带空气输送功能的消防水带设计研究

李　明

(南通市消防支队，江苏 南通　226000)



带空气输送功能的消防水带设计研究

李明

(南通市消防支队，江苏 南通226000)

根据消防部队指战员在灭火救援现场作战时，需要纯净、可靠的空气满足在恶劣环境下的作战需求，提出了一种安全可靠的消防员呼吸供给系统，在消防水带中心处加装空气输送带，并连接现有配备的正压式空气呼吸器面罩，实现远程长效供气。同时，通过有限元分析软件ANSYS Workbench对方案进行现实工况的模拟分析，论证了设计方案的可行性。

正压式空气呼吸器；空气输送；消防水带

随着国民经济的迅速发展，火灾发展形势多元化，呈现出火灾荷载大、面积广、楼层高等客观情况，消防员在火灾抢救现场因防护装备氧气不足而牺牲的事件时有发生，新型消防员个人防护装备的研发势在必行。以下就分别介绍现有正压式空气呼吸器使用现状及空气输送式消防水带的设计理念和应用前景。

1　正压式空气呼吸器使用现状

正压式空气呼吸器是基层消防部队官兵个人防护装备中的重要组成部分，是保障消防官兵在浓烟、有毒、缺氧等各种环境下，安全有效地进行灭火和抢险救援工作的呼吸防护器具。然而近年来，消防官兵在使用正压式空气呼吸器进行灭火救援任务时，由于操作使用不规范、气瓶使用时间偏短等问题，造成指战员在火场内部因吸入高温烟气，导致呼吸道灼伤，甚至牺牲，可谓教训惨痛。笔者对本单位空气呼吸器使用情况进行了调研、测试和分析。

1.1国内外呼吸器应用情况

空气呼吸器的工作原理是气瓶内的压缩空气经气瓶阀进入减压阀实现减压，经中压导管进入供气阀，依据佩戴者的呼吸需求进行供气，呼出气体通过排气阀进入外部环境。目前全世界空气呼吸器生产企业多达数百家，产品类型繁杂，其主要发展方向为便捷化、小型化、智能化[1]。正压式空气呼吸器的Rax面罩适用于亚洲人脸型，佩戴舒适，能快速插接供气阀，具有体积小、重量轻、操作方便的特点，主要由轻型背托、碳纤维气瓶、面罩、压力表、减压阀等部分组成。

1.2当前南通消防部队空气呼吸器配备情况

从统计情况来看，目前南通市公安现役消防队配备的正压式空气呼吸器为3个品牌共681具，政府专职消防队配备431具，其中依格、宝亚两种品牌是现有配备款式相对较新、使用频率较高的空气呼吸器。

1.3空气呼吸器在多种情况下的使用时间测试

笔者选用南通消防支队基层中队配备使用最多的依格品牌，以气瓶容积为6.8 L、工作压力为30 MPa为例进行试验，对空气呼吸器在不同情况下(负重登楼以2 min为时限)的使用时间情况进行测试，并将测试情况取平均值进行汇总，结果见表1。

表1　不同情况下空气呼吸器使用平均时间

有专家研究表明，当外部环境温度超过35 ℃时，人体就会心跳加快、血液循环加速，促使呼吸加快以呼出体内代谢产生的热量[2]。结合试验数据，笔者分析，在灭火救援现场浓烟高温情况下，因高温、内心恐惧情绪加之救援任务紧迫繁重，在这种状态下使用空气呼吸器，其使用时间与测试情况下使用时间相比，将有所减少。为此，除提升消防官兵身体业务素质、良好心理素质及装备科学使用来提升空气呼吸器使用时间外，创新空气呼吸器的供气方式将成为提升消防官兵火场作战时间的重要手段。

2　现有气水分离器

2.1旋风式气水分离器的工作过程与原理

旋风式气水分离器综合应用了离心分离、重力分离及膜式分离作用来进行气水分离，结构如图1所示[3]。其工作原理及过程为：具有很大动能的气水混合物沿切线方向引入旋风分离器的筒体，使其由直线运动转变为旋转运动，形成离心力(比重力大17.9～47.5倍)，这些水滴在随气流螺旋上升的过程中，逐渐被推向壁面。当蒸气通过旋风筒上部的百叶窗波形板顶帽时，又靠膜式分离使蒸气进一步被分离。锅内旋风分离器是一种非常有效的气水分离装置，其分离效率高达99%左右。

图1　旋风式气水分离器的结构示意图

2.2挡板式气水分离器的工作原理

挡板式气水分离器(如图2所示)的工作原理为：通过分离-降速、离心、碰撞、变向、凝聚等原理，除去压缩空气(气体)中的液态水分，达到净化的作用，其常安置在后冷却器的后面。

图2　挡板式气水分离器结构示意图

2.3现有气水分离器的应用分析

现有的气水分离器，无论是旋风式还是挡板式，其均主要运用于压缩气体的除杂(除去压缩气体里的水分或其他质量大于空气的杂质)，其具有良好的除杂效果，可达到99%。但消防设备中质量大的水占据大的比例，因此该技术不适用于消防水中的气水分离。

3　空气输送式消防水带设计与研究

3.1空气输送式消防水带设计方案

本方案拟在原有消防水带内加装一空气输送带，用于给消防官兵输送空气；该方案为消防官兵延长宝贵救援时间的同时，保障了其呼吸的畅通；本方案在接口处采用直板固定结构，增强了接口处的机械强度；同时为了提高空气接口处的安全系数，分散该处的作用压强，在空气接口处采用锥形结构，如图3所示。

图3　方案结构示意图

3.2空气输送式消防水带性能研究

3.2.1消防水带改进前后压力对比

由图4可知，随着消防水带距离消防车高压水泵的轴向距离的增加，在大气压、重力、消防水带摩擦阻力等因素的作用下，水带内水的压强也呈现非线性降低。

图4　消防水带轴向水压压强

图5和图6所示为ANSYS Workbench[4]依据实际工况模拟分析出的消防水带内轴向及径向的压强分布图。由图6可知，在直板支架处，水流的作用压强有所增大；但由于消防水带内的水流为湍流，因此支架各处的压强分布有所差异。图7所示为支架直板处的水压压强分布。

由理论力学的知识可知，当空气输送式消防水带内空气的作用压强大于消防水带内水压对空气输送带的压强时，空气输送式消防水带可实现输送空

图5　基于有限元分析的水带内压强分布

图6　　　　基于有限元分析的带有空气输送式

图7　　　　基于有限元分析的横片支架处的

气的功能。图8为空气输送带内空气的压强和消防水带内水压对空气输送式消防水带的作用力的分布图，由此图可知无论是空气，还是水的压强均是均匀沿着轴向作用于空气输送式消防水带上，当空气输送式消防水带上有压强差时，其将产生形变。

图8　空气输送式消防水带受力分析

3.2.2消防水带改进前后流体流速的对比

图9和图10分别为加装空气输送带后消防水带内水流速度矢量分布。从图中可知在加装空气输送带后，消防水带相同位置横截面处的水流面积有所减少，但同时随着消防水带单位长度内水的体积减少，在相同高压水泵作用下，其水流速度增加；因此在单位时间内加装空气输送带前后，从水枪内流出水的质量相差不大。

图9　消防水带内水流速度矢量图

图10　带有空气输送带的消防水带内水流速度矢量图

4　结论

综上所述，在模拟消防水带的实际工况下，通过有限元分析软件ANSYS Workbench进行模拟分析可知：(1)现有气水分离器的工作原理限定了其工作范围，其仅适用于大量压缩气体的除杂(去除大量气体中的水分等)，而不适于从消防水中分离出供给消防员呼吸的空气的工况；(2)当空气输送带内的空气压强大于消防水带内水压对其的作用压强时，该设计方案可以满足设计要求；(3)该设计方案对消防水枪出水量的影响较小。

[1] 赵新.浅谈空气呼吸器的使用与保养[C]//中国职业安全健康协会2008年学术年会论文集.2008.

[2] 张景.空气呼吸器使用时间测试及其在实战应用中应该注意的几个问题[J].消防技术与产品信息,2014(2):44-46.

[5] 李建华,黄郑华.核辐射事故及其应急救援的特点[J].辐射防护通讯,2005,25(5):22-25.

[3] 张冬梅,王保华.压气旋风式吸气装置设计[J].设备管理与维修,2014(9):64-66.

[4] 崔俊芝.有限元结构分析软件述评(一)[J].计算结构力学及其应用,1985,2(4):75-82.

(责任编辑马龙)

On the Design of a Fire Hose with Air Convey

LI Ming

(NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince226000,China)

This paper offers a design of a fire hose with a air convey band in it connected to a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus for a long time air supply, which meets the need of supplying clear and stable air for a fire fighting in a serious situation. A design simulation has been done through ANSYS Workbench software for the feasibility of this design.

a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus; air convey; fire hose

2016-01-15

李明(1973—)，男，江西彭泽人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0021-04