优化压力式泡沫比例混合器设计方法探讨

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(1.九江中船消防设备有限公司，江西 九江 332000；2.海军装备部驻426厂军事代表室，辽宁 大连 116005)

泡沫灭火系统是舰船上常用的一种灭火系统，主要用于控制和扑灭油类火灾。泡沫灭火系统分类很多，其中压力式系统是目前舰船最常用的一种，具有造价低、性能可靠等优点，常用来保护油舱甲板、直升机甲板以及主机等部位。在压力式泡沫灭火系统中，压力式比例混合器是最核心的部件，它借助于文丘里原理将泡沫液从密闭储罐内排出，并按比例与水混合，是将泡沫液混合比控制在合理范围内的关键步骤。

影响比例混合器性能的因素有很多，如喷嘴前后压力差、喷嘴孔径、节流孔板孔径、主管通径、泡沫进水管通径、泡沫出液管通径、泡沫液粘度以及消防水流量等，其中喷嘴前后压差是连接其余各个因素的纽带。此前有的设计思路是先确定喷嘴孔径，然后再确定压力差，喷嘴确定时没有考虑罐体进水管通径、泡沫出液管通径等其它因素的影响[1]；文献[2]给出了比例混合器的设计方法，其喷嘴孔径由主管压力和流量确定，在具体计算分析中得到的喷嘴前后压差高达52.6 m，这势必会带来能量损失和大的管道振动。

本文从喷嘴前后压力差这一因素入手，用Matlab软件分析不同流量、不同主管通径、不同进水管和泡沫出液管通径、不同混合比等情况下压力式比例混合器喷嘴前后压差与喷嘴孔径与节流孔板孔径的关系，绘制关系曲线，以使喷嘴压差取值更加合理，也使得设计过程更加简便、直观。

1 数学模型

1.1 喷嘴孔径的确定

压力式比例混合器工作原理见图1。

图1 比例混合器工作原理

消防主管中的水一部分通过喷嘴进入喉管，喷嘴孔径小于主管管径，所以喷嘴前后会形成压力差。由于压力差的存在，消防水的一部分会通过进水管进入泡沫罐，挤压泡沫罐内的胶囊使泡沫液通过出液管进入比例混合器，与通过喷嘴的消防水混合以形成泡沫混合液。由于比例混合器属于管道范畴，且通常情况下为水平安装，所以根据伯努利方程，喷嘴前后存在如下关系。

(1)

vp=ρgH

(2)

(3)

将式(1)、(2)、(3)联立，得出喷嘴的孔径的表达式为

(4)

式中：p1、p2——喷嘴前后的压力；

v1、v2——喷嘴前后水流的速度；

ρ——流体密度；

H——压力差对应的水柱高度；

Q——主管流量；

Q1——喷嘴流量；

M——混合比；

G——重力加速度，9.8 m/s2；

D1——主管通径；

D2——喷嘴孔径。

1.2 节流孔板孔径的确定

在比例混合装置工作时，一部分水通过喷嘴，另一部分通过进水管进入罐体，并挤压出泡沫液，泡沫液经过出液管和节流孔板进入比例混合器扩散管混合，所以存在如下关系。

H=h1+h2+h3

(5)

式中：H——压力损失，大小与喷嘴前后压差一致；

h1——泡沫罐进水管的压力损失；

h2——泡沫出液管的压力损失；

h3——节流孔板的压力损失。

对于h1和h2，存在如下关系。

(6)

(7)

2 320

∑ξ12——进水管的局部摩阻系数，可查表1获得；

∑ξ22——泡沫出液管的摩阻系数，其值需要校正，大小约为局部摩阻系数表中查询值的2倍；

v——进水管和出液管流速；

L1、L2——进水管和出液管长度；

d1、d2——进水管和出液管通径。

表1 局部阻力系数

当h1和h2确定后，可由下式确定节流孔板压差h3。

h3=H-(h1+h2)

(8)

(9)

联立式(8)(9)，可得局部阻力系数ξ3，查减压孔板的局部阻力系数表[4]，用线性插值方法即可得出节流孔板孔径dk与泡沫出液管通径d比值m的大小，进而得出节流孔板孔径dk

dk=md

(10)

2 结果分析

设泡沫罐进水管长度L1=1.5 m，出液管长度L2=2.0 m，水密度为1 000 kg/m3，泡沫液密度为1 100 kg/m3，泡沫液动力粘度为0.02 Pa·s，水的粘度为0.001 5 Pa·s。用Matlab软件对上述数学模型进行编程，以此对流量分别为32、48、64 L/s，混合比为3%和6%的比例混合器，在喷嘴前后压力差H为0～35 m范围内计算对应的喷嘴孔径和节流孔板孔径，并形成关系曲线图。

计算结果见图2～5。

图2 3%混合比PHY32 喷嘴孔径、孔板孔径与压差关系

图3 6%混合比PHY32 喷嘴孔径、孔板孔径与压差关系

图4 3%混合比PHY48 喷嘴孔径、孔板孔径与压差关系

图5 6%混合比PHY48 喷嘴孔径、孔板孔径与压差关系

图2是型号为PHY32比例混合器在混合比为3%时节流孔板孔径D2与喷嘴孔径dk随喷嘴压差H的变化关系。当罐体进水管为DN25、压差为30 m时，喷嘴和孔板的孔径分别为39.5 mm和9 mm，这与本公司的PHY32型比例混器相关尺寸一致，验证了计算过程的正确性。从图2中还可以得出，DN25管对应的孔板孔径在压差为5～35 m范围内均能取有效值，DN32管范围为1～32 m，DN40管范围为0.5～13 m，DN50管范围为0.2～6.0 m，取值范围不同取决于节流孔板压差在总压差中的比重，管径越大比重越大。建议在设计时，在压差有效范围内尽量取小值，这样有利于减小管道流体总的能力损失。

分析图3～5，喷嘴和孔板孔径的变化趋势和

图2类似，但综合分析可以看出，在有效的压差范围之内，随着压差的增大，不同通径对应的喷嘴孔径和不同进、出液管对于孔板孔径大小分别趋于统一。另外，对比分析图2～5，罐体进、出液管取值DN25可满足PHY32要求，但对于PHY32罐体进、出液管取值至少为DN32。

3 结束语

每个流量Q、每个压差H都可以在图中快速地找到对应的喷嘴孔径和节流孔板孔径，无需反复对公式进行计算，且能在图上方便地看出不同节流孔板孔径和喷嘴孔径在不同压差时的变化趋势，便于合理选择喷嘴压差区间，极大地简化了设计过程。

[1] 张连城.压力比例混合器的原理和理论计算[J].消防产品与技术信息，2004(1)：24-28.

[2] 闵永林.压力式空气泡沫比例混合装置设计理论和试验研究[D].上海：上海交通大学, 2001.

[3] 路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 中华人民共和国公安部.GB50151—2010泡沫灭火系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.