壓縮空氣泡沫性能淺析

劉金革，鐘高躍，龔海軍，韓 焦，石祥建

（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 211102）

1 概述

消防安全是一個永恒的話題，一旦發(fā)生火災(zāi)，輕則造成經(jīng)濟損失，重則危害人員安全。毫無疑問，水是迄今為止最常用的滅火介質(zhì)，但是僅適用于A類火災(zāi)，即易燃固體火災(zāi)，并且由于純凈水具有較高的表面張力難以滲透到某些多孔固體中，尤其是含有疏水性的材料表面。此外，滅火過程中，水在非水平表面流失嚴(yán)重，不具備防復(fù)燃特性。

滅火泡沫具有密度小、阻隔熱輻射等特點，覆蓋在可燃固體或液體材料表面，有效撲滅正在發(fā)生的A 類和B 類火災(zāi)并防止復(fù)燃。在很多情況下，相對于滅火特性，泡沫的防復(fù)燃特性具有更加重要的作用。按發(fā)泡方式不同，泡沫可以分為吸氣式和正壓式，其中正壓式按氣源不同又分為壓縮氮氣式和壓縮空氣。壓縮空氣泡沫最初是指A 類泡沫，事實證明用壓縮空氣產(chǎn)生的B 類泡沫且具有更好的滅火性能[1-3]。與傳統(tǒng)的吸氣式泡沫相比，壓縮空氣泡沫具有結(jié)構(gòu)細(xì)密、均勻，穩(wěn)定性高，低摩擦阻力和發(fā)泡倍數(shù)可控等特點，越來越多地應(yīng)用于森林、市政建筑、軍事設(shè)施、油罐等[4]。從滅火原理、成泡機理、演變特性和性能參數(shù)等方面深入分析了壓縮空氣泡沫，并指出目前研究方向，可為壓縮空氣泡沫技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用提供參考。

2 滅火原理

眾所周知，可燃物、助燃物和點火源是燃燒三要素，構(gòu)成燃燒三角形，如圖1 所示。只有一定濃度的可燃物和助燃物充分混合才能夠點燃，而源源不斷的可燃物和助燃物的供應(yīng)是保證燃燒持續(xù)的充分條件。事實上，液體燃料并不直接燃燒，而是液體燃料蒸氣與空氣充分混合才易燃。滅火泡沫覆蓋在易燃固體表面或易燃液體油面上形成一層厚厚的泡沫毯，對燃料和空氣的總量沒有影響，而是將可燃物與空氣隔絕達到滅火的目的。對于液體燃料，滅火泡沫能夠有效地阻隔外部熱輻射降低燃料蒸發(fā)量。此外，滅火泡沫析出的液體蒸發(fā)會吸收一定的熱量起到冷卻的作用，但是泡沫液蒸發(fā)帶走的熱量不足同時段燃燒放出熱量的5%[5]。因此，泡沫滅火中，蒸發(fā)冷卻的作用基本可以忽略，而絕熱和隔絕氧氣起主導(dǎo)作用。

圖1 燃燒三角形

為了更好地?fù)錅绻腆w火災(zāi)，泡沫液的表面張力必須小于固體燃料的臨界表面張力才能完全潤濕固體燃料表面并滲透固體毛孔，有研究表明各類木材的臨界表面張力范圍為45dyn/cm～48dyn/cm[6-7]。一般地，純水的表面張力為72dyn/cm，而含烴表面活性劑泡沫液的表面張力約為26dyn/cm，含氟表面活性劑泡沫液的表面張力可降至17dyn/cm，因此泡沫析出液比純水更具有固體燃料潤濕性和滲透性，此外泡沫能夠吸附在固體燃料表面減少了水分的流失。

對于非水溶性液體燃料選用非水成膜泡沫，燃料蒸氣會與泡沫孔內(nèi)的空氣混合，形成微小的局部易燃環(huán)境，隨著泡沫的合并和破裂，受燃料蒸氣污染的泡沫很容易閃燃，因此非成膜泡沫不具備防復(fù)燃特性。含氟表面活性劑能夠在非水溶性燃料表面形成一層水膜，將燃料蒸氣阻擋在泡沫毯以下，使泡沫免受燃料蒸氣的污染，因此具有很好的防復(fù)燃特性。而水成膜泡沫不能用于滅火水溶性燃料火災(zāi)，這是因為泡沫中的泡沫液和燃料表面的水膜會融入水溶性燃料中，造成泡沫的快速降解而坍塌。通過添加高分子聚合物可以制成抗溶性泡沫，泡沫中的高分子聚合物隨著析液過程的進行沉淀到燃料的表面形成連續(xù)膜，阻礙極性燃料和泡沫液的混合，進而防止燃料蒸氣污染泡沫，如圖2 所示。

圖2 抗溶性泡沫用于水溶性滅火示意圖

3 成泡機理

壓縮空氣泡沫的發(fā)泡過程分為兩步，第一步，按一定的比例將泡沫濃縮液和水混合配成泡沫混合液，泡沫濃縮液所占的體積比稱為稀釋比，例如6%，3%或1%。一般地，泡沫濃縮液的稀釋比越小越好，稀釋比越小則配備同樣的泡沫混合液所需要的泡沫濃縮液的越少，其儲存和運輸成本就比較低；第二步，則是利用一定倍數(shù)比的壓縮空氣剪切和攪拌泡沫混合液形成空氣與水的分散體，即泡沫。

泡沫是一種液體連續(xù)、氣體不連續(xù)的氣-液分散體，發(fā)泡過程伴隨著表面積的急劇增加，這一過程需要外界對其做功，意味著體系的能量增加。表面張力越大則代表增加單位表面積時增加的能量越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定。如前所述水的表面張力高達72dyn/cm，很難成泡，且成泡以后極不穩(wěn)定，如圖3所示。泡沫混合液之所以容易成泡，是因為中含有由親水基團（頭基）和疏水基團（尾基）組成的表面活性劑，填充空氣-水界面處，形成一層單分子薄膜，大大降低了液體的表面張力，同時增加了泡沫穩(wěn)定性的作用，如圖4 所示。此外，泡沫液中還含有一定量的硫酸亞鐵或乙二醇丁醚等穩(wěn)泡劑，提高泡沫的持水時間，增強泡沫的穩(wěn)定性。

圖3 純水中氣泡的形成過程[8]

圖4 泡沫混合液中氣泡的形成過程[8]

在發(fā)泡過程中，必須保證泡沫混合液中含有足夠的表面活性劑填充于增加的空氣-水界面。用臨界膠束濃度（CMC）表示設(shè)定溫度下給定溶液中表面活性劑的飽和點[5]，低于臨界膠束濃度則泡沫混合液的表面張力降低不夠，過高于臨界膠束濃度并不能進一步降低表面張力而造成表面活性劑的浪費。因此，在泡沫混合液中表面活性劑的濃度應(yīng)略高于其臨界膠束濃度，這需要根據(jù)泡沫濃縮液的稀釋比（例如6%，3%或1%）調(diào)整配方。

在壓縮空氣泡沫發(fā)泡過程中，氣液混合是關(guān)鍵，由于是在較大壓力下完成，反應(yīng)速度極快，混合效果的好壞與混合器的結(jié)構(gòu)和氣液流量比等諸多因素有關(guān)。袁野[9]運用Fluent 分別仿真分析了T 型管和內(nèi)置擋板混合器中氣液混合的效果，研究表明，在T 型管中泡沫以聚變?yōu)橹鳎鴥?nèi)置擋板混合器中擋板處的渦旋會使氣液混合更加劇烈，強化混合效果，且泡沫以破碎變化為主使得結(jié)果更加致密，但增加擋板會增加系統(tǒng)的壓力損失。在混合器結(jié)構(gòu)和泡沫液流量壓力參數(shù)不變下，隨著氣體流量的增加，氣液兩相流體在水平管道中會出現(xiàn)細(xì)胞狀流型、氣塞狀流型、分層流型、波裝分層流型、氣彈狀流型及環(huán)狀流型。前四鐘流型均無法很好的實現(xiàn)壓縮空氣與泡沫液的充分混合，釋放裝置噴出泡沫液的同時也會噴出大量的泡沫液，產(chǎn)生的泡沫數(shù)量少且穩(wěn)定性較差，而出現(xiàn)環(huán)狀流型則表示壓縮空氣和泡沫液能實現(xiàn)最大程度的混合，且生成的泡沫的質(zhì)量較好[10]。如圖5 所示。

圖5 水平管道中氣液兩相流流型[10]

泡沫是一種非穩(wěn)定物系，靜置狀態(tài)會伴隨著析液和聚變現(xiàn)象，但壓縮空氣泡沫在管道中則會保持一個較為均勻的狀態(tài)，不會發(fā)生兩相分離現(xiàn)象，但由于管道中始終保持一定的靜壓使得的泡沫內(nèi)部氣相一直處于一定的壓縮狀態(tài)，加上管道中泡沫具有一定流速，不僅不易析出，還會使析出的少量液體迅速重新混合。因此管道中流動的壓縮空氣泡沫與彌散流結(jié)構(gòu)相似，可以認(rèn)為是一種氣體體積分?jǐn)?shù)較大、氣泡小而多的彌散流[11-13]，如圖6 所示。

圖6 彌散流與壓縮空氣泡沫管道內(nèi)流動結(jié)構(gòu)對比[11]

4 演變特性

泡沫從釋放裝置噴出后就處于非平衡的狀態(tài)，隨時間推移其結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，大致分為三個階段：1）泡沫長大階段，泡沫結(jié)構(gòu)仍然保持球形或橢球形；2）球形或橢球形泡沫向多面體泡沫轉(zhuǎn)變的過渡階段；3）完全轉(zhuǎn)變成多面體泡沫階段，水成膜泡沫的演變過程如圖7 所示[14]。在演變過程中，泡沫的直徑隨著時間逐漸增加，數(shù)量則逐漸減少，且在初始階段泡沫數(shù)量減少的比較迅速，之后逐漸變緩。

圖7 泡沫演變過程中直徑與數(shù)量的變化規(guī)律[14]

為了更好地研究泡沫演變的機理需要了解泡沫的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，根據(jù)其內(nèi)部排列規(guī)律采用單元體法進行研究，選擇4 個相鄰的氣泡為一個基本單元[15]，4 個氣泡的交匯點叫節(jié)點（node），3 個氣泡圍成凹三角形通道叫帕拉圖通道（PBs），2 個氣泡間形成一個液膜（film），一個典型泡沫基本單元體是由1個節(jié)點、4 個柏拉圖通道和6 個液膜組成。泡沫的變化涉及泡沫滲流、液膜破裂和氣泡擴散三個機制[9]。根據(jù)拉普拉斯公式，由于表面張力的存在，彎曲液面內(nèi)外的壓強不等，其壓強服從拉普拉斯公式，如公式（1）所示，等號右側(cè)對于凸液面取正，對于凹液面取負(fù)。

式中：Pin—液面內(nèi)部壓強；

Pout—液面外部壓強；

γ—液體表面張力；

R—液面的曲率半徑；

可以將泡沫看成很薄的球形液膜，如圖8 所示，假設(shè)A、B、C 三點的壓強分別為Pa、Pb和Pc，則液膜內(nèi)外壓強差值可按公式（2）計算。

圖8 液膜結(jié)構(gòu)簡圖

從公式（2）可以看出液膜內(nèi)壓強大于液膜外壓強，其差值與半徑成反比，即泡沫越小，則泡沫內(nèi)部壓強越大。在泡沫堆中體積小的泡沫會并入體積大的泡沫中，而體積大的泡沫不穩(wěn)定，最終在重力作用下破裂，因此在演變過程中泡沫體積逐漸變大，數(shù)量逐漸變小。這一過程在泡沫噴射初期進行的比較迅速。

5 性能參數(shù)

壓縮空氣泡沫有平均尺寸、發(fā)泡倍數(shù)、析液特性、輻射阻隔性、抗燒性、可燃面覆蓋性和滅火有效性等性能參數(shù)，其中，平均尺寸越小，整個泡沫體系的穩(wěn)定性越好；發(fā)泡倍數(shù)確定了泡沫的干濕程度，越干粘性越好，越濕則流動性越好；析液特性反映了泡沫的保水能力和火災(zāi)防護能力；輻射阻隔性和抗燒性反映了泡沫對可燃物的保護力度和時間；可燃面覆蓋特性反映泡沫在液體燃料覆蓋的速度；滅火特性泡沫好壞的最直觀的評價指標(biāo)。泡沫的性能參數(shù)很大程度受到泡沫混合液性能的影響，包括表面張力、粘度和鋪展性等參數(shù)。泡沫混合液參數(shù)和壓縮空氣泡沫參數(shù)如圖9 所示。

圖9 滅火泡沫性能參數(shù)

事實上，不同的泡沫特性參數(shù)之間也是相互關(guān)聯(lián)的，比如發(fā)泡倍數(shù)高則泡沫越干，析液時間相對較長，流動性越差，可燃面覆蓋性較差，輻射阻隔性和抗燒性較差。發(fā)泡倍數(shù)能夠準(zhǔn)確的反映出氣液混合情況，而析液時間能夠描述氣泡的穩(wěn)定性，因而冷噴試驗中常常把這兩個參數(shù)作為泡沫好壞的評判指標(biāo)。發(fā)泡倍數(shù)和析液時間成正相關(guān)變化關(guān)系，如圖10 所示。

圖10 發(fā)泡倍數(shù)和析液時間[9]

6 總結(jié)

從滅火原理、成泡機理、演變特性和性能參數(shù)等方面深入分析了壓縮空氣泡沫，具體如下：

1）壓縮空氣泡沫具有絕熱和隔絕氧氣的作用，能夠有效撲滅A 類和B 類火災(zāi)，其中撲滅水溶性液體火災(zāi)必須采用抗溶性泡沫液。

2）壓縮空氣泡沫成泡過程分為泡沫液稀釋和壓縮空氣剪切，成泡效果受到多種因素的影響，其中，泡沫液中的表面活性劑有效降低了純水的表面張力是成泡的先決條件，同時氣液混合器的結(jié)構(gòu)，氣液流量比和壓力比等是泡沫質(zhì)量的重要影響因素。

3）由于管道壓力的存在，壓縮空氣泡沫在管道中流動不會發(fā)生氣液分離，其流動狀態(tài)類似彌散流。

4）由于泡沫滲流、液膜破裂和氣泡擴散三種機制的影響，釋放之后的壓縮空氣泡沫會逐漸發(fā)生聚合和破裂，致使泡沫直徑變大，數(shù)量逐漸減少，這一過程在泡沫噴射初期進行的比較迅速。

5）壓縮空氣泡沫的性能參數(shù)包括平均尺寸、發(fā)泡倍數(shù)、析液特性、輻射阻隔性、抗燒性、可燃面覆蓋性和滅火有效性等，很大程度上受到表面張力、粘度和鋪展性等泡沫混合液的參數(shù)的影響。

6 展望

1）氣液混合器是壓縮空氣泡沫成泡的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)直接影響成泡效果，然而學(xué)者對氣液混合器的結(jié)構(gòu)形式說法還不統(tǒng)一。

2）壓縮空氣泡沫性能影響因素很多，比如泡沫混合液特性、發(fā)生裝置、氣液流量比、系統(tǒng)壓力、混合液溫度等，各因素的影響規(guī)律、相互作用機理和定量分析還不是很清楚，需要大量的研究。