关于泡沫灭火剂低倍数泡沫发生装置的研发

摘 要：开展灭火实验，对比正负压泡沫发生装置的灭火效果。通过泡沫发泡倍数和析液时间等泡沫稳定性测试，优化了正压式泡沫发生装置结构。通过引入 SK 静态混合器作为扰流装置完成正压同轴混合腔的优化。结果表明，正压式泡沫发生装置灭火效果优于负压式泡沫发生装置；同轴混合腔发出泡沫性能参数优于 T 型混合腔。通过优化正压发生装置混合腔体结构和扰流装置，提升了低倍数泡沫灭火剂发泡性能参数。

目前,较为常用的泡沫发生装置多为负压发泡，即利用泡沫混合液流动速度改变泡沫混合液压力，加之泡沫混合液流动过程中重力势能不变，使泡沫混合液补气区压力的瞬间减小，与外界环境形成负压压差，大量空气从空气吸入口进入与泡沫混合液混合，通过扩散混合区空气与混合液充分混合形成稳定泡沫。

负压发泡灭火系统在扑灭储罐密封圈火灾时存在一些问题。如当泡沫发生装置位于着火的储罐区时，负压发泡的过程中会吸入大量的高温油蒸气，高温油蒸气影响发泡倍数、析液时间等泡沫性能参数，高温环境对泡沫的破坏也较大，大大降低了泡沫灭火剂的灭火效果。

鉴于此，研发新型正压式泡沫发生装置应用于油罐固定灭火系统，可以有效地解决负压发泡存在的问题，提升储罐区扑灭密封圈初期火灾的能力。

1 正负压泡沫发生装置灭火效果分析

1.1 1 正、负压式泡沫枪设计

参考 GB/T 15308-2006《泡沫灭火剂》制作负压式泡沫发生喷射装置，流量大小可以调节。正压泡沫发生器是一种促使高压气体和液体充分混合并且产生泡沫的装置， 主要包括气、液混合腔和扰流装置，气体和液体在混合腔内充分混合，共同通过扰流装置，扰流装置可以提高气液流湍流运动的频率，从而提高气液混合效果。目前应用较多的正压式泡沫发生器,根据气体进入的方式不同可以分为 T 型和同轴型。

1.2 2 两种泡沫枪灭火效果分析

笔者设计了一组周期对称外浮顶油罐密封圈（规格： L=5 m，d=25 cm），以评价两种泡沫发生装置发出泡沫应用于密封圈火灾的灭火效果。将密封圈装置水平放于地面，加入清水将底部全部覆盖，水层厚度达到 10 mm，加入燃油，油层深度为 20 mm，调整泡沫出口位置，满足正负压泡沫枪射流位置一致。加入燃料后点燃，预燃 1 min 后，启动泡沫灭火系统喷射泡沫进行灭火，记录灭火时间。

试验结果如表 1 所示，正压式泡沫枪灭火效果优于负压式泡沫枪。正压泡沫系统发泡效果较好，发泡充分，泡沫尺寸均匀，泡沫较为细腻，负压式系统泡沫直径差别较大，在灭火过程中负压式存在复燃现象，正压式则无此现象。

表 1 两种泡沫枪扑灭油火试验结果

2 正压式泡沫发生器优化

正压混合腔结构决定了气、液混合效果，扰流装置可以提高泡沫的发泡质量，两者的优化结合则是产生高效能泡沫流的关键。目前，国内外关于气、液混合腔的设计没有统一标准，也没有针对性的分类标准和评价指标，因此研发制作的泡沫混合腔也各有不同。笔者通过泡沫稳定性测试对比了 T 型和同轴混合腔发泡效果。

2.1 1 T 型和同轴混合腔优选

笔者设计了两种混合腔，如图 1、图 2 所示。其中，T型混合腔由较为常见的 丘里射流器改装而成。在相同的气液混合比和气液压差下进行泡沫稳定性试验，记录泡沫 25%析液时间、发泡倍数、50%析液时间、泡沫直径比值和泡沫平均直径等参数。测试数据如表 2 所示。

表 2 同轴型和 T 型混合腔参数对比

由表 2 可知，在相同试验条件下，同轴混合腔发出的泡沫性能参数优于 T 型混合腔，通过测量泡沫平均直径发现，同轴混合腔发出的泡沫直径变化更趋于均匀，可以判定同轴混合腔发出泡沫稳定性优于 T 型混合腔。

理论证明，最初生成泡沫的大小和分布频率影响单位时间内的泡沫消耗速度，即最初生成的泡沫越小，泡沫分布越窄，泡沫越稳定，越不容易消耗，反之亦然。因此，要得到稳定的泡沫，提高混合效果是关键，混合效果越好，生成的泡沫就越均匀。T 型混合腔结构无法进行充分的混合和搅拌，从而导致泡沫扩张率不稳定、气泡尺寸过大且分布不均匀，因此发泡质量不好。

2.2 2 同轴混合腔优化

同轴混合腔虽然可以有效地避免气体压力过大造成的泡沫液混合不均匀，但是在使用过程中发现这种混合结构气、液混合面积接触较小，延长混合腔体长度增加气液接触面积存在安装不方便的问题。针对这一问题，笔者通过改变气体进入的方式和方向保证气路和液路在有限的混合腔内充分混合。

在高压气体管道壁上开出均匀分布的 256 个小孔，小孔直径为 1 mm，围绕内管成周列分布，共计 16 行 16 列，同时减小进气管和进液管的夹角。这一设计可以促使高压气体由内管向外管挤压，保证了气液的充分均匀混合。

经计算，当小孔个数为 256 个时，开设小孔的面积之和等于氮气输入管的横截面积，即相同时间从内管向外挤压气体的体积与内管内流经的体积相等，这样可以保证氮气和泡沫混合液在相遇的瞬间充分混合。

在相同的试验条件测试两种混合腔发出泡沫的 25%

析液时间和 50%析液时间，记录数据如表 3 所示。

3 扰流装置优化

正压泡沫发生器是正压式灭火装置的核心组件，其性能的优劣直接影响泡沫稳定性。在进行正压泡沫试验时， 为了增加泡沫液的湍流运动程度，提高泡沫性能，笔者在正压混合腔接口处安装扰流装置。目前,比较常见的扰流技术按照扰流方式的不同可以分为静态挡板扰流、空隙扰流和螺旋扰流。通过查阅 献对比三种扰流方式的优缺点，笔者选用标准的螺旋静态混合器作为扰流装置提高泡沫性能。

标准螺旋静态混合器可分为 SV、SX、SL、SH、SK 型。从标准静态混合器的适用范围可知，适用于气液混合过程的标准静态混合器为 SV 和 SK 型。而 SV 型对于介质的要求较高，不能应用于有杂质的流体，然而泡沫液在配备的过程中会不同程度的混入少量杂质，加之泡沫液有一定的黏度，因此，选用 SK 型作为泡沫发生器泡沫优化扰流结构。混合液通过 SK 混合器时，带速流动的混合液被混合单元分割并围绕中心轴作湍流运动，由于混合单元左右螺旋不断变换，造成混合液极其不规则运动，这种不规则运动正是混合液的层流运动转化为湍流运动过程，运动改变的过程有效地保证气液充分混合，从而发出稳定细腻的泡沫。

4 结 论

笔者通过灭火试验对比了正负压泡沫枪灭火效果，在灭火试验的基础上优选确定了同轴正压泡沫混合腔优于T 型混合腔。通过改变同轴混合腔的气液混合方式，提升了同轴混合腔的混合效果，优化了泡沫性能参数，通过引入 SK 静态混合器完成正压同轴混合腔的优化工作。