CN104740818A - 一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统。首先对火源进行探测及定位，一旦火灾成立，则立即启动火源定位程序，计算智能炮喷射俯仰角，实现自动调整炮口方向角度；泡沫产生装置接收灭火指令开始工作，电控阀打开；火源扑灭后，泡沫产生装置停止工作，电控阀关闭。本发明能够实现火灾自动监测、精确定位灭火。系统结构简单、安装方便、保护范围大，火灾探测响应及时，能够将火灾扑灭在初期阶段，灭火效率高，大大节约了泡沫灭火剂和水的用量，通过控制智能炮以火源点为中心的水平摆动，使泡沫覆盖范围大大增加，解决了因液体燃料泄漏而导致的大面积流淌火的扑救技术难题，提高了压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统的可靠性和适用范围。

Description

一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统

技术领域

本发明涉及自动灭火技术，尤其涉及一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统。

背景技术

固定式压缩空气泡沫灭火技术是近年来逐渐发展起来的一种新型泡沫灭火技术，它是通过向泡沫溶液中正压注入空气(或氮气)的方式产生泡沫。压缩空气泡沫结构细腻、均匀，析液时间长，稳定性高，可长时间覆盖在保护对象的表面。与水和现有低倍泡沫相比，压缩空气泡沫具有诸多突出优点：(1)对A类火和B类火的灭火效能高，具有显著的节水特点；(2)具有良好的“堆积覆盖”特征，适宜扑灭AB类混合火。可将汽车火等具有AB类混合火特征的火灾完全覆盖，使之缺氧窒息灭火。而水和现有低倍泡沫由于不具有“堆积覆盖”特征，故此扑救AB类混合火的效果差；(3)发泡倍数可调，且摩擦阻力低，能够根据不同的保护对象调整适宜的泡沫参数和输送距离。固定式压缩空气泡沫灭火技术所具备的这些独特技术优势为其在公路隧道、汽车库、机库等典型场所的推广应用提供了广阔的发展空间。

压缩空气泡沫施放技术是固定式压缩空气泡沫灭火技术的核心技术之一，它不但影响着自动灭火系统的保护范围，而且影响着泡沫的性能，决定着能否将压缩空气泡沫快速有效的施加到火灾区域和保护对象。目前，国内外现有压缩空气泡沫施放装置主要包括：压缩空气泡沫枪、压缩空气泡沫炮和压缩空气泡沫喷头。其中，现有压缩空气泡沫枪和压缩空气泡沫炮需要由人工操控进行泡沫施放和灭火，主要用于移动式压缩空气泡沫消防车，不适宜用于固定(自动)自动灭火系统。压缩空气泡沫喷头是固定式压缩空气自动灭火系统的主要施放装置，它是基于传统喷淋模式进行泡沫施放和灭火，但该喷淋模式需要庞大的管网系统，施工复杂，工程造价高，并且不具有自动定位、精确打击和快速扑灭初期火灾的功能，在实际应用中易造成大量泡沫灭火剂和水资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统，以实现自动定位、精确打击和快速扑灭早期火灾目的。

本发明采取的技术方案是：一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、火源探测及定位

(1).采用数字图像火灾探测器将监测到被保护区域发生火灾的信息传送到系统控制部分；

(2).系统控制部分接收火灾信息并进行分析判断，若判断火灾成立，则立即启动火源定位程序，具体如下：

a).红外火焰探测器随着炮筒进行水平方向360°旋转检测，确定火源点的水平位置，然后炮口指向在火源点的水平中心位置；

b).红外火焰探测器随着炮筒进行垂直方向135°旋转检测,确定火源点的垂直位置，然后炮口指向在火源点的垂直中心；

c).系统控制部分获取此时炮口对准火源的定位角；

步骤二、压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角计算

(1).根据以下公式计算火源点距离炮口的水平距离X：

X＝H/tan(r)----------------------(1)

式中：H-压缩空气智能炮的安装高度；单位为m；X-火源点距离炮口的水平距离，单位为m；r-火源定位角；

(2).根据下列公式计算压缩空气泡沫射流初始速度V₀：

式中：λ-压缩空气泡沫气液比；Q_水-水流量，单位为L/min；Q_气-空气流量，单位为m³/h；ε-压缩空气泡沫质量含气率；ρ_气-空气密度，单位为kg/m³；ρ_水-水密度，单位为kg/m³；-压缩空气泡沫平均动力粘度，单位为Pa·s；μ_气-空气动力粘度，单位为Pa·s；μ_水-水动力粘度，单位为Pa·s；－压缩空气泡沫平均密度，单位为kg/m³；d-炮口管径，单位为m；V₀－压缩空气泡沫射流初始速度，单位为m/s；

(3).根据以下公式计算压缩空气泡沫射流的空气阻力系数K：

$R_e=\frac{V_0\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}d}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}---\left(7\right)$

$K=\frac{0.072}{R_e^{0.2}}+0.108R_e^{0.1}---\left(8\right)$

式中：R_e-雷诺数；K-空气阻力系数；

(4).根据以下压缩空气泡沫射流轨迹方程计算压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角：

$f\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{H\ω}}^3-\mathrm{AX}\sqrt{1-{\mathrm{\ω}}^2}{\mathrm{\ω}}^2+\frac{\mathrm{Bg}{X}^2}{V_0^2}\mathrm{\ω}-\frac{\mathrm{CKg}{X}^3}{V_0^3}---\left(9\right)$

θ＝arccos(ω)------------------------(10)

式中：g-重力加速度，A、B、C为射流轨迹相关系数；ω-喷射俯仰角θ对应的余弦值；θ-喷射俯仰角

(5).系统控制部分输出喷射俯仰角θ至旋转动作机构，旋转动作机构自动调整炮口方向角度；

步骤三、喷射压缩空气泡沫灭火

(1).系统控制部分发出灭火指令给压缩空气泡沫产生装置和电控阀，压缩空气泡沫产生装置开始产生压缩空气泡沫，同时电控阀打开，压缩空气泡沫智能炮按照已调整好的角度喷射压缩空气泡沫，同时控制炮口以火源点为中心进行±10°的水平摆动；

(2).当火源被扑灭后，数字图像火灾探测器和红外火焰探测器将火源熄灭信号传递给系统控制部分，系统控制部分发出指令，使压缩空气泡沫产生装置停止喷射压缩空气泡沫，然后关闭电控阀；

(3).数字图像火灾探测器和红外火焰探测器继续随炮筒360°旋转巡视一周，确认无火源后，进入待机监测模式，若监测火源复燃，压缩空气泡沫智能炮重新启动，重复步骤一至步骤三灭火过程。

本发明所述的一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统，其特征在于，该系统包括压缩空气泡沫产生装置、手动控制箱、电控阀、中控箱、泡沫进入管、水平旋转传动齿轮组和水平旋转限位开关、水平旋转伺服电机、泡沫进入弯管、垂直旋转传动齿轮组和垂直旋转限位开关、垂直旋转伺服电机、炮筒、数字图像火灾探测器和红外火焰探测器；其中，电控阀前端通过泡沫管路连接压缩空气泡沫产生装置，电控阀后端通过泡沫管路连接泡沫进入管上端设有的法兰盘底座，泡沫进入管的下端通过轴承连接泡沫进入弯管的一端，泡沫进入弯管的另一端通过轴承和90°弯管连接炮筒；水平旋转伺服电机、水平旋转传动齿轮组和水平旋转限位开关安装在泡沫进入管和泡沫进入弯管的接口处，用于控制泡沫进入弯管和炮筒的水平旋转；垂直旋转伺服电机、垂直旋转传动齿轮组和垂直旋转限位开关安装在泡沫进入弯管和炮筒的接口处，用于控制炮筒的垂直旋转；数字图像火灾探测器和红外火焰探测器安装在炮筒上，二者与炮筒平行，随炮筒旋转。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果如下：

1.本发明提供的压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法及系统能够实现火灾自动监测、精确定位及灭火，使压缩空气泡沫灭火技术向自动化、智能化、实用化方向发展。通过火灾探测定位模块可水平和垂直扫描火源，实现火灾的自动探测定位。通过系统控制部分可自动喷射压缩空气泡沫射流，使压缩空气泡沫精确地施加到火源点，实现自动定位灭火功能。

2.本发明的压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统结构简单、安装方便、保护范围大，火灾探测响应及时，能够将火灾扑灭在初期阶段，并且泡沫射流主要集中在火源周围，灭火效率高，大大节约了泡沫灭火剂和水的用量，综合使用成本较低。

3.本发明利用压缩空气泡沫具有良好的“堆积覆盖”特征，通过控制智能炮以火源点为中心的水平摆动，使压缩空气泡沫的覆盖范围大大增加，解决了因液体燃料泄漏而导致的大面积流淌火的扑救技术难题，从而极大提高了压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统的可靠性和适用范围。

附图说明

图1是压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统的结构原理示意图；

图2是压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统连接原理框图；

图3是压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统空间位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参照图1至图3，压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法具体步骤如下：

步骤一.火源探测及定位

(1).采用数字图像火灾探测器将监测到被保护区域发生火灾的信息传送到系统控制部分；

(2).系统控制部分接收火灾信息并进行分析判断，系统控制部分可在10S内完成对火源的分析判断，若判断火灾成立，则立即启动火源定位程序：

a.红外火焰探测器随着炮筒进行水平方向360°旋转检测，确定火源点P的水平位置，然后炮口指向在火源点P的水平中心位置；

b.红外火焰探测器随着炮筒进行垂直方向135°旋转检测,确定火源点P的垂直位置，然后炮口指向在火源点P的垂直中心；

c.系统控制部分获取此时炮口对准火源点P的定位角，从而实现对火源点P的精确定位。

步骤二.压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角计算

(1).根据以下公式计算火源点距离炮口的水平距离X：

X＝H/tan(r)----------------------(1)

式中：H-压缩空气智能炮的安装高度；单位为m；X-火源点距离炮口的水平距离，单位为m；r-火源定位角；

(2).根据下列公式计算压缩空气泡沫射流初始速度V₀：

式中：λ-压缩空气泡沫气液比；Q_水-水流量，单位为L/min；Q_气-空气流量，单位为m³/h；ε-压缩空气泡沫质量含气率；ρ_气-空气密度，单位为kg/m³；ρ_水-水密度，单位为kg/m³；-压缩空气泡沫平均动力粘度，单位为Pa·s；μ_气-空气动力粘度，单位为Pa·s；μ_水-水动力粘度，单位为Pa·s；－压缩空气泡沫平均密度单位为kg/m³；d-炮口管径，单位为m；V₀－压缩空气泡沫射流初始速度，单位为m/s；

(3).根据以下公式计算压缩空气泡沫射流的空气阻力系数K：

$R_e=\frac{V_0\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}d}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}---\left(7\right)$

$K=\frac{0.072}{R_e^{0.2}}+0.108R_e^{0.1}---\left(8\right)$

式中：R_e-雷诺数；K-空气阻力系数；

(4).根据以下压缩空气泡沫射流轨迹方程计算压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角：

$f\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{H\ω}}^3-\mathrm{AX}\sqrt{1-{\mathrm{\ω}}^2}{\mathrm{\ω}}^2+\frac{\mathrm{Bg}{X}^2}{V_0^2}\mathrm{\ω}-\frac{\mathrm{CKg}{X}^3}{V_0^3}---\left(9\right)$

θ＝arccos(ω)------------------------(10)

式中：g-重力加速度，A、B、C为射流轨迹相关系数，与泡沫气液比相关(例如：压缩空气泡沫气液比为8.75，水流量Q_水＝400L/min，射流轨迹相关系数A＝1.356、B＝0.271、C＝4.787)；ω-喷射俯仰角θ对应的余弦值；θ-喷射俯仰角；

(5).系统控制部分输出喷射俯仰角θ至旋转动作机构，旋转动作机构自动调整炮口方向角度。

步骤三.喷射压缩空气泡沫灭火

(1).系统控制部分发出灭火指令给压缩空气泡沫产生装置和电控阀，压缩空气泡沫产生装置开始产生压缩空气泡沫，同时电控阀打开，压缩空气泡沫智能炮按照已调整好的角度喷射压缩空气泡沫，同时为了更好的对火源进行覆盖，控制炮口以火源点为中心进行±10°的水平摆动；

(2).当火源被扑灭后，数字图像火灾探测器和红外火焰探测器将火源熄灭信号传递给系统控制部分，系统控制部分发出指令，使压缩空气泡沫产生装置停止喷射压缩空气泡沫，然后关闭电控阀；

(3).数字图像火灾探测器和红外火焰探测器继续随炮筒360°旋转巡视一周，确认无火源后，进入待机监测模式，若监测火源复燃，压缩空气泡沫智能炮重新启动，重复步骤一至步骤三灭火过程。

参照图3，图中O点为炮口，H为炮口到地面的安装高度，X为炮口距离火源点P的水平距离，θ表示喷射俯仰角，即炮口喷射压缩空气泡沫时与水平面的角度，r表示火源定位角，即炮口对准火源点P时与水平面的角度，OP弧线为压缩空气泡沫射流轨迹。

本方法涉及的系统控制部分包括中控箱和手动控制箱；旋转动作机构包括水平旋转伺服电机、水平旋转传动齿轮组、水平旋转限位开关、垂直旋转伺服电机、垂直旋转传动齿轮组和垂直旋转限位开关。中控箱通过数据线与数字图像火灾探测器、红外火焰探测器、伺服电机和电控阀相连，用来接收信号和处理数据、计算压缩空气泡沫喷射角、发布指令控制压缩空气泡沫智能炮进行水平和垂直旋转以及控制压缩空气泡沫产生装置工作和电控阀动作。手动控制箱通过数据线与中控箱相连，可进行压缩空气泡沫智能炮所有动作的手动操作，且手动操作模式为最高优先级。系统硬件控制部分采用业内熟知的控制系统，例如可采用ARM单片机或者采用DSP进行控制。

参照图1，一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统包括压缩空气泡沫产生装置1、手动控制箱2、电控阀3、中控箱4、泡沫进入管5、水平旋转传动齿轮组6、水平旋转限位开关15、水平旋转伺服电机7、泡沫进入弯管8、垂直旋转传动齿轮组9、垂直旋转限位开关14、垂直旋转伺服电机10、炮筒11、数字图像火灾探测器12和红外火焰探测器13；其中，电控阀3前端通过泡沫管路连接压缩空气泡沫产生装置1，电控阀3后端通过泡沫管路连接泡沫进入管5上端设有的法兰盘底座，泡沫进入管5的下端通过轴承连接泡沫进入弯管8的一端，泡沫进入弯管8的另一端通过轴承和90°弯管连接炮筒11；水平旋转伺服电机7、水平旋转传动齿轮组6和水平旋转限位开关15安装在泡沫进入管5和泡沫进入弯管8的接口处，用于控制泡沫进入弯管8和炮筒11的水平旋转；垂直旋转伺服电机10、垂直旋转传动齿轮组9和垂直旋转限位开关14安装在泡沫进入弯管8和炮筒11的接口处，用于控制炮筒11的垂直旋转；数字图像火灾探测器12和红外火焰探测器13安装在炮筒11上，二者与炮筒11平行，随炮筒11旋转。

优选的，本系统的红外火焰探测器采用双波段红外火焰探测器，通过比较火焰探测波段与背景波段，通过数据处理提取出相应的火焰特征，可以有效排除干扰，避免误报。数字图像火源探测器将火灾图像传输到后台监视器上，便于值班人员实时查看。

本系统采用双波段红外火焰探测器且与数字图像火灾探测器12集成在一起安装在炮筒11上。双波段红外火焰探测器镜片外装有遮光罩，遮光罩上开有大约2mm的缝隙。使得红外火焰探测器探测范围控制在一个很小的区域。

参照图2，本系统的数字图像火灾探测器12和红外火焰探测器13、手动控制箱2、水平旋转限位开关15和垂直旋转限位开关14分别连接至中控箱4；中控箱4分别连接压缩空气泡沫产生装置1、电控阀3、水平旋转伺服电机7和垂直旋转伺服电机10；水平旋转伺服电机7和垂直旋转伺服电机10分别连接水平旋转传动齿轮组6和垂直旋转传动齿轮组9；压缩空气泡沫产生装置1的出口通过电控阀3和泡沫管路连接至泡沫进入管5，且通过泡沫进入弯管进入炮筒11。

本方法及系统的压缩空气泡沫产生装置采用现有技术。

Claims (5)

1.一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、火源探测及定位

(1).采用数字图像火灾探测器将监测到被保护区域发生火灾的信息传送到系统控制部分；

(2).系统控制部分接收火灾信息并进行分析判断，若判断火灾成立，则立即启动火源定位程序，具体如下：

a).红外火焰探测器随着炮筒进行水平方向360°旋转检测，确定火源点的水平位置，然后炮口指向在火源点的水平中心位置；

b).红外火焰探测器随着炮筒进行垂直方向135°旋转检测,确定火源点的垂直位置，然后炮口指向在火源点的垂直中心；

c).系统控制部分获取此时炮口对准火源的定位角；

步骤二、压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角计算

(1).根据以下公式计算火源点距离炮口的水平距离X：

X＝H/tan(r)----------------------(1)

式中：H-压缩空气智能炮的安装高度；单位为m；X-火源点距离炮口的水平距离，单位为m；r-火源定位角；

(2).根据下列公式计算压缩空气泡沫射流初始速度V₀：

式中：λ-压缩空气泡沫气液比；Q_水-水流量，单位为L/min；Q_气-空气流量，单位为m³/h；ε-压缩空气泡沫质量含气率；ρ_气-空气密度，单位为kg/m³；ρ_水-水密度，单位为kg/m³；-压缩空气泡沫平均动力粘度，单位为Pa·s；μ_气-空气动力粘度，单位为Pa·s；μ_水-水动力粘度，单位为Pa·s；－压缩空气泡沫平均密度，单位为kg/m³；d-炮口管径，单位为m；V₀－压缩空气泡沫射流初始速度，单位为m/s；

(3).根据以下公式计算压缩空气泡沫射流的空气阻力系数K：

$R_e=\frac{V_0\stackrel{\‾}{\mathrm{\ρ}}d}{\mathrm{\μ}}---\left(7\right)$

$K=\frac{0.072}{R_e^{0.2}}+0.108R_e^{0.1}---\left(8\right)$

式中：R_e-雷诺数；K-空气阻力系数；

(4).根据以下压缩空气泡沫射流轨迹方程计算压缩空气泡沫智能炮喷射俯仰角：

$f\left(\mathrm{\ω}\right)=H{\mathrm{\ω}}^3-\mathrm{AX}\sqrt{1-{\mathrm{\ω}}^2}{\mathrm{\ω}}^2+\frac{\mathrm{Bg}{X}^2}{V_0^2}\mathrm{\ω}-\frac{\mathrm{CKg}{X}^3}{V_0^3}---\left(9\right)$

θ＝arccos(ω)------------------------(10)

式中：g-重力加速度，A、B、C为射流轨迹相关系数；ω-喷射俯仰角θ对应的余弦值；θ-喷射俯仰角

(5).系统控制部分输出喷射俯仰角θ至旋转动作机构，旋转动作机构自动调整炮口方向角度；

步骤三、喷射压缩空气泡沫灭火

(1).系统控制部分发出灭火指令给压缩空气泡沫产生装置和电控阀，压缩空气泡沫产生装置开始产生压缩空气泡沫，同时电控阀打开，压缩空气泡沫智能炮按照已调整好的角度喷射压缩空气泡沫，同时控制炮口以火源点为中心进行±10°的水平摆动；

(2).当火源被扑灭后，数字图像火灾探测器和红外火焰探测器将火源熄灭信号传递给系统控制部分，系统控制部分发出指令，使压缩空气泡沫产生装置停止喷射压缩空气泡沫，然后关闭电控阀；

(3).数字图像火灾探测器和红外火焰探测器继续随炮筒360°旋转巡视一周，确认无火源后，进入待机监测模式，若监测火源复燃，压缩空气泡沫智能炮重新启动，重复步骤一至步骤三灭火过程。

2.一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统，其特征在于，该系统包括压缩空气泡沫产生装置(1)、手动控制箱(2)、电控阀(3)、中控箱(4)、泡沫进入管(5)、水平旋转传动齿轮组(6)、水平旋转限位开关(15)、水平旋转伺服电机(7)、泡沫进入弯管(8)、垂直旋转传动齿轮组(9)、垂直旋转限位开关(14)、垂直旋转伺服电机(10)、炮筒(11)、数字图像火灾探测器(12)和红外火焰探测器(13)；其中，电控阀(3)前端通过泡沫管路连接压缩空气泡沫产生装置(1)，电控阀(3)后端通过泡沫管路连接泡沫进入管(5)上端设有的法兰盘底座，泡沫进入管(5)的下端通过轴承连接泡沫进入弯管(8)的一端，泡沫进入弯管(8)的另一端通过轴承和90°弯管连接炮筒(11)；水平旋转伺服电机(7)、水平旋转传动齿轮组(6)和水平旋转限位开关(15)安装在泡沫进入管(5)和泡沫进入弯管(8)的接口处，用于控制泡沫进入弯管(8)和炮筒(11)的水平旋转；垂直旋转伺服电机(10)、垂直旋转传动齿轮组(9)和垂直旋转限位开关(14)安装在泡沫进入弯管(8)和炮筒(11)的接口处，用于控制炮筒(11)的垂直旋转；数字图像火灾探测器(12)和红外火焰探测器(13)安装在炮筒(11)上，二者与炮筒(11)平行，随炮筒(11)旋转。

3.根据权利要求2所述的一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统，其特征在于，所述红外火焰探测器(13)采用双波段红外火焰探测器，且与数字图像火灾探测器(12)集成在一起安装在炮筒(11)上。

4.根据权利要求3所述的一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统，其特征在于，所述双波段红外火焰探测器镜片外装有遮光罩，遮光罩上开有缝隙。

5.根据权利要求2所述的一种压缩空气泡沫智能炮自动灭火系统，其特征在于，所述的数字图像火灾探测器(12)和红外火焰探测器(13)、手动控制箱(2)、水平旋转限位开关(15)和垂直旋转限位开关(14)分别连接至中控箱(4)；中控箱(4)分别连接压缩空气泡沫产生装置(1)、水平旋转伺服电机(7)和垂直旋转伺服电机(10)；水平旋转伺服电机(7)和垂直旋转伺服电机(10)分别连接水平旋转传动齿轮组(6)和垂直旋转传动齿轮组(9)；压缩空气泡沫产生装置(1)的出口通过电控阀(3)和泡沫管路连接至泡沫进入管(5)，且通过泡沫进入弯管(8)进入炮筒(11)。