消防用液氮泡沫长距离输送流动特性实验研究*

郎需庆,牟小冬,张广文,尚祖政

(1.化学品安全全国重点实验室,山东青岛 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104)

0 前言

石化企业发生较大规模火灾后,由于生产装置内存在大量易燃易爆危化品物料,火灾蔓延快,易导致事故升级,因此事故现场一般会部署多辆消防车联合处置,尤其是在处置罐区火灾事故时,往往数十辆消防车齐聚事故现场,灭火时间长达数小时。因车载泡沫液有限,需要由泡沫液供给车、其它泡沫消防车接力向灭火一线的泡沫消防车输送泡沫液,以维持持续喷射。

由于石化装置区、罐区的消防作业空间有限,消防车的占位布置会受现场设施、消防道路等条件限制,造成其它消防车向前方泡沫消防车供给困难,且容易造成消防道路堵塞,消防车调配不通畅,尤其在灭火过程发生流淌火、储罐沸溢等突发情况时,前方的消防车难以及时撤出,具有较高的作业风险。在消防领域的气体泡沫输送研究方面,液氮泡沫技术尚属首次,国内研究主要集中在压缩空气泡沫的纵向输送方面,输送距离一般在400 m以内,如超高层建筑纵向输送压缩空气泡沫技术研究[1-3]证明了压缩空气泡沫在长距离输送方面具有明显优势;压缩空气泡沫在管线内的流动形态及输送阻力研究[4-6]指出压缩空气泡沫质量轻,便于管线输送灭火;压缩空气泡沫的灭火效果及泡沫稳定性研究[7-8]提出了实现压缩空气泡沫高稳定性的必要条件;压缩空气泡沫的生成及释放技术研究[9-10]指出了压缩空气泡沫在灭火方面的广阔应用前景。总之,在液氮泡沫、压缩空气泡沫的水平方向长距离输送方面尚无相关研究。

笔者团队前期研究了液氮原位气化参与发泡的灭火技术,开发了液氮泡沫发泡装置,液氮供气的方式可大大减少气源的体积,为实现大流量输送液氮泡沫提供了技术条件[11-12]。针对石化火灾事故处置中远程泡沫供给问题,本文提出了液氮泡沫远程供给技术路线,通过消防水带远程向灭火一线输送液氮泡沫,着重研究液氮泡沫的远程输送关键技术参数。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验采用混合比例为3%水成膜泡沫。在低泡沫混合液流量条件下,采用自制实验系统,包括撬装式液氮泡沫装置(自制)、泡沫混合液储罐、液氮罐、电子秤、消防水带及正压消防炮(自制),实验系统流程如图1所示。为观察液氮泡沫输送过程的状态变化,在消防水带接头处安装了多个透明玻璃管,用于观察泡沫输送过程中的实时状态。

图1 液氮泡沫输送实验装置组成示意

在高泡沫混合液流量实验时,采用液氮泡沫消防车(自主研制)进行液氮泡沫的输送测试实验。实验仪器的主要参数如下。

消防泵:扬程100 m,流量10 L/s;电子秤:量程100 kg,精度1 g;液氮罐:180 L,含气液相出口;泡沫混合液罐:4 m3,不锈钢材质,常压;消防水带:耐压等级1.6 MPa,长度20 m;电子显微镜:HIROX RH-2000,放大倍率 35～2 500;塑料量杯:5 L,精度0.1 L。

1.2 实验步骤

进行低泡沫混合液流量实验时,启动消防泵,向撬装式液氮泡沫装置内注入泡沫混合液,同时开启液氮罐,按一定流量比例向撬装式液氮泡沫装置内注入适量液氮,撬装式液氮泡沫装置出口连接消防水带。将液氮罐置于电子秤上,用于准确控制液氮注入流量,调节液氮泡沫的气液比。

进行高泡沫混合液流量实验时,启动液氮泡沫消防车,调节消防车控制系统设置气液比,调节泡沫混合液注入流量,消防车出口连接消防水带与泡沫炮喷射测试。待液氮泡沫从消防炮喷出后提取泡沫样品测量发泡倍数。

分别测试液氮泡沫在不同输送距离、不同输送压力下的泡沫状态。检测液氮泡沫的发泡倍数和析液时间,评价泡沫性能。

2 结果与讨论

2.1 长输管线内液氮泡沫微观状态

在输送液氮泡沫时,即使泡沫输送时间远超泡沫的25%析液时间,消防管线上不同距离处设置的透明玻璃管处均未见液体沉积现象。经测试,末端喷出的泡沫发泡倍数在7～9,25%析液时间在3～4 min,泡沫性能良好。

液氮泡沫流体是由无数个微小气泡组成的泡沫簇,液氮泡沫的气泡平均直径在100 μm左右,如图2所示,较吸气式泡沫的气泡直径减小60%～70%,各个液氮泡沫气泡直径相对均匀,因此,多个直径相近的气泡聚焦形成液氮泡沫层。每个气泡内集聚了一定压力的氮气,泡沫的气泡壁是一层薄薄的液膜,液膜是气泡与气泡之间的分界面,液膜也是相邻多个气泡共用的柔性界面。当气泡层的一处液膜破裂后,气泡内的气体逸散出去,液膜下坠形成液滴或流至气体气泡处集聚,这会造成至少2个气泡破碎;当泡沫层内部的某个气泡破裂时,可能会造成其周围多个气泡破裂,如图3所示。由于液氮泡沫层的各个气泡直径相近,气泡之间的受力相对均衡,即气泡层稳定性强,25%析液时间较吸气式泡沫提升2倍以上。

图2 长输管线末端泡沫微观状态

图3 析液后的液氮泡沫层

在液氮泡沫的气泡形成初期,气泡壁液膜厚度均匀,整个气泡是一个相对规则的圆球体,气泡在各个方向上受力均衡,气泡处于稳定状态。随着气泡存在时间的延长,气泡壁液膜内的液体受重力作用开始运动,液膜上部的液体会逐步向液膜下部区域集聚,气泡的液膜变的上轻下重,液膜减薄后,液膜的强度会降低[13]。同时,该气泡周围的其它气泡也在发生同样的过程,因此,整个泡沫层的内部受力平衡状态会逐步被打破。

当气泡存在时间超过泡沫的25%析液时间后,部分气泡液膜在减薄到一定程度后,减薄处液膜因强度降低而发生弯曲变形,造成液膜两侧受力不均匀,在气泡内外压力差超过液膜的表面张力后,该气泡随即破裂,破裂的液膜沉积到底部汇集,该气泡内的气体在相邻的气泡间流动。该气泡破裂后,气泡之间的压力差被破坏,气泡间压力波动会扰动邻近的多个气泡,加剧周围多个气泡失稳,引发多个气泡破裂,此时在泡沫层内将产生多个气泡液滴及气泡间流动的离散气体流,离散流动的气体会冲击气泡壁薄的液膜,加剧其它泡沫的破裂。

若泡沫层一直处于静止状态,那么泡沫层将逐渐破裂消失,直到最后一个气泡破裂,气泡内的气体将逸散到大气中。但是,假若液氮泡沫处于封闭的空间内,且处于受扰动的流动状态,那么气泡簇的稳定性与静置的泡沫层有所不同。

分析液氮泡沫在消防管线内的流动状态,液氮泡沫从泡沫发生器内喷出时,消防管线内压力较高,液氮泡沫流体处于高压状态。由于泡沫流速较快,泡沫流体与管内壁之间的边界层以湍流为主,管线内形成流动阻力,管线内的输送压力逐渐降低,泡沫流周围的压力场由高压区逐步向低压区转变,气泡内的压力将逐渐降低,气泡逐渐膨胀,在流动中达到气泡内外压力相等的亚平衡状态,这个状态的泡沫受到外界干扰后容易发生失稳现象,造成部分气泡破裂。

液氮泡沫在输送过程中受到消防管内泡沫流之间的挤压、消防管线接头及流向变向的扰动、泡沫流自身重力等因素作用,相对于静置的泡沫,流动的气泡液膜会加速变薄,造成运动中的气泡液膜壁厚度不均,气泡内的压力受其它气泡流的挤压,一直处于波动状态。

当气泡受挤压时,气泡内压力增大;当气泡处于自由流动状态时,气泡内压力降低,气泡膨胀至内外压力平衡的状态。气泡内的压力差使得气泡液膜减薄处受力增大,气体会从液膜减薄处首先脱离气泡析出,气泡破裂,同时液膜变成液体,并受重力作用下沉聚焦。

2.2 长输管线内液氮泡沫再发泡过程分析

由于液氮泡沫的泡沫层致密,析出的液体在气泡间无序运动,当多股液体在流动中汇集到一起时,因气液间的表面张力不同,液滴与液滴优先汇集形成大液滴,大液滴在消防管线的接头处或管线变向处受剧烈扰动后大液滴分散为表面积较大的厚液膜,在该气泡形成过程中,液膜中的表面活性剂在与气体接触过程中,气体持续接触液膜,由于气泡间的动态挤压,气泡间的压力差处于波动状态,液膜两侧瞬态压力差成为生成气泡的动力,当该压力差超过液膜的表面张力后,即为发泡奠定了动力基础;同时,受管线边界层循环扰动影响,气泡之间存在频繁的位移和气泡瞬态破裂,液膜周围存在气泡生成的物理场所,周围的气泡为新气泡生成提供了物理空间。在该空间内,气泡间的动态挤压以及流体方向的变化使得液膜与气体重新混合,在瞬态压力差的作用下,液膜形成气泡,将离散的气体包裹入液膜内形成新的气泡。

为阐述消防管线内液氮泡沫循环生成的过程,本文提出液氮泡沫在流场中的发泡物理模型,称为P-S模型,即气泡间的压力差(Presure)为气泡生成的动力,气泡间的物理空间(Space)为泡沫生成提供了场所。该模型包括封闭腔、离散气体、液膜、多个相邻气泡及压力差等要素。该模型表述了气体与液膜的混合源动力与物理空间的关系。

由于输送管路是一个封闭的体积恒定的狭长系统,析出的泡沫混合液与管线内气泡脱出的气体经历析液-发泡-再析液-再发泡的循环过程,因此,液氮泡沫可在管线内长距离输送,即使部分泡沫发生了破裂析液,管线内的气体将再次参与发泡,形成新的泡沫。

在实验过程中,液氮泡沫一直处于输送和喷射状态时,玻璃管内的泡沫层是致密的流体;当泡沫停止流动时,玻璃管内泡沫将很快破碎,直到泡沫层消失。该实验证明了泡沫在输送过程中的反复发泡,液氮泡沫在管线内的输送有利于泡沫发泡。只要输入端的动力足够,从理论上说,液氮泡沫可输送无限远的距离。

2.3 输送距离的影响

为研究消防管线输送阻力对液氮泡沫流量的影响,本文提出液氮泡沫输送动力强度的概念,即在输送一定距离时单位流量的液氮泡沫所需的输送压力。液氮泡沫的输送动力强度体现了输送过程克服管道阻力所需的能量。

如表1所示,当液氮泡沫的输送距离增加到5倍时,为维持相同的泡沫混合液输送流量、发泡倍数及喷射压力,液氮泡沫的输送动力强度应增加到1.8倍。输送距离增加意味着输送阻力增大。液氮泡沫是液氮与泡沫混合液混合发泡形成的流体,属于压缩空气泡沫的一种类型,泡沫流体可压缩,但是在输送过程中,管道每一点的压力保持稳定,泡沫保持稳定的状态,体积、流速恒定,泡沫流体与管壁的摩擦力也保持恒定。从透明玻璃管的流动状态看,泡沫流体层流区边界层完整,而湍流区是动态变化的。

表1 相同流量下不同输送距离的泡沫流量与压力

如表2所示,对于同一台消防泵,在消防管线末端出口压力相同的条件下,液氮泡沫的输送距离由100 m逐步提升到400 m,液氮泡沫的输入压力在逐步增加,而泡沫混合液输送流量在降低,输送动力强度增幅在20%～100%,可见,输送距离增长造成的阻力增大对流量影响明显。

表2 液氮泡沫输送距离对流量的影响

从表3看出,在相同液氮泡沫输送流量下,随着输送距离的增长,输入压力在增长,增长幅度远低于前400 m的输送距离。相比于前400 m的输送距离,500～1 000 m的输送动力强度提高了一个数量级。在400～500 m区间内,消防管道阻力出现台阶式提升,液氮泡沫的输送管道“长管阻力效应”凸显,在该区间内输送液氮泡沫需要克服较大的管道阻力,输送压力要大幅提升,注入压力的提升将会更大程度上压缩管内的泡沫流体,使得管道内的泡沫流体密度更大。

表3 在相同输送流量下输送距离对输送压力的影响

可见,对于DN80的消防水带,输送液氮泡沫的最佳距离在400 m范围内,当输送距离超过400 m后,管道内的阻力达到峰值,在相同的压力下,输送流量达到恒值,需要增大管道管径才能提高输送流量。

从表4看出,同一条消防水带管路,输送液氮泡沫的动力强度是输送液体的1.47～1.92倍。从实验5和实验7看出,输送相同流量泡沫混合液时,流通面积增大一倍,输送压力强度降低76%;从实验6和实验8看出,输送相同流量的液氮泡沫时,流通面积增大一倍,输送压力强度降低69%。从实验1和实验2对比来看,对于相同的流通管路,当注入液氮后,泡沫混合液开始发泡,管路内的流体变成了处于压缩状态的气体泡沫,尽管消防水带管路内体积没有改变,但是流体内的能量变大了,液氮进入泡沫混合液后形成气泡,每个气泡内含有一定压力的气体,这些气泡向管壁施加的压力增加,增大了输送阻力,因此注入压力增加,同时,气体的掺入使得泡沫混合液的流量降低。

表4 输送泡沫与输送泡沫混合液的区别

另外,随着输送距离延长,由输送泡沫混合液改为输送泡沫后,管道的压力损失增加程度随管道长度增加而增加。也就是说,相同长度的消防管道在改输液氮泡沫后,管道的压力损失将增大1.3～1.5倍,若消防管线喷射末端建立喷射压力,则消防管道压力损失将增大2倍以上。

2.4 输送管径的影响

考虑到国内消防队主要采用DN80和DN100的消防水带,本研究采用液氮泡沫消防车分别对DN80和DN100的消防水带在水平方向进行了供液阻力测试,设长度为60 m和100 m的输送距离,测试结果如图4所示。

图4 输送管径对压力损失的影响规律

从数据分析看,对于相同的输送距离,管径变大后,压力损失降低。对于液氮泡沫而言,输送管径增大意味着液氮泡沫的膨胀空间增大,液氮泡沫内的气体压力降低,泡沫边界层对管壁的摩擦力降低,从而降低了压力损失值。测试数据显示,管径从DN80增加到DN100,流通面积增加1.56倍,压力损失降低约50%,通过增加流通面积,可降低液氮泡沫初始端的输送压力,降低泡沫管线对泡沫泵的动力要求,降低能耗,对柴油消防泵而言,这可降低柴油消耗量,延长泡沫喷射时间,有助于泡沫灭火。由于液氮泡沫是已发泡的泡沫,泡沫层内气体存在膨胀的趋势,除了泡沫流体自身的前进动力外,气泡内的压力也是动力之一,气泡内的压力会增加管线的摩擦力,从而增加了管线压力损失,因此,对于液氮泡沫而言,优选大管径输送管路,以提高泡沫射流的动能。

对于相同的输送管径,输送距离延长,管线压力损失增大。对DN100的消防管线,压力损失的增长值0.05 MPa/100 m。对DN80的消防管线,压力损失的增长值0.08 MPa/100 m。从输送距离的变化也显示出大管径的管线压力损失值低。以输送500 m为例,DN100的管线压力损失约0.25 MPa,一般泡沫消防车的输出压力在0.8～1.0 MPa,则管线末端的输出压力在0.55～0.75 MPa,这样的喷射压力可满足液氮泡沫在各种工况下的喷射需求,例如泡沫炮喷射压力在0.6 MPa以上;若采用DN80消防管线,则末端的输出压力将在0.4～0.6 MPa,末端压力偏低,无法满足远距离喷射,对于高层建筑灭火,也会影响泡沫的举高喷射性能。

可见,对于液氮泡沫输送而言,为降低压力损失,应选用较大管径的管线,并提高输送压力,以获得液氮泡沫射流的最大动能。在石化企业罐区,优先选择采用固定式泡沫管线输送泡沫,罐区泡沫管线管径一般在DN200～DN300,完全满足液氮泡沫的长距离输送[14]。对于高层建筑采用液氮泡沫灭火时,在建筑内预设固定式泡沫管线,管径应在DN100以上,以满足高楼层的泡沫喷射压力[15]。

3 结论

a) 提出了消防管线内液氮泡沫再生成的物理模型,即P-S模型,指出气泡间瞬态压力差及气泡间的动态空隙是液氮泡沫生成的必要条件。液氮泡沫在消防管线内以一定的输入压力,可以完成长距离输送。

b) 提出了液氮泡沫输送动力强度概念,在相同的输送距离及输送流量下,液氮泡沫较泡沫混合液的输送动力强度提高1.5～1.9倍。对于DN80的消防管线在输送距离超过400 m后出现“长管效应”,输送动力强度较前400 m提高2～3倍。

c) 液氮泡沫的远距离大流量输送需要大管径消防水带及较高的输送压力。