試驗用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)CAFA的設(shè)計

1、試驗用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)CAFA的設(shè)計1 引言森林火災(zāi)是破壞森林資源的首要因素，是危害人類生存環(huán)境的重大自然災(zāi)害。我國每年森林火災(zāi)發(fā)生的次數(shù)和平均每次火災(zāi)燒毀的森林面積都高居世界第三位，其中一個重要原因是撲救技術(shù)落后，特別是缺乏控制森林大火的有效手段。泡沫滅火不僅是城市消防的重要手段，而且配合森林消防車使用將大大提高森林火災(zāi)首次撲救的效率。近年來，國外林火撲救中越來越多地采用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（ CAFS）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空吸入式泡沫系統(tǒng)。 CAFS生成泡沫的機理是向泡沫混合液內(nèi)通入一定比例的壓縮空氣，撞擊混合后產(chǎn)生泡沫。對比真空吸入式泡沫系統(tǒng)， CAFS具有以下優(yōu)點： 出口處泡沫動量大，可以噴射到較

2、遠距離，且不易被風吹散； 泡沫均勻，穩(wěn)定性好，阻火有效時間長； 可獲得泡沫的膨脹比范圍大， 調(diào)節(jié)容易； 充滿泡沫的水龍帶很輕，泡沫輸送距離長； 撲火效率高，泡沫滅火劑用量少。目前，在 CAFS的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，我國仍處于空白狀態(tài)，參考國外已有的技術(shù)和研究成果，設(shè)計了一套試驗用壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)。2 利用壓縮空氣產(chǎn)生滅火泡沫的主要方法2.1 高壓氣瓶提供壓縮空氣、壓力液罐提供混合液壓力的膨脹水系統(tǒng)（WES）將泡沫混合液裝入壓力罐中，由充有空氣或氮氣的高壓氣瓶給液體加壓。壓縮空氣也由高壓氣瓶提供，與泡沫液混合生成泡沫。整個系統(tǒng)主要包括高壓氣瓶和裝有混合液的壓力罐， 無需外部動力，結(jié)構(gòu)簡單，只需打

3、開閥門即可工作，特別適合于移動撲火。該裝置常用于保護車輛和駕駛員，也可裝在集材機上防止木材起火。該系統(tǒng)的壓力罐容積范圍為 0.010.2m3，但產(chǎn)生泡沫的參數(shù)無法控制，泡沫總量有限。2.2 利用空氣壓縮機代替壓力罐的WES由于壓力罐不僅質(zhì)量和體積較大，而且高壓氣瓶在火場中存在危險。WES 用空氣壓縮機代替高壓氣瓶（空氣壓縮機由一個單獨的發(fā)動機驅(qū)動），通過流量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)混合液流量。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)移動滅火，操作簡單方便，便產(chǎn)生泡沫的膨脹比范圍小。2.3 裝有消防泵的 CAFS系統(tǒng)用無壓容器替代壓力泡沫液罐，由離心泵給混合液加壓，壓縮空氣由空氣壓縮機產(chǎn)生。離心泵通過葉輪帶動液體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力使

4、液體沿流道甩向葉輪出口并獲得能量。該系統(tǒng)具有揚程高、流量適中、體積小、質(zhì)量輕的特點。 CAFS選用離心泵可通過調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)出水壓力和流量。2.4 裝有泡沫比例混合器的CAFS系統(tǒng)以上的泡沫產(chǎn)生裝置中，泡沫混合液均為預(yù)混后置于壓力罐或無壓容器中。系統(tǒng)不僅需要較大容器裝混合液，而且需預(yù)先將原液和水按一定比例混合，混合比例無法改變，撲火過程中難以實現(xiàn)水滅火和泡沫滅火的隨時轉(zhuǎn)換，無法充分利用自然水源。 裝有泡沫比例混合器的 CAFS 系統(tǒng)將水和原液分別貯存在不同的容器中，可通過比例混合器按所需比例混合成泡沫液。3CAFS試驗裝置的設(shè)計3.1 系統(tǒng)主要參數(shù)的確定混合液和空氣的混合壓力及

5、流量是CAFS系統(tǒng)的核心設(shè)計參數(shù)。 參考國外現(xiàn)有的設(shè)計，混合點處混合液和空氣的壓力一般為0.50.8MPa，而泵出口處到混合點處的壓力降為0.10.2MPa，壓力降取決于泡沫噴槍的噴頭尺寸和輸送泡沫的水龍帶長度以及管路直徑等因素。而配合真空泡沫產(chǎn)生器的消防泵的壓力一般為 0.40.8MPa，參考以上參數(shù)，確定泵的工作壓力為 0.8MPa。泵的流量和空氣壓縮機的流量有一定比例關(guān)系，本試驗要求泡沫的膨脹比從低倍數(shù)到中倍數(shù)，故設(shè)計了兩組流量組合參數(shù)： 水泵流量56m3/h，空氣壓縮機的流量2025m3/h； 水泵流量 1012m3/h，空氣壓縮機的流量 3540m3/h。試驗用 CAFS泡沫流量要求

6、不大，選用第一組流量參數(shù)。管道通徑一般為 1 英寸（25mm）或 1.5 英寸（40mm），考慮到現(xiàn)有實驗條件，確定管道系統(tǒng)通徑為 40mm。試驗用 CAFS應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，因此不設(shè)計比例混合裝置，水池中為按一定比例預(yù)混好的泡沫混合溶液。混合液的流量和壓力由調(diào)節(jié)閥控制，在混合液和壓縮空氣管路上分別設(shè)有流量和壓力監(jiān)控儀表。3.2CAFS的動力設(shè)計CAFS系統(tǒng)可選擇以下幾種動力配置方案： 系統(tǒng)安裝在消防車上，由消防車動力輸出軸輸出動力，驅(qū)動空氣壓縮機和水泵。此方案體積小，質(zhì)量輕，適于森林火災(zāi)撲救中消防車以中低速移動撲火和建立泡沫阻火隔離帶。 一個單獨的發(fā)動機同時驅(qū)動空氣壓縮機和消防泵。動力輸

7、出不受消防車動力限制，整套系統(tǒng)可裝在消防車上移動滅火，也可單獨使用作為固定滅火系統(tǒng)，但 CAFS系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大。 消防車動力輸出軸驅(qū)動消防泵，空氣壓縮機由一個附加發(fā)動機提供動力。消防車可進行水滅火，裝上附加的發(fā)動機和空壓機也可進行泡沫滅火，附加發(fā)動機的功率要求不高。 空氣壓縮機和水泵分別由兩個不同的發(fā)動機驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)安裝方便，但系統(tǒng)裝有兩個發(fā)動機，體積和質(zhì)量較大。由于試驗是在實驗室進行，選用了帶有電動機的空壓機，旋渦式水泵也由電機單獨驅(qū)動，工作穩(wěn)定可靠，噪音小，無排放污染。3.3 系統(tǒng)主要設(shè)備選型和設(shè)計泵的選型旋渦泵是一種高揚程、低流量的離心泵，適于輸送黏度較小的泡沫混合液。按照設(shè)計參數(shù)

8、，選型號為40W90 的旋渦式水泵，其主要技術(shù)參數(shù)為：電機功率 7.5kW；流量 5.4m3/h ；揚程 90m；轉(zhuǎn)速 2900r/min ；允許吸上真空高度3.5m?？諝鈮嚎s機的選型空氣壓縮機是輸送氣體介質(zhì)并提高其壓力能的機械，目前可供選用的主要有活塞式和離心式?；钊綁嚎s機能耗低，適應(yīng)性和靈活性好。根據(jù)空氣排量設(shè)計參數(shù)，對規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)的產(chǎn)品進行比較，選擇了PE30100 的 PUMA 皮帶傳送式空氣壓縮機，其主要技術(shù)參數(shù)為：電機功率 2.2kW；排氣量 21m3/h ；氣缸數(shù) 2；使用壓力 0.8MPa；儲氣筒容量 0.1m3?；旌掀鞯脑O(shè)計混合器是泡沫混俁液和壓縮空氣混合生成泡沫的裝置，

9、其結(jié)構(gòu)決定了氣液混合的質(zhì)量和泡沫的性能。 試驗用 CAFS混合器結(jié)構(gòu)是壓縮空氣進入位于混合液管路的中心線位置， 壓縮空氣管壁上開有均勻分布的 256 個 1mm 小孔，壓縮空氣進氣管與混合液管路成 45°角，進入管路后平行于液流方向，端頭焊封。泡沫噴頭噴嘴出口有五種尺寸， 分別是 8mm、10mm、13mm、18mm 和 28mm。3.4 系統(tǒng)管路和控制管路和連接設(shè)計整套系統(tǒng)最高工作壓力可達到 1.0MPa，為滿足系統(tǒng)壓力要求且安裝簡便，采用了水龍帶與鍍鋅鋼管組合輸送混合液、氧氣軟管輸送壓縮空氣的連接設(shè)計。調(diào)節(jié)閥生成的滅火器泡沫膨脹比應(yīng)能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，由于選擇的壓縮機流量有限，因

10、此需要調(diào)節(jié)混合液的流量，在渦輪流量計的下游設(shè)置調(diào)節(jié)閥。按照設(shè)計要求，選用帶波紋管的球閥作為調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)管道中的流量和壓力，調(diào)節(jié)閥的型號為 T40H-16，通徑 40mm，公稱壓力 1.6MPa。為在恒定壓力下獲得不同混合液流量， 在泵的出口處設(shè)計了溢流旁路，由一個楔形閘閥控制， 通徑為 20mm。通過兩個調(diào)節(jié)閥可以獲得混合液壓力和流量的不同組合，生成性能指標不同的滅火泡沫。單向閥為防止混合液倒流入氣體流量計， 選用 H11W-16P型單向閥，通徑 25mm，公稱壓力 1.6MPa。為防止氣體倒流入泡沫混合液，選用 H447-10 旋啟式單向閥，通徑 40mm，公稱壓力 1.0MPa。壓力監(jiān)控裝置分別在調(diào)節(jié)閥前 300mm 處和混合點空氣入口后 90mm 處連接壓力表，監(jiān)控混合液的壓力。流量控制裝置 玻璃轉(zhuǎn)子式流量計監(jiān)控氣體流量玻璃轉(zhuǎn)子流量計屬于浮子式流量計，適用于低壓、常溫、不帶顆粒的透明液體和氣體。本系統(tǒng)中選用 LZJ-25型流量計監(jiān)控壓縮空氣流量。其技術(shù)參數(shù)為：通徑 25