压缩空气泡沫性能浅析

刘金革，钟高跃，龚海军，韩 焦，石祥建

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

1 概述

消防安全是一个永恒的话题，一旦发生火灾，轻则造成经济损失，重则危害人员安全。毫无疑问，水是迄今为止最常用的灭火介质，但是仅适用于A类火灾，即易燃固体火灾，并且由于纯净水具有较高的表面张力难以渗透到某些多孔固体中，尤其是含有疏水性的材料表面。此外，灭火过程中，水在非水平表面流失严重，不具备防复燃特性。

灭火泡沫具有密度小、阻隔热辐射等特点，覆盖在可燃固体或液体材料表面，有效扑灭正在发生的A 类和B 类火灾并防止复燃。在很多情况下，相对于灭火特性，泡沫的防复燃特性具有更加重要的作用。按发泡方式不同，泡沫可以分为吸气式和正压式，其中正压式按气源不同又分为压缩氮气式和压缩空气。压缩空气泡沫最初是指A 类泡沫，事实证明用压缩空气产生的B 类泡沫且具有更好的灭火性能[1-3]。与传统的吸气式泡沫相比，压缩空气泡沫具有结构细密、均匀，稳定性高，低摩擦阻力和发泡倍数可控等特点，越来越多地应用于森林、市政建筑、军事设施、油罐等[4]。从灭火原理、成泡机理、演变特性和性能参数等方面深入分析了压缩空气泡沫，并指出目前研究方向，可为压缩空气泡沫技术开发和工程应用提供参考。

2 灭火原理

众所周知，可燃物、助燃物和点火源是燃烧三要素，构成燃烧三角形，如图1 所示。只有一定浓度的可燃物和助燃物充分混合才能够点燃，而源源不断的可燃物和助燃物的供应是保证燃烧持续的充分条件。事实上，液体燃料并不直接燃烧，而是液体燃料蒸气与空气充分混合才易燃。灭火泡沫覆盖在易燃固体表面或易燃液体油面上形成一层厚厚的泡沫毯，对燃料和空气的总量没有影响，而是将可燃物与空气隔绝达到灭火的目的。对于液体燃料，灭火泡沫能够有效地阻隔外部热辐射降低燃料蒸发量。此外，灭火泡沫析出的液体蒸发会吸收一定的热量起到冷却的作用，但是泡沫液蒸发带走的热量不足同时段燃烧放出热量的5%[5]。因此，泡沫灭火中，蒸发冷却的作用基本可以忽略，而绝热和隔绝氧气起主导作用。

图1 燃烧三角形

为了更好地扑灭固体火灾，泡沫液的表面张力必须小于固体燃料的临界表面张力才能完全润湿固体燃料表面并渗透固体毛孔，有研究表明各类木材的临界表面张力范围为45dyn/cm～48dyn/cm[6-7]。一般地，纯水的表面张力为72dyn/cm，而含烃表面活性剂泡沫液的表面张力约为26dyn/cm，含氟表面活性剂泡沫液的表面张力可降至17dyn/cm，因此泡沫析出液比纯水更具有固体燃料润湿性和渗透性，此外泡沫能够吸附在固体燃料表面减少了水分的流失。

对于非水溶性液体燃料选用非水成膜泡沫，燃料蒸气会与泡沫孔内的空气混合，形成微小的局部易燃环境，随着泡沫的合并和破裂，受燃料蒸气污染的泡沫很容易闪燃，因此非成膜泡沫不具备防复燃特性。含氟表面活性剂能够在非水溶性燃料表面形成一层水膜，将燃料蒸气阻挡在泡沫毯以下，使泡沫免受燃料蒸气的污染，因此具有很好的防复燃特性。而水成膜泡沫不能用于灭火水溶性燃料火灾，这是因为泡沫中的泡沫液和燃料表面的水膜会融入水溶性燃料中，造成泡沫的快速降解而坍塌。通过添加高分子聚合物可以制成抗溶性泡沫，泡沫中的高分子聚合物随着析液过程的进行沉淀到燃料的表面形成连续膜，阻碍极性燃料和泡沫液的混合，进而防止燃料蒸气污染泡沫，如图2 所示。

图2 抗溶性泡沫用于水溶性灭火示意图

3 成泡机理

压缩空气泡沫的发泡过程分为两步，第一步，按一定的比例将泡沫浓缩液和水混合配成泡沫混合液，泡沫浓缩液所占的体积比称为稀释比，例如6%，3%或1%。一般地，泡沫浓缩液的稀释比越小越好，稀释比越小则配备同样的泡沫混合液所需要的泡沫浓缩液的越少，其储存和运输成本就比较低；第二步，则是利用一定倍数比的压缩空气剪切和搅拌泡沫混合液形成空气与水的分散体，即泡沫。

泡沫是一种液体连续、气体不连续的气-液分散体，发泡过程伴随着表面积的急剧增加，这一过程需要外界对其做功，意味着体系的能量增加。表面张力越大则代表增加单位表面积时增加的能量越大，系统越不稳定。如前所述水的表面张力高达72dyn/cm，很难成泡，且成泡以后极不稳定，如图3所示。泡沫混合液之所以容易成泡，是因为中含有由亲水基团（头基）和疏水基团（尾基）组成的表面活性剂，填充空气-水界面处，形成一层单分子薄膜，大大降低了液体的表面张力，同时增加了泡沫稳定性的作用，如图4 所示。此外，泡沫液中还含有一定量的硫酸亚铁或乙二醇丁醚等稳泡剂，提高泡沫的持水时间，增强泡沫的稳定性。

图3 纯水中气泡的形成过程[8]

图4 泡沫混合液中气泡的形成过程[8]

在发泡过程中，必须保证泡沫混合液中含有足够的表面活性剂填充于增加的空气-水界面。用临界胶束浓度（CMC）表示设定温度下给定溶液中表面活性剂的饱和点[5]，低于临界胶束浓度则泡沫混合液的表面张力降低不够，过高于临界胶束浓度并不能进一步降低表面张力而造成表面活性剂的浪费。因此，在泡沫混合液中表面活性剂的浓度应略高于其临界胶束浓度，这需要根据泡沫浓缩液的稀释比（例如6%，3%或1%）调整配方。

在压缩空气泡沫发泡过程中，气液混合是关键，由于是在较大压力下完成，反应速度极快，混合效果的好坏与混合器的结构和气液流量比等诸多因素有关。袁野[9]运用Fluent 分别仿真分析了T 型管和内置挡板混合器中气液混合的效果，研究表明，在T 型管中泡沫以聚变为主，而内置挡板混合器中挡板处的涡旋会使气液混合更加剧烈，强化混合效果，且泡沫以破碎变化为主使得结果更加致密，但增加挡板会增加系统的压力损失。在混合器结构和泡沫液流量压力参数不变下，随着气体流量的增加，气液两相流体在水平管道中会出现细胞状流型、气塞状流型、分层流型、波装分层流型、气弹状流型及环状流型。前四钟流型均无法很好的实现压缩空气与泡沫液的充分混合，释放装置喷出泡沫液的同时也会喷出大量的泡沫液，产生的泡沫数量少且稳定性较差，而出现环状流型则表示压缩空气和泡沫液能实现最大程度的混合，且生成的泡沫的质量较好[10]。如图5 所示。

图5 水平管道中气液两相流流型[10]

泡沫是一种非稳定物系，静置状态会伴随着析液和聚变现象，但压缩空气泡沫在管道中则会保持一个较为均匀的状态，不会发生两相分离现象，但由于管道中始终保持一定的静压使得的泡沫内部气相一直处于一定的压缩状态，加上管道中泡沫具有一定流速，不仅不易析出，还会使析出的少量液体迅速重新混合。因此管道中流动的压缩空气泡沫与弥散流结构相似，可以认为是一种气体体积分数较大、气泡小而多的弥散流[11-13]，如图6 所示。

图6 弥散流与压缩空气泡沫管道内流动结构对比[11]

4 演变特性

泡沫从释放装置喷出后就处于非平衡的状态，随时间推移其结构会发生变化，大致分为三个阶段：1）泡沫长大阶段，泡沫结构仍然保持球形或椭球形；2）球形或椭球形泡沫向多面体泡沫转变的过渡阶段；3）完全转变成多面体泡沫阶段，水成膜泡沫的演变过程如图7 所示[14]。在演变过程中，泡沫的直径随着时间逐渐增加，数量则逐渐减少，且在初始阶段泡沫数量减少的比较迅速，之后逐渐变缓。

图7 泡沫演变过程中直径与数量的变化规律[14]

为了更好地研究泡沫演变的机理需要了解泡沫的内部微观结构，根据其内部排列规律采用单元体法进行研究，选择4 个相邻的气泡为一个基本单元[15]，4 个气泡的交汇点叫节点（node），3 个气泡围成凹三角形通道叫帕拉图通道（PBs），2 个气泡间形成一个液膜（film），一个典型泡沫基本单元体是由1个节点、4 个柏拉图通道和6 个液膜组成。泡沫的变化涉及泡沫渗流、液膜破裂和气泡扩散三个机制[9]。根据拉普拉斯公式，由于表面张力的存在，弯曲液面内外的压强不等，其压强服从拉普拉斯公式，如公式（1）所示，等号右侧对于凸液面取正，对于凹液面取负。

式中：Pin—液面内部压强；

Pout—液面外部压强；

γ—液体表面张力；

R—液面的曲率半径；

可以将泡沫看成很薄的球形液膜，如图8 所示，假设A、B、C 三点的压强分别为Pa、Pb和Pc，则液膜内外压强差值可按公式（2）计算。

图8 液膜结构简图

从公式（2）可以看出液膜内压强大于液膜外压强，其差值与半径成反比，即泡沫越小，则泡沫内部压强越大。在泡沫堆中体积小的泡沫会并入体积大的泡沫中，而体积大的泡沫不稳定，最终在重力作用下破裂，因此在演变过程中泡沫体积逐渐变大，数量逐渐变小。这一过程在泡沫喷射初期进行的比较迅速。

5 性能参数

压缩空气泡沫有平均尺寸、发泡倍数、析液特性、辐射阻隔性、抗烧性、可燃面覆盖性和灭火有效性等性能参数，其中，平均尺寸越小，整个泡沫体系的稳定性越好；发泡倍数确定了泡沫的干湿程度，越干粘性越好，越湿则流动性越好；析液特性反映了泡沫的保水能力和火灾防护能力；辐射阻隔性和抗烧性反映了泡沫对可燃物的保护力度和时间；可燃面覆盖特性反映泡沫在液体燃料覆盖的速度；灭火特性泡沫好坏的最直观的评价指标。泡沫的性能参数很大程度受到泡沫混合液性能的影响，包括表面张力、粘度和铺展性等参数。泡沫混合液参数和压缩空气泡沫参数如图9 所示。

图9 灭火泡沫性能参数

事实上，不同的泡沫特性参数之间也是相互关联的，比如发泡倍数高则泡沫越干，析液时间相对较长，流动性越差，可燃面覆盖性较差，辐射阻隔性和抗烧性较差。发泡倍数能够准确的反映出气液混合情况，而析液时间能够描述气泡的稳定性，因而冷喷试验中常常把这两个参数作为泡沫好坏的评判指标。发泡倍数和析液时间成正相关变化关系，如图10 所示。

图10 发泡倍数和析液时间[9]

6 总结

从灭火原理、成泡机理、演变特性和性能参数等方面深入分析了压缩空气泡沫，具体如下：

1）压缩空气泡沫具有绝热和隔绝氧气的作用，能够有效扑灭A 类和B 类火灾，其中扑灭水溶性液体火灾必须采用抗溶性泡沫液。

2）压缩空气泡沫成泡过程分为泡沫液稀释和压缩空气剪切，成泡效果受到多种因素的影响，其中，泡沫液中的表面活性剂有效降低了纯水的表面张力是成泡的先决条件，同时气液混合器的结构，气液流量比和压力比等是泡沫质量的重要影响因素。

3）由于管道压力的存在，压缩空气泡沫在管道中流动不会发生气液分离，其流动状态类似弥散流。

4）由于泡沫渗流、液膜破裂和气泡扩散三种机制的影响，释放之后的压缩空气泡沫会逐渐发生聚合和破裂，致使泡沫直径变大，数量逐渐减少，这一过程在泡沫喷射初期进行的比较迅速。

5）压缩空气泡沫的性能参数包括平均尺寸、发泡倍数、析液特性、辐射阻隔性、抗烧性、可燃面覆盖性和灭火有效性等，很大程度上受到表面张力、粘度和铺展性等泡沫混合液的参数的影响。

6 展望

1）气液混合器是压缩空气泡沫成泡的关键，其结构直接影响成泡效果，然而学者对气液混合器的结构形式说法还不统一。

2）压缩空气泡沫性能影响因素很多，比如泡沫混合液特性、发生装置、气液流量比、系统压力、混合液温度等，各因素的影响规律、相互作用机理和定量分析还不是很清楚，需要大量的研究。