曾令旗 徐纪元

摘要：管线式负压比例混合器是供泡沫液发泡的重要装置，其设计参数对比例混合器的发泡性能具有至关重要的影响。本文计算出管线式负压比例混合器的喉管尺寸，并通过泡沫灭火设备设计要求的参数对喉管尺寸、混合比等参数进行验证，最终得到稳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。

关键词：泡沫灭火系统;比例混合器;设计参数

泡沫比例混合器^[1]是一种使水与泡沫液按规定比例混合成混合液以供泡沫产生设备发泡的装置。我国目前常用的比例混合器形式有：环泵式负压比例混合器、管线式负压比例混合器^[2]、压力式比例混合器、平衡式压力比例混合器等。其中，管线式比例混合器是利用文丘里管的原理在混合腔内形成负压，在大气压力作用下将容器内的泡沫液吸到腔内与水混合，其结构简单，在移动、半固定式泡沫灭火系统中具有广泛应用^[4]。

1 结构及原理

如图一所示，比例混合器主要有四部分组成：喷嘴、吸入室、喉管和扩散管。

其工作原理如图一所示，将外界提供的压力水通过喷嘴高速喷出，同时静压能部分转换为动能。管内形成真空，泡沫原液从泡沫贮液箱中经吸液管路被吸进吸入室，再进入喉管内。两股液体在喉管中进行混合和能量交换，压力体速度减小，被吸液体速度增大，压力逐渐增加，在喉管出口处速度趋于一致。混合液体通过扩散管时，随着流道的增大，速度逐渐降低，动能转化为压力能，混合液体压力随之升高，再经连接管路输送至下面连接的管路。

2 设计方法分析

由流体力学理论得知：

（1）

式中：q——吸入流量，m³/s;

P₂——喉管压力，Pa;

g——重力加速度;

γ——液体比重，N/ m³;

h——吸入高度，m;

——比例混合器喉管处的液体静水头，m。

由式（1）可知，吸入流量是随喉管真空度的变化而变化的。当<0时，即比例混合器内产生负压时，比例混合器才可能吸入液体。所以，比例混合器的设计方法应该是：先确定比例混合器的流量，計算比例混合器参数，最后计算吸入量验算混合比。

3 比例混合器结构参数的计算

3.1 泡沫混合液流量Q的确定

根据设备的设计参数，一般泡沫混合液流量Q的取值范围Q_min-Q_max是已知的。

3.2 比例混合器进口直径d₁及喉管径d₂的计算

本次消防泡沫软管站选用不锈钢无缝钢管的标准管径，为d₁=50mm。

由伯努利方程^[3]可推得：

（2）

式中：——下临界流量，指比例混合器开始吸液时管中通过的流量，m³/s;

——比例混合器进口直径，m;

——比例混合器进口压力，Pa;

——液体比重，N/ m³;

——喉管直径，m。

而比例混合器的进口压力为：

（3）

式中：P——管道进水口压力，范围为0.7-1.2MPa;

P_前——比例混合器与消防水泵之间连接管道、阀门管接件所产生的压力损失，需进行水力计算求得，MPa。

根据Q_min、P₁，结合其他已知条件即可求出d₂。

3.3 喉管处液体高度的计算

考虑到比例混合器在吸入液体过程中是稳定的，所以比例混合器管路中的水流可视为恒定流。根据伯努利方程：

（4）

式中： /——比例混合器进口的静水头m;

V₁、V₂——分别为比例混合器进口处、喉管处的液体流速m/s。

用Q_min、P_1min以及d₂等代入式（4），计算（/）_min，检查是否满足< 0。如果不满足，调整d₂，直至满足要求为止。满足要求时的d₂称为计算d₂。再计算P_1min时的Q_min、（/）_min值。其中

3.4 最大流量的计算

通常，当喉管真空度大于90 kPa时，可能出现汽化，这时比例混合器则无法抽吸，按这一点计算的流量称最大流量。最大流量按下式计算：

（5）

将P_1min、P_1max等代入式（5），求比例混合器在最大可能的极限工作压力情况下的Q_max，再根据式（4）计算对应于Q_max的（/）_max值，若算得（/）_max <-9m，则减小Q_max，重新验算。

3.5 混合比计算

根据式（1）及式（2）知：

（6）

为满足混合比设计要求，根据标准《GB 20031-2005泡沫灭火系统及部件通用技术条件》的规定，有3%≤K≤3.9%。

故为保障在最低流量和最低压力时比例混合器的的吸液效果，我们需用Q_min、P_1min以及计算d₂等代入式（4），计算（/）_min，此时需满足< 0，且将计算出的（/）_min、P_1min以及d₂等代入式（6），求得的混合比应满足3%≤K≤3.9%。

设备在喷射使用时通过调节喷枪开口大小，可调节流量大小，在压力不变的情况下喷枪喷射距离与流量大小成反比。所以要保障在最低流量要求下，整套设备的射程不低于设计要求，需调小喷枪的开口，使泡沫混合液的流速增加，同时喷枪出口压力增加。为保证喷枪出口有足够的压力来保障设备的射程，对于比例混合器来说，需减小自身的压力损失，从结构上来说，设计时需注意减小比例混合器各段的局部压力损失。

4 结论

本次设计的管线式负压比例混合器，对应设备的性能参数对比例混合器的喉管尺寸进行了设计计算，并用混合比进行最终的验证，使整个比例混合器具有更加稳定的混合比，并且在最低流量和最低压力时，该装置也能达到很好的吸液效果，满足混合比要求。很多地方考虑得还不够完善，有待进一步探索、研究。

参考文献

[1]罗宗军，王海娟，李婧，李云，经子彤.压力式比例混合器的结构特性研究[J].消防科学与技术，2018，37（09）：1225-1227.

[2]陈旭馗. 管线式负压比例混合器设计及分析[D].湖南大学，2018.

[3]朱延春.浅析新型泡沫比例混合器的应用[J].消防界，2017（08）：86+88.

（作者单位：中海油安全技术服务有限公司）