本发明涉及泡沫产生方法及其在灭火中的应用和灭火方法。
背景技术：
现有的压缩气体泡沫灭火主要采用高压气体与泡沫混合液混合产生泡沫的方式进行灭火。具体的泡沫灭火方式主要有稳压式压缩气体泡沫灭火及储气式泡沫灭火两种方式。其中，压缩气体泡沫灭火通常采用气体压缩机、高压气体管网或压缩气体钢瓶的方式进行供气，而气体压缩机及压缩气体钢瓶供气量有限，无法满足大流量、高压力、长时间供气的要求，而绝大多数场所没有高压气体管网。而若需实现大流量、高压力、长时间供气，则需设置多台压缩机或压缩气体钢瓶(如以一台流量150l/s的泡沫消防车为例，气体的供给流量至少是1050l/s，其供气需要由多台大型空压机供给)，其占用空间大，在油库罐区、装置区往往不具备布置的空间，不利于现场布置。
另一种储气式泡沫灭火通常在灭火剂容器内存储压缩气体，在大流量喷射时，压缩气体将大量消耗，此时为保证灭火剂的高压喷射，则需及时向灭火剂容器内补充压缩气体，而在大流量喷射状态下，仅靠空压机及压缩气体钢瓶根本无法保证压缩气体的足量补充，导致无法有效实现高压喷射要求，随着喷射持续进行，容器内的压力显著降低，泡沫性能逐步变差，影响灭火效果。当进行重大火灾灭火时，则需要生产大流量高倍泡沫灭火，此时泡沫混合液流量提高，压缩气体的供气量也需随之增大，而现有的气体供给方式无法实现大流量高压压缩气体的供应，当前压缩气体泡沫消防车的最大泡沫混合液流量仅15～20l/s，目前主要应用于一般规模的火灾扑救，如建筑物火灾、地面小范围流淌火等，其无法在大型储罐火灾或大规模的地面流淌火灾中的应用。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有高压气体供给技术存在的缺陷，提供一种新的产生泡沫的方法，该方法能够通过较小的设备而获得较大量的泡沫，而且将该方法用于灭火时，具有较高的灭火效率。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种泡沫产生方法，该方法包括将液氮与发泡物质混合。
本发明第二方面提供了上述方法在多种场所灭火中的应用。
本发明第三方面还提供了一种灭火方法，该方法使用上述泡沫产生方法产生泡沫，然后将所述泡沫输出进行灭火。
本发明提供的泡沫产生方法，首次采用由液氮原位产生的气体与发泡物质混合的方式，由于液氮产生的气体体积与所述液氮的体积比值较高，从而可以大大降低储存液氮的容器的体积，小体积的储存设备即可代替庞大的空气压缩机或空气压缩机组。
将本发明上述产生泡沫的方法用于灭火时，消防设备响应速度快，能够在短时间内迅速响应产生大量气体，能够取代传统的空压机、压缩气体钢瓶、高压气体管网等供气方式，并能够满足产生大流量高倍数泡沫所需大流量高压供气的需求，为压缩气体泡沫灭火系统及储气式泡沫灭火系统的大流量喷射提供足够的气量，实现了重大火灾灭火中的有效应用；而且由于供气时间长、无需外界动力、独立工作能力强，避免了在大流量喷射需求时需配备多台空压机、压缩气体钢瓶占用空间大的情况，其占用空间小、设置灵活，便于现场布置及灭火工作的开展。
附图说明
图1是根据本发明一种具体实施方式所用泡沫混合装置的结构示意图；
图2为锥形结构的扰流器的结构示意图；
图3为半球形结构的扰流器的结构示意图；
图4为平台结构的扰流器的结构示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明中，通过将液氮与发泡物质混合从而产生泡沫。也即，本发明通过采用液氮作为气体源来代替常规的压缩空气从而减小需要大流量泡沫时所需气体装置的体积。由于液氮能够迅速产生气体且产生的气体能够便利地与发泡物质混合产生气泡，且液氮的膨胀比通常为700左右，也即1体积的液氮通常可以提供约700体积的氮气，由液氮产生的气体的体积与液氮本身相比大大增加，而常规压缩空气的压缩比不超过20，由此可以在获得相同量的气体的情况下大大减少气体源的体积，因此可以直接使用液氮作为气体源与发泡物质混合来产生泡沫，而无需像现有技术那样先在发泡装置外把液氮气化，再将气化得到的氮气送入发泡装置内与发泡物质混合，由此大大降低了装置的体积，提高了装置的灵活性和拓宽了应用场所。
本发明中，由液氮产生的气体的体积与液氮本身的体积的比值即膨胀比高达500以上，从而使用液氮作为气体源代替常规的压缩空气能够大大降低气体源的体积，从而减小混合装置的体积。而现有用于压缩气体泡沫系统的压缩空气的压缩比一般不到20。
由于液氮在通常的室温环境下即气化为气体，因此无需额外操作即可获得气体。
以扑救10万立方米储罐全面积火灾为例，来对比分析负压式泡沫(吸气式泡沫)、由液氮供气的压缩气体泡沫及由压缩机组供气的压缩气体泡沫的配置情况。
(1)对于负压式泡沫灭火系统，基于国外的灭火案例以及《日本消防法》、api、lastfire等国际权威标准规范与储罐火灾研究组织的推荐值，对于10万立方米储罐全面积火灾的扑救，其泡沫混合液的供给强度至少需9l/min.m2，泡沫混合液流量至少需45216l/min，灭火时间至少需60min，均以最小值计，泡沫混合液的消耗量是2712m3。
(2)对于压缩机供气的压缩气体泡沫灭火系统，一般认为压缩气体泡沫灭火系统所需泡沫供给强度为负压式泡沫灭火系统的1/4，但由于10万立方米储罐全面积火灾的灭火面积较大，根据本发明的发明人的大尺度油盘灭火实验数据，其泡沫供给强度较合适的为5.4l/min.m2，泡沫混合液流量是27130l/min。以发泡倍数7为目标，其供气量应至少是190m3/min，加上损失量，供气量不低于200m3/min。按照目前的大型空压机组供气能力(20-28m3/min)，则需要配置7-10台大型空压机并联进行供气，每台空压机的占地面积约5-6m2，则空压机组的总占地面积是35-70m2。灭火时间为60min，泡沫混合液的消耗量是1627m3。其中所述大尺度油盘灭火实验是指在直径21m的油池内，将柴油点燃，形成全面积火灾，然后利用泡沫灭火装置向油盘内喷射泡沫，进行灭火测试。
(3)对于液氮供气的压缩气体泡沫灭火系统，泡沫供给强度也为5.4l/min.m2，泡沫混合液流量是27130l/min。以发泡倍数7为目标，其供气量应至少是190m3/min，加上损失量，供气量不低于200m3/min。60min内供气量是12000m3，液氮气化后体积是710倍，所以所需液氮量是17m3。实际灭火时间为60min，泡沫混合液的消耗量是1627m3。一台液氮罐车的容积一般是25m3，占地面积约是10㎡。该液氮罐车满载液氮后，持续供给时间是88min。具体对比如下表1。
表1
从上述比较可以看出，采用本发明液氮供气方式可以大大减小供气设备所需的场地面积、降低供气难度，使得大面积灭火成为可能。
尽管液氮在与发泡物质混合之前的输送过程中也会发生部分气化产生气体，但该部分气体量比较少，大部分气体是在与发泡物质接触过程中产生并立即与发泡物质混合进行发泡，而且该部分气体也可以参与发泡，因此仍然在本发明“即时”产生气体的范围内。
根据本发明，为了能够实现减小发泡装置体积，与现有预先通过外界产生气体，再将气体与发泡物质混合的方式相区分，显然只要使用了上述方式即可实现该目的。例如，可以一部分气体采用现有的方式提供，另一部分气体采用本发明所述即时产生的方式提供，因此本发明既可以有部分气体预先在发泡装置外产生，再将气体与发泡物质混合，也可以全部气体均由即时产生的方式产生。也即本发明用于发泡的气体既可以一部分由现有的方式提供，另一部分由液氮原位气化提供，也可以全部由液氮原位气化提供。为了最大限度的发挥减小气体储存装置体积的优势，至少20体积％优选至少60体积％更优选100体积％的所述气体由液氮气化即时产生。即，本发明中，至少部分是指至少20体积％例如25体积％、30体积％、35体积％、40体积％、45体积％、50体积％、55体积％、60体积％、65体积％、70体积％、75体积％、80体积％、85体积％、90体积％、95体积％、100体积％。
也即，本发明中，将液氮与发泡物质混合方式可以是直接与所述发泡物质各自以液体流形式接触的方式，也可以是将所述液氮进行部分或全部气化后与所述发泡物质各自以流体流形式接触的方式。优选地，所述液氮气化后10分钟以内优选60秒以内更优选为20秒以内更进一步优选为10秒以内与发泡物质混合。
对混合的条件没有特别限定，通常的环境温度即可。优选地，所述混合的条件包括混合温度为-10℃至60℃。也就是说，所述液氮与所述发泡物质可以在-10℃至60℃的条件下混合。由于液氮气化后与发泡物质混合即形成泡沫，因此混合的时间无需特别限定。
优选地，液氮以1mpa以上，优选1-2mpa的压力与泡沫混合液混合；泡沫混合液以0.8mpa以上，优选为0.8-1.5mpa的压力与液化介质混合。
根据实验测试结果，发泡物质与液氮的体积比在80-160:1范围内能够获得质量更好的压缩气体泡沫。优选地，发泡物质与液氮的体积比为90-130:1。压缩气体泡沫的质量更好是指泡沫持续时间更长、更不容易破裂，从而灭火效果更好。
本发明的发明人发现，所述发泡物质为泡沫混合液，液氮与发泡物质的流量满足下述关系时即可实现良好的压缩气体泡沫：l＝mv/nf。其中，l是液氮的体积流量，m为设定的发泡倍数，取值一般在5-200优选5-20范围内更优选在6-8范围内，v是发泡物质的体积流量，n为液氮的体积膨胀比，f是管路损失，取值在1-1.4范围内。其中发泡物质的体积流量v根据火灾面积由《泡沫灭火系统设计规范》(gb50151-2010)确定。液氮的体积膨胀比n是指膨胀后的氮气体积与膨胀前的液氮体积的比值。
使用液氮为气体源、泡沫混合液为发泡物质时，泡沫混合液是主要常温流体，其与液氮混合后，泡沫混合液可充分与液氮换热，液氮在泡沫混合液流体内快速气化，并立即参与发泡。液氮气化后，泡沫混合液因流量很大，液体温度降低很少，完全可忽略，不影响泡沫质量。即使液氮与泡沫混合液初次接触时，泡沫混合液可能会产生少量冰碴，但在后续流动中，冰碴会很快融化，完全不影响发泡与泡沫喷射。
根据本发明的另一种实施方式，所述发泡物质为泡沫原液，所述混合的方式包括将所述液氮、发泡物质和水各自以液体流形式接触。优选地，所述液氮与发泡物质与水的体积比为1：1-10：50-300，优选为1：3-7：80-160。
其中泡沫原液是蛋白泡沫液、氟蛋白泡沫液、水成膜泡沫液、水基泡沫液、抗溶氟蛋白泡沫液、抗溶水成膜泡沫液等，一般含有多种表面活性剂、稳定剂等添加剂。
本发明中，所述混合可以在各种能够实现混合并使发泡物质发泡功能的装置中进行，优选地，所述混合装置如图1所示，所述混合装置可以是混合装置，该混合装置包括具有混合腔的泡沫产生器1，所述混合腔具有用于输入发泡物质的发泡物质入口11、用于输入液氮的液氮入口12以及用于输出泡沫的泡沫出口13；其中，在所述混合腔内，液氮与发泡物质混合并气化，以从所述泡沫出口13输出用于灭火的泡沫。
可以在各个口处可设置流量计、压力表及控制阀来控制发泡物质入口11和液氮入口12的流量比例。
如图1所示，泡沫产生器1为筒状结构，该筒状结构的一端设置有至少一个发泡物质入口11，筒状结构的另一端设置有至少一个泡沫出口13，液氮入口12与发泡物质入口11成角度设置，使得两种液体在输入混合腔的同时，还具有一定的交叉流动，使其能够产生湍流而具有好的混合效果。
优选地，发泡物质入口11设置有一个，液氮入口12围绕发泡物质入口11设置有一个或多个，每个液氮入口12的方向与所述发泡物质入口11的方向之间的角度为0°-90°，更优选为30°-60°。如图1所示的实施例中，液氮入口12设置有一个；另外的实施例中，液氮入口12可围绕发泡物质入口11设置有多个。
在发泡物质入口11、液氮入口12和泡沫出口13各设置有一个的情况下，该筒状结构的直径d1与发泡物质入口11的直径d2之间的关系为：d1/d2＝1.1-4，优选d1/d2＝1.4～2.0；所述发泡物质入口(11)的直径d2与所述液氮入口(12)的直径d3之间的关系为：d2/d3＝4-10；所述筒状结构的直径d1与所述泡沫出口(13)的直径d4之间的关系为：d1/d4＝0.8-2，优选d1/d4＝0.8～1.2。通过控制各开口的直径符合上述关系，无需额外的控制装置即可实现前述流量关系，从而能够使得发泡更充分，从而获得的泡沫质量更高。
本领域技术人员可以理解的是，发泡物质入口11、液氮入口12和泡沫出口13并不限于如上所述的设置，为达到更好的混合效果，可以对发泡物质入口11、液氮入口12和泡沫出口13的设置做出各种改变或变形。
例如，在另外的实施方式中，发泡物质入口11可设置一个，液氮入口12围绕发泡物质入口11设置有多个，且多个液氮入口12的方向在横向上依次偏离于径向方向，使得液氮入口12进入的液流能够旋转流动。其中，泡沫产生器1的筒状结构从一端至另一端的方向为纵向，与纵向垂直的方向为所述横向。
另外，泡沫出口13也可设置多个，用于分别连接喷射管路，从而通过一个泡沫产生器1，向多个方向喷射。
为更好地控制从液氮入口12进入的液氮的流向，液氮入口12可设置伸向该混合腔内的输入管16(如图1所示)。
此外，本实施方式中，在泡沫产生器1的混合腔内设置有用于扰动液流的至少一个扰流器14。
其中，扰流器14可形成为锥形结构(如图2)、半球形结构(如图3)、平台结构(如图4)或其他不规则形状的结构。所述锥形结构的锥形顶、所述半球形结构的球形顶或者所述平台结构的平台顶面朝向发泡物质入口11。
优选地，扰流器14的横截面为圆形结构，扰流器14的直径d7与发泡物质入口11的直径d2之间的关系为：d7/d2＝1-4，优选d7/d2＝1.0～1.6。扰流器14的顶端与液氮在液氮入口12处的流出口之间的距离l为0-100mm。在该优选方式下，混合物料能够形成湍流，从而使气液混合更充分，获得质量更高的泡沫。
扰流器14上可设置用于固定在混合腔内的安装部141。如图1中显示的锥形扰流器14，该扰流器14安装为锥形顶朝向发泡物质入口11，混合有液氮的发泡物质的液流冲向扰流器14，可打碎液流，使得流体扰动，从而液氮和发泡物质充分混合，以获得发泡均匀、性能良好的泡沫。
当然，扰流器14设置方式也不限于如上所述，例如，可设置多个扰流器，分布在混合腔内的不同位置，而且任何形式的能够对液流起到扰流作用的扰流器均可。
本实施方式中，泡沫产生器1的混合腔内还设置有至少一个间隔设置的孔板或丝网等多孔结构15，每个多孔结构15上设置有多个孔；多孔结构15的孔朝向发泡物质入口11，且多孔结构15相对扰流器14的顶部远离发泡物质入口11。被扰流器14打碎的液流，从扰流器14的周围冲向多孔结构15，可通过多孔结构15进一步对液流进行扰动，使其进一步混合。
该混合装置在具体应用时，发泡物质入口11可连接用于盛放发泡物质的容器，或者连接用于混合泡沫原液和水以获取发泡物质的原液混合器2；液氮入口12可连接(例如)液氮罐，或者液氮罐车。
在泡沫产生器1的泡沫出口13可连接长度超过40m的管道，液氮与发泡物质在泡沫产生器1内混合后，使其经过长度超过40m的管道输送到喷射口，在这个管道内流动时，液氮与发泡物质也将进行充分反复混合，在喷出前，将形成稳定的性能良好的泡沫。
上述混合装置可设置在灭火设备上，例如，灭火器、消防泡沫车或高喷车上。所述灭火设备通过所述混合装置产生泡沫，能够产生大流量泡沫，而且占用空间小。
本发明的泡沫产生方法可以适用于各种需要产生泡沫的场合，例如灭火、隔热防护、食品生产、隔音材料生产等。具体灭火可以是化工企业、油库、炼厂等生产设施的灭火消防及飞机在机场跑道迫降时的跑道防护等。
根据本发明的一种具体实施方式，将该泡沫产生方法用于灭火时，发泡方式如图1所示，发泡物质入口11连接原液混合器2，原液混合器2具有用于输入泡沫原液的原液入口21和用于输入水的水入口22，泡沫原液和水分别从原液入口21和水入口22进入到原液混合器2中混合可获得发泡物质，然后发泡物质从发泡物质入口11进入到泡沫产生器1内。为获得合适浓度的泡沫混合液，需控制泡沫原液和水向原液混合器2的输送流量，这也可以在原液入口21和水入口22设置流量计和控制阀等控制。
本实施方式中，优选地，原液混合器2的水入口22的直径d6与原液入口21的直径d5之间的关系为：d6/d5＝8-14；水入口22的直径d6与发泡物质入口11的直径d2之间的关系为：d6/d2＝1.0-1.4。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，灭火效率及泡沫质量采用《泡沫灭火剂标准》(gb15308-2006)记载的方法进行评价。
以下实施例中，除非另有说明，各原料均为市售品。
实施例1
采用图1所示的混合装置进行混合产生泡沫，其中混合装置具有用于使液氮和泡沫混合液混合的混合腔，该混合腔的壁面上设有1个泡沫原液进口、1个液氮进口和1个泡沫出口，泡沫出口和泡沫混合液进口分别位于筒状结构的两端。泡沫混合液进口的直径d2与气体进口的直径d3之间的关系为：d2/d3＝8，筒状结构的直径d1与泡沫原液进口的直径d2之间的关系为：d1/d2＝1.4，筒状结构的直径d1与泡沫出口的直径d4之间的关系为：d1/d4＝1.2，混合腔内设置有扰流器，所述扰流器形成为图2所示的圆锥形结构，所述圆锥形结构的锥形顶朝向所述发泡物质进口，所述扰流器的横截面为圆形结构，所述扰流器的直径d7与所述发泡物质进口的直径d2之间的关系为：d7/d2＝1.2，扰流器的顶端与液氮在入口处的流出口之间的距离l为10mm。液氮储罐和泡沫混合液罐各自通过管道与气液混合装置连通，所述液氮管道入口的方向与泡沫混合液入口的方向之间的角度为10°。
以2m3泡沫混合液储罐内储存1.5m3泡沫混合液(购自江苏江亚公司的3％型水成膜泡沫液产品)为例，输液管管径为dn25，泡沫混合液储罐罐内工作压力1.2mpa，液氮罐内工作压力为2mpa。
针对4.52m3的国标标准油盘火，根据《泡沫灭火系统设计规范》(gb50151-2010)，所需提供的泡沫混合液流量v＝11.4l/min。根据公式l＝mv/nf确定液氮的流量，其中设定发泡倍数m＝7，n＝710，f＝1.01，由此确定液氮的流量为0.11l/min，将液氮和泡沫混合液以上述流量送入图2所示的混合装置中进行混合产生泡沫，泡沫从混合装置的泡沫出口喷射出并输送至灭火区域进行灭火，结果成功扑灭4.52m3的国标标准油盘火，灭火时间仅需100s，远高于同类泡沫，采用液氮代替空压机后实现了压缩空气泡沫灭火装置的大流量喷射。采用《泡沫灭火剂标准》(gb15308-2006)记载的方法测得实际的泡沫发泡倍数是7.1，25％析液时间是3min。
实施例2
采用图1所示的混合装置进行混合产生泡沫，其中混合装置具有用于使液氮和泡沫混合液混合的混合腔，该混合腔的壁面上设有1个泡沫混合液进口、1个液氮进口和1个泡沫出口，泡沫出口和泡沫混合液进口分别位于筒状结构的两端。泡沫混合液进口的直径d2与气体进口的直径d3之间的关系为：d2/d3＝10，筒状结构的直径d1与泡沫原液进口的直径d2之间的关系为：d1/d2＝2，筒状结构的直径d1与泡沫出口的直径d4之间的关系为：d1/d4＝1.2，混合腔内设置有扰流器，所述扰流器形成为图3所示的半球形结构，所述半球形结构的球形顶朝向所述发泡物质进口，所述扰流器的横截面为圆形结构，所述扰流器的直径d7与所述发泡物质进口的直径d2之间的关系为：d7/d2＝1.6，扰流器的顶端与液氮在入口处的流出口之间的距离l为30mm。液氮储罐和泡沫混合液罐各自通过管道与气液混合装置连通，所述液氮管道入口的方向与泡沫混合液入口的方向之间的角度为30°。
以20m3泡沫混合液储罐内储存15m3泡沫混合液(与实施例1相同)为例，输液管管径为dn150，泡沫混合液储罐内的工作压力0.8mpa，液氮罐内的工作压力为1.5mpa。
针对450m2的5000立方米油罐火灾，根据《泡沫灭火系统设计规范》(gb50151-2010)，所需提供的泡沫混合液流量v＝3000l/min。根据公式l＝mv/nf确定液氮的流量，其中设定发泡倍数m＝8，n＝710，f＝1.17，由此确定液氮的流量为28.9l/min，将液氮和泡沫混合液以上述流量送入图2所示的混合装置中进行混合产生泡沫，泡沫从混合装置的泡沫出口喷射出后经过泡沫输出装置输送至灭火区域进行灭火，结果成功扑灭450m2的5000立方米油罐火灾仅需25s，实现了压缩空气泡沫灭火装置的大流量喷射，灭火时间远比现有消防设备的灭火时间短。采用与实施例1相同的方法确定泡沫发泡倍数是7.2，测得25％析液时间是3min。
实施例3
按照实施例2的方法进行产生泡沫和灭火，不同的是，液氮的流量为22l/min。结果灭火时间延长为55s。
实施例4
按照实施例2的方法进行产生泡沫和灭火，不同的是，泡沫混合液进口的直径d2与气体进口的直径d3之间的关系为：d2/d3＝3。结果灭火时间延长为95s。采用与实施例1相同的方法测得实际泡沫发泡倍数是4.2，25％析液时间是1.5min。
实施例5
按照实施例2的方法进行产生泡沫和灭火，不同的是，扰流器14的顶端与液氮在入口12处的流出口之间的距离l为150mm。结果灭火时间延长为75s。采用与实施例1相同的方法测得实际的泡沫发泡倍数是4.9，25％析液时间是2.0min。
实施例6
消防车包括一台25m3的液氮储罐车和一台高喷车，高喷车配置有混合装置(与实施例1相同)和提供泡沫原液(抗溶水成膜泡沫液afff/ar-3％)的泡沫运输车，高喷车的喷射管管径取dn150，配置一台150l/s(1.0mpa)的消防泵。通过固定式消防水管网向消防车供水。
将液氮、泡沫原液与水分别以189l/min、270l/min和8730l/min送入混合装置中进行混合产生泡沫，泡沫从混合装置的泡沫出口喷射出，泡沫的流量9000l/min，喷射距离40m，举高高度30m。采用与实施例1相同的方法测得25％析液时间是3min。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。