压缩空气泡沫灭火系统气液混合器的研究现状*

李何伟，张潆月，蔡 峥，李昊轩，袁一丁，钟高跃

(1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025; 2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100)

0 引 言

近年来大型建筑、港口、变电站等发生的几次重大消防安全事故充分暴露了此类设施消防方面存在极大安全隐患，目前主流的水喷雾灭火系统在处理大型油类火灾事故方面的具有局限性，例如在大容量换流变中，传统的水喷雾灭火系统难以满足消防保护要求，严重影响电力系统安全稳定运行。

压缩空气泡沫灭火系统(Compressed-Air Foam systems 简称CAFS)是自上世纪中叶以来在国外开发并趋于成熟的一种高效泡沫灭火手段，该系统是基于安全可靠、高效灭火、易操作及技术先进的原则进行的研发设计，通过CAFS系统产生的灭火泡沫具有优秀的热辐射隔离能力，可以在燃烧物表面上长时间粘附覆盖。由于引入了压缩空气，极大的提升了系统中流体的动量，水的粒度得到了充分细化，能够快速渗入燃烧物内部，同时降低了水的表面张力，增加了水的覆盖面积，从而可以吸收更多的热量，使灭火效能得到了极大的提升[1]。

CAFS技术的基本原理是将一定比例的压缩空气注入有压泡沫液中，混合生成灭火泡沫。该技术的优点在于泡沫动量大、可以留存的时间较长，且可通过改变泡沫液和压缩空气的比例就可获得较宽的泡沫膨胀比范围，以适应不同的灭火环境，也可通过调节比例产出不同类型的泡沫，最大程度地提高灭火性能。

国内在CAFS的研究上相较于国外要晚，还没有形成较为完善的设计方法，气液混合器作为CAFS中的重要部件，也是作为泡沫液和压缩空气相互混合产生泡沫的关键部位，目前在此领域的研究也更为缺乏，不过随着近些年国家对消防的重视不断提高，企业和各研发机构也加大了研究投入，对气液混合器研究的专利文献，也在传统的气液混合器基础上进行了创新和改进，取得了一些成果。接下来笔者将主要对气液混合器设计及其研究现状进行介绍，并针对未来的发展提出一些展望。

1 气液混合器

目前现有的压缩空气泡沫系统中一般没有设置专门的混合器，CAFS中压缩空气与泡沫混合液在管道中直接混合，通过泵和空压机的输出作用下，在经过一定长度的管道后，泡沫液和压缩空气处于两相紊流状态，两者进行搅动和混合以后产生灭火泡沫。

气液混合器是用于将气液两相介质充分混合并最终产生出灭火泡沫的一种装置，一般有静态混合器和动态混合器之分。静态混合器是指混合器内部元件是静止的，以介质流动的动能为动力来实现气液混合；动态混合器是指内部包含运动元件的混合器。目前CAFS系统上一般使用的都是静态混合器。

1.1 原理介绍

据图1所示系统组成，并结合压缩空气灭火系统的工作原理，可以看出气液混合是整个CAFS的核心部件。气液混合器通过设置内部结构件来改变介质流速和方向以实现规定体积的压缩空气和混合液在相遇的瞬间充分均匀混合，产生尺寸均匀的泡沫。

图1 CAFS系统组成示意图

气液混合器一端入口为水和泡沫的混合液，一端入口为压缩空气，混合液和压缩空气在气液混合器中的混合室中混合，最终在出口处形成压缩空气泡沫混合液，如图2所示。压缩空气通过气液混合器结构中的小孔注入至CAFS主管路中，其中需要保证压缩空气压力大于混合液压力，即P空气>P混合液，这样才能保证系统中的混合液不会流入到压缩空气管道中，同时还能消除不同介质之间压差过大而引起的振动，当然也可设计时在压缩空气入口增加单向阀来预防此类情况的发生。

图2 气液混合器混合示意

1.2 性能及影响因素

GB7956.6、GB27897中对泡沫的基本性能作出了规定，其析液时间、附壁能力、发泡倍数等性能均有要求，相关名词的定义如下[2]：

析液时间是衡量泡沫稳定性的重要指标。通常测量泡沫析出质量的25%和50%作为其25%和50%的析液时间。

发泡倍数是指泡沫体积与构成该泡沫的溶液体积的比值，是体现气液混合情况的一项指标，气液混合效果越好，则发泡倍数越高，灭火效果也会更好。

附壁能力一般由泡沫的流动性来表征，而粘度则是衡量泡沫液流动性的一个关键指标。

气液混合器的影响因素较多，液体的流量、压力，管道的内径以及进气口的流量、面积、压力等，这些都将直接影响到气液混合的效果，通常对气液混合器结构的研究思路是先保证边界条件都一致，进而通过研究这些因素对混合液的性能影响来指导设计气液混合器。

2 气液混合器的研究现状

袁野[3]提供了两种气液混合器设计，通过在混合器内部设置挡板和不设置挡板两种结构形式下的气液混合性能对比，研究结果表明在边界条件相同的情况下，挡板式气液混合器内部压力的突变致使泡沫膨胀分裂，从而能够让泡沫粒径减少和气液混合充分而产生出稳定性更高的灭火泡沫。

李慧清[4]提供了两种气液混合器(分别为混合器a和混合器b)设计，并对混合器进行了性能研究。混合器a和混合器b如图3所示。提出了通过试验分析比较两种混合器在混合点压力、空气和混合液流量相同的情况下的泡沫气体百分比、最大/小直径以及析液时间的参数性能的方法。

图3 两种气液混合器

同时还给出了较为完善和严谨的对比方案，在混合点压力、空气和混合液流量相同的情况下，插入式空气管路结构产生的泡沫稳定性更好，不易发生析液的现象，能较长时间发挥阻火的效能。如图4所示。

图4 混合器a和b产生泡沫的稳定性比较

洪清泉等[5]提供了一种消防用气液混合装置设计，如图5所示，泡沫液从侧边管进入壳体中空气管路，空气管路中的锥形管上开有圆形孔用于泡沫液流入，锥形管进出端较大，中间小，并在出口处设置有孔板，该装置主要特点就是利用缩径、扩径以及增加孔板的方式来提升混合效果，实现了多级混合，能够产生高效的灭火泡沫。

图5 消防用气液混合器装置1.壳体 2.沟槽 3，5.法兰 4.进液管 6.空气管路

林佳等[6]提供了一种气液混合装置设计(见图6)，装置中的压缩空气进气管竖直插入到混合液管道中，没入混合液管道中的空气管路四周开有均匀的进气圆孔，出气孔与混合液流向相对，加大了气流和液流的相互摩擦及运动，同时增大了空气和混合液的接触面积，使得产生出更多的液膜和气膜。

图6 气液混合装置N1.液体流向 N2.气体流向 102.进液口 120.进气管122.出气孔 112.管状本体 130.气液混合腔 104.混合液出口

胡翔等[7]提供了一种气液混合装置设计，如图7所示，压缩空气管口和混合液入口在混合室中存有夹角α，且夹角间的角度、距离可调节，此种结构设计通过斜度的喷射口产生较大的负压，进而吸入更多的气体，从而获得更高的发泡倍数，并且实现低流阻、喷射距离长的灭火泡沫。

图7 气液混合装置1.进气口 2.进液口 3.弹性密封圈 4.环形喷口 5.混合液出口 6.环形液腔 α.环形喷口与轴向线夹角

王靖等[8]提供了一种气液混合装置设计，如图8所示，采用一种新的旋流气液混合装置使液体产生旋流场并与压缩空气混合其中，该装置主要特点是在混合液入口处设置有挡板，并在挡板上开有多个通孔，且在混合腔中设有圆筒形滤网发泡装置，混合液通过挡板后与压缩空气混合，混合后的介质通过滤网可以形成混合均匀、稳定的灭火泡沫。

图8 气液混合装置1.挡板 2.混合腔 3.滤网 4.进液口 5.进气口 6.混合液出口1 a.通孔

雷杰等[9]提供了一种压缩空气泡沫流体混合装置设计，如图9所示，该装置中设置有散气管、散射档环和混合腔隔板，隔板上开有均匀的孔，并把混合室分隔成多个混合腔室。混合室中泡沫溶液和压缩空气流入方向一致，在混合腔中有利于压缩空气与泡沫液的充分混合，并能够形成相对稳定的两相流，配合增加的隔板和散射环更能提升气液的混合效果，从而形成高质量的灭火泡沫液。

图9 流体混合装置100.泡沫液入口 200.气体入口 210.散气管 300.泡沫液散射挡环 600,601.空气散射环 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]人提供了一种气液混合器设计(见图10)，装置的气路进口管路采用喷嘴结构，并使用分隔板平均分隔混合通道，泡沫混合液经由混合通道进入发泡管路，在发泡管路内部安装有若干个发泡网，每个发泡网间采用隔套均匀间隔。该装置利用上述结构达到压缩空气和泡沫溶液均匀混合的效果，并可产生大小适宜且离散系数小的均匀泡沫，从而实现稳定、高效的灭火泡沫。

图10 压缩空气泡沫气液混合器1.气液混合管 1-1进液管 2.进气管 3.喷嘴 4.分隔板 5.发泡管 6.发泡网 7.隔套 8.接头

张春祥等[11]对一种消防车高效混合发泡装置的进行了优化设计， 并通过实验验证了该种发泡网板与发泡网组装的发泡装置有更好的混合性能。张锡进等[12]和张江涛等[13]提供的一种压缩空气泡沫灭火系统气液混合比例混合发泡器设计，都是通过在混合室内设置辅助混合发泡介质来实现增加发泡倍数和发泡效率，从而实现灭火效果好的灭火泡沫。

3 总结及设计参考

压缩空气泡沫灭火系统相较于之前的泡沫灭火系统，具有更高的灭火效率及低耗水量、射程远、泡沫稳定性高、适用范围更广。而气液混合器作为压缩空气泡沫灭火系统的核心器件，结构型式及种类繁多，而这些也将直接影响到气液的混合效果以及最终灭火泡沫的效能。

气液混合器的设计应该基于压缩空气泡沫灭火系统的流量、压力、混合面积、混合比等参数为前提，确定这些参数后进而开展详细的结构设计。前文介绍了几种气液混合器的研究现状，基本上也都是从提高灭火泡沫的泡沫气体百分比、混合均匀度及发泡倍数等参数性能上来开展细节设计，结构上多采用控制进气管进气方向、角度以及增加发泡元件的方式来实现气液混合器功能。总结下来从结构设计方向上应遵循以下原则。

(1) 压缩空气与泡沫混合液宜采用多点混合的结构形式。

(2) 压缩空气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发泡装置如滤网等结构。

(3) 混合室压缩空气和混合液的混合和撞击作用面积较大的气液混合器，会形成更加均匀、稳定性更高的灭火泡沫。

气液混合器的设计决定了最终灭火系统产生泡沫的性能，而混合器的性能又会受内部诸如进气管上的开孔数量、大小以及滤网等发泡元件各方面因素的影响，因此设计高效的气液混合器还需要通过更详细的试验和研究来进行验证。

4 展 望

压缩空气泡沫灭火系统以其高灭火效率、低水量损耗和使用广泛的性能，具有很好的市场前景，但目前国内对于压缩空气泡沫灭火系统的研究大多数还处于理论研究阶段，诸如气液混合器这类系统中的关键部件还有很大的研究空间，开发高效的气液混合器也是实现压缩空气泡沫灭火系统的关键。针对气液混合器的研究，未来可以结合整个压缩空气泡沫灭火系统来对产品功能完整性、系统优化性、结构稳定性以及运行可靠性等进行更深入的研究。