机库内泡沫消泡剂和消泡装置

2013-01-11,,

船海工程 2013年4期

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(西安新竹防灾救生设备有限公司，西安 710075)

作战时由于机库内泡沫灭火系统在灭火后会堆积大量的泡沫，而泡沫在短时间内难易消除，会严重影响机库内的作战官兵的正常操作，所以机库内残余泡沫的清除成了必须解决的问题。目前主要的解决方法是用水或洗消液来对泡沫进行冲洗，但是水和洗消液喷放时容易对机库内的电器设备造成水渍伤害，为解决上述问题，需要一种具有消泡率高、污染程度低、无二次伤害的消泡装置，便于提高机库内二次作战能力。

机库内高倍泡沫灭火系统是根据“气液两相流”理论和“高分子粘膜成泡”理论在液包气原理中的实际应用而设计开发的，高倍泡沫发生器作为主要部件，是产生大量高倍泡沫群、实施高效快速灭火的关键装置。因为泡沫群的产生是将发泡网上的水膜吹出大小近似相等的泡沫相互连接而生成的，所以泡沫的性能与风压、表面张力、液膜厚度、液膜成分有关，见图1。

图1 泡沫生成示意

1 泡沫消泡的方式

高倍发生器生成的泡沫是将水和泡沫液按设定比例均匀混合后，经过管路末端的喷嘴喷放在发泡网上形成一层均匀的液膜，同时鼓入大量的空气将液膜以泡沫的形式吹出，大量被吹出的泡沫相互连接、堆积最终形成泡沫群。

因为泡沫在自然条件下能长时间保持形态、不容易破裂。在通常情况下，泡沫的破裂主要分为三个步骤：液膜的变形、液膜厚度的减小、液膜的破裂。

为了加快清除机库内的泡沫残余，机库内常用水和洗消液来进行泡沫的清除。水清除泡沫是最简单的物理消泡的方式，依靠水喷放后对泡沫的冲击力击破了泡沫表面的液膜，从而达到消泡的目的。洗消液清除泡沫是物理消泡方式和化学方式的结合。当洗消液喷放后不但对泡沫进行破坏性的冲击，而且洗消液与泡沫表面液膜接触后溶入液膜，使泡沫表面粘度降低，表面弹性变差，破坏了泡沫表面液膜的连续性，最终使泡沫破裂。但是，由于水和洗消液喷放后的水滴直径大、质量重，无法对泡沫全面的覆盖，以及水和洗消液容易对电子设备产生水渍伤害，所以水和洗消液的消泡方式都不理想。

使用“混合成分”配方消泡剂的消泡装置能够高效率地清除泡沫残余，且对电子设备无污染，该消泡装置使用细小颗粒为主要消泡物质，通过高压气体的泄放对细小颗粒的消泡剂提供了能够刺穿泡沫表面液膜的冲击速度。并且在消泡剂喷射后的末端，由于颗粒的直径小、重量轻，可覆盖在泡沫表面液膜上，加快了泡沫消泡的速度。

2 消泡剂的成分及作用

由于“混合成分”配方的消泡剂是将多种具有消泡作用的细小化学颗粒混合而成，消泡剂的颗粒与泡沫的表面液膜接触改变了泡沫在消泡时诸多的因素，所以加快了泡沫的消泡速度。

试验证明，消泡剂的细小颗粒直径越小，其群体的表面积就越大，与泡沫群的接触面积就越大，消泡速度越快；细小颗粒直径越大，群体的表面积就越小，与泡沫群的接触面积就越小，消泡速度越慢。所以，消泡剂的细小颗粒直径大小决定了消泡剂消泡效率的好坏。为了得到直径更加细小的消泡剂颗粒，“微细加工”技术的应用成为加工消泡剂的重要方式。该消泡剂的化学颗粒是通过气流粉碎机、球磨机等设备粉碎加工成平均物粒直径约为80 μm的细小颗粒。

混合成分配方的消泡剂具有消泡速度快、喷射后扩散面积大等特点，其主要的成分为氯化钠(NaCl)、二氧化硅(SiO2)、二甲基硅油、三氧化二铝(Al2O3)、亚铁氰化钾(K4Fe(CN)6·3H2O)等。

1)氯化钠。氯化钠是该消泡剂的主要成分，具有很高的溶水性，能降低其它物质在水中的溶解。因泡沫表面包覆气体的液膜是水和泡沫液的混合物，当消泡剂中氯化钠颗粒与液膜接触后，便迅速地和液膜中的水溶解，从而减低了泡沫液与水的溶解度，并将部分水析出，由于氯化钠颗粒与液膜接触面处的水被不断析出，所以接触表面的厚度也逐渐变薄，最终导致泡沫的破坏。当泡沫的薄膜破坏后，组成薄膜的液体会急剧收缩，将泡沫转换成表面积、表面积小的液体。液体在重力作用下流到下一个泡沫表面，继续析出泡沫表面液膜的水份，逐步得将泡沫层消除。

如图2所示，一个半径为1 cm，液膜厚度为10-3cm的气泡(约25 cm2的表面积)接触后，便迅速溶于泡沫的液膜中，使泡沫破坏，最终转变为一滴液体(表面积仅为0.2 cm2左右)。在液膜破坏时，在这种从高表面积转变为低表面积的过程中，会产生非常大的能量差，在液膜破坏时，其中的液体就会以1 000 cm/s的速度急剧收缩变成液体。

图2 NaCl颗粒的消泡过程

2)二氧化硅。二氧化硅是该消泡剂的配比成分，不溶于水、微溶于酸，稳定性强，虽然不能与泡沫的液膜发生反应，但是可以阻碍液膜的连续性，依靠外力可快速穿刺气泡的液膜，使气泡表面液膜产生空洞，并将气泡内包裹气体泄放，从而起到消泡的作用。

如图3所示，由于二氧化硅的颗粒不具有亲水性，所以在外力F的作用下，将一个二氧化硅的颗粒对气泡表面施压。首先使气泡表面凹陷，增大了气泡内的压力、减小了气泡液膜接触面的厚度；其次施加的力进一步地加大，致使二氧化硅的颗粒最终将气泡液膜击破；最后由于气泡表面破裂，内部压力气体向外泄放，破裂气泡的表面液膜急剧收缩成为液体。

图3 SiO2颗粒的消泡过程

3)二甲基硅油。二甲基硅油在水中的溶解低，活性却非常的高，它挥发性能低、并具有化学惰性的性能，在与泡沫表面液膜反应时，二甲基硅油起到减低气泡表面液膜的界面张力、铺展系数的作用。

如图4所示，消泡剂中通常是二甲基硅油包裹二氧化硅的颗粒起到破坏泡沫的作用。由于二甲基硅油包裹了二氧化硅的颗粒，是以二甲基硅油为基材，其不溶于水、较难乳化，当二甲基硅油包裹二氧化硅的颗粒与泡沫的表面液膜接触后(触面角度一般大于90°)，二甲基硅油便渗入到泡沫表面的液膜中，迫使泡沫的液膜从固体疏水粒子二氧化硅的表面排开，引起泡沫的局部迅速排液而导致破裂。

图4 二甲基硅油的消泡过程

4)三氧化二铝。三氧化二铝是一种不溶于水、质地坚硬、白色有尖锐棱角的固体，它是消泡剂在“微细加工”技术中必不可少的研磨剂，通过其自身仅次于金刚石的硬度，可在粉碎机、球磨机设备的加工中，将氯化钠、二氧化硅等颗粒打磨精细。

5)亚铁氰化钾。亚铁氰化钾是氯化钠的抗结剂，它的应用主要是防止消泡剂中氯化钠因吸收空气中的水份受潮而结块，致使微细的氯化钠颗粒抱团而转变成物粒直径大的颗粒，从而减低氯化钠颗粒总体表面积，影响氯化钠与泡沫表面液膜的反应。

3 消泡装置的设计

3.1 消泡装置的组成

推车式消泡装置见图5。

图5 推车式消泡装置

消泡装置应用消泡剂直径小、重量轻、易扩散的特点，采用“螺旋加速”喷射技术将具有细小颗粒的消泡剂喷放。喷射后覆盖泡沫与泡沫液膜的反应，气体泄放后消泡剂产生高速动能，并以螺旋、扩散状的喷射形式从喷射枪喷出，从而将消泡剂以击穿泡沫或与泡沫液膜反应的形式消除泡沫。

3.2 消泡装置的“螺旋加速”喷射枪

喷射枪是消泡装置中具有可调节喷射状态的主要设备，见图6。

图6 喷射枪结构

在喷射消泡剂时，通过三个步骤来完成消泡剂的“螺旋加速”。①用高压气体驱动消泡剂在喷射枪的枪座处通过分散球，将消泡剂分散为中空的消泡剂粉柱。②当分散后的消泡剂通过喷射枪的枪管处时，通过螺旋弹片改变直射喷射形式为螺旋状喷射形式。③通过喷射枪的枪头调节对螺旋弹片的压缩，改变其螺旋弹片的螺旋升角，并在枪头处缩口加压，最终将消泡剂颗粒以“螺旋加速”的形式喷出。

3.3 消泡剂颗粒的螺旋运动分析

在消泡装置贮气瓶压力气体驱动消泡剂颗粒的作用下，使每个颗粒在枪座处都具有轴向速度，当消泡剂颗粒通过枪管处的螺旋弹片时，螺旋弹片的螺旋升角改变了消泡剂颗粒的轴向运动，使消泡剂颗粒沿着螺旋弹片间的空隙螺旋运动，最后通过枪头处加压并以螺旋运动的轨迹喷出。

单个消泡剂颗粒喷射的运动轨迹见图7。

图7 消泡剂颗粒的运动轨迹示意

三种不同螺旋升角的消泡剂颗粒的运动轨迹见图8。

图8 不同螺旋升角喷射效果比较

3.4 消泡装置的气体施压加快泡沫的再分布

通常情况下，泡沫自主消泡是由作用于液膜上的大气体压力所引起的，并且影响着单个泡沫中液体包裹气体的内部压力，是由液膜的曲率半径所决定。不同螺旋升角消泡剂颗粒喷射比较见表1。

表1 不同螺旋升角消泡剂颗粒喷射比较

单个泡沫的内外压差示意图见图9。

图9 泡沫的内外压差

如图9所示，由于泡沫的表面液膜厚度非常的薄，有内、外两个表面，内外膜的半径近似相等，设A、B、C三点处的压力为pA、pB、pC则

pB=pA+2α/R

pB=pC-2α/R

(1)

pC-pA=4α/R

式中：α——表面张力系数。

由此可见，泡沫内压强大于泡沫外压强，并且与泡沫成反比关系，在同样的压力情况下，泡沫半径越小，其内部压强就越大。

实际中，气体通过液膜由高压泡沫向低压泡沫处扩散。于是气压高的小气泡变小，气压低的大气泡变得更大。即使两个气泡的曲率半径之差开始并不大，气体的扩散也会逐步加大这种差别，而最终使泡沫液膜破坏。

以两个相邻气泡组成的泡沫体系为例，见图10。以R、r分别代表大、小气泡液膜的曲率半径。设大气的压力为p，液体的表面张力为α，那么大气泡中的压力为p+4α/R，而小气泡中的压力为p+4α/r，小气泡中的压力要比大气泡中的压力高，压力差为4α(1/r-1/R)。两个气泡交界处的液膜是由小气泡向大气泡中凹进。