CN116087261B

CN116087261B - 一种泡沫耐热稳定性评价装置和方法

Info

Publication number: CN116087261B
Application number: CN202310379625.2A
Authority: CN
Inventors: 张靖宇; 李宾飞; 辛岩; 李博良; 包志明; 柯鑫; 靖立帅
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2023-04-11
Filing date: 2023-04-11
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2043-04-11
Also published as: CN116087261A

Abstract

本发明属于泡沫灭火剂性能测试技术领域，涉及一种泡沫耐热稳定性评价装置和方法，所述泡沫耐热稳定性评价装置，主要包括泡沫装载模块、加热模块、泡沫析液模块、测试模块，能够评价常温环境、普通高温环境、对流环境以及高温热对流环境中泡沫的热稳定性，涵盖了泡沫的一系列稳定性能测试；同时能对泡沫的热稳定性进行定量分析，确定影响泡沫热稳定性的主要因素，进而针对性地提高所选泡沫的性能。

Description

一种泡沫耐热稳定性评价装置和方法

技术领域

本发明属于泡沫灭火剂性能测试技术领域，具体涉及一种泡沫耐热稳定性评价装置和方法。

背景技术

近年来，泡沫灭火剂因其良好的灭火性能广泛应用于消防部队和石化企业，在灭火救灾中发挥了重要的作用。泡沫灭火剂灭火的机理主要包括以下两点：一是泡沫覆盖起火表面以达到隔绝空气的目的，二是泡沫水分蒸发，对着火体系进行冷却降温。泡沫的稳定性是其发挥灭火和防护作用的关键。火场中随着温度的升高，泡沫排液速率增快，液体蒸发作用明显，泡沫稳定性会大大降低。三相泡沫在受热条件下的破灭损失主要包括析液和蒸发，两者均会降低泡沫的黏度进而影响泡沫的稳定性。其中，析液是泡沫主要的损失机制，液体析出导致液膜变薄，泡沫稳定性大大降低。相较于常温条件，高温下泡沫体系液体蒸发对泡沫稳定性的影响十分显著。

与普通高温环境相比，火灾现场往往伴随着强风，空气流动加快引起强烈的热对流，这将大大增加泡沫的蒸发速度，对泡沫液膜产生巨大的冲击力。同时空气中携带的烟尘、灰烬等固体颗粒撞击泡沫液膜并粘附在泡沫外壁上也会加速泡沫破裂，影响泡沫的稳定性。

中国专利CN110455850A公开了一种泡沫流体热稳定性测试装置及方法，能够最大限度地模拟火场环境，连续监测高温环境中泡沫的析液过程，测试泡沫的稳定性能和抗复燃特性。但是，该装置忽略了火场中热对流的影响，并且该装置只是模拟的火焰周围环境，并未模拟泡沫覆盖在高温着火物表面的情况。

中国专利CN209745851U公开了一种泡沫灭火剂热稳定性测定仪，主要是通过控制升降台与加热盘之间的距离来对容器中的泡沫进行恒温加热，通过观察泡沫的破碎速度来反映泡沫的热稳定性。但是该装置仅设计了热传导对泡沫稳定性的影响，未考虑热对流因素。此外，实验过程中泡沫破碎速度的观察标准不明确，结果存在较大误差。

目前，针对泡沫耐热稳定性的评价主要集中在常温条件下，为数不多的高温环境中泡沫耐热稳定性的评价装置主要集中在热传导作用方面，不能真实模拟火灾现场的环境，同时也无法定量分析泡沫的耐热稳定性。

发明内容

发明概述：

本发明针对现有的技术装置中不能真实模拟火灾现场进行泡沫耐热稳定性评价的问题，提供了一种新的泡沫耐热稳定性评价装置，可以填补热对流对泡沫耐热稳定性影响的空白，并针对评价装置设计了相对应的热对流条件下泡沫耐热稳定性评价方法。

为解决背景技术中涉及的问题，本发明装置采用的技术方案如下：

一种泡沫耐热稳定性评价装置，主要包括泡沫装载模块、加热模块、泡沫析液模块、测试模块。

其中，所述泡沫装载模块为一个容器。

所述容器为顶端开口式的正四方体容器。

所述容器侧壁的三面为硬质铁板，一面为耐热的标有刻度的石英玻璃板。

所述加热模块包括加热板、热电耦、热吹风。

所述容器的底部设置为加热板，所述加热板中心位置设置为圆形孔洞，用于使泡沫体系析出的液体流入泡沫析液模块。

优选的，所述孔洞的直径为2-4cm。

更优选地，所述容器底部的加热板为倒锥形，可以引导析出的液体流向双层真空量筒中。

所述热电耦均匀地分布在一侧硬质铁板内壁与加热板上壁，用于实时记录热电耦的温度。

所述热吹风口处还设置有凹槽，用来装载固体颗粒。

所述热吹风的位置和角度根据所需模拟的情况进行调整，模拟火场中不同风向下热对流对泡沫稳定性的影响，从而增加模拟火灾现场的真实性，提高泡沫耐热稳定性评价的准确性。

优选地，所述热吹风的位置和角度根据所需模拟的情况进行调整，模拟火场中不同风向下热对流对泡沫稳定性的影响。

更优选地，所述热吹风口处安装扩散型的风嘴，能够扩大吹风范围并使吹风更加均匀。

所述泡沫析液模块包括量筒和半渗透膜。

所述量筒为双层真空设计，能够减少实验过程中的传热干扰。

所述半渗透膜只允许液体渗透不允许泡沫通过。

所述量筒置于加热板中心的孔洞下方，且所述量筒的开口直径大于孔洞直径,用于测量泡沫体系析出的液体体积。

所述半渗透膜介于加热板中心的孔洞与量筒之间。

所述测试模块包括支架、照明灯、天平、摄像机。

所述照明灯设置于容器的正上方。

所述加热板通过支架放置于天平上，使整个容器置于天平上，用于检测实验中损失的质量，其中实验中损失的质量即为泡沫的蒸发量。

本发明设置泡沫析液模块以及测量模块，通过量筒和天平得到泡沫的析液量与蒸发量，对泡沫的热稳定性进行定量分析，确定影响泡沫热稳定性的主要因素，进而针对性地提高所选泡沫的性能。

所述摄像机布置于石英玻璃板外侧，用于记录拍摄。

本发明还提供了一种泡沫耐热稳定性评价方法，包括如下步骤：

(1）将制备好的泡沫流体倒入容器中，记录此时泡沫初始高度，记录泡沫初始质量；

(2）每15s记录一次天平的读数、泡沫的高度以及量筒的读数；

(3）打开照明灯和摄像机，通过石英玻璃板观察容器中泡沫层的变化；

(4）待泡沫厚度下降至初始高度的1/3位置时，记录量筒刻度、天平读数。

进一步的，当模拟场景为高温环境时，在将泡沫流体倒入容器之前，调整加热板为预设温度，并实时记录热电耦的温度；在泡沫厚度下降至初始高度的1/3位置时，关闭加热板，停止加热，记录量筒刻度、天平读数。

进一步的，当模拟对流环境时，根据所需模拟的情况，调整热吹风的位置和角度，并在倒入泡沫流体后立即打开热吹风。

更进一步的，当模拟场景为火灾环境时，所述泡沫稳定性测试方法，包括如下步骤:

（1）调整热吹风的位置和角度，打开温控仪，设定加热板的加热温度，设置热电耦并实时记录热电耦的温度；

（2）当加热板温度达到预定温度时，将制备好的泡沫流体倒入容器中，记录此时泡沫初始高度，记录泡沫初始质量；

（3）立即打开热吹风，开始计时，每15s记录一次天平的读数、泡沫的高度以及量筒的读数；

（4）打开照明灯和摄像机，通过石英玻璃板观察容器中泡沫层的变化；

（5）待泡沫厚度下降至初始高度的1/3位置时，关闭加热模块，停止加热，记录量筒刻度、天平读数。

优选的，在热吹风的凹槽中放置细砂颗粒，并在实验结束时称量剩余细砂颗粒质量，用以准确模拟火灾现场空气中携带的烟尘、灰烬等固体颗粒。

所述细砂颗粒的粒径为0.15-0.3mm，流速取决于热吹风的风速。

有益效果：

1、本发明所提供的泡沫耐热稳定性评价装置能够评价常温环境、普通高温环境、对流环境以及高温热对流环境中泡沫的热稳定性,能够涵盖泡沫的一系列稳定性能测试。其中，本发明创造性的增设了对流环境的模拟装置，用以提高模拟火灾现场的真实性。

2、本发明所提供的泡沫耐热稳定性评价装置能监测泡沫在高温热对流环境下泡沫的析液过程以及在火灾现场空气中携带的烟尘、灰烬等固体颗粒撞击下泡沫的破裂过程，并实时监测泡沫层内的温度分布。

3、本发明所提供的泡沫耐热稳定性评价装置通过泡沫析液模块以及测量模块，得到泡沫的析液量与蒸发量，对泡沫的热稳定性进行定量分析，确定影响泡沫热稳定性的主要因素，进而针对性地提高所选泡沫的性能。

附图说明

图1为泡沫耐热稳定性评价装置的正视图；

图2为泡沫耐热稳定性评价装置的俯视图；

其中，1-照明灯，2-热吹风，3-凹槽，4-半渗透膜，5-量筒，6-支架，7-天平，8-加热板，9-热电耦，10-硬质铁板，11-石英玻璃板。

下面结合实施例和说明书附图进一步说明，但本发明不限于此。

具体实施方式

实施例1

一种泡沫耐热稳定性评价装置，如图1所示，主要包括泡沫装载模块、加热模块、泡沫析液模块、测试模块。其中，泡沫装载模块为一个顶端开口式正四方体容器，边长为20cm，三面为硬质铁板10，一面为石英玻璃板11，底部设置为加热板8，所述泡沫装载模块材料均为耐高温材质。石英玻璃板11为透明材质，表面刻有量度，用来读取泡沫流体的体积；容器底部的加热板8为倒锥形，且加热板8中心位置设置直径为2cm的圆形孔洞，以引导析出的液体流向量筒5中；容器上方装有照明灯1，便于观察泡沫形态。热电耦9均匀地分布在一侧硬质铁板10的内壁与加热板8上壁，通过记录仪实时记录热电耦9的温度；热吹风2放置在容器侧上方，且与容器中心轴夹角为45°，距离容器最高点6cm，出风口位置温度可在80-300℃内调节。泡沫析液模块包括量筒5和半渗透膜4，量筒5为双层真空设计，能够减少实验过程中的传热干扰；半渗透膜4只允许液体渗透不允许泡沫通过。整个容器通过支架6放置在天平7上，用于测量实验中损失的质量，实验中损失的质量即为泡沫的蒸发量。在石英玻璃板11外布置摄像机，做记录拍摄使用。

采用含有0.7wt%的YF-1表面活性剂、0.3wt%的海藻酸钠的泡沫体系进行热稳定性评价，具体操作步骤如下：

（1）调整热吹风2的位置和角度，将硬质铁板10壁面上的热电耦9的高度设置在距离硬质铁板10底部4cm、8cm、12cm处（共计3根），底部热电耦间隔5cm均匀分布在加热板上（共计4根），通过记录仪实时记录热电耦9的温度；

（2）打开照明灯1和摄像机，通过石英玻璃板11观察容器中泡沫层的变化；

（3）将制备好的泡沫流体倒入泡沫容器中，泡沫初始高度为15cm，记录泡沫初始质量562.5g；

（4）打开热吹风2，设置吹风口处温度为80℃，风速为0.5m/s开始计时，每15s记录一次天平7的读数、泡沫的高度以及量筒5的读数；

（5）待容器内泡沫厚度下降至5cm时，关闭热吹风2，停止加热，并记录量筒5最终的读数为248.1mL，剩余泡沫与析出液的质量为472.9g，计算得出实验损失质量为89.6g。

实施例2

本实施例所采用的泡沫耐热稳定性评价装置及泡沫体系同实施例1。

本实施例步骤（4）中设置吹风口温度为100℃，其余步骤均同实施例1。

实施例3

本实施例步骤（4）中设置吹风口温度为120℃，其余步骤均同实施例1。

实施例4

本实施例步骤（1）在热吹风2的凹槽3处添加100g的细砂颗粒（所述细砂颗粒的粒径为0.15mm，流速为0.5m/s)，并在步骤（5）中容器冷却后称量剩余细砂颗粒的质量为47.6g。

其余步骤均同实施例1。

表1实施例1-4的实验数据

实施例1-4的结论分析：

如实施例1-3，在热吹风2的作用下，泡沫温度不断升高，顶层泡沫快速蒸发并不断破裂，从表1可以看出，随着对流温度的提高,实验损失的质量即泡沫的蒸发量也越大；同时，泡沫析出液体受重力的影响在底部不断聚集流向量筒5中，且泡沫析出液体积随着对流温度的提高而增大。在一定条件下，随着对流温度的升高，泡沫的析液速度和蒸发越快，消泡速度增加，泡沫耐热稳定性越低。

如实施例4所示，从石英玻璃板11侧可以观察到，加入细砂颗粒后，顶层泡沫受砂粒影响较大，泡沫破裂速度加快，泡沫析出液体积增大，泡沫析出液体积增大，但细砂颗粒对整体泡沫的蒸发量影响不大。

因此，根据实施例1-4得到的泡沫析液量与蒸发量，可以得出一般高温对流环境下，影响所选泡沫体系热稳定性的主要因素为对流温度，在火灾现场，除了对流温度，空气中携带的烟尘、灰烬等固体颗粒也是影响泡沫热稳定性的重要因素。后续可针对性地提高所选泡沫体系液膜的耐温性能和液膜强度，所述液膜强度可以通过提高泡沫体系液相的粘度来增强，以此来抵挡对流和固体颗粒对泡沫表面液膜的冲击。

实施例5

具体操作步骤如下：

（1）将硬质铁板10壁面上的热电耦9设置在距离硬质铁板10底部的4cm、8cm、12cm位置处（共计3根），底部热电耦间隔5cm均匀分布在加热板上（共计4根），并通过记录仪实时记录热电耦9的温度；

（2）打开加热板8，容器底部温度达到200℃时，将制备好的泡沫流体倒入容器中，泡沫初始高度为15cm，记录泡沫初始质量563.7g；

（3）打开照明灯1和摄像机，通过石英玻璃板11观察容器中泡沫层的变化；

（4）每15s记录一次天平7的读数、泡沫的高度以及量筒5的读数；

（5）待容器内泡沫厚度下降至5cm时，关闭加热板8，停止加热；

（6）记录量筒5最终的读数为246.1mL，剩余泡沫与析出液的质量为481.2g，计算得出实验损失质量为82.5g。

实施例6

本实施例所采用的泡沫耐热稳定性评价装置及泡沫体系同实施例5。

具体操作步骤如下：

（1）调整热吹风2的位置和角度，将硬质铁板10壁面上的热电耦9设置在距离硬质铁板10底部的4cm、8cm、12cm位置处（共计3根），底部热电耦间隔5cm均匀分布在加热板上（共计4根），并通过记录仪实时记录热电耦9的温度；

（2）打开加热板8，容器底部温度达到200℃时，将制备好的泡沫流体倒入容器中，泡沫初始高度为15cm，记录泡沫初始质量562.9g；

（3）打开照明灯1和摄像机，通过石英玻璃观察容器中泡沫层的变化；

（4）立即打开热吹风2，设置吹风口处温度为100℃，风速为0.5m/s，每15s记录一次天平7的读数、泡沫的高度以及量筒5的读数；

（5）待容器内泡沫厚度下降至5cm时，关闭所有加热模块，停止加热；

（6）记录量筒5读数为348.2mL，剩余泡沫与析出液的质量为446.2g，计算得出实验损失质量为116.7g。

实施例7

具体操作步骤如下：

（1）调整热吹风2的位置和角度，并在热吹风2的凹槽3内添加100g粒径为0.15mm的细砂颗粒，将硬质铁板10壁面上的热电耦9设置在距离硬质铁板10底部的4cm、8cm、12cm位置处（共计3根），底部热电耦间隔5cm均匀分布在加热板上（共计4根），并通过记录仪实时记录热电耦9的温度；

（2）打开加热板8，容器底部温度达到200℃时，将制备好的泡沫流体倒入容器中，泡沫初始高度为15cm，记录泡沫初始质量562.5g；

（6）记录量筒5读数为359.1mL，剩余泡沫与析出液的质量为445.2g，计算得出实验损失质量为117.3g。

表2 实施例5-7的实验数据

实施例5-7的结论分析：

实施例5仅在底部加热的条件下，底层泡沫接触高温底部迅速破裂，随着温度的升高泡沫下方不断有液体析出，整体泡沫层不断消泡蒸发，泡沫厚度降低。

实施例6中底层泡沫接触高温底部迅速破裂析液，顶层泡沫在热对流的作用下快速破裂并不断蒸发，整体析液速率加快，析液时间变短，析液量和蒸发量增多。在热对流的影响下，泡沫体系的析液量和蒸发量都增加了0.5倍左右。因此，对流环境对泡沫破裂产生极大的影响，泡沫耐热稳定性评价装置通过增设热吹风2能更真实的模拟火灾现场，提高泡沫耐热稳定性评价的准确性。

实施例7中加入细砂颗粒后，顶层泡沫受砂粒影响较大，泡沫破裂速度加快，析液量增多，但整体的蒸发量与实施例6相差不大。

综合分析，根据实施例5-7得到的泡沫析液量与蒸发量，得出在火灾现场高温环境中，着火物高温表面和对流温度是影响泡沫热稳定性的主要因素，空气中携带的烟尘、灰烬等固体颗粒也会影响泡沫稳定性，其主要作用是加速泡沫破裂，增加析液量，但对泡沫的蒸发量影响不大。因此，后续可针对性地提高所选泡沫体系液膜的耐温性能和液膜强度。

Claims

1.一种泡沫耐热稳定性评价装置，其特征在于，包括泡沫装载模块、加热模块、泡沫析液模块、测试模块；

所述泡沫装载模块为一个容器，所述容器为顶端开口式的正四方体容器，所述容器侧壁的三面为硬质铁板，一面为耐热的标有刻度的石英玻璃板；

所述加热模块包括加热板、热电耦、热吹风，所述容器的底部设置为加热板，所述加热板中心设置孔洞，所述热电耦均匀地分布在硬质铁板与加热板上，所述热吹风口处还设置有凹槽，所述凹槽中放置细砂颗粒；

所述泡沫析液模块包括量筒和半渗透膜，所述量筒置于加热板中心的孔洞下方，所述半渗透膜介于加热板中心的孔洞与量筒之间；

所述测试模块包括支架、照明灯、天平、摄像机，所述照明灯设置于容器的正上方，所述加热板通过支架放置于天平上。

2.根据权利要求1所述的泡沫耐热稳定性评价装置，其特征在于，

所述加热板为倒锥形。

3.根据权利要求1所述的泡沫耐热稳定性评价装置，其特征在于，

所述孔洞的直径为2-4cm。

4.根据权利要求1所述的泡沫耐热稳定性评价装置，其特征在于，

所述热吹风口处安装扩散型的风嘴。

5.一种泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，

当模拟场景为高温环境时，在将泡沫流体倒入容器之前，调整加热板为预设温度，并实时记录热电耦的温度；在泡沫厚度下降至初始高度的1/3位置时，关闭加热板，停止加热，记录量筒刻度、天平读数。

7.根据权利要求5所述的泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，

当模拟对流环境时，调整热吹风的位置和角度，并在倒入泡沫流体后立即打开热吹风。

8.根据权利要求5所述的泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，

当模拟场景为火灾环境时，所述泡沫耐热稳定性测试方法包括如下步骤:

（1）调整热吹风的位置和角度，设定加热板的加热温度，设置热电耦并实时记录热电耦的温度；

9.根据权利要求8所述的泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，

当模拟火灾现场中携带固体颗粒时，所述泡沫耐热稳定性测试方法，包括如下步骤:

（1）调整热吹风的位置和角度，并在热吹风的凹槽中放置细砂颗粒，设定加热板的加热温度，设置热电耦并实时记录热电耦的温度；

（5）待泡沫厚度下降至初始高度1/3时，关闭加热模块，停止加热，记录量筒刻度、天平读数，并称量剩余细砂颗粒质量。

10.根据权利要求9所述的泡沫耐热稳定性评价方法，其特征在于，

所述细砂颗粒的粒径为0.15-0.3mm。