.0其它可能的传感装置32包括静压检测器、压力增加速率检测器、光学火焰检测器及其组合。静压检测器、压力增加速率检测器、和可燃性物质检测器一般用于限定的区域。光学火焰检测器和可燃性物质检测器一般用于开放区域。
静压检测器是当限定区域24内的静压在特定水平时启动的装置。当压力超过特定水平(典型地为0.5-1.0psi)时，静压检测器产生信号36指示爆燃发生。
压力增加速率检测器是指当限定区域24内的压力增加速率超过特定速率时启动的装置。压力增加速率检测器根据限定区域24内的压力因爆燃而增加来检测爆燃。当压力增加超过特定水平时，压力增加速率检测器产生信号指示爆燃发生。一般地，在限定区域内，爆燃压力将迅速增加。压力增加速率检测器典型地用在操作压力显著高于或低于大气压的限定区域24内。
光学火焰检测器是指光学检测爆燃所发射的特定波长的红外或紫外线的装置。光学火焰检测器包括红外火焰检测器和紫外火焰检测器。一般地，光学火焰检测器仅在特定频率范围内光学地检测红外或紫外辐射。因此光学火焰检测器应根据限定区域24内可燃性物质的类型来选择。
通常用于消防系统的火灾探测器一般不适用于爆燃抑制系统。用于消防系统的探测器包括热源探测器(例如定温深测器和升温速率探测器)、烟雾探测器(例如电离烟雾探测器和光电烟雾探测器)、和检测燃烧副产物存在的气敏火灾探测器。如上所述，本发明的一个重要的方面是尽可能早地检测爆燃或助长爆燃的条件。用于传统消防系统的检测器检测参数如热，既然如此不管是在哪一点上，该参数典型地是在朝向爆燃的端点上才可检测。热量以一取决于传热速率的速率传递。相反，传感装置32检测在爆燃开始约100毫秒之内可检测到的参数。例如，在限定区域内，爆燃开始的几十毫秒之内限定区域24内的压力将可检测地增加。压力变化典型地以音速通过气体传递。
如上所述，本发明的爆燃抑制系统包括可操作地与传感装置32和分散装置20相连，用于响应来自传感装置32的信号36驱动分散装置20的驱动装置40。驱动装置40可以是能驱动分散装置20的任何装置。典型地，驱动装置40是一种装置如控制电路，其操作阀30从液体源34启动液体向分散装置20流动。液体典型地储存在至少约50psi更优选的至少约100psi的压力下，一旦阀30打开，液体即开始流向分散装置20。阀30位于基本上与分散装置20相邻的位置。
下面描述本发明爆燃抑制系统的操作。参见图1-5，当限定区域24内检测到预定条件时，传感装置32将信号36传送给驱动装置40。如上所述，预定条件代表限定区域24内的不安全条件，可以是有助于爆燃48的条件或者是爆燃48本身。驱动装置40响应信号36打开阀30，使液源34将液体提供给分散装置20。
参见图2-5，液滴44的液流28迅速向爆燃48移动并包围爆燃48。液流中的液滴44接受来自爆燃48的热量。液滴44因传递的热量而升温并气化；所得的蒸气稀释了限定区域24内的氧浓度。
由于爆燃48所产生的热量被液滴44的加热和气化所吸收，与爆燃48相邻的可燃性物质的燃烧速率和爆燃48的传播速率降低。当足够的热量被液滴44吸收时，基本上与爆燃相邻的可燃性物质的温度保持在低于可燃性物质的燃烧温度下，从而熄灭爆燃。
本发明还提供一种特别适用于爆燃抑制系统中作分散装置20的液体雾化装置。
然而，该雾化装置52不限于爆燃的抑制。它可用于需要将液雾分散在限定区域内的各种应用中。例如，可用于传统的灭火的消防系统。
参见图6-8，它说明液体雾化装置52。液体雾化装置52包括用于使载气68与液体60接触形成流体的接触装置62，和与接触装置62相通且有入口80和出口84的通道76。通道76在两个共轴圆盘88、92之间的空间中形成。接触装置62位于入口80处两个共轴圆盘88、92的共用轴上。
接触装置62包括与液源(未示出)相连的第一导管56和与载气源(未示出)相连的第二导管64，第一和第二导管56、64搭接，它们之间形成环形区域96。第一导管56的直径比第二导管64的大，形成环形区域96，在这里第二导管64位于第一导管56内。垂直于流动方向的环形区域96的横截面积小于环形区域96上游垂直于流动方向的第一导管56的横截面积。
第二导管64与载气源相连以向液体60中提供载气68促进液滴44的形成和输送。载气源中的载气68可以是相对液体60为惰性和基本上不混溶于液体60中的任何气体。适合的载气包括氮、二氧化碳、空气、氦、氩、及其混合物。
载气68典型地在加压下储存在载气源中。优选地是载气68储存在这样的压力下，即在基本上与液体雾化装置52相邻的阀(未示出)处测量，压力在约200到约600psi的范围内。载气源可以是能经受载气68的储存压力的任何合适的容器。
任选地，载气68可以是被燃烧而产生载气68的推进剂。适合的推进剂包括叠氮化铅、叠氮化钠、及其混合物。
接触装置62包括在环形区域96中第二导管64侧面的多孔界面72，用于使载气68与液体60接触。多孔界面72不延伸至第二导管64的顶部98。适用于作多孔界面的材料包括多孔玻璃、多孔金属、多孔陶瓷、及其组合。
载气泡100的大小与环形区域96中液体60的速度成反比，与多孔界面72的孔尺寸成正比。多孔界面72处的液体速度具有以较高速度增加的剪切力，可剪切来自多孔界面72的载气泡100。优选地是在环形区域96中的液体速度至少约50ft/sec，优选的多孔界面72的平均孔尺寸在约1至约20微米的范围内。
载气68与液体60在多孔界面72混合后，环形区域96中液体60与载气68的质量比取决于要求的液体60注入液体雾化装置52的速率和要求的液滴44c离开出口84的速率。优选地是环形区域96中载气68与液体60的质量比大于约.25。
第二导管64中载气68与第一导管56中液体60的相对压力对于实现环形区域96中要求的质量比是重要的。载气的压力一般高于液体的压力。优选的液体的压力为载气压力的约80-约90％。在多孔界面72处液体60的压力应在约50-约150psi的范围内，载气68的压力应为约70-约150psi。
流体从环形区域96流至入口80下游的口部102。在口部102中垂直于流动方向的通道横截面积大于环形区域96上游第一导管56中和环形区域96本身的横截面积。虽然不希望受任何理论限制，但相信，由于从环形区域96至口部102横截面积增加的结果，在口部102中载气68膨胀而液体在载气68中形成液滴44a。换言之，相信在环形区域96中流体中的液体60是连续相而载气68是不连续相，在口部102中流体中的载气68是连续相而液体60是不连续相。此处所用的术语“连续相”是指由至少75％(体积)流体组成的相。环形区域96中的流体优选为约20-约70％(体积)的载气，通道76中的流体优选为约50-约95％(体积)的载气。
通道76垂直于流动方向的横截面积在流体流动方向上从口部102至出口84以一预定的速率降低，以增加流体的速度。通道76包括有预定形状的表面，以降低通道76的横截面积和增加通道76中流体的速度。如图7中所示，表面可以倾斜θ2角。其数值取决于液体雾化装置52的直径。
横截面积降低的预定速率基于通道76中要求的最大速度。在通道76中，流体的优选速度不大于约1000ft/sec和不小于约100ft/sec。为达到这样的速度，通道76的横截面积沿通道76的长度典型地降低至少约75％。
通道76中的最小横截面积出现在通道76和出口84连接处的喉部108。正如将评价的，通道76中流体的最大速度将出现在喉部108。喉部108的流体压力优选在约20psig-约60psig的范围内。喉部108的横截面积一般小于上述环形区域96上游的第一导管56的环形区域96本身的横截面积。
出口84垂直于流动方向的横截面积在流体流动方向从喉部108至出口面104增加，以使流体的速度由于载气68在出口84中膨胀而增加。基于在出口84中要实现的最大流体速度，出口84的横截面积以预定的速率增加。速度的增加是由喉部108和出口面104之间的压差所引起。如将评价的，在液体雾化装置52的某些结构中，沿出口84的长度横截面积的增加可用角θ1为零实现。在流体流动方向出口84的横截面积既取决于两圆盘88、92之间的距离，也取决于共轴盘88、92距共同的轴的径向距离。
优选地，流体在沿出口84的第一位置112有超音速，在沿出口84的第二位置116有音速，第二位置116位于第一位置112的下游，液滴44的尺寸降低。从第一位置112的超音速至第二位置116的音速的速度变化，在出口84产生冲击波120，由于从音速至超音速的转变和跨越冲击波的压力间断而降低了液滴44的尺寸。换言之，液滴44a的平均尺寸大于液滴44b，液滴44b的平均尺寸大于液滴44c。液滴尺寸的降低是由于液滴44的韦伯(Weber)数不大于约1.2所引起。一般地相信在出口面104的液滴44c平均尺寸不大于液滴44a的平均尺寸的约50％。液滴44a的沙得平均直径优选不大于约160微米，液滴44c的沙得平均直径优选不大于约80微米。液滴44c在出口面104的速度优选至少约200ft/sec。
为实现喉部108和出口面104之间的压差，通道76中的最小横截面积小于出口84的最小横截面积。由于出口84的横截面积大于通道76的结果，流体在出口面104的压力将低于流体在喉部108的压力。优选地是为达到音速和超音速的流体速度，出口面104处的最大流体压力不大于喉部108处流体压力的约53％。
喉部108至出口面104的距离应足以能在出口84中产生冲击波120。优选地是喉部108至出口面104的距离至少是喉部108至形成冲击波120的点的距离的两倍。
如图8中所示，液体雾化装置52围绕其周边连续地分散流体。液滴44c从围绕液体雾化装置周边的多个位置分散对于有效地抑制爆燃是重要的。如上所述，通常难以预测限定区域24中爆燃的位置。
下面描述液体雾化装置52的操作。参见图6-8，为启动液体雾化装置52的操作，打开第一和第二导管56、64中的阀(未示出)以分别向装置52提供液体和载气。此外，对于推进剂的载气源，将推进剂燃烧以产生载气68。
液体60流过第一导管56。当液体60进入环形区域96时加速，并在多孔界面72与载气68接触。在多孔界面72由液体施加于载气68的剪切力使载气泡100分散于液体60中以形成流体。
从环形区域96，流体喷入通道76的口部102，导致载气68膨胀，流体速度降低，液体60雾化形成在载气68中的液滴44a。当流体通过通道76移动时，通道76的横截面积减少，流体速度在喉部108增至音速。
当流体从喉部108流至出口84时，载气68膨胀使液滴44a在第一位置112加速至超音速。从音速至超音速的转变使液滴44a的尺寸降低成为液滴44b。
当载气68的压力接近外压时，液滴44b从超音速减速至音速以形成冲击波120。冲击波120使液滴44b的尺寸降低成为液滴44c。液滴44c通过出口84分散至装置52周围的大气中以形成液滴流。
实施例1进行几个试验以确定水雾熄灭爆燃的能力。试验是在体积约6立方米的不锈钢壁压力容器中完成的。安装一喷嘴组以允许水雾注入试验容器中。室中还装有水流速与室体积成适当比例的常规喷头。容器中还装有热电偶和压力传感器以监控爆燃期间的压力变化和热条件。备用的电子点火系统放在室中以开始爆燃。
将试验的室抽真空至绝压小于1毫米汞柱后，当氢气流入该室中时通过测量氢气的压力来控制试验的室中氢的浓度，雾化器喷嘴的空气流用于帮助试验室中氢气和空气的混合，因此在点火时存在均匀的混合物。注入氢气至压力低于点火时要求的气压后，用空气反填充入该室而完成此过程。然后在由雾化喷嘴喷入水雾的过程中，由雾化空气提供使混合物的压力至一个大气压所需的附加空气。
在每个试验中，水雾均在点火之前加入混合物中。水注入安装在室中的雾化器中的速率为每秒0.06升。试验中，雾中液滴的平均尺寸在约40至约60微米的范围内。
试验中，当约2.5-12.5升的水喷入室中时，爆燃被成功地熄灭。试验过程中氢气的浓度约为6％(体积)。
实施例2用实施例1中的试验装置，以每秒1.1升的总流速用在室中操作的标准洒水灭火喷嘴进行试验，以确定喷洒头是否能熄灭爆燃。试验过程中氢气的浓度为约6％(体积)。由洒水灭火系统产生的液滴的平均尺寸在约400至约800微米的范围内。
这些洒水灭火系统均不能熄灭爆燃。氢气混合物容易点燃，测得的压力曲线与在没有任何爆燃抑制剂存在下进行的爆燃基线非常相似。
上述试验确定水雾可有效地熄灭爆燃，而由标准洒水灭火系统产生的水滴却不能。据信大于50微米的液滴没有足以高效地吸收热量的表面积。较大的液滴不能以防止爆燃传播所需的速率快速气化以除去热量。相反，尺寸小于约80微米的液滴有足以吸收热量的表面积。较小的液滴能够快速地气化，足能以防止爆燃传播所需的速率除去热量。
虽然已详细地描述了本发明的各种具体实施例，但对于本领域技术人员显然可对这些具体实施例进行变动和修改。然而，这种变动和修改应理解为是在本发明的如下面的权利要求书的范围以内。
权利要求
1.在响应由传感装置产生的信号抑制限定区域内的放热反应的系统中，用于将液滴流分散在限定区域内的装置包括用于使载气与液体接触形成流体的装置；与所述接触装置连通并从所述接触装置径向向外延伸的通道，其中通道在与接触装置的第一径向距离处的横截面积大于通道在与接触装置的第二径向距离处的横截面积，第一径向距离小于第二径向距离；和在通道外圆周的出口，所述出口在与接触装置的第三径向距离处的横截面积小于出口在与接触装置的第四径向距离处的横截面积，第三径向距离小于第四径向距离，其中液体在通道和出口的至少之一中有超音速，出口从装置向外分散许多液滴。
2.如权利要求1的装置，其中出口基本上延伸外圆周的长度，以便从装置径向向外分散许多液滴。
3.如权利要求1的装置，其中气体是通过燃烧一种选自叠氮化铅、叠氮化钠及其混合物的推进剂产生的。
4.如权利要求1的装置，其中所述接触装置包括用于将气体和液体之一引入其他气体和液体的多孔表面。
5.如权利要求4的装置，其中多孔表面的平均孔尺寸在约1至约20微米的范围内。
6.如权利要求4的装置，其中与所述多孔表面相邻的流体中气体与液体的质量比不大于约.25。
7.如权利要求1的装置，其中接触装置包括用于输送气体的第一导管，和用于输送液体的第二导管，第一导管的出口位于第二导管之内，该出口包括一多孔表面，用于当液体流过该多孔表面时使液体与气体接触。
8.如权利要求7的装置，其中第一导管通过通道延伸并位于通道的横轴上；进一步包括位于通道之上的液源；和位于通道之下的气源；
9.如权利要求7的装置，其中通道的横截面积大于第一和第二导管之间的面积，从而当流体进入通道时，液体形成许多悬浮于气体中的液滴。
10.如权利要求7的装置，其中在所述第一和第二导管之间区域中的流体形成约20至约70％(体积)的气体，而通道中的流体形成约50至约95％(体积)的气体。
11.如权利要求1的装置，其中在出口流体的最大压力不大于通道中流体最大压力的约53％。
12.如权利要求1的装置，其中流体在沿出口的第一位置有超音速，在第一位置下游的沿出口的第二位置有音速。
13.如权利要求1的装置，其中所述分散装置包括两个延长的共轴圆盘之间形成一内空间，该内空间包含通道和出口，并有位于沿延长的共轴圆盘的轴上并位于通道横向的接触装置，该延长的共轴圆盘从环绕其圆周的多个位置分散流体。
14.如权利要求1的装置，其中通道在第一径向距离和第二径向距离之间逐渐变细。
15.如权利要求1的装置，其中出口在第三径向距离和第四径向距离之间逐渐变细。
16.在响应由传感装置产生的信号抑制限定区域内的放热反应的系统中，用于将液滴流分散在限定区域内的装置包括用于使载气与液体接触形成流体的装置；与所述接触装置连通的通道，其中所述通道的横截面积在流体流动方向减小，以至所述流体在一部分通道中的速度为音速；和通道的出口，其中出口的横截面积在流体流动方向增加，以致流体在出口的第一部位的速度为超音速，而在第二部位为音速，流体速度从超音速至音速的降低减少离开出口的液滴的沙得平均直径。
17.一种抑制限定区域内的放热反应的方法，是通过将液滴流分散在该限定区域内，所述方法包括以下步骤将气体引入在导管中的液流中以便当液流流过导管时在液流中形成许多气泡；使流体转变成悬浮于气体中的液滴流；通过降低垂直于流体流动方向的导管的横截面积使液滴的速度增至超音速；使液滴的速度从超音速降至音速，其中当液滴的速度从超音速降至音速时液滴的平均尺寸下降；和将所述液滴分散于限定区域内。
全文摘要
一种爆燃抑制系统，特别适用于包含可燃性气体的爆燃。该系统中的爆燃抑制剂典型的是水(60)，其以沙得平均直径不大于约80微米的液滴流(44c)分散在可燃性气体中。该系统可包括可燃性物质检测器。该系统包括使液体(60)在载气(68)中雾化的雾化装置(52)。通过使液滴的速度增至超音速而降低液滴的尺寸。
文档编号A62C31/03GK1147771SQ95192957
公开日1997年4月16日 申请日期1995年5月10日 优先权日1994年5月10日
发明者达里尔·罗伯茨, 詹姆斯·R·巴茨 申请人:艾达技术公司