专利名称：脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法及装置，采用亥尔姆霍茨型脉动燃烧器作为加热源，使液体汽化并经喷管加速并液化，产生高速运动的细水雾。此便携式装置主要应用在消防灭火领域，也可应用在农药喷洒、烟雾产生等领域。
背景技术：
灭火用细水雾产生所需的常用动力源主要有两类一类是泵；另一类是高压压缩气体。泵一般由电动机或内燃机驱动，体积大、重量大、振动剧烈，很难作为便携式液体雾化装置的动力源。便携式液体雾化装置的动力源一般都采用高压压缩气体挤压的方式，如中国发明专利申请申请号为200710100396. 7的便携式超细气雾灭火器，其动力源采用挤压气瓶，但是由于体积和重量所限，挤压气瓶不可能很大、很重，气瓶的储气量是有限的，并且随着水的减少气体压力衰减很快，到最后无法形成有效喷射的细水雾。这就造成便携式装置的工作时间较短，一般只能维持几十秒钟，不利于长时间产生超细液雾；重新充装气瓶， 气瓶更换也非常麻烦；携带高压气瓶对灭火人员来说，总是存在一定的危险性。此外，液体雾化的方式绝大多数都需要雾化执行机构即喷嘴来实现。喷嘴的类型、加工精度直接影响水雾的雾化特性，包括雾滴直径、喷雾速度等。若要得到雾滴直径小于100微米的细水雾， 喷嘴的直径通常要小于0. 8毫米，压力高于2MPa。因此，细水雾喷嘴的加工成本及加工精度很难控制，小直径的细水雾喷嘴很容易堵塞，使系统的可靠性降低。另外，即使是在高压条件下(压力大于3. 45MPa)，从喷嘴喷出的细水雾其穿透距离也仅有几米，针对A类火细水雾无法有效穿透火焰到达火源内部，其灭火效果并不理想。除此之外，中国发明专利申请，公开号为CN101869096A、CN1462580A，实用新型专利公开号为CN201565390U、CN2547418Y等都提出了利用脉动燃烧驱动的烟雾机或雾化器。 但是这些烟雾机或雾化器的应用原理主要是利用脉动燃烧机尾管产生的负压对药液或是水进行引射喷出。其中药液或是水由储箱连接到脉动燃烧机尾管内，利用尾管内的燃气速度脉动携带喷出，药液流量非常小，只能产生弥漫的效果。使用大流量药液将会使烟雾机无法正常工作。
发明内容
本发明涉及一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法及装置，以解决现有技术中存在的问题。本发明的技术方案如下图1为本发明方法的原理图。结合图1对该热细水雾生成方法说明如下该方法具体是使水经历两次相变形成热细水雾首先水从储水箱流出后首先进入夹套，在夹套内利用燃烧室和尾管内高温燃气的热量对水进行加热，使之汽化，实现第一次相变；其次，高温高压水蒸汽流经拉瓦尔夹套喷管，气流速度增加，温度降低，水蒸汽凝结成直径很小的液滴，实现第二次相变；之后在拉瓦尔喷管出口处与脉动燃烧产生的燃气混合，同时燃气将细水雾加热到60 80°C，变成热的细水雾，喷向着火源。
一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法，具体过程如下采用亥尔姆霍茨型脉动燃烧器，该型燃烧器能够产生自激振荡的脉动气流，气流脉动可以极大地提高单位体积内的燃烧强度、燃烧完全性和燃气对流换热系数。水由储水箱流入到夹套后，在a b段，热量通过脉动燃烧器的燃烧室壁传给灭火剂(水)，流过点b处后，在脉动燃烧器尾管的继续加热下，温度超过100°C，水受热变成具有一定压力和温度的饱和蒸汽，在b c段，水全部蒸发变成水蒸汽，完成水的第一次相变过程；水蒸汽沿夹套继续流动进入拉瓦尔喷管，水蒸汽沿拉瓦尔喷管流动是一个逐渐加速的过程，在c d段加速过程中水蒸汽的温度降低，在喷管的点d处降低到凝结点之下，在d e段流动过程中水蒸汽变成一些细小的雾滴，完成第二次相变。雾滴由喷管以超声速喷出，这样可以保证即使雾滴直径很小，也能具有很高的速度，增加喷射动量和喷射距离。在e f段，细水雾在喷管出口处与燃烧产物(主要成分为CO2)混合，燃气将细水雾雾滴加热到60 80°C，称为“热细水雾”。“热细水雾”灭火比常温细水雾更有效，这是由于水的蒸发由两个阶段组成，第一个阶段水由常温(20°C)到 IOO0C (沸点)，第二阶段由100°c的水变为100°c的水蒸汽，气化潜热(约为2259kJ/kg) 是水由常温到沸点所需要的热量(约为334kJ/kg)近7倍，尽管损失一小部分吸热量(约 14% )，但由于细水雾灭火的主导机理是水蒸汽窒息，因此这样做可以在不损失太多吸热量的情况下使雾滴更快速的蒸发变为水蒸汽完成火焰窒息，提高灭火效率和水的利用率。这样，利用燃料燃烧所带来的能量，通过水的两次相变过程，实现了将常温水变成高速细水雾的产生过程，燃烧器产生的燃气(CO2)使原来的细水雾加热并与细水雾一起参与灭火，从而实现喷射速度高、距离远、雾滴直径小、具有一定温度并与燃气(CO2)混合的热细水雾的产生方法。下面以便携式为实施例说明本发明，见图2。一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成装置，该装置由三部分组成，即脉动燃烧器、夹套和供水系统。脉动燃烧器采用亥尔姆霍茨声学谐振器型，燃料为汽油，主要由进口单向阀1、化油器通道2、油门3、油箱4、点火手动气泵5、燃烧室6、尾管7、火花塞15和点火器 16组成；夹套为脉动燃烧器燃烧室和尾管外部形成水蒸汽流动的环形通道，由直管夹套段 8和拉瓦尔夹套喷管9组成；供水系统由水量调节阀10、压力单向阀11、储水箱12、外接供水阀13和外接供水管14组成。其结构和连接关系为亥尔姆霍茨脉动燃烧器的进口单向阀1通过化油器通道2与燃烧室6焊接，燃烧室6与尾管7焊接；油箱4通过供油管路与化油器通道2的最小截面相通，在供油管路上安装油门3 ；点火手动气泵5通过气体管路与进口单向阀1连通。火花塞15通过螺纹安装在化油器通道喉部与燃烧室6连接段，也可以安装在燃烧室壁上，火花塞15由点火器16控制。直管夹套段8和拉瓦尔夹套喷管9焊接在一起，并同轴地安装在脉动燃烧器燃烧室6和尾管7的外侧，形成夹套，用于给水加热和水蒸汽的流动。储水箱12设置于夹套上方，并通过供水管与夹套相通，在供水管上安装水量调节阀10和压力单向阀11，在储水箱12上接有外接供水阀13和外接供水管14。其中，本发明装置一方面可以利用燃烧室和尾管热量对水进行加热使其汽化；另一方面可以利用水对燃烧室和尾管进行降温防止因过热产生弯曲变形影响使用性能，能实现长时间工作。其中，尾管7的出口应伸出拉瓦尔夹套喷管9的出口外1 2cm，拉瓦尔夹套喷管出口喷出的细水雾射流对尾管内燃气不产生干涉，因此脉动燃烧机能独立稳定工作。
其中，储水箱12内水的驱动是靠预储压力实现的，此预储压力为0. 2-0. 3MPa。本发明一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法及装置，其优点及功效在于本发明利用脉动燃烧器和拉瓦尔喷管，使水经历两次相变过程，产生细水雾，并与燃烧产生的 CO2燃气混合喷向发生火灾区域，实现高速热细水雾液滴与CO2联合的灭火效果，本发明在增加携带的汽油量并外接水源的情况下，可以无时间限制的工作，尤其对持续时间长的火灾(如森林火、建筑火)更为有效。同时，热细水雾对于寒冷场所或初期火灾具有很好的灭火效果，本发明用水量很少，无任何污染，体积小，携带安全。本发明可根据需要设计成便携式、推车式、车载式和固定式装置。本发明的“热细水雾”灭火比常温细水雾更有效，利用燃料燃烧所带来的能量，通过水的两次相变过程，实现了将常温水变成高速细水雾的产生过程，燃烧器产生的燃气(CO2)使原来的细水雾加热并与细水雾一起参与灭火，喷射速度高、 距离远、雾滴直径小，灭火效果更好。
图1 脉动燃烧驱动热细水雾发生原理。图2 脉动燃烧驱动液体雾化便携式装置。图中标号说明如下进口单向阀1 ；化油器通道2 ；油门3 ；油箱4 ；点火手动气泵5 ；燃烧室6 ；尾管7 ； 直管夹套段8 ；拉瓦尔夹套喷管9 ；水量调节阀10 ；单向阀11 ；储水箱12 ；外接供水阀13 ；外接供水管14 ；火花塞15 ；点火器16。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。如图2所示，一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成装置，该装置由三部分组成，即脉动燃烧器、夹套和供水系统。脉动燃烧器采用亥尔姆霍茨声学谐振器型，燃料为汽油，主要由进口单向阀1、化油器通道2、油门3、油箱4、点火手动气泵5、燃烧室6、尾管7、火花塞15 和点火器16组成；夹套为脉动燃烧器燃烧室和尾管外部形成水蒸汽流动的环形通道，由直管夹套段8和拉瓦尔夹套喷管9组成；供水系统由水量调节阀10、压力单向阀11、储水箱 12、外接供水阀I3和外接供水管14组成。其结构和连接关系为亥尔姆霍茨脉动燃烧器的进口单向阀1通过化油器通道2与燃烧室6焊接，燃烧室6与尾管7焊接；油箱4通过供油管路与化油器通道2的最小截面相通，在供油管路上安装油门3 ；点火手动气泵5通过气体管路与进口单向阀1连通(点火手动气泵5连通到进口单向阀1后面的空间中。进口单向阀1的作用是在燃烧室压力较高时关闭，防止气体从后部流出，而在燃烧室压力较低时打开，让新鲜空气进入到燃烧室中。脉动燃烧器启动时，点火手动气泵5往进口单向阀1后部充气，压力较高，进口单向阀1关闭，气体只能往前流入到燃烧室中。同时汽油喷出，在气体带动下进入燃烧室形成预混气体。此时火花塞15将预混气体点燃，压力变高，进口单向阀1 一直处于关闭状态，气体流出后产生负压，进口单向阀1打开，此时脉动燃烧器能实现自行运行，不再需要点火手动气泵5供气。因此点火手动气泵只是为了帮助脉动燃烧器启动)。 火花塞15通过螺纹安装在化油器通道喉部与燃烧室6连接段，也可以安装在燃烧室壁上， 火花塞15由点火器16控制。直管夹套段8和拉瓦尔夹套喷管9焊接在一起，并同轴地安装在脉动燃烧器燃烧室6和尾管7的外侧，形成夹套，用于给水加热和水蒸汽的流动。储水箱12设置于夹套上方，并通过供水管与夹套相通，在供水管上安装水量调节阀10和压力单向阀11，在储水箱12上接有外接供水阀13和外接供水管14。此脉动燃烧驱动液体雾化装置工作过程如下(1)预先将设定剂量的汽油和水分别注入到油箱4和储水箱12中，然后给储水箱 12充入压缩空气至0. 2 0. 3MPa，在点火器16上安装上两节1号干电池。(2)按下点火启动开关，火花塞15通电点火，接着开始操作点火手动气泵5，同时打开油门3，汽油由于虹吸效应进入化油器通道2与气泵5供入的空气混合成燃料混气，通过火花塞15时被点燃，使脉动燃烧器燃烧室和尾管内建立脉动燃烧过程。这时关闭点火开关和停止点火手动气泵5操作，脉动燃烧持续自动进行，调节油门3开关，可以在一定范围内控制脉动燃烧器功率的输出。(3)脉动燃烧器启动后，打开水量调节阀10，水在储水箱12内压力的作用下进入直管夹套段8和燃烧室6外壁间的夹套，进入夹套内的水受热蒸发变成水蒸汽，沿夹套向拉瓦尔夹套喷管9的喷口方向流动，在确定脉动燃烧器油门3和水量调节阀10开度的情况下，通过设计可以保证在夹套内水蒸汽的压强存在一个稳定值，这个稳定值为0. 1 0. 2MPa。单向阀11保证只能水向夹套流动，在某些情况即使夹套内水蒸汽压力高于储水箱 12内压力，由于单向阀11的存在，水蒸汽也无法进入储水箱12，维持正常工作和保证储水箱安全。(4)夹套内的高温(120°C 130°C )、高压(0. 1 0. 2MPa)水蒸汽通过拉瓦尔夹套喷管9的过程中，水蒸汽的温度和压强逐渐降低，流速逐渐增加，在拉瓦尔夹套喷管9扩张段某处，水蒸汽的温度低于水的凝点，部分水蒸汽会冷凝为小水滴，与另一部分水蒸汽一起由喷口喷出，形成细水雾。(5)脉动燃烧器汽油燃烧产生的燃气(CO2)经尾管7喷出，在喷管处与细水雾混合，燃气(CO2)的脉动速度约为100m/S，本身具有一定温度，与细水雾混合时对细水雾有一定的加热作用，通过设计可以使细水雾的温度维持在60 80°C。这样就形成了具有60 80°C的高速的细水雾和燃气混合物射流，喷入火场灭火。
权利要求
1.一种脉动燃烧驱动的热细水雾发生装置，其特征在于该装置由三部分组成，即脉动燃烧器、夹套和供水系统；脉动燃烧器采用亥尔姆霍茨声学谐振器型，由进口单向阀 (1)、化油器通道(2)、油门(3)、油箱(4)、点火手动气泵(5)、燃烧室(6)、尾管(7)、火花塞 (15)和点火器(16)组成；夹套为脉动燃烧器燃烧室和尾管外部形成水蒸汽流动的环形通道，由直管夹套段(8)和拉瓦尔夹套喷管(9)组成；供水系统由水量调节阀(10)、压力单向阀(11)、储水箱(12)、外接供水阀(13)和外接供水管(14)组成；其结构和连接关系为亥尔姆霍茨脉动燃烧器的进口单向阀(1)通过化油器通道(2)与燃烧室(6)焊接，燃烧室(6) 与尾管(7)焊接；油箱(4)通过供油管路与化油器通道( 的最小截面相通，在供油管路上安装油门(3)；点火手动气泵( 通过气体管路与进口单向阀(1)连通；火花塞(1 通过螺纹安装在化油器通道喉部与燃烧室(6)的连接段，火花塞(1 由点火器(16)控制；直管夹套段(8)和拉瓦尔夹套喷管(9)焊接在一起，并同轴地安装在脉动燃烧器燃烧室(6)和尾管(7)的外侧，形成夹套；储水箱(1 设置于夹套上方，并通过供水管与夹套相通，在供水管上安装水量调节阀(10)和压力单向阀(11)，在储水箱(1 上接有外接供水阀(13)和外接供水管(14)。
2.根据权利要求1所述的脉动燃烧驱动的热细水雾发生装置，其特征在于所述的尾管(7)的出口应伸出拉瓦尔夹套喷管(9)的出口外1 2cm，拉瓦尔夹套喷管出口喷出的细水雾射流对尾管内燃气不产生干涉，因此脉动燃烧机能独立稳定工作。
3.根据权利1所述的利用脉动燃烧驱动的热细水雾发生装置，其特征在于所述的储水箱(12)内水的驱动是靠预储压力实现的，此预储压力为0.2-0. 3MPa。
4.一种利用脉动燃烧驱动的热细水雾发生方法，该方法具体是利用权利要求1所述的一种脉动燃烧驱动的热细水雾发生装置，使水经历两次相变形成热细水雾首先水从储水箱流出后首先进入夹套，在夹套内利用燃烧室和尾管内高温燃气的热量对水进行加热，使之汽化，实现第一次相变；其次，高温高压水蒸汽流经拉瓦尔夹套喷管，气流速度增加，温度降低，水蒸汽凝结成直径很小的液滴，实现第二次相变；之后在拉瓦尔喷管出口处与脉动燃烧产生的燃气混合，同时燃气将细水雾加热到60 80°C，变成热的细水雾，喷向着火源。
全文摘要
本发明涉及一种脉动燃烧驱动的热细水雾生成方法及装置。该热细水雾生成方法是利用水的两次相变过程首先利用脉动燃烧加热装置产生的热量使水汽化变为水蒸气完成第一次相变；其次水蒸气进入到拉瓦尔喷管内加速，热能转化成动能，同时水蒸气在加速过程中温度降低，凝结成直径很小的液滴变成细水雾完成第二次相变。液滴在喷管出口处与脉动燃烧产生的燃气(主要为CO2)混合，同时燃气将细水雾加热到60～80℃，变成热的细水雾，一起喷入火场中灭火。相应的便携式实施装置由三部分组成，即脉动燃烧器、夹套和供水系统。本发明具有灭火效率高、灭火速度快、灭火持续时间长等优点。主要应用在消防灭火领域，也可应用在农药喷洒、烟雾产生等领域。
文档编号B05B7/20GK102151629SQ20111008918
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者富庆飞, 尹志仁, 杨立军, 赵建波 申请人:北京航空航天大学