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(dòng)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(lái)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(hù)要求，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)(Compressed-Air Foam systems 簡(jiǎn)稱CAFS)是自上世紀(jì)中葉以來(lái)在國(guó)外開(kāi)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(jìn)的原則進(jìn)行的研發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)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(zhǎng)時(shí)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(dòng)量，水的粒度得到了充分細(xì)化，能夠快速滲入燃燒物內(nèi)部，同時(shí)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(diǎn)在于泡沫動(dòng)量大、可以留存的時(shí)間較長(zhǎng)，且可通過(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)在CAFS的研究上相較于國(guó)外要晚，還沒(méi)有形成較為完善的設(shè)計(jì)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(guò)隨著近些年國(guó)家對(duì)消防的重視不斷提高，企業(yè)和各研發(fā)機(jī)構(gòu)也加大了研究投入，對(duì)氣液混合器研究的專利文獻(xiàn)，也在傳統(tǒng)的氣液混合器基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，取得了一些成果。接下來(lái)筆者將主要對(duì)氣液混合器設(shè)計(jì)及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并針對(duì)未來(lái)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(méi)有設(shè)置專門(mén)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(guò)泵和空壓機(jī)的輸出作用下，在經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)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(jìn)行攪動(dòng)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(dòng)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(dòng)的動(dòng)能為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液混合；動(dòng)態(tài)混合器是指內(nèi)部包含運(yùn)動(dòng)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(gè)CAFS的核心部件。氣液混合器通過(guò)設(shè)置內(nèi)部結(jié)構(gòu)件來(lái)改變介質(zhì)流速和方向以實(shí)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(guò)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(huì)流入到壓縮空氣管道中，同時(shí)還能消除不同介質(zhì)之間壓差過(guò)大而引起的振動(dòng)，當(dāng)然也可設(shè)計(jì)時(shí)在壓縮空氣入口增加單向閥來(lái)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(duì)泡沫的基本性能作出了規(guī)定，其析液時(shí)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(shí)間是衡量泡沫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。通常測(cè)量泡沫析出質(zhì)量的25%和50%作為其25%和50%的析液時(shí)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(xiàng)指標(biāo)，氣液混合效果越好，則發(fā)泡倍數(shù)越高，滅火效果也會(huì)更好。

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

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(jìn)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(duì)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(jìn)而通過(guò)研究這些因素對(duì)混合液的性能影響來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(jì)，通過(guò)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(duì)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(jì)，并對(duì)混合器進(jìn)行了性能研究?；旌掀鱝和混合器b如圖3所示。提出了通過(guò)試驗(yàn)分析比較兩種混合器在混合點(diǎn)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(shí)間的參數(shù)性能的方法。

圖3 兩種氣液混合器

同時(shí)還給出了較為完善和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?duì)比方案，在混合點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)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(jì)，如圖5所示，泡沫液從側(cè)邊管進(jìn)入殼體中空氣管路，空氣管路中的錐形管上開(kāi)有圓形孔用于泡沫液流入，錐形管進(jìn)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(diǎn)就是利用縮徑、擴(kuò)徑以及增加孔板的方式來(lái)提升混合效果，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)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(jìn)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(jì)(見(jiàn)圖6)，裝置中的壓縮空氣進(jìn)氣管豎直插入到混合液管道中，沒(méi)入混合液管道中的空氣管路四周開(kāi)有均勻的進(jìn)氣圓孔，出氣孔與混合液流向相對(duì)，加大了氣流和液流的相互摩擦及運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(jìn)液口 120.進(jìn)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(jì)，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?jiàn)A角間的角度、距離可調(diào)節(jié)，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)斜度的噴射口產(chǎn)生較大的負(fù)壓，進(jìn)而吸入更多的氣體，從而獲得更高的發(fā)泡倍數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)低流阻、噴射距離長(zhǎng)的滅火泡沫。

圖7 氣液混合裝置1.進(jìn)氣口 2.進(jìn)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(jì)，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(chǎng)并與壓縮空氣混合其中，該裝置主要特點(diǎn)是在混合液入口處設(shè)置有擋板，并在擋板上開(kāi)有多個(gè)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(guò)擋板后與壓縮空氣混合，混合后的介質(zhì)通過(guò)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(jìn)液口 5.進(jìn)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(jì)，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(kāi)有均勻的孔，并把混合室分隔成多個(gè)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(duì)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(jì)(見(jiàn)圖10)，裝置的氣路進(jìn)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(jìn)入發(fā)泡管路，在發(fā)泡管路內(nèi)部安裝有若干個(gè)發(fā)泡網(wǎng)，每個(gè)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(dá)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(shí)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(jìn)液管 2.進(jìn)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(duì)一種消防車高效混合發(fā)泡裝置的進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(jì)，都是通過(guò)在混合室內(nèi)設(shè)置輔助混合發(fā)泡介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)增加發(fā)泡倍數(shù)和發(fā)泡效率，從而實(shí)現(xiàn)滅火效果好的滅火泡沫。

3 總結(jié)及設(shè)計(jì)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(yuǎn)、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(jì)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(jìn)而開(kāi)展詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(lái)開(kāi)展細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上多采用控制進(jìn)氣管進(jìn)氣方向、角度以及增加發(fā)泡元件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氣液混合器功能?？偨Y(jié)下來(lái)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(huì)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(jì)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(huì)受內(nèi)部諸如進(jìn)氣管上的開(kāi)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(jì)高效的氣液混合器還需要通過(guò)更詳細(xì)的試驗(yàn)和研究來(lái)進(jìn)行驗(yàn)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(chǎng)前景，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)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(kāi)發(fā)高效的氣液混合器也是實(shí)現(xiàn)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的關(guān)鍵。針對(duì)氣液混合器的研究，未來(lái)可以結(jié)合整個(gè)壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)來(lái)對(duì)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(yùn)行可靠性等進(jìn)行更深入的研究。