泡沫比例混合技術的發展與現狀

■ 陸 華 劉益民

一、泡沫比例混合技術的用途

按照滅火劑分類，消防系統可分為常規水系統（低壓雨淋灑水、中高速水霧）、高壓水系統（細水霧）、泡沫系統、干粉系統、氣體系統（混合氣體、二氧化碳、七氟丙烷、六氟甲烷等）、氣溶膠系統等。其中，泡沫滅火系統又因泡沫液的不同，分水成膜泡沫系統、氟蛋白泡沫系統、合成泡沫系統、A類泡沫系統等類型。不管是哪種類型的泡沫系統，都需要將泡沫液和水按一定比例進行混合，使混合比介于泡沫液滅火要求的最大、最小值之間。

二、泡沫比例混合技術和應用現狀

隨著技術的發展，泡沫比例混合裝置產生了如下的五代產品：

第一代產品為負壓式泡沫比例混合裝置，原理如圖1所示，泡沫液儲存在常壓容器中，消防水通過比例混合器的時候泡沫液入口產生負壓，將泡沫液吸入消防水與之混合形成泡沫混合液。這種泡沫比例混合裝置的優點是結構簡單、泡沫液隨時可以添加，缺點是泡沫混合比無法穩定控制。

圖1 負壓式泡沫比例混合裝置原理

第二代產品為壓力式泡沫比例混合裝置，原理如圖2所示，泡沫液儲存在耐壓容器（泡沫液罐）中的膠囊內，一部分消防水進入泡沫液罐，將膠囊中的泡沫液擠出，而另一部分消防水通過比例混合器的時候產生負壓，將從膠囊中擠出的泡沫液吸入消防水與之混合形成泡沫混合液。這種泡沫比例混合裝置的優點是泡沫混合比相對第一代產品較為穩定，缺點是泡沫液容量有限，用完后無法隨時添加。

圖2 壓力式泡沫比例混合裝置原理

第三代產品為壓力平衡式泡沫比例混合裝置，原理如圖3所示，泡沫液儲存在常壓容器中，泡沫液通過泡沫泵加壓輸送至壓力平衡閥，壓力平衡閥通過平衡泡沫液壓力與消防水壓，確保能夠通過壓力平衡閥進入比例混合器的泡沫液壓力與消防水壓力保持壓差基本恒定，多余泡沫液通過回液管道輸送回到泡沫液罐。由于壓力平衡閥可以讓進入比例混合器的消防水和泡沫液壓力差保持相對穩定。因此，這種泡沫比例混合裝置的泡沫混合比更加穩定，且泡沫液也可隨時添加，但設備結構較第二代更為復雜，除了有能量浪費外，還存在平衡閥失效導致系統無法運行的風險。

圖3 壓力平衡式泡沫比例混合裝置原理

目前，二、三代產品為現階段消防系統設計應用的主流，上述三代泡沫比例混合裝置共有一個核心部件：比例混合器（如圖4所示）。比例混合器的主體為文丘里管，文丘里管中有一個收縮段，根據伯努利方程可知消防水通過收縮段時管壁靜壓變小，這種負壓可將泡沫液吸入與消防水混合。比例混合器自身的特點決定了這種裝置只適用于泡沫混合比較大的泡沫液，而且對于某種確定型號的比例混合器，它能夠允許的消防水流量范圍通常都較窄，最大的缺陷在于收縮段的存在會導致消防水的大幅壓降。

圖4 泡沫比例混合器

第四代產品為計量注入式泡沫比例混合裝置，常用原理如圖5所示，泡沫液儲存在常壓容器中，消防水管道中安裝流量計，流量信號傳送至控制器，控制器按照設定的泡沫混合比和消防水流量計算出所需的泡沫液流量，并通過控制變頻器、變頻電機、容積泵將需要的泡沫液從泡沫液罐中抽出注入消防水管道，與消防水混合形成泡沫混合液。這種泡沫比例混合裝置擁有眾多優點：可隨時添加泡沫液；如果選用了合理的流量計，消防水流量范圍可以很廣；由于泡沫混合不再需要比例混合器，因此就不存在壓降；泡沫混合比可隨時在控制器中設置，混合比可大可小，使用非常方便。但缺點是系統構成比較復雜，系統的供電可靠性要求較高。

還有一些其他的計量注入式泡沫比例混合方法，如同時在消防水管道和泡沫液管道安裝流量計，兩路流量信號傳送至控制器計算泡沫混合比，并將計算值與預設值進行比對，如果計算值大于預設值，則通過泡沫液管道上電控閥門開度的減少調整泡沫液流量，反之則增加閥門開度。不管是何種原理的計量注入式泡沫比例混合裝置，由于此類產品的泡沫混合原理與前三代產品有著本質的區別，現有產品標準根本無法對其進行產品檢測，按照現行的消防法規要求，第四代產品目前還無法進行工程應用。

圖5 計量注入式泡沫比例混合裝置

三、第五代泡沫比例混合技術的開發

要設計一種更完美的泡沫比例混合裝置，就需要避開上述四代產品的三個缺點：泡沫液不能隨時添加；比例混合器導致壓降；結構復雜、對供電依賴，可靠性低。

要能夠使泡沫液可隨時添加，需使用常壓容器儲存泡沫液。為了讓常壓泡沫液混合進有壓力的消防水，泡沫液就必須使用泡沫泵加壓，但如果要消除泡沫裝置對供電的依賴，泡沫泵就不能使用電機驅動，更不能使用其他如柴油機、汽油機驅動，那樣不但不能消除電控信號的不確定性，還將增加結構復雜程度。因此，泡沫泵的最佳動力來源只能是消防水。如果使用現有水輪機來驅動泡沫泵，又存在兩個問題：消防水被分流，導致大量能量流失浪費；泡沫混合比無法精確控制。

如果改變水輪機的使用方式，將其安裝到消防水管道上，就避免了消防水的分流。于是，初步確定這種泡沫裝置的主體由一種安裝在消防水管道上的特殊水輪機、聯軸器、消防泵組成。接下來就只有一個問題需要解決，那就是如何精確控制泡沫混合比了。要控制并保持混合比，就需要讓通過水輪機的消防水流量與通過泡沫泵的泡沫流量保持同步增加或減少。為了避免使用泡沫比例混合器和其他壓力控制設備，泡沫流量就需要能夠計量控制，使用容積泵（如柱塞泵、齒輪泵、葉片泵等）可使泡沫流量與轉速成正比，為了實現預設混合比，還需要將水輪機的輸出轉速和通過水輪機的水流量保持線性關系。于是第五代泡沫比例混合裝置的核心在于一種特殊的水輪機。

圖6 機械泵入式泡沫比例混合裝置外形圖

圖6是作者參照相關文獻和國外相關產品設計的第五代泡沫比例混合裝置的外形。這種裝置初步命名為機械泵入式泡沫比例混合裝置，現已申請發明專利一項、實用新型專利兩項。新設計的水輪機具有如下特點：消防水經過水輪機時沒有流量損失，通過水流壓力微降轉換的機械能驅動泡沫柱塞泵，將泡沫液加壓注入到消防水管道中，根據期望泡沫混合比選擇適當單轉流量的柱塞泵后，即可實現泡沫比例混合；這種特殊的水輪機最大的特點在于具有輸出轉速與通過流量成正比的關系，而這正是它與現有常規水輪機的最大區別。

四、機械泵入式泡沫比例混合裝置的典型應用

除了圖6所示的應用，為了能夠實現泡沫混合比的隨時調節，增加裝置的適用范圍，還可將聯軸器更換為無極變速箱，改變水輪機與泡沫泵之間的傳動比，通過調整水輪機與泡沫泵的速比實現不同泡沫混合比。還可以選配分動箱使水輪機同時驅動多個泡沫泵，使多種泡沫液（或其他添加劑）與消防水混合，形成多組分消防滅火混合液，原理如圖7所示，甚至可以同時使用分動箱和變速箱實現多組分混合與組分濃度的方便可調。

圖7 機械泵入式泡沫比例混合裝置典型應用

五、結論

本文設計了一種內部結構特殊的水輪機，通過水輪機從流經其中的消防水中獲取動力以驅動泡沫泵，抽取泡沫液再注入消防水，實現泡沫比例混合。此裝置無額外供電的需求，相當于在消防供水管道中加入了一個特殊的閥門，系統可靠性大大增強，結構大大減少。由于常用泡沫滅火時的混合比通常在0.1 %～6 %之間，需要注入消防水的泡沫液流量很小，因此水輪機需要輸出給泡沫泵的功率也會很小，所以水輪機對消防水的壓力損失相應也會很小。

而且由于泡沫泵是容積泵，泡沫液可直接注入消防水管道，無需任何比例混合器，從而也不存在比例混合器產生的額外壓力損失。水輪機和泡沫泵之間使用變速箱連接時，可通過調節傳動比方便調節泡沫混合比。使用分動箱連接時，還可同時混合多種介質。本裝置結構簡單可靠，配置靈活，具有很高的性價比和廣闊的市場前景。