機庫內泡沫消泡劑和消泡裝置

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(西安新竹防災救生設備有限公司，西安 710075)

作戰時由于機庫內泡沫滅火系統在滅火后會堆積大量的泡沫，而泡沫在短時間內難易消除，會嚴重影響機庫內的作戰官兵的正常操作，所以機庫內殘余泡沫的清除成了必須解決的問題。目前主要的解決方法是用水或洗消液來對泡沫進行沖洗，但是水和洗消液噴放時容易對機庫內的電器設備造成水漬傷害，為解決上述問題，需要一種具有消泡率高、污染程度低、無二次傷害的消泡裝置，便于提高機庫內二次作戰能力。

機庫內高倍泡沫滅火系統是根據“氣液兩相流”理論和“高分子粘膜成泡”理論在液包氣原理中的實際應用而設計開發的，高倍泡沫發生器作為主要部件，是產生大量高倍泡沫群、實施高效快速滅火的關鍵裝置。因為泡沫群的產生是將發泡網上的水膜吹出大小近似相等的泡沫相互連接而生成的，所以泡沫的性能與風壓、表面張力、液膜厚度、液膜成分有關，見圖1。

圖1 泡沫生成示意

1 泡沫消泡的方式

高倍發生器生成的泡沫是將水和泡沫液按設定比例均勻混合后，經過管路末端的噴嘴噴放在發泡網上形成一層均勻的液膜，同時鼓入大量的空氣將液膜以泡沫的形式吹出，大量被吹出的泡沫相互連接、堆積最終形成泡沫群。

因為泡沫在自然條件下能長時間保持形態、不容易破裂。在通常情況下，泡沫的破裂主要分為三個步驟：液膜的變形、液膜厚度的減小、液膜的破裂。

為了加快清除機庫內的泡沫殘余，機庫內常用水和洗消液來進行泡沫的清除。水清除泡沫是最簡單的物理消泡的方式，依靠水噴放后對泡沫的沖擊力擊破了泡沫表面的液膜，從而達到消泡的目的。洗消液清除泡沫是物理消泡方式和化學方式的結合。當洗消液噴放后不但對泡沫進行破壞性的沖擊，而且洗消液與泡沫表面液膜接觸后溶入液膜，使泡沫表面粘度降低，表面彈性變差，破壞了泡沫表面液膜的連續性，最終使泡沫破裂。但是，由于水和洗消液噴放后的水滴直徑大、質量重，無法對泡沫全面的覆蓋，以及水和洗消液容易對電子設備產生水漬傷害，所以水和洗消液的消泡方式都不理想。

使用“混合成分”配方消泡劑的消泡裝置能夠高效率地清除泡沫殘余，且對電子設備無污染，該消泡裝置使用細小顆粒為主要消泡物質，通過高壓氣體的泄放對細小顆粒的消泡劑提供了能夠刺穿泡沫表面液膜的沖擊速度。并且在消泡劑噴射后的末端，由于顆粒的直徑小、重量輕，可覆蓋在泡沫表面液膜上，加快了泡沫消泡的速度。

2 消泡劑的成分及作用

由于“混合成分”配方的消泡劑是將多種具有消泡作用的細小化學顆粒混合而成，消泡劑的顆粒與泡沫的表面液膜接觸改變了泡沫在消泡時諸多的因素，所以加快了泡沫的消泡速度。

試驗證明，消泡劑的細小顆粒直徑越小，其群體的表面積就越大，與泡沫群的接觸面積就越大，消泡速度越快；細小顆粒直徑越大，群體的表面積就越小，與泡沫群的接觸面積就越小，消泡速度越慢。所以，消泡劑的細小顆粒直徑大小決定了消泡劑消泡效率的好壞。為了得到直徑更加細小的消泡劑顆粒，“微細加工”技術的應用成為加工消泡劑的重要方式。該消泡劑的化學顆粒是通過氣流粉碎機、球磨機等設備粉碎加工成平均物粒直徑約為80 μm的細小顆粒。

混合成分配方的消泡劑具有消泡速度快、噴射后擴散面積大等特點，其主要的成分為氯化鈉(NaCl)、二氧化硅(SiO2)、二甲基硅油、三氧化二鋁(Al2O3)、亞鐵氰化鉀(K4Fe(CN)6·3H2O)等。

1)氯化鈉。氯化鈉是該消泡劑的主要成分，具有很高的溶水性，能降低其它物質在水中的溶解。因泡沫表面包覆氣體的液膜是水和泡沫液的混合物，當消泡劑中氯化鈉顆粒與液膜接觸后，便迅速地和液膜中的水溶解，從而減低了泡沫液與水的溶解度，并將部分水析出，由于氯化鈉顆粒與液膜接觸面處的水被不斷析出，所以接觸表面的厚度也逐漸變薄，最終導致泡沫的破壞。當泡沫的薄膜破壞后，組成薄膜的液體會急劇收縮，將泡沫轉換成表面積、表面積小的液體。液體在重力作用下流到下一個泡沫表面，繼續析出泡沫表面液膜的水份，逐步得將泡沫層消除。

如圖2所示，一個半徑為1 cm，液膜厚度為10-3cm的氣泡(約25 cm2的表面積)接觸后，便迅速溶于泡沫的液膜中，使泡沫破壞，最終轉變為一滴液體(表面積僅為0.2 cm2左右)。在液膜破壞時，在這種從高表面積轉變為低表面積的過程中，會產生非常大的能量差，在液膜破壞時，其中的液體就會以1 000 cm/s的速度急劇收縮變成液體。

圖2 NaCl顆粒的消泡過程

2)二氧化硅。二氧化硅是該消泡劑的配比成分，不溶于水、微溶于酸，穩定性強，雖然不能與泡沫的液膜發生反應，但是可以阻礙液膜的連續性，依靠外力可快速穿刺氣泡的液膜，使氣泡表面液膜產生空洞，并將氣泡內包裹氣體泄放，從而起到消泡的作用。

如圖3所示，由于二氧化硅的顆粒不具有親水性，所以在外力F的作用下，將一個二氧化硅的顆粒對氣泡表面施壓。首先使氣泡表面凹陷，增大了氣泡內的壓力、減小了氣泡液膜接觸面的厚度；其次施加的力進一步地加大，致使二氧化硅的顆粒最終將氣泡液膜擊破；最后由于氣泡表面破裂，內部壓力氣體向外泄放，破裂氣泡的表面液膜急劇收縮成為液體。

圖3 SiO2顆粒的消泡過程

3)二甲基硅油。二甲基硅油在水中的溶解低，活性卻非常的高，它揮發性能低、并具有化學惰性的性能，在與泡沫表面液膜反應時，二甲基硅油起到減低氣泡表面液膜的界面張力、鋪展系數的作用。

如圖4所示，消泡劑中通常是二甲基硅油包裹二氧化硅的顆粒起到破壞泡沫的作用。由于二甲基硅油包裹了二氧化硅的顆粒，是以二甲基硅油為基材，其不溶于水、較難乳化，當二甲基硅油包裹二氧化硅的顆粒與泡沫的表面液膜接觸后(觸面角度一般大于90°)，二甲基硅油便滲入到泡沫表面的液膜中，迫使泡沫的液膜從固體疏水粒子二氧化硅的表面排開，引起泡沫的局部迅速排液而導致破裂。

圖4 二甲基硅油的消泡過程

4)三氧化二鋁。三氧化二鋁是一種不溶于水、質地堅硬、白色有尖銳棱角的固體，它是消泡劑在“微細加工”技術中必不可少的研磨劑，通過其自身僅次于金剛石的硬度，可在粉碎機、球磨機設備的加工中，將氯化鈉、二氧化硅等顆粒打磨精細。

5)亞鐵氰化鉀。亞鐵氰化鉀是氯化鈉的抗結劑，它的應用主要是防止消泡劑中氯化鈉因吸收空氣中的水份受潮而結塊，致使微細的氯化鈉顆粒抱團而轉變成物粒直徑大的顆粒，從而減低氯化鈉顆粒總體表面積，影響氯化鈉與泡沫表面液膜的反應。

3 消泡裝置的設計

3.1 消泡裝置的組成

推車式消泡裝置見圖5。

圖5 推車式消泡裝置

消泡裝置應用消泡劑直徑小、重量輕、易擴散的特點，采用“螺旋加速”噴射技術將具有細小顆粒的消泡劑噴放。噴射后覆蓋泡沫與泡沫液膜的反應，氣體泄放后消泡劑產生高速動能，并以螺旋、擴散狀的噴射形式從噴射槍噴出，從而將消泡劑以擊穿泡沫或與泡沫液膜反應的形式消除泡沫。

3.2 消泡裝置的“螺旋加速”噴射槍

噴射槍是消泡裝置中具有可調節噴射狀態的主要設備，見圖6。

圖6 噴射槍結構

在噴射消泡劑時，通過三個步驟來完成消泡劑的“螺旋加速”。①用高壓氣體驅動消泡劑在噴射槍的槍座處通過分散球，將消泡劑分散為中空的消泡劑粉柱。②當分散后的消泡劑通過噴射槍的槍管處時，通過螺旋彈片改變直射噴射形式為螺旋狀噴射形式。③通過噴射槍的槍頭調節對螺旋彈片的壓縮，改變其螺旋彈片的螺旋升角，并在槍頭處縮口加壓，最終將消泡劑顆粒以“螺旋加速”的形式噴出。

3.3 消泡劑顆粒的螺旋運動分析

在消泡裝置貯氣瓶壓力氣體驅動消泡劑顆粒的作用下，使每個顆粒在槍座處都具有軸向速度，當消泡劑顆粒通過槍管處的螺旋彈片時，螺旋彈片的螺旋升角改變了消泡劑顆粒的軸向運動，使消泡劑顆粒沿著螺旋彈片間的空隙螺旋運動，最后通過槍頭處加壓并以螺旋運動的軌跡噴出。

單個消泡劑顆粒噴射的運動軌跡見圖7。

圖7 消泡劑顆粒的運動軌跡示意

三種不同螺旋升角的消泡劑顆粒的運動軌跡見圖8。

圖8 不同螺旋升角噴射效果比較

3.4 消泡裝置的氣體施壓加快泡沫的再分布

通常情況下，泡沫自主消泡是由作用于液膜上的大氣體壓力所引起的，并且影響著單個泡沫中液體包裹氣體的內部壓力，是由液膜的曲率半徑所決定。不同螺旋升角消泡劑顆粒噴射比較見表1。

表1 不同螺旋升角消泡劑顆粒噴射比較

單個泡沫的內外壓差示意圖見圖9。

圖9 泡沫的內外壓差

如圖9所示，由于泡沫的表面液膜厚度非常的薄，有內、外兩個表面，內外膜的半徑近似相等，設A、B、C三點處的壓力為pA、pB、pC則

pB=pA+2α/R

pB=pC-2α/R

(1)

pC-pA=4α/R

式中：α——表面張力系數。

由此可見，泡沫內壓強大于泡沫外壓強，并且與泡沫成反比關系，在同樣的壓力情況下，泡沫半徑越小，其內部壓強就越大。

實際中，氣體通過液膜由高壓泡沫向低壓泡沫處擴散。于是氣壓高的小氣泡變小，氣壓低的大氣泡變得更大。即使兩個氣泡的曲率半徑之差開始并不大，氣體的擴散也會逐步加大這種差別，而最終使泡沫液膜破壞。

以兩個相鄰氣泡組成的泡沫體系為例，見圖10。以R、r分別代表大、小氣泡液膜的曲率半徑。設大氣的壓力為p，液體的表面張力為α，那么大氣泡中的壓力為p+4α/R，而小氣泡中的壓力為p+4α/r，小氣泡中的壓力要比大氣泡中的壓力高，壓力差為4α(1/r-1/R)。兩個氣泡交界處的液膜是由小氣泡向大氣泡中凹進。

圖10 泡沫的再分布

泡沫消泡裝置的動力源是由高壓氣瓶來提供的，高壓氣瓶內的壓力氣體經過減壓后，驅動藥劑罐內的消泡劑噴出，使每個消泡劑顆粒都具有相當大的動能，不但能輕易地將泡沫刺穿、破壞，而且還能對泡沫表面施加外力p′的在分布的速度，提高了消泡的效率。

3.5 試驗數據

用水、洗消液、混合配方消泡劑消除100 m3堆積消泡所用時間、覆蓋面積、消泡劑的用量等見表2。

表2 水、洗消液、混合配方消泡劑消除100 m3堆積消泡的效率比較

4 結束語

綜上所述，采用微細配方消泡劑的泡沫消泡裝置是一種結合了物理和化學性能的消泡裝置，其新興技術的應用增強了消泡裝置破壞泡沫的穿透性、擴散性，使泡沫消泡裝置具有噴射距離遠，覆蓋面積廣，消泡效率高，污染程度低等優點。是滿足機庫現有消泡方式中最理想的方式。