■ 陆 华 刘益民

一、泡沫比例混合技术的用途

按照灭火剂分类，消防系统可分为常规水系统（低压雨淋洒水、中高速水雾）、高压水系统（细水雾）、泡沫系统、干粉系统、气体系统（混合气体、二氧化碳、七氟丙烷、六氟甲烷等）、气溶胶系统等。其中，泡沫灭火系统又因泡沫液的不同，分水成膜泡沫系统、氟蛋白泡沫系统、合成泡沫系统、A类泡沫系统等类型。不管是哪种类型的泡沫系统，都需要将泡沫液和水按一定比例进行混合，使混合比介于泡沫液灭火要求的最大、最小值之间。

二、泡沫比例混合技术和应用现状

随着技术的发展，泡沫比例混合装置产生了如下的五代产品：

第一代产品为负压式泡沫比例混合装置，原理如图1所示，泡沫液储存在常压容器中，消防水通过比例混合器的时候泡沫液入口产生负压，将泡沫液吸入消防水与之混合形成泡沫混合液。这种泡沫比例混合装置的优点是结构简单、泡沫液随时可以添加，缺点是泡沫混合比无法稳定控制。

图1 负压式泡沫比例混合装置原理

第二代产品为压力式泡沫比例混合装置，原理如图2所示，泡沫液储存在耐压容器（泡沫液罐）中的胶囊内，一部分消防水进入泡沫液罐，将胶囊中的泡沫液挤出，而另一部分消防水通过比例混合器的时候产生负压，将从胶囊中挤出的泡沫液吸入消防水与之混合形成泡沫混合液。这种泡沫比例混合装置的优点是泡沫混合比相对第一代产品较为稳定，缺点是泡沫液容量有限，用完后无法随时添加。

图2 压力式泡沫比例混合装置原理

第三代产品为压力平衡式泡沫比例混合装置，原理如图3所示，泡沫液储存在常压容器中，泡沫液通过泡沫泵加压输送至压力平衡阀，压力平衡阀通过平衡泡沫液压力与消防水压，确保能够通过压力平衡阀进入比例混合器的泡沫液压力与消防水压力保持压差基本恒定，多余泡沫液通过回液管道输送回到泡沫液罐。由于压力平衡阀可以让进入比例混合器的消防水和泡沫液压力差保持相对稳定。因此，这种泡沫比例混合装置的泡沫混合比更加稳定，且泡沫液也可随时添加，但设备结构较第二代更为复杂，除了有能量浪费外，还存在平衡阀失效导致系统无法运行的风险。

图3 压力平衡式泡沫比例混合装置原理

目前，二、三代产品为现阶段消防系统设计应用的主流，上述三代泡沫比例混合装置共有一个核心部件：比例混合器（如图4所示）。比例混合器的主体为文丘里管，文丘里管中有一个收缩段，根据伯努利方程可知消防水通过收缩段时管壁静压变小，这种负压可将泡沫液吸入与消防水混合。比例混合器自身的特点决定了这种装置只适用于泡沫混合比较大的泡沫液，而且对于某种确定型号的比例混合器，它能够允许的消防水流量范围通常都较窄，最大的缺陷在于收缩段的存在会导致消防水的大幅压降。

图4 泡沫比例混合器

第四代产品为计量注入式泡沫比例混合装置，常用原理如图5所示，泡沫液储存在常压容器中，消防水管道中安装流量计，流量信号传送至控制器，控制器按照设定的泡沫混合比和消防水流量计算出所需的泡沫液流量，并通过控制变频器、变频电机、容积泵将需要的泡沫液从泡沫液罐中抽出注入消防水管道，与消防水混合形成泡沫混合液。这种泡沫比例混合装置拥有众多优点：可随时添加泡沫液；如果选用了合理的流量计，消防水流量范围可以很广；由于泡沫混合不再需要比例混合器，因此就不存在压降；泡沫混合比可随时在控制器中设置，混合比可大可小，使用非常方便。但缺点是系统构成比较复杂，系统的供电可靠性要求较高。

还有一些其他的计量注入式泡沫比例混合方法，如同时在消防水管道和泡沫液管道安装流量计，两路流量信号传送至控制器计算泡沫混合比，并将计算值与预设值进行比对，如果计算值大于预设值，则通过泡沫液管道上电控阀门开度的减少调整泡沫液流量，反之则增加阀门开度。不管是何种原理的计量注入式泡沫比例混合装置，由于此类产品的泡沫混合原理与前三代产品有着本质的区别，现有产品标准根本无法对其进行产品检测，按照现行的消防法规要求，第四代产品目前还无法进行工程应用。

图5 计量注入式泡沫比例混合装置

三、第五代泡沫比例混合技术的开发

要设计一种更完美的泡沫比例混合装置，就需要避开上述四代产品的三个缺点：泡沫液不能随时添加；比例混合器导致压降；结构复杂、对供电依赖，可靠性低。

要能够使泡沫液可随时添加，需使用常压容器储存泡沫液。为了让常压泡沫液混合进有压力的消防水，泡沫液就必须使用泡沫泵加压，但如果要消除泡沫装置对供电的依赖，泡沫泵就不能使用电机驱动，更不能使用其他如柴油机、汽油机驱动，那样不但不能消除电控信号的不确定性，还将增加结构复杂程度。因此，泡沫泵的最佳动力来源只能是消防水。如果使用现有水轮机来驱动泡沫泵，又存在两个问题：消防水被分流，导致大量能量流失浪费；泡沫混合比无法精确控制。

如果改变水轮机的使用方式，将其安装到消防水管道上，就避免了消防水的分流。于是，初步确定这种泡沫装置的主体由一种安装在消防水管道上的特殊水轮机、联轴器、消防泵组成。接下来就只有一个问题需要解决，那就是如何精确控制泡沫混合比了。要控制并保持混合比，就需要让通过水轮机的消防水流量与通过泡沫泵的泡沫流量保持同步增加或减少。为了避免使用泡沫比例混合器和其他压力控制设备，泡沫流量就需要能够计量控制，使用容积泵（如柱塞泵、齿轮泵、叶片泵等）可使泡沫流量与转速成正比，为了实现预设混合比，还需要将水轮机的输出转速和通过水轮机的水流量保持线性关系。于是第五代泡沫比例混合装置的核心在于一种特殊的水轮机。

图6 机械泵入式泡沫比例混合装置外形图

图6是作者参照相关文献和国外相关产品设计的第五代泡沫比例混合装置的外形。这种装置初步命名为机械泵入式泡沫比例混合装置，现已申请发明专利一项、实用新型专利两项。新设计的水轮机具有如下特点：消防水经过水轮机时没有流量损失，通过水流压力微降转换的机械能驱动泡沫柱塞泵，将泡沫液加压注入到消防水管道中，根据期望泡沫混合比选择适当单转流量的柱塞泵后，即可实现泡沫比例混合；这种特殊的水轮机最大的特点在于具有输出转速与通过流量成正比的关系，而这正是它与现有常规水轮机的最大区别。

四、机械泵入式泡沫比例混合装置的典型应用

除了图6所示的应用，为了能够实现泡沫混合比的随时调节，增加装置的适用范围，还可将联轴器更换为无极变速箱，改变水轮机与泡沫泵之间的传动比，通过调整水轮机与泡沫泵的速比实现不同泡沫混合比。还可以选配分动箱使水轮机同时驱动多个泡沫泵，使多种泡沫液（或其他添加剂）与消防水混合，形成多组分消防灭火混合液，原理如图7所示，甚至可以同时使用分动箱和变速箱实现多组分混合与组分浓度的方便可调。

图7 机械泵入式泡沫比例混合装置典型应用

五、结论

本文设计了一种内部结构特殊的水轮机，通过水轮机从流经其中的消防水中获取动力以驱动泡沫泵，抽取泡沫液再注入消防水，实现泡沫比例混合。此装置无额外供电的需求，相当于在消防供水管道中加入了一个特殊的阀门，系统可靠性大大增强，结构大大减少。由于常用泡沫灭火时的混合比通常在0.1 %～6 %之间，需要注入消防水的泡沫液流量很小，因此水轮机需要输出给泡沫泵的功率也会很小，所以水轮机对消防水的压力损失相应也会很小。

而且由于泡沫泵是容积泵，泡沫液可直接注入消防水管道，无需任何比例混合器，从而也不存在比例混合器产生的额外压力损失。水轮机和泡沫泵之间使用变速箱连接时，可通过调节传动比方便调节泡沫混合比。使用分动箱连接时，还可同时混合多种介质。本装置结构简单可靠，配置灵活，具有很高的性价比和广阔的市场前景。