試驗(yàn)用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFA）的設(shè)計(jì)

1、Word文檔 試驗(yàn)用壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFA）的設(shè)計(jì) 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)難。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(gè)重要緣由是撲救技術(shù)落后，特殊是缺乏掌握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，而且協(xié)作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納壓縮空氣泡沫系統(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(jī)理是向泡沫混合液內(nèi)通入肯定比例的壓縮空氣，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(diǎn)：出口處泡沫動(dòng)量大

2、，可以噴射到較遠(yuǎn)距離，且不易被風(fēng)吹散；泡沫勻稱，穩(wěn)定性好，阻火有效時(shí)間長；可獲得泡沫的膨脹比范圍大，調(diào)整簡單；布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的討論和應(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)和討論成果，設(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)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 高壓氣瓶供應(yīng)壓縮空氣、壓力液罐供應(yīng)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?dú)獾母邏簹馄拷o液體加壓。壓縮空氣也由高壓氣瓶供應(yīng)，與泡沫液混合生成泡沫。整個(gè)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(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡潔

3、，只需打開閥門即可工作，特殊適合于移動(dòng)撲火。該裝置常用于愛護(hù)車輛和駕駛員，也可裝在集材機(jī)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)無法掌握，泡沫總量有限。 2.2 利用空氣壓縮機(jī)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急。WES用空氣壓縮機(jī)代替高壓氣瓶（空氣壓縮機(jī)由一個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)），通過流量調(diào)整閥來調(diào)整混合液流量。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)滅火，操作簡潔便利，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(jī)產(chǎn)生。離心泵通過葉輪帶動(dòng)液體旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生

4、的離心力使液體沿流道甩向葉輪出口并獲得能量。該系統(tǒng)具有揚(yáng)程高、流量適中、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。CAFS選用離心泵可通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在肯定范圍內(nèi)調(diào)整出水壓力和流量。 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)先將原液和水按肯定比例混合，混合比例無法轉(zhuǎn)變，撲火過程中難以實(shí)現(xiàn)水滅火和泡沫滅火的隨時(shí)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。 3 CAFS試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 混合液和空

5、氣的混合壓力及流量是CAFS系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)參數(shù)。參考國外現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，混合點(diǎn)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(diǎn)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。而協(xié)作真空泡沫產(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(jī)的流量有肯定比例關(guān)系，本試驗(yàn)要求泡沫的膨脹比從低倍數(shù)到中倍數(shù)，故設(shè)計(jì)了兩組流量組合參數(shù)：水泵流量56m3/h，空氣壓縮機(jī)的流量2025m3/h；水泵流量1012m3/h，空氣壓縮機(jī)的流量3540m3/h。試驗(yàn)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)有試驗(yàn)條件，確定管道系統(tǒng)通徑為40mm。試驗(yàn)用CAFS應(yīng)結(jié)構(gòu)簡潔，操作便利，因此不設(shè)計(jì)比例混合裝置，水池中為按肯定比例預(yù)混好的泡沫混合溶液?；旌弦旱牧髁亢蛪毫τ烧{(diào)整閥掌握，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。 3.2 CAFS的動(dòng)力設(shè)計(jì) CAFS系統(tǒng)可選擇以下幾種動(dòng)力配置方案： 系統(tǒng)安裝在消防車上，由消防車動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)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(dòng)撲火和建立泡沫阻火隔離帶。 一個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)和消防泵。動(dòng)力輸出不受

7、消防車動(dòng)力限制，整套系統(tǒng)可裝在消防車上移動(dòng)滅火，也可單獨(dú)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(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)消防泵，空氣壓縮機(jī)由一個(gè)附加發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)動(dòng)力。消防車可進(jìn)行水滅火，裝上附加的發(fā)動(dòng)機(jī)和空壓機(jī)也可進(jìn)行泡沫滅火，附加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要求不高。 空氣壓縮機(jī)和水泵分別由兩個(gè)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)安裝便利，但系統(tǒng)裝有兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，體積和質(zhì)量較大。 由于試驗(yàn)是在試驗(yàn)室進(jìn)行，選用了帶有電動(dòng)機(jī)的空壓機(jī)，旋渦式水泵也由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，工作穩(wěn)定牢靠，噪音小，無排放污染。 3.3 系統(tǒng)主要設(shè)備選型和設(shè)計(jì) 3.3.1 泵的選型 旋渦泵是一種高揚(yáng)程、低流量的離心泵，適于輸送黏度較小的泡沫混合液。

8、根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選型號(hào)為40W90的旋渦式水泵，其主要技術(shù)參數(shù)為：電機(jī)功率7.5kW；流量5.4m3/h；揚(yáng)程90m；轉(zhuǎn)速2900r/min；允許吸上真空高度3.5m。 3.3.2 空氣壓縮機(jī)的選型 空氣壓縮機(jī)是輸送氣體介質(zhì)并提高其壓力能的機(jī)械，目前可供選用的主要有活塞式和離心式。活塞式壓縮機(jī)能耗低，適應(yīng)性和敏捷性好。依據(jù)空氣排量設(shè)計(jì)參數(shù)，對規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行比較，選擇了PE30100的PUMA皮帶傳送式空氣壓縮機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：電機(jī)功率2.2kW；排氣量21m3/h；氣缸數(shù)2；使用壓力0.8MPa；儲(chǔ)氣筒容量0.1m3。 3.3.3 混合器的設(shè)計(jì) 混合器是泡沫混俁液和壓縮空氣混合生成

9、泡沫的裝置，其結(jié)構(gòu)打算了氣液混合的質(zhì)量和泡沫的性能。試驗(yàn)用CAFS混合器結(jié)構(gòu)是壓縮空氣進(jìn)入位于混合液管路的中心線位置，壓縮空氣管壁上開有勻稱分布的256個(gè)1mm小孔，壓縮空氣進(jìn)氣管與混合液管路成45角，進(jìn)入管路后平行于液流方向，端頭焊封。 3.3.4 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)管路和掌握 3.4.1 管路和連接設(shè)計(jì) 整套系統(tǒng)最高工作壓力可達(dá)到1.0MPa，為滿意系統(tǒng)壓力要求且安裝簡便，采納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(jì)。 3.4.2 調(diào)整閥 生成的滅火器泡沫膨脹比應(yīng)能在較大范圍內(nèi)調(diào)整，由于

10、選擇的壓縮機(jī)流量有限，因此需要調(diào)整混合液的流量，在渦輪番量計(jì)的下游設(shè)置調(diào)整閥。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用帶波紋管的球閥作為調(diào)整閥來調(diào)整管道中的流量和壓力，調(diào)整閥的型號(hào)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(jì)了溢流旁路，由一個(gè)楔形閘閥掌握，通徑為20mm。通過兩個(gè)調(diào)整閥可以獲得混合液壓力和流量的不同組合，生成性能指標(biāo)不同的滅火泡沫。 3.4.3 單向閥 為防止混合液倒流入氣體流量計(jì)，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

11、。 3.4.4 壓力監(jiān)控裝置 分別在調(diào)整閥前300mm處和混合點(diǎn)空氣入口后90mm處連接壓力表，監(jiān)控混合液的壓力。 3.4.5 流量掌握裝置 玻璃轉(zhuǎn)子式流量計(jì)監(jiān)控氣體流量 玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)屬于浮子式流量計(jì)，適用于低壓、常溫、不帶顆粒的透亮液體和氣體。本系統(tǒng)中選用LZJ-25型流量計(jì)監(jiān)控壓縮空氣流量。其技術(shù)參數(shù)為：通徑25mm；流量范圍125m3/h；溫度范圍0120；壓力范圍1.0MPa。 渦輪番量計(jì)監(jiān)控混合液流量 渦輪番量傳感器是一種精密流量測量儀表，安裝在管道內(nèi)與流量積算儀配套可測量液體的流量。當(dāng)被測流體流經(jīng)傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)的葉輪因流體的動(dòng)能而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，葉輪周期性轉(zhuǎn)變磁電感應(yīng)系統(tǒng)中的磁阻值

12、，使通過線圈的磁通量周期性變化而產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，經(jīng)放大器放大后傳送至積算儀，測量瞬時(shí)流量和總流量。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用型號(hào)LWGY-40型渦輪傳感器及XSF-40A型流量指示積算儀。其技術(shù)參數(shù)為：公稱通徑40mm；流量范圍220m3/h；溫度范圍-20120；公稱壓力2.5MPa。 4 結(jié)論及建議 在試驗(yàn)用CAFS的基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)與運(yùn)載車輛配套的移動(dòng)式CAFS裝置。將系統(tǒng)裝載在一個(gè)小車上，以便利上下森林消防車。利用森林消防車原有的水箱，通過比例混合器產(chǎn)生泡沫混合溶液，再與壓縮空氣混合產(chǎn)生滅火泡沫。這套系統(tǒng)在水源充分或泡沫液缺乏時(shí)可便利地噴水滅火。CAFS系統(tǒng)的主要部件如空氣壓縮機(jī)、消防泵等在我國已有可供選用的定型產(chǎn)品。 森林火災(zāi)撲救用CAFS需較大的膨脹比范圍，以滿意直接和間接撲火的不同需求；采納汽車動(dòng)力輸出軸為動(dòng)力源的較簡單，移動(dòng)撲火也受到限制，建議采納單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)和消防泵；為改善發(fā)泡性能，噴頭內(nèi)可增設(shè)發(fā)泡網(wǎng)；不同撲火作業(yè)項(xiàng)目可使用不同直徑的噴嘴，以獲得不同的出口泡沫動(dòng)量；