管線式負壓泡沫比例混合器參數設計方法淺析
2019-03-05 21:24:32曾令旗徐紀元
科學與技術 2019年3期
曾令旗 徐紀元
摘要：管線式負壓比例混合器是供泡沫液發泡的重要裝置，其設計參數對比例混合器的發泡性能具有至關重要的影響。本文計算出管線式負壓比例混合器的喉管尺寸，并通過泡沫滅火設備設計要求的參數對喉管尺寸、混合比等參數進行驗證，最終得到穩定的比例混合器混合比，使比例混合器具有良好的吸液效果。
關鍵詞：泡沫滅火系統;比例混合器;設計參數
泡沫比例混合器[1]是一種使水與泡沫液按規定比例混合成混合液以供泡沫產生設備發泡的裝置。我國目前常用的比例混合器形式有：環泵式負壓比例混合器、管線式負壓比例混合器[2]、壓力式比例混合器、平衡式壓力比例混合器等。其中，管線式比例混合器是利用文丘里管的原理在混合腔內形成負壓，在大氣壓力作用下將容器內的泡沫液吸到腔內與水混合，其結構簡單，在移動、半固定式泡沫滅火系統中具有廣泛應用[4]。
1 結構及原理
如圖一所示，比例混合器主要有四部分組成：噴嘴、吸入室、喉管和擴散管。
其工作原理如圖一所示，將外界提供的壓力水通過噴嘴高速噴出，同時靜壓能部分轉換為動能。管內形成真空，泡沫原液從泡沫貯液箱中經吸液管路被吸進吸入室，再進入喉管內。兩股液體在喉管中進行混合和能量交換，壓力體速度減小，被吸液體速度增大，壓力逐漸增加，在喉管出口處速度趨于一致。混合液體通過擴散管時，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動能轉化為壓力能，混合液體壓力隨之升高，再經連接管路輸送至下面連接的管路。
2 設計方法分析
由流體力學理論得知：
（1）
式中：q——吸入流量，m3/s;
P2——喉管壓力，Pa;
g——重力加速度;
γ——液體比重，N/ m3;
h——吸入高度，m;
——比例混合器喉管處的液體靜水頭，m。
由式（1）可知，吸入流量是隨喉管真空度的變化而變化的。當<0時，即比例混合器內產生負壓時，比例混合器才可能吸入液體。所以，比例混合器的設計方法應該是：先確定比例混合器的流量，計算比例混合器參數，最后計算吸入量驗算混合比。
3 比例混合器結構參數的計算
3.1 泡沫混合液流量Q的確定
根據設備的設計參數，一般泡沫混合液流量Q的取值范圍Qmin-Qmax是已知的。
3.2 比例混合器進口直徑d1及喉管徑d2的計算
本次消防泡沫軟管站選用不銹鋼無縫鋼管的標準管徑，為d1=50mm。
由伯努利方程[3]可推得：
（2）
式中：——下臨界流量，指比例混合器開始吸液時管中通過的流量，m3/s;
——比例混合器進口直徑，m;
——比例混合器進口壓力，Pa;
——液體比重，N/ m3;
——喉管直徑，m。
而比例混合器的進口壓力為：
（3）
式中：P——管道進水口壓力，范圍為0.7-1.2MPa;
P前——比例混合器與消防水泵之間連接管道、閥門管接件所產生的壓力損失，需進行水力計算求得，MPa。
根據Qmin、P1，結合其他已知條件即可求出d2。
3.3 喉管處液體高度的計算
考慮到比例混合器在吸入液體過程中是穩定的，所以比例混合器管路中的水流可視為恒定流。根據伯努利方程：
（4）
式中：?/——比例混合器進口的靜水頭m;
V1、V2——分別為比例混合器進口處、喉管處的液體流速m/s。
用Qmin、P1min以及d2等代入式（4），計算（/）min，檢查是否滿足< 0。如果不滿足，調整d2，直至滿足要求為止。滿足要求時的d2稱為計算d2。再計算P1min時的Qmin、（/）min值。其中
3.4 最大流量的計算
通常，當喉管真空度大于90 kPa時，可能出現汽化，這時比例混合器則無法抽吸，按這一點計算的流量稱最大流量。最大流量按下式計算：
（5）
將P1min、P1max等代入式（5），求比例混合器在最大可能的極限工作壓力情況下的Qmax，再根據式（4）計算對應于Qmax的（/）max值，若算得（/）max?<-9m，則減小Qmax，重新驗算。
3.5 混合比計算
根據式（1）及式（2）知：
（6）
為滿足混合比設計要求，根據標準《GB 20031-2005泡沫滅火系統及部件通用技術條件》的規定，有3%≤K≤3.9%。
故為保障在最低流量和最低壓力時比例混合器的的吸液效果，我們需用Qmin、P1min以及計算d2等代入式（4），計算（/）min，此時需滿足< 0，且將計算出的（/）min、P1min以及d2等代入式（6），求得的混合比應滿足3%≤K≤3.9%。
設備在噴射使用時通過調節噴槍開口大小，可調節流量大小，在壓力不變的情況下噴槍噴射距離與流量大小成反比。所以要保障在最低流量要求下，整套設備的射程不低于設計要求，需調小噴槍的開口，使泡沫混合液的流速增加，同時噴槍出口壓力增加。為保證噴槍出口有足夠的壓力來保障設備的射程，對于比例混合器來說，需減小自身的壓力損失，從結構上來說，設計時需注意減小比例混合器各段的局部壓力損失。
4 結論
本次設計的管線式負壓比例混合器，對應設備的性能參數對比例混合器的喉管尺寸進行了設計計算，并用混合比進行最終的驗證，使整個比例混合器具有更加穩定的混合比，并且在最低流量和最低壓力時，該裝置也能達到很好的吸液效果，滿足混合比要求。很多地方考慮得還不夠完善，有待進一步探索、研究。
參考文獻
[1]羅宗軍，王海娟，李婧，李云，經子彤.壓力式比例混合器的結構特性研究[J].消防科學與技術，2018，37（09）：1225-1227.
[2]陳旭馗. 管線式負壓比例混合器設計及分析[D].湖南大學，2018.
[3]朱延春.淺析新型泡沫比例混合器的應用[J].消防界，2017（08）：86+88.
（作者單位：中海油安全技術服務有限公司）
