CN104740816A - 一种高效灭火新技术与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节水高效的旋转水雾快速灭火装置和技术。核心元件旋转喷头是将喷头分为固定部份和用轴承相连接的可借助喷嘴反作用力产生高速旋转的两个部份，通过“因势利导”的喷嘴设计，最大程度转化为充分促进雾化的表面能和推动气液旋流形成转动能。旋转喷头可以接入自来水或消防水系统直接连接在室内固定的自动喷水灭火系统或可移动的消防水枪的出口或泵出口上，作为一种简单高效的灭火技术与装置可以广泛应用，适用于固体和液体火灾灭火。本新型喷头具有雾滴小，喷雾覆盖区域大而均匀，在2公斤压力下雾化效果已经不错，均匀喷雾距离超过10米，顺风时使用效果更佳，可达到瞬间消除黑烟，秒间压制火头，十秒内熄灭烟火的出色效果。

Description

一种高效灭火新技术与装置

技术领域

本发明涉及一种节水高效的旋转水雾快速灭火装置和技术。 

背景技术

失去控制的火会给人类造成灾难。火灾是最经常、最普遍的威胁公众安全的主要灾害之一。对火的利用和控制是人类文明进步的标志。预防火灾和减少火灾的危害是消防工作的两大重要任务，因此有效防范火灾的发生和高效快速灭火的技术开发很有价值。 

燃烧是一个需要空气参与的强烈放热的化学氧化过程，消防灭火则以隔绝和稀释空气、覆盖燃烧区域、降温三种单独或其组合形式迅速阻止燃烧的过程。初期小火灾和少量油品灭火常用细河沙覆盖；容器口的火焰以及小火，也可以用石棉被或浸湿的棉被直接覆盖隔绝空气灭火；家居常用的泡沫灭火器，用于扑灭初期小火，它是由硫酸铝、碳酸氢钠作为灭火液，使用时通过倒置混合，产生氢氧化铝、水及二氧化碳的气液固混合物，可直接喷洒覆盖火焰及燃烧物，达到降温和隔绝空气的目的；精密仪器、电气设备、油罐区、库房、油泵房、发油间等场所的火灾常用二氧化碳灭火器或二氧化碳干粉灭火器灭火。然而小火如果不能迅速扑灭往往会发展成大火、猛火，上述手段往往难以奏效，必须动用消防水枪、消防车等大型消防装备灭火。因此如果不能快速高效扑灭初期火灾，往往贻误救火最佳时机，造成重大灾难。 

如前所述现有的灭火方法实际上是通过降低温度或氧气浓度或减少接触等手段，达到终止氧化反应使火焰熄灭的目的。然而，现有的消防灭火手段，普遍存在固体和液体灭火剂分散不均匀、灭火剂用量大、灭火效果差、财产破坏严重、使用成本高、灭火面积小、无法有效清除有毒烟气等诸多问题。 

从化工的原理分析灭火过程可以发现，现在所使用的各种消防器材和装备，都没有很好的进行灭火剂的雾化和分散，灭火过程的传质传热性能极差。水系灭火装置虽然水压和水量很大，但雾化效果差，喷洒面积小，用水量大，在与火焰接触的瞬间难以有效汽化吸热和稀释空气，大量的水瞬间流失，往往“车水火难灭”。大火如不能及时扑灭，将会造成重大的财产损失，燃烧产生大量的毒气和PM2.5往往会造成重大的人身伤亡和社会恐慌。 

为提高灭火效果，也有人对喷头进行了分散水流改进，目前室内常用的结构简单的洒水 喷头，只是依靠溅水盘使水流分散成了水珠，根本没有变成细化的水雾，虽然喷水面积比直接水流喷射有显著增加，但仍然覆盖面积不够，分布不均，中间水量小，水滴极大甚至是水柱状态，灭火效果并不理想。灭火常用的消防水枪是通过缩小出口口径，增加出口流速，溅射到物体表面产生雾化，大部分动能被溅射物体吸收，但由于受现场环境、距离和燃烧物形状影响，效果有限，且覆盖面积小，雾化效果较差，难以在短时间内压住火头，造成了水的利用率极低，灭火效率很差。一些高压细水雾喷头虽然雾化效果较好，但需要在10MPa压力左右，容易造成人身伤害和财产受损，且造价很高，难以普及。 

也有人使用在喷头中加入旋芯、障碍物遮挡和螺旋弹簧等特定的机械结构辅助雾化。其中旋芯结构喷头是最常见的雾化喷头，其原理是流体在压力驱动下进入旋流腔并产生强烈旋转从喷嘴中喷出，在离心力的作用下产生雾化，用于灭火时，存在以下问题。 

(1)这种旋芯结构或喷射雾化装置会对流体产生“机械障碍”作用，使流体大部分动能被喷头体吸收，导致喷嘴的喷雾动量低，距离短，难以接近火焰，无法有效地克服火焰气流阻力，无法到达火焰内部和燃烧表面进行灭火，不能充分发挥水雾对燃烧表面的降温和覆盖作用。每个喷嘴的喷雾保护半径通常在0.5m左右，多喷头会增加成本，效果也难以有效提高。 

(2)离心力辅助雾化会形成一个空心锥形，导致喷雾密度分布不均匀，不能充分发挥细水雾高效窒息灭火的能力。 

采用障碍物遮挡或者螺旋弹簧结构同样会导致大部分动能被其吸收，雾化喷头产生的雾滴直径较大。因此，开发节水高效、瞬间扑灭大火的新型装备意义重大。 

发明内容

从化工的原理深入的分析灭火过程可以得知，水喷雾灭火主要是利用降温，驱赶和稀释氧气达到阻止燃烧反应，熄灭火焰的目的。显然，雾化水的表面积可以增加成千上万倍，汽化水的体积可以增加上千倍。因此，使水充分雾化是有效增加吸热和蒸发面，同时产生快速吸热降温和高效窒息效果的关键。研发出雾化效果极好的喷水布雾装置可能会产生使大面积火场温度和氧浓度迅速下降，同时瞬间大量吸热产生的水蒸汽将导致燃烧区急剧膨胀，产生迅速阻隔和稀释空气快速消烟灭火的效果。因此，开发雾化效率高、结构简单、使用压力低、适用范围广，可以在空间中均匀分布、长距离、大面积覆盖的高效喷头是高效灭火的关键技术。 

我们发明了一种新型旋转喷头，可以达到上述效果。旋转喷头的结构特点是连接水源的上部是固定的，下部有多个喷嘴并通过轴承与上部连接，带压水流的部份动能在从喷嘴喷出时形成反作用力推动喷头整个下部高速旋转，同时，大部分动能在撞击喷嘴斜面或斜缝或通 过孔隙时并没有损失而是有效转化为促进水流雾化的表面能，这种巧妙借助喷嘴带压流体的反作用力推动新型喷头旋转部高速旋转的装备系统可促进液体的充分雾化和气液旋流的形成，实现过程强化，达到高效灭火的目的。 

新型旋转雾化喷头是利用带轴承的旋转喷头在流体对外喷射时的反作用力产生高速旋转，在气体或液体介质中的旋转速度可达到每分钟数百次到数万次不等的旋转速度(参见实施例2、3)，高速旋转的气流和液流可以有效带动周边气体和液体产生旋转流。实验结果表明，以结构简单的三孔射流旋转喷头或子弹头类的多孔射流喷头可以很好克服现有喷头的弊端，实现长距离、宽范围、充分雾化、大面积覆盖(参见实施例4、5、6)。通过中心喷嘴的孔眼大小、角度、流量及水压的调节可以使水雾在数十米外的距离也能有效到达燃烧物表面，顺风的效果更佳(参见实施例6)。 

两侧的旋转喷嘴在液体喷出时产生的动力可以带动三个喷嘴高速旋转，大大扩展了有效雾化区域，有效保证了宽范围均匀覆盖。而且，调节旋转喷嘴的水平角、改变喷嘴结构及液体的压力和流量可以方便的控制水雾量大小和分布范围(参见实施例1、4)，适应不同情况下的灭火需要。 

进一步的实验结果表明，该系列高效旋转式雾化喷头即使接上自来水也有较好的旋转雾化效果，在消防要求的3公斤水压下，雾化效果更佳，上下喷雾覆盖直径可以达到8～10米，而且向上喷雾分布更均匀；水平喷射距离可以达到20米以外，宽度达5～9米(参见实施例6)。 

按照国家的自动喷水灭火系统的灭火标准进行的从上往下喷水灭火实验及室外侧面灭火实验及增加汽油时强化火势的灭火实验，均表明新型旋流雾化喷头系列，特别是三孔射流旋转喷头和三孔射流双针雾化喷头及子弹头型多孔射流旋转喷头，无论下喷或侧喷均可达到瞬间消除黑烟，秒间压制火头，十秒内熄灭烟火的神奇效果，特别可对扑灭大火效果更佳！可实现快速降温消烟远距离压制大火，迅速接近火源，更适合大范围快速灭火(参见实施例7、8、9)。实验表明，该系列雾化喷头对灭汽油火也有奇佳的效果，充分雾化的水雾笼罩在火焰上方，迅速隔绝空气，在十几秒内就能熄灭1L油火(参见实施例10)。本发明是消防领域的重大技术创新，可以实现快速消烟灭火，高效安全环保，使用方便节水的理想目标。 

附图说明

图1旋转喷头结构 

图1-1三孔射流旋转喷头90°结构1-扇形喷嘴2-广角扇形喷嘴3-旋转头4-轴承5-锁紧螺母 

图1-2三孔射流旋转喷头45°结构 

图1-3三孔射流双针雾化喷头结构 

图1-4螺旋雾化旋转喷头结构 

图1-5子弹头形旋转喷头结构 

图2现有喷头结构 

图2-1洒水喷头结构 

图2-2水雾喷头结构 

图2-3单螺旋喷头结构 

图2-4三孔螺旋喷头结构 

图3三孔射流旋转喷头在不同压力下的流量 

图4 3公斤压力下不同旋转喷头下喷时径向水量分布 

图5 3公斤压力下不同旋转喷头上喷时径向水量分布 

图6 3公斤压力下不同旋转喷头水平喷射时径向和45°方向水量分布 

图7 3公斤压力下现有喷头下喷时径向水量分布 

图8手持子弹头型旋转喷头灭A类火前后温度变化 

具体实施方式

通过下面给出的本发明的实施例可进一步了解本发明，以下实施例仅为本发明的几个具体实施例，但本发明的范围并不局限于此，凡利用此方法或方案对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。以下实施例中，喷头均是设计流量参数为0.3MPa(3公斤)下流量为3m³/h的旋转喷头，其中广角扇形喷嘴喷射角度均为75°，扇形喷嘴喷射角度均为60°，喷嘴的主流道直径均为2mm。 

实施例1：三孔射流旋转喷头压力流量测定 

将一只三孔射流旋转喷头安装在有流量计的试验装置上，试验采用带压自来水作为流体，调节喷口水压分别为0.5、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5公斤。采用专用水箱和称重器收集水量并称重，每次喷雾时间为2min。结果如附图2所示。实验结果表明：喷头的流量与压力有很好的线性关系，可以根据需要进行调节。 

实施例2：不同喷头在3公斤压力下的转速 

将不同旋转喷头安装分别在试验装置上，试验采用净水，在3公斤水压下测量不同喷头的转速，如表1所示。实验结果表明，在3公斤压力下，各种类型的喷头转速都大于10000r/min，其中螺旋雾化旋转喷头的转速最低，为10000r/min，三孔射流旋转喷头的转速最高，达57000 r/min。从转速稳定上看，三孔射流双针雾化喷头的稳定性最好。 

表1不同喷头在3公斤压力下的转速 

实施例3：不同喷头通入空气在空气介质中的转速 

从喷头中通入空气，在空气介质中测试不同喷头在不同压力下的转速，如表2所示。在0.5公斤压力下，三孔射流双针雾化喷头的最大转速为11132r/min。和通入水时不同喷头的转速相似，在相同压力下，单螺旋混合旋转喷头的转速相对较低，三孔射流旋转喷头的转速相对较高。 

表2不同喷头通入空气在空气介质中的转速 

实施例4：不同旋转喷头下喷、上喷和水平喷射时的水量分布实验 

上下喷时将不同旋转喷头安装分别在试验装置上，试验采用净水，喷头距地面高度2.5m(向上或向下)，正下方沿径向放置成直线排列的集水盒(S＝0.08m²)，在3公斤压力下开喷头3min后，称量距离中心喷头不同距离的每个集水盒中收集到的水质量和体积，计算出喷雾密度，可以得到不同喷头流量分布情况。结果如附图3、4所示。 

水平喷射时喷头距地面高度1米，从喷头正下方开始，沿喷头正前方径向放一排集水盒(集水盒尺寸S＝0.08m²)(正前方)，2：偏离正前方45°角径向放一排集水盒(45°)，在3公斤压力下开喷头3min测定集水盒中的水质量和体积，计算每个集水盒的喷雾密度。结果如附图5所示。 

实验结果表明：90°三孔射流旋转喷头下喷时的雾滴主要分散在直径2米左右的区域内， 上喷时雾滴可更好分散在直径5米以上的区域内。向上喷雾灭火可以覆盖更大范围，在直径3米左右达到最大。显然和向下喷射相比，向上喷雾灭火可以使更多雾化的水覆盖更大范围。水平喷射时，正前方在4米处喷雾量最大，45°方向2米处喷雾量最大。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3米。 

45°三孔射流旋转喷头下喷时的雾滴也主要分散在直径2米左右的区域内，上喷时雾滴可更广分散在直径4米左右的区域内。显然45°三孔射流旋转喷头向上喷雾同样比向下喷雾覆盖范围大很多，而且更均匀。水平喷射时正前方分别在1.5米和4-5米处喷雾量最大，而45°方向随着距离喷头越远喷雾量越少，可以得出喷嘴旋转45°时喷雾量更往中间集中。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6.5米，45°方向为3.2米。 

90°三孔射流双针雾化旋转喷头上下喷时的雾滴分散性可以更好改善，雾滴可达直径5米左右的区域，上喷时可以显著增加5米区域内的喷雾量，在直径2米左右达到最大。水平喷射时，正前方在3.5米处水量最大，45°方向随着距离喷头越远水量越少。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3.5米。当三孔射流双针雾化旋转喷头两侧喷嘴旋转45°时，正前方分别在1.5米和4-5米处水量最大，而45°方向和水平方向随着距离喷头越远水量越少。这与三孔射流45°喷嘴转角旋转喷头布水情况类似。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为3.7米，水平方向为2米。两侧喷嘴旋转了45°后，两侧喷雾更加集中，弥补了侧喷头和中心喷头之间的空隙，水量分布更均匀。 

单螺旋混合旋转喷头上下喷时的雾滴分散性也很好，雾滴可达直径3米左右的区域，上喷时可以显著增加4米左右区域内的喷雾量，在3米直径以内分布均匀。水平喷射时，正前方在4-5米处水量最大，而45°方向在2米处水量最大(除去第一点)。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方为6米，45°方向为2.8米。 

子弹头型旋转喷头的水量较大，水平喷射时正前方在2-3米处水量最大，而45°方向随着距离喷头越远水量越少。有效灭火距离(喷雾密度大于1)正前方＞5米，45°方向为4.8米。 

实施例5：现有喷头下喷、上喷和水平喷射时的水量分布实验 

如实施例4所述的试验方法，测量现有的洒水喷头、水雾喷头、单螺旋和三螺旋喷头以及三孔射流不旋转喷头时的水量分布情况，结果如附图6所示。 

实验结果表明，三孔射流喷头不旋转时喷雾形状为水幕，喷雾范围较小，水幕下方径向水量分布中间高，随着距离增加水量减少。 

三孔螺旋喷头和一螺旋喷头喷雾水量分布相似，三个螺旋喷头也是中间的螺旋喷头起主 要作用，两侧螺旋喷头水量较小。螺旋喷头雾化效果也较好，但由于螺旋喷头是依靠机械阻挡撞击力和摩擦力的作用，可以明显看出下喷时出现中间空的现象，在1.5m处水量最大。 

洒水喷头由于是溅水盘的作用中间水量少，在2.5m出水量最大，之后迅速降低。 

水雾喷头是喷头中间有个旋芯结构的遮挡物，雾化效果不好，从图上可以看出喷雾密度很小且不均匀，喷雾密度在1.6以下，大部分区域达不到灭火要求。 

实施例6：不同喷头下喷时的喷射半径，上喷时的喷射半径和喷雾高度以及侧喷时的喷雾宽度和最远喷射距离 

如实施例4所述的试验方法，测量在2公斤和3公斤压力下三孔射流旋转喷头、三孔射流45°喷嘴转角旋转喷头、螺旋雾化旋转喷头、三孔射流双针雾化喷头、子弹头式旋转喷头从上往下喷时的喷射半径，从下往向上喷射时的喷射半径和喷雾高度以及侧喷时的喷雾宽度和最远喷射距离。同时按同样的方法测试现有的市售洒水喷头和水雾喷头从上往下喷时的喷雾半径以及侧喷时的喷雾宽度和最远喷射距离，可以看出无论是上喷、下喷和侧喷，旋转喷头的喷射距离、范围远远大于现有喷头，特别是上喷和侧喷时喷射距离更远，符合大部分灭火使用方式，相关结果见表3、4。 

表3不同类型旋转喷头在不同压力和不同喷射状态下的喷雾半径和最远喷射距离 

表4现有类型喷头在不同压力和不同喷射状态下的喷雾半径和最远喷射距离 

实施例7：不同喷头固定高度下喷灭A类木垛火实验 

按照国家的自动喷水灭火系统(GB5135-2006)中的A类火灭火标准实验方法：木垛的尺寸(500*500*380mm)，由相互正交的10层杉木组成，每层5条，均匀分布，木条尺寸(38*38*500mm)，干燥到湿度为6-12％，称重。木垛放在钢制油盘上，盘中加入适量水，深度大于15mm，倒入200mL汽油。喷头在木垛正上方2.5m。2min预燃，待汽油燃完后开启喷头，自点火起实验10min，关闭喷头，如木垛未熄灭，小心扑灭木垛，干燥到湿度在6-12％，称重，计算质量损失。在下风向6m处监测灭火前后的PM₁₀和PM_2.5变化。结果如表5所示。 

使用三孔射流旋转喷头，第一次结果如下：在2公斤压力下，扑灭火苗仅用10s，消耗水量6.25L，烟雾全灭用时70s，消耗水量43.75L，木垛的平均质量损失为8.6％。 

使用三孔射流旋转喷头，第二次结果如下：在2公斤压力下，扑灭大火仅用8s，消耗水量5L，烟雾全灭用时70s，消耗水量43.75L，木垛的平均质量损失为5.9％。 

如上所述木垛灭火实验方法，使用三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头，结果如下：在2公斤压力下，扑灭大火仅用6s，消耗水量3.75L，烟雾全灭用时40s，消耗水量25L，木垛的平均质量损失为6.4％。 

如上所述木垛灭火实验方法，使用现有的洒水喷头，结果如下：在2公斤压力下，下喷扑灭用200mL汽油已经引燃2分钟的木材火焰在10min内未把火扑灭，消耗水量1626.1L，木垛的平均质量损失为19.7％。 

表5不同类型旋转喷头灭火效果 

实施例8：手持子弹头型旋转喷头灭A类木垛火实验 

如实施例6所述的木垛和引燃方法，，引燃两分钟后，使用子弹头型旋转喷头在3公斤水压下手持式灭火，从木垛正面，距木垛1.8m处开始喷射，然后接近木垛，并向顶部、侧面等连续喷射，在距木垛20cm处放置热电偶，实时记录温度变化。结果扑灭大火仅用10s，消耗水量7.5L，烟雾全灭仅用时40s，消耗水量30L。热电偶检测的温度从开启喷头后迅速找40s内从256℃降到33℃。如附图6所示。 

实施例9：加强火势灭火实验 

如实施例3所述的木垛，在木垛下方油盘中加200mL汽油，同时在木垛上浇2L汽油，引燃后10s开始灭火。三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头在木垛正上方2.5m喷射。点火后燃烧迅猛，火焰高度超过3m，浓烟滚滚，开启喷头仅1s就迅速压住了火头(水量625mL/s)，浓烟迅速消失，5s后木垛面上的火焰熄灭，40s后木垛内部的零星小火全部扑灭，总耗水量仅25L，停止喷水后木垛无烟，不复燃。 

实施例10：手持三孔射流双针雾化喷头灭B类火实验 

根据国标GB4351-2005中规定的B类火，也即可燃液体火。实验如下：在圆盘内放入70mm高的清水后，再倒入1L90#车用汽油，预燃10s后进行灭火，此时火焰高约2m，灭火开始，被笼罩住的火场中火焰高度迅速降低，水雾使火苗从油盘中隔离开，约12s后，火焰全部扑灭，共用水7.5L，火焰熄灭后，对油盘可以5次重复点燃，证明在大量汽油剩余时，仅用本高效旋转喷头雾化的少量水就可以扑灭燃油大火。 

Claims (7)

1.本发明涉及一种新型旋转雾化喷头的使用和灭火技术。新发明成功利用了加压水的动能，巧妙借助喷嘴水压的反作用力推动新型喷头旋转部高速旋转可促进了液体充分雾化和旋流的形成，可直接进行从上、下远距离灭火。使用本发明的核心单元旋转喷头系列和带压水相连即可用于消防灭火，特别是三孔射流旋转喷头和三孔射流双针雾化喷头及子弹头型多孔射流旋转喷头，在喷出加压水时，无论向下喷或侧喷均可达到瞬间消除黑烟，秒间压制火头，分内消烟灭火的出色效果，可远距离压制大火，快速接近火源，适合大范围及各种场合的快速灭火。

2.如权利要求1所述的旋转喷头的结构特点是连接水源的上部是固定的，下部根据需要可设置多个喷嘴并通过轴承与上部连接，带压水流部份动能在从喷嘴喷出时形成反作用力推动喷头整个下部高速旋转，同时，大部分动能在撞击喷嘴斜面或斜缝或通过孔隙有效转化为促进水流雾化的表面能，实现快速灭火。

3.如权利要求1所述的喷头可以进行不同形式，喷射方向可以是任意角度，喷射形式可以是细孔喷雾、雾化喷嘴、小液流喷射或其组合。可根据旋转速度和体系的具体要求合理确定流道大小及喷射角度。其中三孔射流旋转喷头、三孔射流双针雾化喷头，三孔射流45°喷嘴转角双针雾化喷头具瞬间消烟灭火的极佳效果。

4.如权利要求1所述旋转喷头可直接连接在室内固定的自动喷水灭火系统或机动的消防水枪的出口或手提式灭火器或自来水管网或水泵或带压水气混装容器的出口上，很容易满足不同场所和不同情况的灭火要求。

5.如权利要求1所述，根据实际灭火的情况要求，可以选择合适的喷头流量(流道大小)、压力和喷嘴形式，也可多喷头组合或多形式同时使用。

6.如权利要求1所述，可选择合适流量的泵、适当体积的储水容器与旋转雾化喷头通过管路连接，也可以用带压混装了水气容器直接连接，形成简易便携式或移动式的家用或汽车灭火或降温增湿除尘装置，需要打开开关即可使用。

7.如权利要求1所述，本装置可用于室内、院内、小区内、街道内小范围消烟除尘和消除PM2.5，进行大气净化，减轻雾霾。