壓縮空氣泡沫滅火系統氣液混合器的研究現狀*

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、變電站等發生的幾次重大消防安全事故充分暴露了此類設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在處理大型油類火災事故方面的具有局限性，例如在大容量換流變中，傳統的水噴霧滅火系統難以滿足消防保護要求，嚴重影響電力系統安全穩定運行。

壓縮空氣泡沫滅火系統(Compressed-Air Foam systems 簡稱CAFS)是自上世紀中葉以來在國外開發并趨于成熟的一種高效泡沫滅火手段，該系統是基于安全可靠、高效滅火、易操作及技術先進的原則進行的研發設計，通過CAFS系統產生的滅火泡沫具有優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。該技術的優點在于泡沫動量大、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，以適應不同的滅火環境，也可通過調節比例產出不同類型的泡沫，最大程度地提高滅火性能。

國內在CAFS的研究上相較于國外要晚，還沒有形成較為完善的設計方法，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生泡沫的關鍵部位，目前在此領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，企業和各研發機構也加大了研究投入，對氣液混合器研究的專利文獻，也在傳統的氣液混合器基礎上進行了創新和改進，取得了一些成果。接下來筆者將主要對氣液混合器設計及其研究現狀進行介紹，并針對未來的發展提出一些展望。

1 氣液混合器

目前現有的壓縮空氣泡沫系統中一般沒有設置專門的混合器，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，兩者進行攪動和混合以后產生滅火泡沫。

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

1.1 原理介紹

據圖1所示系統組成，并結合壓縮空氣滅火系統的工作原理，可以看出氣液混合是整個CAFS的核心部件。氣液混合器通過設置內部結構件來改變介質流速和方向以實現規定體積的壓縮空氣和混合液在相遇的瞬間充分均勻混合，產生尺寸均勻的泡沫。

圖1 CAFS系統組成示意圖

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構中的小孔注入至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之間壓差過大而引起的振動，當然也可設計時在壓縮空氣入口增加單向閥來預防此類情況的發生。

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定，其析液時間、附壁能力、發泡倍數等性能均有要求，相關名詞的定義如下[2]：

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

發泡倍數是指泡沫體積與構成該泡沫的溶液體積的比值，是體現氣液混合情況的一項指標，氣液混合效果越好，則發泡倍數越高，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構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設計氣液混合器。

2 氣液混合器的研究現狀

袁野[3]提供了兩種氣液混合器設計，通過在混合器內部設置擋板和不設置擋板兩種結構形式下的氣液混合性能對比，研究結果表明在邊界條件相同的情況下，擋板式氣液混合器內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生出穩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)設計，并對混合器進行了性能研究。混合器a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的對比方案，在混合點壓力、空氣和混合液流量相同的情況下，插入式空氣管路結構產生的泡沫穩定性更好，不易發生析液的現象，能較長時間發揮阻火的效能。如圖4所示。

圖4 混合器a和b產生泡沫的穩定性比較

洪清泉等[5]提供了一種消防用氣液混合裝置設計，如圖5所示，泡沫液從側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，實現了多級混合，能夠產生高效的滅火泡沫。

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、距離可調節，此種結構設計通過斜度的噴射口產生較大的負壓，進而吸入更多的氣體，從而獲得更高的發泡倍數，并且實現低流阻、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.環形噴口 5.混合液出口 6.環形液腔 α.環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計，如圖8所示，采用一種新的旋流氣液混合裝置使液體產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置有擋板，并在擋板上開有多個通孔，且在混合腔中設有圓筒形濾網發泡裝置，混合液通過擋板后與壓縮空氣混合，混合后的介質通過濾網可以形成混合均勻、穩定的滅火泡沫。

圖8 氣液混合裝置1.擋板 2.混合腔 3.濾網 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計，如圖9所示，該裝置中設置有散氣管、散射檔環和混合腔隔板，隔板上開有均勻的孔，并把混合室分隔成多個混合腔室。混合室中泡沫溶液和壓縮空氣流入方向一致，在混合腔中有利于壓縮空氣與泡沫液的充分混合，并能夠形成相對穩定的兩相流，配合增加的隔板和散射環更能提升氣液的混合效果，從而形成高質量的滅火泡沫液。

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 600,601.空氣散射環 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計(見圖10)，裝置的氣路進口管路采用噴嘴結構，并使用分隔板平均分隔混合通道，泡沫混合液經由混合通道進入發泡管路，在發泡管路內部安裝有若干個發泡網，每個發泡網間采用隔套均勻間隔。該裝置利用上述結構達到壓縮空氣和泡沫溶液均勻混合的效果，并可產生大小適宜且離散系數小的均勻泡沫，從而實現穩定、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.發泡管 6.發泡網 7.隔套 8.接頭

張春祥等[11]對一種消防車高效混合發泡裝置的進行了優化設計， 并通過實驗驗證了該種發泡網板與發泡網組裝的發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氣液混合比例混合發泡器設計，都是通過在混合室內設置輔助混合發泡介質來實現增加發泡倍數和發泡效率，從而實現滅火效果好的滅火泡沫。

3 總結及設計參考

壓縮空氣泡沫滅火系統相較于之前的泡沫滅火系統，具有更高的滅火效率及低耗水量、射程遠、泡沫穩定性高、適用范圍更廣。而氣液混合器作為壓縮空氣泡沫滅火系統的核心器件，結構型式及種類繁多，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。

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

(1) 壓縮空氣與泡沫混合液宜采用多點混合的結構形式。

(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泡裝置如濾網等結構。

(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、穩定性更高的滅火泡沫。

氣液混合器的設計決定了最終滅火系統產生泡沫的性能，而混合器的性能又會受內部諸如進氣管上的開孔數量、大小以及濾網等發泡元件各方面因素的影響，因此設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，但目前國內對于壓縮空氣泡沫滅火系統的研究大多數還處于理論研究階段，諸如氣液混合器這類系統中的關鍵部件還有很大的研究空間，開發高效的氣液混合器也是實現壓縮空氣泡沫滅火系統的關鍵。針對氣液混合器的研究，未來可以結合整個壓縮空氣泡沫滅火系統來對產品功能完整性、系統優化性、結構穩定性以及運行可靠性等進行更深入的研究。