多功能消防水枪配套用泡沫喷管研究

1、王丽晶, 傅建桥(公安部上海消防研究所, 上海200438)摘要: 阐述了多功能消防水枪配套用泡沫喷管的工作原理, 分析了主要结构尺寸以及各种因素对泡沫喷管性能的影响,并对影响规律进行了研究。通过试验, 对泡沫喷管的喷射性能进行了量化, 其研究成果对泡沫喷管的设计具有指导意义。关键词: 消防水枪; 泡沫喷管; 结构; 发泡倍数; 25% 析液时间进口端设有吸气孔, 利用高速射流形成的真空把空气吸入, 在喷管内混合液射流与空气在界面上产生气2液 两相质量交换, 泡沫混合液与空气均匀混合, 形成机械 空气泡沫。 在这一过程中, 混合液的动能逐渐下降, 压 力逐渐上升, 在泡沫喷管的某一位置静压上升

2、到 0, 然 后上升至一定的正压值。最后, 通过泡沫喷管出口喷嘴的收缩, 泡沫液以一定的速度从泡沫喷管的喷嘴射出, 具有一定的发泡倍数和 25% 析液时间, 并满足射程的 要求 (泡沫喷管内的沿程静压分布曲线见图 2)。1引言随着我国消防装备技术的发展, 以多功能消防水枪替代普通的直流水枪在消防部队中日益推广应用。泡沫喷管作为多功能消防水枪喷射泡沫混合液的配套 使用附件, 能有效拓展多功能消防水枪的使用范围, 具有结构简单、成本低、使用方便, 喷射泡沫性能高, 射程 远的特点。当与多功能消防水枪配套使用时 (见图 1) , 完全能替代普通泡沫管枪。 目前在国外此种泡沫喷管 得以广泛使用, 而在

3、国内目前尚属空白。因此对多功能 消防水枪配套用泡沫喷管的工作原理、结构尺寸进行研究, 并分析主要结构尺寸对喷射性能的影响规律, 对 今后的泡沫喷管的研制与开发具有一定的指导意义。图 2 喷管内沿程静压分布曲线示意图1多功能水枪; 2卡座; 3喷管体; 4压板图 1 泡沫喷管结构示意图3 影响泡沫喷管性能的因素分析311主要结构尺寸对泡沫喷管性能的影响衡量泡沫喷管性能优劣主要有以下几个性能指 标: 射程、发泡倍数和 25% 析液时间 ( 即泡沫稳定性)。 从泡沫喷管的工作原理可以看出, 喷管内的沿程压力泡沫喷管的工作原理泡沫混合液从多功能消防水枪的喷嘴高速喷出 后, 进入泡沫喷管, 在喷管的进口

4、端形成真空。 喷管的2是粒径大于 1 mm 的水滴。另外, 当供水流量大于设计流量也会造成系统喷头喷射连续水流。 水喷雾灭火系 统扑救带电火灾, 一般都存在灭火系统带电的危险。所以设计上除避免喷雾喷头直接设置在带电设备上方,应接地并与全厂接地网连接。参考文献:宾斯基. 水轮发电机的消防. 电力建设, 2000, (9) : 65266.1分布决定了其泡沫喷射性能, 而压力分布主要是由喷闭性好, 流动性好。 但是它的稳定性和热稳定性很差,管的结构尺寸决定的。 下面我们就分析一下几个主要的结构尺寸 (见图 2) 对泡沫喷管性能的影响。其 25% 析液时间很短, 只有蛋白泡沫的 12, 泡沫不够稳定

5、, 消失较快。因此用泡沫喷管喷射水成膜泡沫灭火 剂时, 尽管其发泡倍数较高, 但其析液时间较短。 相比 之下, 蛋白泡沫的析液时间较长, 但发泡倍数可能就不 及轻水泡沫液了。同时, 不同的生产厂家生产的同一类型的泡沫灭 火剂的性能也有差别, 即使同一厂家, 在不同的时期生产的泡沫灭火剂的性质也会出现差别, 从而对泡沫喷 管喷射的泡沫性能造成影响。(2) 射流形态 不同的射流形态对泡沫喷管的泡沫喷射性能也有影响。当水枪处于直流状态时, 泡沫的射程最远。但如 果泡沫的发泡倍数和 25% 析液时间的指标不能满足,就需要调到一定角度的喷雾状态, 以提高其发泡倍数 和 25% 析液时间, 这是以射程的降

6、低为代价的。 但并 不是喷雾角越大越好, 通常采用的喷雾角为 10 15 度, 更宽的喷雾角会造成发泡倍数下降, 射程降低, 影 响喷射泡沫的质量。(3) 混合比根据使用的泡沫灭火剂的种类, 对于 6% 型泡沫 灭火剂, 在 6% 7% 范围内增加混合比, 可以显著增加 25% 析液时间, 发泡倍数有所增加。 当混合比低于6% 时, 泡沫的发泡倍数和析液时间都不能满足要求;当混合比高于 6% 时, 泡沫的发泡倍数和析液时间尽 管增加, 但已不显著, 且泡沫灭火剂的用量较大, 比较浪费。(4) 温度, 风速和风向 水温、气温和泡沫液的温度对泡沫喷管的喷射性能都会造成影响。 泡沫混合液的表面张力随

7、着温度的 升高而降低, 发泡性能随之增加。但温度过高会导致析液增加, 反而降低了泡沫液的发泡性能。泡沫喷射射程的测定受风向和风速的影响很大,风速和风向加剧了空气中射流的轴对称和横向干扰。 应顺风向测量泡沫液的射程 ( 但风速不大于 3 m s) ,以免影响泡沫液射流的集中性。(5) 泡沫喷管的加工工艺 不同的泡沫喷管加工工艺, 决定了泡沫喷管不同的泡沫喷射性能。 一般泡沫喷管的主体有三种加工方 式: 手工卷制, 注塑成型或铸造。 手工卷制受人为因素 影响很大, 因而难以很好的保证同轴度, 而采用注塑或 铸造是一次成型, 同轴度保证较好, 这在一定程度上导 d (1) 收缩比 =D对于一定的喷射

8、速度, 减少收缩比 可降低泡沫喷管内上游的扰动对出口初始速度场的影响, 降低出 流的紊流的总体水平。 但 D 值过大, 可能导致出现脱流, 难以形成泡沫剧烈扰动的泡沫栓, 从而影响泡沫与空气的混合程度。 的取值一般为 015 1。(2) 喷管主体长度 L喷管主体长度 L对泡沫质量有影响, 较长的喷管可以获得更充分的气2液两相混合。但是过长的喷管将导致损失增加, 泡沫性能恶化。鉴于多功能消防水枪直 流喷射时初始射流呈圆锥收缩状, 一旦 L 值使泡沫喷口处于锥状收缩集聚段, 则会使其泡沫喷射性能恶化,L 值应避开射流收缩最小集聚段。(3) 泡沫喷口直径 d在一定范围内调整喷管的出口收缩口径的大小

9、d可以调整射程、发泡倍数和 25% 析液时间三项性能指 标。如喷管出口直径 d 偏大, 压力曲线下移, 泡沫质量会下降; 如喷管出口直径 d 偏小, 背压过大, 会影响空 气的吸入以至引起回流。 压力曲线向上偏移以至不能吸入空气, 25% 析液时间和发泡倍数将同时下降。所以合理地选择喷管出口直径 d 具有重要意义。(4) 收缩角 收缩角 不是决定性因素, 但不能被忽视。要使压 能动能的转化过程中, 能量损失最小, 喷管内壁为逐渐收敛的流线型最佳, 但由于机械加工的困难, 一般为圆锥形构造。 圆锥角取在 13°左右。(5) 喷管出口长度 l为了使离开喷管后的射流有较大的截面积, 喷管

10、出口处应有一段圆柱形短管, 其长度 l 相当于喷嘴的半个口径到一个口径, 即 l = (015 1) d。同时在喷管的出口边沿上应设加强圈或翻边, 可增加出口端的刚 度以防变形。3. 2其它因素对泡沫喷管性能的影响(1) 泡沫灭火剂种类 不同类型的泡沫灭火剂用泡沫喷管喷射, 其泡沫性能并不相同, 这与泡沫灭火剂的种类, 即本身的性质 有关。以蛋白泡沫灭火剂和水成膜泡沫灭火剂为例。水成膜泡沫灭火剂 (又称“轻水”泡沫灭火剂) 是一种新型 高效的灭火剂, 靠泡沫覆盖、冷却和水膜的综合作用来改写公式 (4) , 得4 泡沫喷管主要结构尺寸的计算4. 1多功能水枪喷嘴直径计算 1, 2 如图 3 所示

11、, 水枪进出口的截面积分别为 A 1、A 2 ,压力分别为 P 1、P 2 , 进出口速度分别为 V 1、V 2。Q水枪喷嘴直径412中间管段直径 D水枪喷嘴面积dq =计算0. 011CP 2A = 4 d q 2A = 10A = 2. 5d 2 =中间管段面积q 4 D由此可以导出中间管段的直径D = 3. 16d q上述中间管段直径计算值 D应根据试验进行调整。4. 3图 3 水枪喷射示意图根据能量守恒定律, 不计管段内的阻力损失, 可以 得到:泡沫喷口直径 d 计算泡沫喷管出口喷嘴面积A = 6A = 1. 5d 2 =24 dqP 1 + Z 1 +1 V 2 =P 2 + Z 2

12、 +1 V 21222P 2 ) 由此可以导出泡沫喷口直径d = 2. 45d q由于 Z 1 = Z 2 , 得 V 2 -2 V 2 = 2 (P 1 -上述喷口直径计算值 d 应根据试验进行调整。1由质量守恒定律 (连续性方程)试验研究参考中华人民共和国国家标准泡沫灭火系统及 部件通用技术条件的送审稿, 对泡沫喷管进行了泡沫 喷射性能试验3 , 试验装置示意图见图 4。5. 1喷射蛋白泡沫试验5V 1A 2V 1A 1 = V 2A 2 =VA 12由于进口面积远大于喷嘴出口面积, 所以 V 2 比V 1 大得多, V 2 -2 V 2 V 2; 此外 P 2 -P 1 即为水枪进口的1

13、 2表压力 P , 所以水枪喷嘴处的流速可以表示为我 们对三种不同结构尺寸 A , B , C ) 的泡沫喷管进行了喷射蛋白泡沫的试验研究。 试验结果如下:表 1 不同尺寸泡沫管喷射蛋白泡沫的性能参数(2PV 2 =(1)4Q由连续性方程, V 2 = Q =(2)Ad 2q联合 (1)、(2) 两式, 可以得到 d 2(3)Q =Pq8采用 S I 制单位, 可把公式 (3) 化为Q = 0. 011C d 2(4)Pq其中, Q 水枪的额定流量, 单位 L s;P 水枪的额定压力, 单位 k g cm 2;d q 水枪喷嘴直径, 单位 mm ;C 流量系数。由表 1 可以看出不同尺寸的泡沫

14、喷管在喷射蛋白泡沫液时, 在射程这一性能上没有明显差别, 但是在发 泡倍数和 25% 析液时间上有明显差异。泡沫喷管A 的流量(L s)压力(M P a)射程(m )发泡倍数N25% 析 液时间混合比( % )喷管 结构8. 090. 6225. 2826. 3A7. 98235. 012177. 0A823. 54. 821356B8. 01235. 241406. 9B8. 03224. 81< 16. 4C8. 05235. 36< 16C泡沫喷射性能较好, 故定型。第十届国际消防设备技术交流展览会招商工作圆满结束经公安部和科技部批准, 由中国消防协会主办的第十届国 际消防设

15、备技术交流展览会 (CH INA F IR E 2004) 的招展工作 目前已圆满结束。由于参展厂商十分踊跃, 招展工作开始不久, 4 个室内展馆 和室外场地的展位就提前告罄。 为了满足国内外客户的需要, 组委会两次决定搭建临时展馆, 临时展馆的展位也很快被预定 一空。直到招展工作宣布结束仍有许多客户前往组委会要求参展。由中国消防协会举办的国际消防设备技术交流展览会自1986 年创办以来已连续成功地举办了九届, 其规模、信誉和服 务在国内外享有较高的声誉, 已成为国内外消防界普遍关注的 大型消防专业展览会之一。 定于今年 10 月 19 日至 22 日在北京全国农业展览馆举办的本届展览会以“创

16、新、合作、发展”为 主旨, 将向国内外广大用户和厂商展示能够适应时代和社会发 展需要, 满足人们日益增长的安全需求的先进消防设备、产品 和技术。 同时将广泛开展学术和技术交流活动, 并为逐年增长 的贸易洽谈活动提供优质服务。 据统计, 报名参展的有包括中国在内的美、日、德、法、英、俄、芬兰、瑞典、瑞士、奥地利、韩国、 新加坡以及我国香港、台湾地区等 15 个国家和地区的 354 家 企业和科研机构。本届展览会的 6 个展馆和室外场地共有 3 万 平方米的展出面积, 将是我会举办的历届展览会中规模最大、 参展厂商最多, 科技含量最高的一次盛会。 参展的有高层、地下、大空间等建筑的消防新技术、新产

17、品, 新型火灾探测与报警 设备、灭火系统、高效灭火剂和消防队伍技术装备、消防员个人 装备、消防通讯调度指挥系统、抢险救援设备、各种类型消防车 辆以及其它先进的消防产品和消防工程技术。届时将邀请国际 消防组织、国内外消防生产企业和科研单位的专家、学者举办15 场新产品、新技术报告会。 国际消防协会联盟、国际火灾科 学学会以及美、日、德、法、俄罗斯、乌克兰、韩国、新加坡、菲律 宾、马来西亚等国和我国港澳台地区的民间消防组织的领导人 将应邀率团参观展览会并开展技术交流活动。中国科学技术协会、公安部消防局、中国人民保险公司、公安部消防产品合格评定中心为本届展览会的支持单位。美国消 防协会、日本消防协会

18、、德国消防促进会、美国 U L 和 FM 两大世界权威安全产品检测机构为本届展览会的海外支持单位。届时还将举办中国消防协会成立二十周年纪念活动。 中国消防协会热诚欢迎广大会员、国内外消防科技和消防专业工作者届时光临参观并参加相关活动。(中国消防协会宣教部)5. 2喷射轻水泡沫试验我们对多功能水枪在额定压力和额定流量的情况 下直接喷射轻水泡沫和装上泡沫喷管喷射轻水泡沫的 性能进行了研究, 试验结果如下:表 2 水成膜泡沫液直接用水枪喷射和泡沫喷管喷射的性能对比由表 2 可以看出, 接上泡沫喷管后, 水枪喷射轻水泡沫的性能有了明显提高。513试验结果分析尽管多功能水枪配套用泡沫喷管的泡沫喷射性能 达到了标准的要求, 但与泡沫管枪相比, 泡沫喷管喷射蛋白泡沫的性能参数稍差, 主要原因有以下 2 个方面:(1) 泡沫喷管的设计难度较大 泡沫喷管接在多功能水枪上使用, 多功能水枪的射流形态有别于普通的泡沫管枪。作为导流式水枪, 它的环锥收缩的初始射流形态与常规泡沫管枪混合液喷嘴 的雾状射流相比, 其比表面较小, 气液交换能力较差。(2) 连接方式不同 泡沫管枪的枪管连接是按固定联接的要求设计装配的, 容易做到同轴度, 而泡沫喷管接在多功能水枪上使用, 要求快速拆卸, 保证同轴度相对困难。结论本文阐述了多