帶空氣輸送功能的消防水帶設計研究

李　明

(南通市消防支隊，江蘇 南通　226000)

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帶空氣輸送功能的消防水帶設計研究

李明

(南通市消防支隊，江蘇 南通226000)

根據消防部隊指戰員在滅火救援現場作戰時，需要純凈、可靠的空氣滿足在惡劣環境下的作戰需求，提出了一種安全可靠的消防員呼吸供給系統，在消防水帶中心處加裝空氣輸送帶，并連接現有配備的正壓式空氣呼吸器面罩，實現遠程長效供氣。同時，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對方案進行現實工況的模擬分析，論證了設計方案的可行性。

正壓式空氣呼吸器；空氣輸送；消防水帶

隨著國民經濟的迅速發展，火災發展形勢多元化，呈現出火災荷載大、面積廣、樓層高等客觀情況，消防員在火災搶救現場因防護裝備氧氣不足而犧牲的事件時有發生，新型消防員個人防護裝備的研發勢在必行。以下就分別介紹現有正壓式空氣呼吸器使用現狀及空氣輸送式消防水帶的設計理念和應用前景。

1　正壓式空氣呼吸器使用現狀

正壓式空氣呼吸器是基層消防部隊官兵個人防護裝備中的重要組成部分，是保障消防官兵在濃煙、有毒、缺氧等各種環境下，安全有效地進行滅火和搶險救援工作的呼吸防護器具。然而近年來，消防官兵在使用正壓式空氣呼吸器進行滅火救援任務時，由于操作使用不規范、氣瓶使用時間偏短等問題，造成指戰員在火場內部因吸入高溫煙氣，導致呼吸道灼傷，甚至犧牲，可謂教訓慘痛。筆者對本單位空氣呼吸器使用情況進行了調研、測試和分析。

1.1國內外呼吸器應用情況

空氣呼吸器的工作原理是氣瓶內的壓縮空氣經氣瓶閥進入減壓閥實現減壓，經中壓導管進入供氣閥，依據佩戴者的呼吸需求進行供氣，呼出氣體通過排氣閥進入外部環境。目前全世界空氣呼吸器生產企業多達數百家，產品類型繁雜，其主要發展方向為便捷化、小型化、智能化[1]。正壓式空氣呼吸器的Rax面罩適用于亞洲人臉型，佩戴舒適，能快速插接供氣閥，具有體積小、重量輕、操作方便的特點，主要由輕型背托、碳纖維氣瓶、面罩、壓力表、減壓閥等部分組成。

1.2當前南通消防部隊空氣呼吸器配備情況

從統計情況來看，目前南通市公安現役消防隊配備的正壓式空氣呼吸器為3個品牌共681具，政府專職消防隊配備431具，其中依格、寶亞兩種品牌是現有配備款式相對較新、使用頻率較高的空氣呼吸器。

1.3空氣呼吸器在多種情況下的使用時間測試

筆者選用南通消防支隊基層中隊配備使用最多的依格品牌，以氣瓶容積為6.8 L、工作壓力為30 MPa為例進行試驗，對空氣呼吸器在不同情況下(負重登樓以2 min為時限)的使用時間情況進行測試，并將測試情況取平均值進行匯總，結果見表1。

表1　不同情況下空氣呼吸器使用平均時間

有專家研究表明，當外部環境溫度超過35 ℃時，人體就會心跳加快、血液循環加速，促使呼吸加快以呼出體內代謝產生的熱量[2]。結合試驗數據，筆者分析，在滅火救援現場濃煙高溫情況下，因高溫、內心恐懼情緒加之救援任務緊迫繁重，在這種狀態下使用空氣呼吸器，其使用時間與測試情況下使用時間相比，將有所減少。為此，除提升消防官兵身體業務素質、良好心理素質及裝備科學使用來提升空氣呼吸器使用時間外，創新空氣呼吸器的供氣方式將成為提升消防官兵火場作戰時間的重要手段。

2　現有氣水分離器

2.1旋風式氣水分離器的工作過程與原理

旋風式氣水分離器綜合應用了離心分離、重力分離及膜式分離作用來進行氣水分離，結構如圖1所示[3]。其工作原理及過程為：具有很大動能的氣水混合物沿切線方向引入旋風分離器的筒體，使其由直線運動轉變為旋轉運動，形成離心力(比重力大17.9～47.5倍)，這些水滴在隨氣流螺旋上升的過程中，逐漸被推向壁面。當蒸氣通過旋風筒上部的百葉窗波形板頂帽時，又靠膜式分離使蒸氣進一步被分離。鍋內旋風分離器是一種非常有效的氣水分離裝置，其分離效率高達99%左右。

圖1　旋風式氣水分離器的結構示意圖

2.2擋板式氣水分離器的工作原理

擋板式氣水分離器(如圖2所示)的工作原理為：通過分離-降速、離心、碰撞、變向、凝聚等原理，除去壓縮空氣(氣體)中的液態水分，達到凈化的作用，其常安置在后冷卻器的后面。

圖2　擋板式氣水分離器結構示意圖

2.3現有氣水分離器的應用分析

現有的氣水分離器，無論是旋風式還是擋板式，其均主要運用于壓縮氣體的除雜(除去壓縮氣體里的水分或其他質量大于空氣的雜質)，其具有良好的除雜效果，可達到99%。但消防設備中質量大的水占據大的比例，因此該技術不適用于消防水中的氣水分離。

3　空氣輸送式消防水帶設計與研究

3.1空氣輸送式消防水帶設計方案

本方案擬在原有消防水帶內加裝一空氣輸送帶，用于給消防官兵輸送空氣；該方案為消防官兵延長寶貴救援時間的同時，保障了其呼吸的暢通；本方案在接口處采用直板固定結構，增強了接口處的機械強度；同時為了提高空氣接口處的安全系數，分散該處的作用壓強，在空氣接口處采用錐形結構，如圖3所示。

圖3　方案結構示意圖

3.2空氣輸送式消防水帶性能研究

3.2.1消防水帶改進前后壓力對比

由圖4可知，隨著消防水帶距離消防車高壓水泵的軸向距離的增加，在大氣壓、重力、消防水帶摩擦阻力等因素的作用下，水帶內水的壓強也呈現非線性降低。

圖4　消防水帶軸向水壓壓強

圖5和圖6所示為ANSYS Workbench[4]依據實際工況模擬分析出的消防水帶內軸向及徑向的壓強分布圖。由圖6可知，在直板支架處，水流的作用壓強有所增大；但由于消防水帶內的水流為湍流，因此支架各處的壓強分布有所差異。圖7所示為支架直板處的水壓壓強分布。

由理論力學的知識可知，當空氣輸送式消防水帶內空氣的作用壓強大于消防水帶內水壓對空氣輸送帶的壓強時，空氣輸送式消防水帶可實現輸送空

圖5　基于有限元分析的水帶內壓強分布

圖6　　　　基于有限元分析的帶有空氣輸送式

圖7　　　　基于有限元分析的橫片支架處的

氣的功能。圖8為空氣輸送帶內空氣的壓強和消防水帶內水壓對空氣輸送式消防水帶的作用力的分布圖，由此圖可知無論是空氣，還是水的壓強均是均勻沿著軸向作用于空氣輸送式消防水帶上，當空氣輸送式消防水帶上有壓強差時，其將產生形變。

圖8　空氣輸送式消防水帶受力分析

3.2.2消防水帶改進前后流體流速的對比

圖9和圖10分別為加裝空氣輸送帶后消防水帶內水流速度矢量分布。從圖中可知在加裝空氣輸送帶后，消防水帶相同位置橫截面處的水流面積有所減少，但同時隨著消防水帶單位長度內水的體積減少，在相同高壓水泵作用下，其水流速度增加；因此在單位時間內加裝空氣輸送帶前后，從水槍內流出水的質量相差不大。

圖9　消防水帶內水流速度矢量圖

圖10　帶有空氣輸送帶的消防水帶內水流速度矢量圖

4　結論

綜上所述，在模擬消防水帶的實際工況下，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench進行模擬分析可知：(1)現有氣水分離器的工作原理限定了其工作范圍，其僅適用于大量壓縮氣體的除雜(去除大量氣體中的水分等)，而不適于從消防水中分離出供給消防員呼吸的空氣的工況；(2)當空氣輸送帶內的空氣壓強大于消防水帶內水壓對其的作用壓強時，該設計方案可以滿足設計要求；(3)該設計方案對消防水槍出水量的影響較小。

[1] 趙新.淺談空氣呼吸器的使用與保養[C]//中國職業安全健康協會2008年學術年會論文集.2008.

[2] 張景.空氣呼吸器使用時間測試及其在實戰應用中應該注意的幾個問題[J].消防技術與產品信息,2014(2):44-46.

[5] 李建華,黃鄭華.核輻射事故及其應急救援的特點[J].輻射防護通訊,2005,25(5):22-25.

[3] 張冬梅,王保華.壓氣旋風式吸氣裝置設計[J].設備管理與維修,2014(9):64-66.

[4] 崔俊芝.有限元結構分析軟件述評(一)[J].計算結構力學及其應用,1985,2(4):75-82.

(責任編輯馬龍)

On the Design of a Fire Hose with Air Convey

LI Ming

(NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince226000,China)

This paper offers a design of a fire hose with a air convey band in it connected to a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus for a long time air supply, which meets the need of supplying clear and stable air for a fire fighting in a serious situation. A design simulation has been done through ANSYS Workbench software for the feasibility of this design.

a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus; air convey; fire hose

2016-01-15

李明(1973—)，男，江西彭澤人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0021-04