泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

顏 龍， 關(guān)晶晶， 朱志輝， 徐志勝

（中南大學(xué)a.土木工程學(xué)院；b.土木工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，長(zhǎng)沙 410075）

0 引 言

建設(shè)教育強(qiáng)國(guó)是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，全面培養(yǎng)和提升人才綜合素質(zhì)和綜合能力是高校教育工作不斷探索和實(shí)踐的重要任務(wù)和目標(biāo)［1-2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和綜合能力的重要手段，開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要措施，是提高學(xué)生實(shí)踐、科研和創(chuàng)新能力以及實(shí)施素質(zhì)教育的有效方式［3-4］。教育部發(fā)布的《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見(jiàn)》中明確提出：“加強(qiáng)實(shí)踐育人平臺(tái)建設(shè)，綜合運(yùn)用校內(nèi)外資源，建設(shè)滿(mǎn)足實(shí)踐教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。加強(qiáng)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)，構(gòu)建功能集約、資源共享、開(kāi)放充分、運(yùn)作高效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。”因此，高校應(yīng)基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，積極整合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)資源，不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的探索、研究與開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)和高能力人才的目的［5］。

消防工程專(zhuān)業(yè)屬于專(zhuān)業(yè)性和實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)不足以滿(mǎn)足目前人才培養(yǎng)需求，還需通過(guò)針對(duì)性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論學(xué)習(xí)進(jìn)行開(kāi)拓與補(bǔ)充［6-7］?！皽缁鸺夹g(shù)”作為消防工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，涉及各類(lèi)滅火劑、滅火系統(tǒng)和滅火技術(shù)原理及應(yīng)用的理論知識(shí)，對(duì)學(xué)生從事消防滅火領(lǐng)域的相關(guān)工作和研究具有重要的指導(dǎo)作用，故開(kāi)展“滅火技術(shù)”課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)意義重大［8-9］。泡沫滅火技術(shù)是撲救石化火災(zāi)最有效的手段之一，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和科學(xué)研究中具有重要地位，開(kāi)展泡沫滅火教學(xué)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生對(duì)泡沫滅火技術(shù)進(jìn)行全面綜合的認(rèn)識(shí)和研究，還能為學(xué)生能力提升和未來(lái)發(fā)展帶來(lái)幫助［10］。

本文設(shè)計(jì)和搭建了泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含泡沫滅火劑的發(fā)泡、析液、蔓延、滅火和抗燒實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對(duì)于泡沫滅火劑理化性能和滅火性能進(jìn)行測(cè)試研究的目的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容涵蓋實(shí)踐操作和結(jié)果分析部分，鞏固學(xué)生理論知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題能力，培養(yǎng)學(xué)生辯證思維方式和創(chuàng)新意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括發(fā)泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、析液實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及抗燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。析液實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于測(cè)量和分析泡沫的理化性能，析液特性關(guān)乎泡沫滅火劑的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性低會(huì)導(dǎo)致泡沫滅火劑滅火效率下降；蔓延性能決定滅火時(shí)泡沫滅火劑鋪展的速度，直接影響其滅火時(shí)間［11］。滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和抗燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于測(cè)試泡沫滅火劑的滅火性能，滅火效能直接影響泡沫滅火劑的滅火性能，而抗燒性能通過(guò)影響火災(zāi)復(fù)燃的概率，間接影響泡沫滅火劑的滅火性能［12］。泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體內(nèi)容與功能如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容與功能

圖2 泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置示意圖

1.1 發(fā)泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

雙注射器發(fā)泡裝置如圖2（a）所示，由2 支體積為100 mL的注射器組成，一支裝泡沫液，另一支裝空氣，2 支注射器間用軟管連接。雙注射器發(fā)泡具有可重復(fù)性強(qiáng)、泡沫分布均勻等特點(diǎn)。壓縮氮?dú)馀菽a(chǎn)生裝置，主要由壓縮氮?dú)鈿馄?、泡沫液?chǔ)罐、流量計(jì)、氣液混合腔組成。壓縮氮?dú)鈿馄亢团菽簝?chǔ)罐主要用于存放能夠產(chǎn)生滅火泡沫的氣體和泡沫液，氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)用于獲得泡沫不同的氣液比。氣液混合腔是滅火系統(tǒng)的核心裝置，主要由泡沫混合裝置和整流裝置組成，泡沫混合裝置的作用是將壓縮氣體注入腔內(nèi)的泡沫溶液中，使氣液兩相充分接觸而產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的滅火泡沫；整流裝置通過(guò)改變整流顆粒粒徑大小，調(diào)整初始?xì)馀莩叽绾蜖顟B(tài)，從而影響泡沫的穩(wěn)定性。壓縮氮?dú)馔ㄟ^(guò)管路一路流向泡沫液儲(chǔ)罐為內(nèi)部泡沫液提供動(dòng)力流至氣液混合腔，另一路進(jìn)入氣液混合腔內(nèi)與泡沫液充分混合產(chǎn)生壓縮氮?dú)馀菽?。壓縮氮?dú)猱a(chǎn)生泡沫具有尺寸小、壓力高，氣泡均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1.2 析液實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

析液實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用自制析液裝置，如圖2（b）所示。該裝置主要由泡沫收集裝置、恒溫加熱裝置、析液收集裝置、液體稱(chēng)量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置構(gòu)成。泡沫收集裝置由雙層玻璃制成，并且上下兩端采用橡膠管與恒溫加熱裝置相連，達(dá)到保持溫度恒定的作用。泡沫收集裝置析液口處要設(shè)置泡沫濾網(wǎng)，并與放在液體稱(chēng)量裝置上的析液收集裝置保持平行，以此保障液體能夠持續(xù)、穩(wěn)定、均勻地流入析液收集裝置。液體稱(chēng)量裝置與數(shù)據(jù)采集裝置相連接，能夠?qū)崟r(shí)記錄析液收集裝置中液體質(zhì)量。

1.3 蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

蔓延實(shí)驗(yàn)裝置如圖2（c）所示，平臺(tái)利用壓縮氮?dú)馀菽a(chǎn)生裝置發(fā)泡，蔓延容器為自制敞口立方體水槽，尺寸為150 cm×50 cm×15 cm。水槽長(zhǎng)邊一側(cè)裝有刻度尺，可以觀(guān)察泡沫蔓延距離，高清攝像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)記錄泡沫蔓延過(guò)程。

1.4 滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用壓縮氮?dú)馀菽a(chǎn)生裝置發(fā)泡，實(shí)驗(yàn)裝置包括溫度采集儀、高清攝像機(jī)等，如圖2（d）所示。油盤(pán)面積為0.25 m2，噴頭和油盤(pán)之間的距離為1.5 m。油盤(pán)上方10 cm處開(kāi)始，每隔20 cm布置一個(gè)熱電偶，通過(guò)溫度采集儀記錄泡沫滅火實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。高清攝像相機(jī)能夠全程記錄滅火過(guò)程的動(dòng)態(tài)圖像。

1.5 抗燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

抗燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用壓縮氮?dú)馀菽a(chǎn)生方式供泡，抗燒實(shí)驗(yàn)裝置參考GB 15308-2006《泡沫滅火劑》自制，主要由油盤(pán)、抗燒罐、支架、高清攝像機(jī)構(gòu)成，裝置如圖2（e）所示。油盤(pán)和抗燒罐由鋼材料制成，能夠抵抗高溫、防止變形。油盤(pán)的主要作用是盛放液體燃料和泡沫滅火劑，抗燒罐主要用于停止供泡后引燃油盤(pán)，達(dá)到測(cè)量抗燒時(shí)間的目的。高清攝像機(jī)可以實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中泡沫滅火劑的抗燒過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 析液實(shí)驗(yàn)

泡沫滅火劑的穩(wěn)定性可由析液特性進(jìn)行評(píng)估，一般以25%或50%析液時(shí)間作為性能判別指標(biāo)。析液收集裝置中收集到的液體的質(zhì)量為初始泡沫液質(zhì)量的25%或50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為25%或50%析液時(shí)間［13］。

實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)行析液特性測(cè)試前，需先打開(kāi)恒溫加熱裝置進(jìn)行預(yù)熱并且調(diào)節(jié)加熱溫度；采用雙注射器技術(shù)發(fā)泡，一支注射器裝一定質(zhì)量的泡沫液，另一只注射器裝空氣，兩只注射器經(jīng)過(guò)多次反復(fù)推拉產(chǎn)生泡沫；待溫度持續(xù)穩(wěn)定后，快速將泡沫倒入泡沫收集裝置，注意時(shí)刻觀(guān)察析液口處狀態(tài)；液體流入析液收集裝置時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，析液收集裝置中的液體質(zhì)量為25%或50%的初始泡沫液質(zhì)量計(jì)時(shí)終止；記錄下25%或50%析液時(shí)間。

2.2 蔓延實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，保證蔓延水槽水平放置在泡沫滅火劑釋放口下端，將燃料倒入水槽中；打開(kāi)氣瓶閥門(mén)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并調(diào)節(jié)液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)；驅(qū)動(dòng)氣體和泡沫液在氣液混合腔內(nèi)充分混合發(fā)泡后噴射于水槽中；時(shí)刻觀(guān)察泡沫的蔓延過(guò)程并記錄泡沫前鋒蔓延至關(guān)鍵位置處的時(shí)間（如距離每隔10 cm記錄一次時(shí)間）。

2.3 滅火實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，保證油盤(pán)水平放置在泡沫滅火劑釋放口下端，將燃料倒入油盤(pán)中；使用酒精引燃燃料，等到盤(pán)內(nèi)處于穩(wěn)定燃燒階段后，打開(kāi)氣瓶閥門(mén)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并調(diào)節(jié)液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)；驅(qū)動(dòng)氣體和泡沫液在氣液混合腔內(nèi)充分混合發(fā)泡后噴射于燃料表面，觀(guān)察火勢(shì)變化情況，記錄滅火時(shí)間和滅火過(guò)程中熱電偶溫度變化。

2.4 抗燒實(shí)驗(yàn)

泡沫的抗燒性能由抗燒時(shí)間作為判別指標(biāo)，抗燒時(shí)間為點(diǎn)燃抗燒罐至一定燃料表面被引燃需要的時(shí)間［13］。實(shí)驗(yàn)步驟參考GB 15308-2006《泡沫滅火劑》如下：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先用水將油盤(pán)洗凈，待油盤(pán)干燥后加入適量燃料；將抗燒罐放于安全位置，并向罐內(nèi)加入燃料；打開(kāi)通風(fēng)裝置，點(diǎn)燃油盤(pán)并預(yù)燃（60 ±5）s；打開(kāi)氣瓶閥門(mén)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并調(diào)節(jié)液體流量計(jì)和氣體流量計(jì)；驅(qū)動(dòng)氣體和泡沫液在氣液混合腔內(nèi)充分混合發(fā)泡后向油盤(pán)供泡（180 ±2）s；停止供泡后等待（60 ±5）s，將抗燒罐放置于油盤(pán)中央并點(diǎn)燃，記錄抗燒時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐

3.1 析液實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋淖兒銣丶訜嵫b置的加熱溫度，研究溫度對(duì)泡沫滅火劑穩(wěn)定性的影響。此外，穩(wěn)定劑的加入能夠提高泡沫的穩(wěn)定性，然而穩(wěn)定劑的類(lèi)型、濃度和配比等對(duì)穩(wěn)定性的影響不同，也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究穩(wěn)定劑不同變量與泡沫滅火劑穩(wěn)定性的關(guān)系。利用實(shí)際操作觀(guān)察和數(shù)據(jù)處理分析過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)泡沫滅火劑穩(wěn)定性的規(guī)律認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生掌握影響泡沫滅火劑穩(wěn)定性的主要因素。

從圖3 可以看出，25%析液時(shí)間隨著溫度的升高而逐漸降低，說(shuō)明溫度越高，泡沫液膜析液速率越快，泡沫穩(wěn)定性越差。泡沫析液會(huì)使泡沫結(jié)構(gòu)破壞，穩(wěn)定性喪失，無(wú)法在燃料表面形成起窒息作用的隔絕層，最終導(dǎo)致泡沫滅火性能降低。

圖3 不同溫度下自制有機(jī)硅泡沫滅火劑的25%析液時(shí)間

3.2 蔓延實(shí)驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展泡沫蔓延實(shí)驗(yàn)，能夠觀(guān)察泡沫滅火劑的蔓延現(xiàn)象，對(duì)比不同類(lèi)型泡沫滅火劑的蔓延性，研究氣液比、濃度等因素對(duì)泡沫滅火劑蔓延性的影響。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程能夠增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)興趣，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，幫助學(xué)生了解泡沫蔓延規(guī)律，理解泡沫蔓延的原理，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐知識(shí)的結(jié)合。

從圖4 可以看出，開(kāi)始釋放泡沫滅火劑時(shí)會(huì)出現(xiàn)泡沫堆積現(xiàn)象，隨著泡沫向前鋪展，泡沫層厚度逐漸減小。并且由于泡沫與燃料界面的作用力的影響，泡沫滅火劑在整個(gè)蔓延過(guò)程中速度逐漸減緩［14-15］。

圖4 自制有機(jī)硅泡沫滅火劑油面蔓延過(guò)程

3.3 滅火實(shí)驗(yàn)

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以開(kāi)展泡沫滅火劑撲滅多種類(lèi)型火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以研究不同變量對(duì)泡沫滅火劑滅火效能的影響，如氣液比、噴射角度、滅火劑種類(lèi)等，需要注意的是在研究過(guò)程一般采用控制變量法。實(shí)踐操作有利于學(xué)生熟悉壓縮氮?dú)馀菽a(chǎn)生裝置的使用方法，理解壓縮氮?dú)馀菽漠a(chǎn)生原理。對(duì)高清攝像機(jī)和溫度采集儀記錄的滅火全程影像和溫度進(jìn)行分析和處理，幫助學(xué)生了解不同類(lèi)型火災(zāi)特點(diǎn)以及滅火過(guò)程火勢(shì)變化，理解泡沫滅火劑撲救火災(zāi)的滅火機(jī)理，掌握影響泡沫滅火劑滅火效能的關(guān)鍵參數(shù)，加深學(xué)生對(duì)泡沫滅火理論知識(shí)的理解。

從圖5 可以看出，油盤(pán)內(nèi)燃料火勢(shì)隨著泡沫滅火劑的持續(xù)釋放而得到控制，火焰在泡沫滅火劑釋放過(guò)程中明顯減弱并最終熄滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氣液比是泡沫滅火劑的滅火效能的影響因素之一，當(dāng)氣液比為17 時(shí)，滅火效能最優(yōu)。

圖5 不同氣液比α下自制有機(jī)硅滅火劑的滅火過(guò)程

3.4 抗燒實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)可以對(duì)比不同類(lèi)型泡沫滅火劑的抗燒性能，也可以通過(guò)改變泡沫滅火劑的氣液比、濃度等，研究各因素對(duì)泡沫滅火劑的抗燒性能的影響規(guī)律。通過(guò)實(shí)踐操作和結(jié)果處理過(guò)程，學(xué)生能夠觀(guān)察泡沫滅火劑的抗燒現(xiàn)象，了解不同類(lèi)型泡沫滅火劑抗燒特征，理解不同類(lèi)型泡沫滅火劑的抗燒機(jī)理，掌握泡沫滅火劑抗燒性能的影響因素。

從圖6 可以看出，在抗燒過(guò)程中，泡沫層厚度會(huì)隨著水分的蒸發(fā)和析出而下降。隨著整個(gè)泡沫層厚度減小，與抗燒罐接觸的油面會(huì)出現(xiàn)火焰并快速蔓延使得油盤(pán)內(nèi)燃料復(fù)燃。由抗燒時(shí)間可知，自制有機(jī)硅泡沫滅火劑具有更加優(yōu)異的抗燒性能。

圖6 自制有機(jī)硅泡沫滅火劑（a）和市售滅火劑AFFF（b）的抗燒過(guò)程

4 結(jié) 語(yǔ)

泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括發(fā)泡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、析液實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、蔓延實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、滅火實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及抗燒實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)泡沫滅火劑理化性能和滅火性能的測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程可以幫助學(xué)生充分吸收專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)；結(jié)果分析過(guò)程能夠增強(qiáng)學(xué)生的邏輯分析能力，培養(yǎng)學(xué)生辯證思維?？傮w而言，泡沫滅火綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)滿(mǎn)足培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和綜合能力的目標(biāo)要求，可為培養(yǎng)具有工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)和高質(zhì)量消防工程人才提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支撐。