優(yōu)化壓力式泡沫比例混合器設(shè)計(jì)方法探討

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(1.九江中船消防設(shè)備有限公司，江西 九江 332000；2.海軍裝備部駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005)

泡沫滅火系統(tǒng)是艦船上常用的一種滅火系統(tǒng)，主要用于控制和撲滅油類火災(zāi)。泡沫滅火系統(tǒng)分類很多，其中壓力式系統(tǒng)是目前艦船最常用的一種，具有造價(jià)低、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)保護(hù)油艙甲板、直升機(jī)甲板以及主機(jī)等部位。在壓力式泡沫滅火系統(tǒng)中，壓力式比例混合器是最核心的部件，它借助于文丘里原理將泡沫液從密閉儲(chǔ)罐內(nèi)排出，并按比例與水混合，是將泡沫液混合比控制在合理范圍內(nèi)的關(guān)鍵步驟。

影響比例混合器性能的因素有很多，如噴嘴前后壓力差、噴嘴孔徑、節(jié)流孔板孔徑、主管通徑、泡沫進(jìn)水管通徑、泡沫出液管通徑、泡沫液粘度以及消防水流量等，其中噴嘴前后壓差是連接其余各個(gè)因素的紐帶。此前有的設(shè)計(jì)思路是先確定噴嘴孔徑，然后再確定壓力差，噴嘴確定時(shí)沒有考慮罐體進(jìn)水管通徑、泡沫出液管通徑等其它因素的影響[1]；文獻(xiàn)[2]給出了比例混合器的設(shè)計(jì)方法，其噴嘴孔徑由主管壓力和流量確定，在具體計(jì)算分析中得到的噴嘴前后壓差高達(dá)52.6 m，這勢(shì)必會(huì)帶來(lái)能量損失和大的管道振動(dòng)。

本文從噴嘴前后壓力差這一因素入手，用Matlab軟件分析不同流量、不同主管通徑、不同進(jìn)水管和泡沫出液管通徑、不同混合比等情況下壓力式比例混合器噴嘴前后壓差與噴嘴孔徑與節(jié)流孔板孔徑的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線，以使噴嘴壓差取值更加合理，也使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)便、直觀。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 噴嘴孔徑的確定

壓力式比例混合器工作原理見圖1。

圖1 比例混合器工作原理

消防主管中的水一部分通過(guò)噴嘴進(jìn)入喉管，噴嘴孔徑小于主管管徑，所以噴嘴前后會(huì)形成壓力差。由于壓力差的存在，消防水的一部分會(huì)通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入泡沫罐，擠壓泡沫罐內(nèi)的膠囊使泡沫液通過(guò)出液管進(jìn)入比例混合器，與通過(guò)噴嘴的消防水混合以形成泡沫混合液。由于比例混合器屬于管道范疇，且通常情況下為水平安裝，所以根據(jù)伯努利方程，噴嘴前后存在如下關(guān)系。

(1)

vp=ρgH

(2)

(3)

將式(1)、(2)、(3)聯(lián)立，得出噴嘴的孔徑的表達(dá)式為

(4)

式中：p1、p2——噴嘴前后的壓力；

v1、v2——噴嘴前后水流的速度；

ρ——流體密度；

H——壓力差對(duì)應(yīng)的水柱高度；

Q——主管流量；

Q1——噴嘴流量；

M——混合比；

G——重力加速度，9.8 m/s2；

D1——主管通徑；

D2——噴嘴孔徑。

1.2 節(jié)流孔板孔徑的確定

在比例混合裝置工作時(shí)，一部分水通過(guò)噴嘴，另一部分通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入罐體，并擠壓出泡沫液，泡沫液經(jīng)過(guò)出液管和節(jié)流孔板進(jìn)入比例混合器擴(kuò)散管混合，所以存在如下關(guān)系。

H=h1+h2+h3

(5)

式中：H——壓力損失，大小與噴嘴前后壓差一致；

h1——泡沫罐進(jìn)水管的壓力損失；

h2——泡沫出液管的壓力損失；

h3——節(jié)流孔板的壓力損失。

對(duì)于h1和h2，存在如下關(guān)系。

(6)

(7)

2 320

∑ξ12——進(jìn)水管的局部摩阻系數(shù)，可查表1獲得；

∑ξ22——泡沫出液管的摩阻系數(shù)，其值需要校正，大小約為局部摩阻系數(shù)表中查詢值的2倍；

v——進(jìn)水管和出液管流速；

L1、L2——進(jìn)水管和出液管長(zhǎng)度；

d1、d2——進(jìn)水管和出液管通徑。

表1 局部阻力系數(shù)

當(dāng)h1和h2確定后，可由下式確定節(jié)流孔板壓差h3。

h3=H-(h1+h2)

(8)

(9)

聯(lián)立式(8)(9)，可得局部阻力系數(shù)ξ3，查減壓孔板的局部阻力系數(shù)表[4]，用線性插值方法即可得出節(jié)流孔板孔徑dk與泡沫出液管通徑d比值m的大小，進(jìn)而得出節(jié)流孔板孔徑dk

dk=md

(10)

2 結(jié)果分析

設(shè)泡沫罐進(jìn)水管長(zhǎng)度L1=1.5 m，出液管長(zhǎng)度L2=2.0 m，水密度為1 000 kg/m3，泡沫液密度為1 100 kg/m3，泡沫液動(dòng)力粘度為0.02 Pa·s，水的粘度為0.001 5 Pa·s。用Matlab軟件對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，以此對(duì)流量分別為32、48、64 L/s，混合比為3%和6%的比例混合器，在噴嘴前后壓力差H為0～35 m范圍內(nèi)計(jì)算對(duì)應(yīng)的噴嘴孔徑和節(jié)流孔板孔徑，并形成關(guān)系曲線圖。

計(jì)算結(jié)果見圖2～5。

圖2 3%混合比PHY32 噴嘴孔徑、孔板孔徑與壓差關(guān)系

圖3 6%混合比PHY32 噴嘴孔徑、孔板孔徑與壓差關(guān)系

圖4 3%混合比PHY48 噴嘴孔徑、孔板孔徑與壓差關(guān)系

圖5 6%混合比PHY48 噴嘴孔徑、孔板孔徑與壓差關(guān)系

圖2是型號(hào)為PHY32比例混合器在混合比為3%時(shí)節(jié)流孔板孔徑D2與噴嘴孔徑dk隨噴嘴壓差H的變化關(guān)系。當(dāng)罐體進(jìn)水管為DN25、壓差為30 m時(shí)，噴嘴和孔板的孔徑分別為39.5 mm和9 mm，這與本公司的PHY32型比例混器相關(guān)尺寸一致，驗(yàn)證了計(jì)算過(guò)程的正確性。從圖2中還可以得出，DN25管對(duì)應(yīng)的孔板孔徑在壓差為5～35 m范圍內(nèi)均能取有效值，DN32管范圍為1～32 m，DN40管范圍為0.5～13 m，DN50管范圍為0.2～6.0 m，取值范圍不同取決于節(jié)流孔板壓差在總壓差中的比重，管徑越大比重越大。建議在設(shè)計(jì)時(shí)，在壓差有效范圍內(nèi)盡量取小值，這樣有利于減小管道流體總的能力損失。

分析圖3～5，噴嘴和孔板孔徑的變化趨勢(shì)和

圖2類似，但綜合分析可以看出，在有效的壓差范圍之內(nèi)，隨著壓差的增大，不同通徑對(duì)應(yīng)的噴嘴孔徑和不同進(jìn)、出液管對(duì)于孔板孔徑大小分別趨于統(tǒng)一。另外，對(duì)比分析圖2～5，罐體進(jìn)、出液管取值DN25可滿足PHY32要求，但對(duì)于PHY32罐體進(jìn)、出液管取值至少為DN32。

3 結(jié)束語(yǔ)

每個(gè)流量Q、每個(gè)壓差H都可以在圖中快速地找到對(duì)應(yīng)的噴嘴孔徑和節(jié)流孔板孔徑，無(wú)需反復(fù)對(duì)公式進(jìn)行計(jì)算，且能在圖上方便地看出不同節(jié)流孔板孔徑和噴嘴孔徑在不同壓差時(shí)的變化趨勢(shì)，便于合理選擇噴嘴壓差區(qū)間，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程。

[1] 張連城.壓力比例混合器的原理和理論計(jì)算[J].消防產(chǎn)品與技術(shù)信息，2004(1)：24-28.

[2] 閔永林.壓力式空氣泡沫比例混合裝置設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)研究[D].上海：上海交通大學(xué), 2001.

[3] 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] 中華人民共和國(guó)公安部.GB50151—2010泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.