管線式負(fù)壓泡沫比例混合器參數(shù)設(shè)計方法淺析

曾令旗 徐紀(jì)元

摘要：管線式負(fù)壓比例混合器是供泡沫液發(fā)泡的重要裝置，其設(shè)計參數(shù)對比例混合器的發(fā)泡性能具有至關(guān)重要的影響。本文計算出管線式負(fù)壓比例混合器的喉管尺寸，并通過泡沫滅火設(shè)備設(shè)計要求的參數(shù)對喉管尺寸、混合比等參數(shù)進(jìn)行驗證，最終得到穩(wěn)定的比例混合器混合比，使比例混合器具有良好的吸液效果。

關(guān)鍵詞：泡沫滅火系統(tǒng);比例混合器;設(shè)計參數(shù)

泡沫比例混合器^[1]是一種使水與泡沫液按規(guī)定比例混合成混合液以供泡沫產(chǎn)生設(shè)備發(fā)泡的裝置。我國目前常用的比例混合器形式有：環(huán)泵式負(fù)壓比例混合器、管線式負(fù)壓比例混合器^[2]、壓力式比例混合器、平衡式壓力比例混合器等。其中，管線式比例混合器是利用文丘里管的原理在混合腔內(nèi)形成負(fù)壓，在大氣壓力作用下將容器內(nèi)的泡沫液吸到腔內(nèi)與水混合，其結(jié)構(gòu)簡單，在移動、半固定式泡沫滅火系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用^[4]。

1 結(jié)構(gòu)及原理

如圖一所示，比例混合器主要有四部分組成：噴嘴、吸入室、喉管和擴(kuò)散管。

其工作原理如圖一所示，將外界提供的壓力水通過噴嘴高速噴出，同時靜壓能部分轉(zhuǎn)換為動能。管內(nèi)形成真空，泡沫原液從泡沫貯液箱中經(jīng)吸液管路被吸進(jìn)吸入室，再進(jìn)入喉管內(nèi)。兩股液體在喉管中進(jìn)行混合和能量交換，壓力體速度減小，被吸液體速度增大，壓力逐漸增加，在喉管出口處速度趨于一致?；旌弦后w通過擴(kuò)散管時，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動能轉(zhuǎn)化為壓力能，混合液體壓力隨之升高，再經(jīng)連接管路輸送至下面連接的管路。

2 設(shè)計方法分析

由流體力學(xué)理論得知：

（1）

式中：q——吸入流量，m³/s;

P₂——喉管壓力，Pa;

g——重力加速度;

γ——液體比重，N/ m³;

h——吸入高度，m;

——比例混合器喉管處的液體靜水頭，m。

由式（1）可知，吸入流量是隨喉管真空度的變化而變化的。當(dāng)<0時，即比例混合器內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時，比例混合器才可能吸入液體。所以，比例混合器的設(shè)計方法應(yīng)該是：先確定比例混合器的流量，計算比例混合器參數(shù)，最后計算吸入量驗算混合比。

3 比例混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算

3.1 泡沫混合液流量Q的確定

根據(jù)設(shè)備的設(shè)計參數(shù)，一般泡沫混合液流量Q的取值范圍Q_min-Q_max是已知的。

3.2 比例混合器進(jìn)口直徑d₁及喉管徑d₂的計算

本次消防泡沫軟管站選用不銹鋼無縫鋼管的標(biāo)準(zhǔn)管徑，為d₁=50mm。

由伯努利方程^[3]可推得：

（2）

式中：——下臨界流量，指比例混合器開始吸液時管中通過的流量，m³/s;

——比例混合器進(jìn)口直徑，m;

——比例混合器進(jìn)口壓力，Pa;

——液體比重，N/ m³;

——喉管直徑，m。

而比例混合器的進(jìn)口壓力為：

（3）

式中：P——管道進(jìn)水口壓力，范圍為0.7-1.2MPa;

P_前——比例混合器與消防水泵之間連接管道、閥門管接件所產(chǎn)生的壓力損失，需進(jìn)行水力計算求得，MPa。

根據(jù)Q_min、P₁，結(jié)合其他已知條件即可求出d₂。

3.3 喉管處液體高度的計算

考慮到比例混合器在吸入液體過程中是穩(wěn)定的，所以比例混合器管路中的水流可視為恒定流。根據(jù)伯努利方程：

（4）

式中：?/——比例混合器進(jìn)口的靜水頭m;

V₁、V₂——分別為比例混合器進(jìn)口處、喉管處的液體流速m/s。

用Q_min、P_1min以及d₂等代入式（4），計算（/）_min，檢查是否滿足< 0。如果不滿足，調(diào)整d₂，直至滿足要求為止。滿足要求時的d₂稱為計算d₂。再計算P_1min時的Q_min、（/）_min值。其中

3.4 最大流量的計算

通常，當(dāng)喉管真空度大于90 kPa時，可能出現(xiàn)汽化，這時比例混合器則無法抽吸，按這一點計算的流量稱最大流量。最大流量按下式計算：

（5）

將P_1min、P_1max等代入式（5），求比例混合器在最大可能的極限工作壓力情況下的Q_max，再根據(jù)式（4）計算對應(yīng)于Q_max的（/）_max值，若算得（/）_max?<-9m，則減小Q_max，重新驗算。

3.5 混合比計算

根據(jù)式（1）及式（2）知：

（6）

為滿足混合比設(shè)計要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB 20031-2005泡沫滅火系統(tǒng)及部件通用技術(shù)條件》的規(guī)定，有3%≤K≤3.9%。

故為保障在最低流量和最低壓力時比例混合器的的吸液效果，我們需用Q_min、P_1min以及計算d₂等代入式（4），計算（/）_min，此時需滿足< 0，且將計算出的（/）_min、P_1min以及d₂等代入式（6），求得的混合比應(yīng)滿足3%≤K≤3.9%。

設(shè)備在噴射使用時通過調(diào)節(jié)噴槍開口大小，可調(diào)節(jié)流量大小，在壓力不變的情況下噴槍噴射距離與流量大小成反比。所以要保障在最低流量要求下，整套設(shè)備的射程不低于設(shè)計要求，需調(diào)小噴槍的開口，使泡沫混合液的流速增加，同時噴槍出口壓力增加。為保證噴槍出口有足夠的壓力來保障設(shè)備的射程，對于比例混合器來說，需減小自身的壓力損失，從結(jié)構(gòu)上來說，設(shè)計時需注意減小比例混合器各段的局部壓力損失。

4 結(jié)論

本次設(shè)計的管線式負(fù)壓比例混合器，對應(yīng)設(shè)備的性能參數(shù)對比例混合器的喉管尺寸進(jìn)行了設(shè)計計算，并用混合比進(jìn)行最終的驗證，使整個比例混合器具有更加穩(wěn)定的混合比，并且在最低流量和最低壓力時，該裝置也能達(dá)到很好的吸液效果，滿足混合比要求。很多地方考慮得還不夠完善，有待進(jìn)一步探索、研究。

參考文獻(xiàn)

[1]羅宗軍，王海娟，李婧，李云，經(jīng)子彤.壓力式比例混合器的結(jié)構(gòu)特性研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（09）：1225-1227.

[2]陳旭馗. 管線式負(fù)壓比例混合器設(shè)計及分析[D].湖南大學(xué)，2018.

[3]朱延春.淺析新型泡沫比例混合器的應(yīng)用[J].消防界，2017（08）：86+88.

（作者單位：中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司）