壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)氣液混合器的研究現(xiàn)狀*

李何偉，張瀠月，蔡 崢，李昊軒，袁一丁，鐘高躍

(1.常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213025; 2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

近年來大型建筑、港口、變電站等發(fā)生的幾次重大消防安全事故充分暴露了此類設(shè)施消防方面存在極大安全隱患，目前主流的水噴霧滅火系統(tǒng)在處理大型油類火災(zāi)事故方面的具有局限性，例如在大容量換流變中，傳統(tǒng)的水噴霧滅火系統(tǒng)難以滿足消防保護要求，嚴重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(Compressed-Air Foam systems 簡稱CAFS)是自上世紀中葉以來在國外開發(fā)并趨于成熟的一種高效泡沫滅火手段，該系統(tǒng)是基于安全可靠、高效滅火、易操作及技術(shù)先進的原則進行的研發(fā)設(shè)計，通過CAFS系統(tǒng)產(chǎn)生的滅火泡沫具有優(yōu)秀的熱輻射隔離能力，可以在燃燒物表面上長時間粘附覆蓋。由于引入了壓縮空氣，極大的提升了系統(tǒng)中流體的動量，水的粒度得到了充分細化，能夠快速滲入燃燒物內(nèi)部，同時降低了水的表面張力，增加了水的覆蓋面積，從而可以吸收更多的熱量，使滅火效能得到了極大的提升[1]。

CAFS技術(shù)的基本原理是將一定比例的壓縮空氣注入有壓泡沫液中，混合生成滅火泡沫。該技術(shù)的優(yōu)點在于泡沫動量大、可以留存的時間較長，且可通過改變泡沫液和壓縮空氣的比例就可獲得較寬的泡沫膨脹比范圍，以適應(yīng)不同的滅火環(huán)境，也可通過調(diào)節(jié)比例產(chǎn)出不同類型的泡沫，最大程度地提高滅火性能。

國內(nèi)在CAFS的研究上相較于國外要晚，還沒有形成較為完善的設(shè)計方法，氣液混合器作為CAFS中的重要部件，也是作為泡沫液和壓縮空氣相互混合產(chǎn)生泡沫的關(guān)鍵部位，目前在此領(lǐng)域的研究也更為缺乏，不過隨著近些年國家對消防的重視不斷提高，企業(yè)和各研發(fā)機構(gòu)也加大了研究投入，對氣液混合器研究的專利文獻，也在傳統(tǒng)的氣液混合器基礎(chǔ)上進行了創(chuàng)新和改進，取得了一些成果。接下來筆者將主要對氣液混合器設(shè)計及其研究現(xiàn)狀進行介紹，并針對未來的發(fā)展提出一些展望。

1 氣液混合器

目前現(xiàn)有的壓縮空氣泡沫系統(tǒng)中一般沒有設(shè)置專門的混合器，CAFS中壓縮空氣與泡沫混合液在管道中直接混合，通過泵和空壓機的輸出作用下，在經(jīng)過一定長度的管道后，泡沫液和壓縮空氣處于兩相紊流狀態(tài)，兩者進行攪動和混合以后產(chǎn)生滅火泡沫。

氣液混合器是用于將氣液兩相介質(zhì)充分混合并最終產(chǎn)生出滅火泡沫的一種裝置，一般有靜態(tài)混合器和動態(tài)混合器之分。靜態(tài)混合器是指混合器內(nèi)部元件是靜止的，以介質(zhì)流動的動能為動力來實現(xiàn)氣液混合；動態(tài)混合器是指內(nèi)部包含運動元件的混合器。目前CAFS系統(tǒng)上一般使用的都是靜態(tài)混合器。

1.1 原理介紹

據(jù)圖1所示系統(tǒng)組成，并結(jié)合壓縮空氣滅火系統(tǒng)的工作原理，可以看出氣液混合是整個CAFS的核心部件。氣液混合器通過設(shè)置內(nèi)部結(jié)構(gòu)件來改變介質(zhì)流速和方向以實現(xiàn)規(guī)定體積的壓縮空氣和混合液在相遇的瞬間充分均勻混合，產(chǎn)生尺寸均勻的泡沫。

圖1 CAFS系統(tǒng)組成示意圖

氣液混合器一端入口為水和泡沫的混合液，一端入口為壓縮空氣，混合液和壓縮空氣在氣液混合器中的混合室中混合，最終在出口處形成壓縮空氣泡沫混合液，如圖2所示。壓縮空氣通過氣液混合器結(jié)構(gòu)中的小孔注入至CAFS主管路中，其中需要保證壓縮空氣壓力大于混合液壓力，即P空氣>P混合液，這樣才能保證系統(tǒng)中的混合液不會流入到壓縮空氣管道中，同時還能消除不同介質(zhì)之間壓差過大而引起的振動，當然也可設(shè)計時在壓縮空氣入口增加單向閥來預(yù)防此類情況的發(fā)生。

圖2 氣液混合器混合示意

1.2 性能及影響因素

GB7956.6、GB27897中對泡沫的基本性能作出了規(guī)定，其析液時間、附壁能力、發(fā)泡倍數(shù)等性能均有要求，相關(guān)名詞的定義如下[2]：

析液時間是衡量泡沫穩(wěn)定性的重要指標。通常測量泡沫析出質(zhì)量的25%和50%作為其25%和50%的析液時間。

發(fā)泡倍數(shù)是指泡沫體積與構(gòu)成該泡沫的溶液體積的比值，是體現(xiàn)氣液混合情況的一項指標，氣液混合效果越好，則發(fā)泡倍數(shù)越高，滅火效果也會更好。

附壁能力一般由泡沫的流動性來表征，而粘度則是衡量泡沫液流動性的一個關(guān)鍵指標。

氣液混合器的影響因素較多，液體的流量、壓力，管道的內(nèi)徑以及進氣口的流量、面積、壓力等，這些都將直接影響到氣液混合的效果，通常對氣液混合器結(jié)構(gòu)的研究思路是先保證邊界條件都一致，進而通過研究這些因素對混合液的性能影響來指導(dǎo)設(shè)計氣液混合器。

2 氣液混合器的研究現(xiàn)狀

袁野[3]提供了兩種氣液混合器設(shè)計，通過在混合器內(nèi)部設(shè)置擋板和不設(shè)置擋板兩種結(jié)構(gòu)形式下的氣液混合性能對比，研究結(jié)果表明在邊界條件相同的情況下，擋板式氣液混合器內(nèi)部壓力的突變致使泡沫膨脹分裂，從而能夠讓泡沫粒徑減少和氣液混合充分而產(chǎn)生出穩(wěn)定性更高的滅火泡沫。

李慧清[4]提供了兩種氣液混合器(分別為混合器a和混合器b)設(shè)計，并對混合器進行了性能研究?；旌掀鱝和混合器b如圖3所示。提出了通過試驗分析比較兩種混合器在混合點壓力、空氣和混合液流量相同的情況下的泡沫氣體百分比、最大/小直徑以及析液時間的參數(shù)性能的方法。

圖3 兩種氣液混合器

同時還給出了較為完善和嚴謹?shù)膶Ρ确桨?，在混合點壓力、空氣和混合液流量相同的情況下，插入式空氣管路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性更好，不易發(fā)生析液的現(xiàn)象，能較長時間發(fā)揮阻火的效能。如圖4所示。

圖4 混合器a和b產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性比較

洪清泉等[5]提供了一種消防用氣液混合裝置設(shè)計，如圖5所示，泡沫液從側(cè)邊管進入殼體中空氣管路，空氣管路中的錐形管上開有圓形孔用于泡沫液流入，錐形管進出端較大，中間小，并在出口處設(shè)置有孔板，該裝置主要特點就是利用縮徑、擴徑以及增加孔板的方式來提升混合效果，實現(xiàn)了多級混合，能夠產(chǎn)生高效的滅火泡沫。

圖5 消防用氣液混合器裝置1.殼體 2.溝槽 3，5.法蘭 4.進液管 6.空氣管路

林佳等[6]提供了一種氣液混合裝置設(shè)計(見圖6)，裝置中的壓縮空氣進氣管豎直插入到混合液管道中，沒入混合液管道中的空氣管路四周開有均勻的進氣圓孔，出氣孔與混合液流向相對，加大了氣流和液流的相互摩擦及運動，同時增大了空氣和混合液的接觸面積，使得產(chǎn)生出更多的液膜和氣膜。

圖6 氣液混合裝置N1.液體流向 N2.氣體流向 102.進液口 120.進氣管122.出氣孔 112.管狀本體 130.氣液混合腔 104.混合液出口

胡翔等[7]提供了一種氣液混合裝置設(shè)計，如圖7所示，壓縮空氣管口和混合液入口在混合室中存有夾角α，且夾角間的角度、距離可調(diào)節(jié)，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計通過斜度的噴射口產(chǎn)生較大的負壓，進而吸入更多的氣體，從而獲得更高的發(fā)泡倍數(shù)，并且實現(xiàn)低流阻、噴射距離長的滅火泡沫。

圖7 氣液混合裝置1.進氣口 2.進液口 3.彈性密封圈 4.環(huán)形噴口 5.混合液出口 6.環(huán)形液腔 α.環(huán)形噴口與軸向線夾角

王靖等[8]提供了一種氣液混合裝置設(shè)計，如圖8所示，采用一種新的旋流氣液混合裝置使液體產(chǎn)生旋流場并與壓縮空氣混合其中，該裝置主要特點是在混合液入口處設(shè)置有擋板，并在擋板上開有多個通孔，且在混合腔中設(shè)有圓筒形濾網(wǎng)發(fā)泡裝置，混合液通過擋板后與壓縮空氣混合，混合后的介質(zhì)通過濾網(wǎng)可以形成混合均勻、穩(wěn)定的滅火泡沫。

圖8 氣液混合裝置1.擋板 2.混合腔 3.濾網(wǎng) 4.進液口 5.進氣口 6.混合液出口1 a.通孔

雷杰等[9]提供了一種壓縮空氣泡沫流體混合裝置設(shè)計，如圖9所示，該裝置中設(shè)置有散氣管、散射檔環(huán)和混合腔隔板，隔板上開有均勻的孔，并把混合室分隔成多個混合腔室?；旌鲜抑信菽芤汉蛪嚎s空氣流入方向一致，在混合腔中有利于壓縮空氣與泡沫液的充分混合，并能夠形成相對穩(wěn)定的兩相流，配合增加的隔板和散射環(huán)更能提升氣液的混合效果，從而形成高質(zhì)量的滅火泡沫液。

圖9 流體混合裝置100.泡沫液入口 200.氣體入口 210.散氣管 300.泡沫液散射擋環(huán) 600,601.空氣散射環(huán) 211,212,213.分流孔 400,401,402.混合腔室 500,501,502.隔板 800.泡沫出口

胡成等[10]人提供了一種氣液混合器設(shè)計(見圖10)，裝置的氣路進口管路采用噴嘴結(jié)構(gòu)，并使用分隔板平均分隔混合通道，泡沫混合液經(jīng)由混合通道進入發(fā)泡管路，在發(fā)泡管路內(nèi)部安裝有若干個發(fā)泡網(wǎng)，每個發(fā)泡網(wǎng)間采用隔套均勻間隔。該裝置利用上述結(jié)構(gòu)達到壓縮空氣和泡沫溶液均勻混合的效果，并可產(chǎn)生大小適宜且離散系數(shù)小的均勻泡沫，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的滅火泡沫。

圖10 壓縮空氣泡沫氣液混合器1.氣液混合管 1-1進液管 2.進氣管 3.噴嘴 4.分隔板 5.發(fā)泡管 6.發(fā)泡網(wǎng) 7.隔套 8.接頭

張春祥等[11]對一種消防車高效混合發(fā)泡裝置的進行了優(yōu)化設(shè)計， 并通過實驗驗證了該種發(fā)泡網(wǎng)板與發(fā)泡網(wǎng)組裝的發(fā)泡裝置有更好的混合性能。張錫進等[12]和張江濤等[13]提供的一種壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)氣液混合比例混合發(fā)泡器設(shè)計，都是通過在混合室內(nèi)設(shè)置輔助混合發(fā)泡介質(zhì)來實現(xiàn)增加發(fā)泡倍數(shù)和發(fā)泡效率，從而實現(xiàn)滅火效果好的滅火泡沫。

3 總結(jié)及設(shè)計參考

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)相較于之前的泡沫滅火系統(tǒng)，具有更高的滅火效率及低耗水量、射程遠、泡沫穩(wěn)定性高、適用范圍更廣。而氣液混合器作為壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的核心器件，結(jié)構(gòu)型式及種類繁多，而這些也將直接影響到氣液的混合效果以及最終滅火泡沫的效能。

氣液混合器的設(shè)計應(yīng)該基于壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的流量、壓力、混合面積、混合比等參數(shù)為前提，確定這些參數(shù)后進而開展詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計。前文介紹了幾種氣液混合器的研究現(xiàn)狀，基本上也都是從提高滅火泡沫的泡沫氣體百分比、混合均勻度及發(fā)泡倍數(shù)等參數(shù)性能上來開展細節(jié)設(shè)計，結(jié)構(gòu)上多采用控制進氣管進氣方向、角度以及增加發(fā)泡元件的方式來實現(xiàn)氣液混合器功能。總結(jié)下來從結(jié)構(gòu)設(shè)計方向上應(yīng)遵循以下原則。

(1) 壓縮空氣與泡沫混合液宜采用多點混合的結(jié)構(gòu)形式。

(2) 壓縮空氣和泡沫溶液在混合腔中可以采用散射板、分流孔或利于泡沫混合的發(fā)泡裝置如濾網(wǎng)等結(jié)構(gòu)。

(3) 混合室壓縮空氣和混合液的混合和撞擊作用面積較大的氣液混合器，會形成更加均勻、穩(wěn)定性更高的滅火泡沫。

氣液混合器的設(shè)計決定了最終滅火系統(tǒng)產(chǎn)生泡沫的性能，而混合器的性能又會受內(nèi)部諸如進氣管上的開孔數(shù)量、大小以及濾網(wǎng)等發(fā)泡元件各方面因素的影響，因此設(shè)計高效的氣液混合器還需要通過更詳細的試驗和研究來進行驗證。

4 展 望

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)以其高滅火效率、低水量損耗和使用廣泛的性能，具有很好的市場前景，但目前國內(nèi)對于壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的研究大多數(shù)還處于理論研究階段，諸如氣液混合器這類系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件還有很大的研究空間，開發(fā)高效的氣液混合器也是實現(xiàn)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的關(guān)鍵。針對氣液混合器的研究，未來可以結(jié)合整個壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)來對產(chǎn)品功能完整性、系統(tǒng)優(yōu)化性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及運行可靠性等進行更深入的研究。