李　明

(南通市消防支隊(duì)，江蘇 南通　226000)

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帶空氣輸送功能的消防水帶設(shè)計(jì)研究

李明

(南通市消防支隊(duì)，江蘇 南通226000)

根據(jù)消防部隊(duì)指戰(zhàn)員在滅火救援現(xiàn)場作戰(zhàn)時(shí)，需要純凈、可靠的空氣滿足在惡劣環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，提出了一種安全可靠的消防員呼吸供給系統(tǒng)，在消防水帶中心處加裝空氣輸送帶，并連接現(xiàn)有配備的正壓式空氣呼吸器面罩，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程長效供氣。同時(shí)，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench對方案進(jìn)行現(xiàn)實(shí)工況的模擬分析，論證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

正壓式空氣呼吸器；空氣輸送；消防水帶

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，火災(zāi)發(fā)展形勢多元化，呈現(xiàn)出火災(zāi)荷載大、面積廣、樓層高等客觀情況，消防員在火災(zāi)搶救現(xiàn)場因防護(hù)裝備氧氣不足而犧牲的事件時(shí)有發(fā)生，新型消防員個(gè)人防護(hù)裝備的研發(fā)勢在必行。以下就分別介紹現(xiàn)有正壓式空氣呼吸器使用現(xiàn)狀及空氣輸送式消防水帶的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用前景。

1　正壓式空氣呼吸器使用現(xiàn)狀

正壓式空氣呼吸器是基層消防部隊(duì)官兵個(gè)人防護(hù)裝備中的重要組成部分，是保障消防官兵在濃煙、有毒、缺氧等各種環(huán)境下，安全有效地進(jìn)行滅火和搶險(xiǎn)救援工作的呼吸防護(hù)器具。然而近年來，消防官兵在使用正壓式空氣呼吸器進(jìn)行滅火救援任務(wù)時(shí)，由于操作使用不規(guī)范、氣瓶使用時(shí)間偏短等問題，造成指戰(zhàn)員在火場內(nèi)部因吸入高溫?zé)煔猓瑢?dǎo)致呼吸道灼傷，甚至犧牲，可謂教訓(xùn)慘痛。筆者對本單位空氣呼吸器使用情況進(jìn)行了調(diào)研、測試和分析。

1.1國內(nèi)外呼吸器應(yīng)用情況

空氣呼吸器的工作原理是氣瓶內(nèi)的壓縮空氣經(jīng)氣瓶閥進(jìn)入減壓閥實(shí)現(xiàn)減壓，經(jīng)中壓導(dǎo)管進(jìn)入供氣閥，依據(jù)佩戴者的呼吸需求進(jìn)行供氣，呼出氣體通過排氣閥進(jìn)入外部環(huán)境。目前全世界空氣呼吸器生產(chǎn)企業(yè)多達(dá)數(shù)百家，產(chǎn)品類型繁雜，其主要發(fā)展方向?yàn)楸憬莼?、小型化、智能化[1]。正壓式空氣呼吸器的Rax面罩適用于亞洲人臉型，佩戴舒適，能快速插接供氣閥，具有體積小、重量輕、操作方便的特點(diǎn)，主要由輕型背托、碳纖維氣瓶、面罩、壓力表、減壓閥等部分組成。

1.2當(dāng)前南通消防部隊(duì)空氣呼吸器配備情況

從統(tǒng)計(jì)情況來看，目前南通市公安現(xiàn)役消防隊(duì)配備的正壓式空氣呼吸器為3個(gè)品牌共681具，政府專職消防隊(duì)配備431具，其中依格、寶亞兩種品牌是現(xiàn)有配備款式相對較新、使用頻率較高的空氣呼吸器。

1.3空氣呼吸器在多種情況下的使用時(shí)間測試

筆者選用南通消防支隊(duì)基層中隊(duì)配備使用最多的依格品牌，以氣瓶容積為6.8 L、工作壓力為30 MPa為例進(jìn)行試驗(yàn)，對空氣呼吸器在不同情況下(負(fù)重登樓以2 min為時(shí)限)的使用時(shí)間情況進(jìn)行測試，并將測試情況取平均值進(jìn)行匯總，結(jié)果見表1。

表1　不同情況下空氣呼吸器使用平均時(shí)間

有專家研究表明，當(dāng)外部環(huán)境溫度超過35 ℃時(shí)，人體就會(huì)心跳加快、血液循環(huán)加速，促使呼吸加快以呼出體內(nèi)代謝產(chǎn)生的熱量[2]。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，筆者分析，在滅火救援現(xiàn)場濃煙高溫情況下，因高溫、內(nèi)心恐懼情緒加之救援任務(wù)緊迫繁重，在這種狀態(tài)下使用空氣呼吸器，其使用時(shí)間與測試情況下使用時(shí)間相比，將有所減少。為此，除提升消防官兵身體業(yè)務(wù)素質(zhì)、良好心理素質(zhì)及裝備科學(xué)使用來提升空氣呼吸器使用時(shí)間外，創(chuàng)新空氣呼吸器的供氣方式將成為提升消防官兵火場作戰(zhàn)時(shí)間的重要手段。

2　現(xiàn)有氣水分離器

2.1旋風(fēng)式氣水分離器的工作過程與原理

旋風(fēng)式氣水分離器綜合應(yīng)用了離心分離、重力分離及膜式分離作用來進(jìn)行氣水分離，結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。其工作原理及過程為：具有很大動(dòng)能的氣水混合物沿切線方向引入旋風(fēng)分離器的筒體，使其由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成離心力(比重力大17.9～47.5倍)，這些水滴在隨氣流螺旋上升的過程中，逐漸被推向壁面。當(dāng)蒸氣通過旋風(fēng)筒上部的百葉窗波形板頂帽時(shí)，又靠膜式分離使蒸氣進(jìn)一步被分離。鍋內(nèi)旋風(fēng)分離器是一種非常有效的氣水分離裝置，其分離效率高達(dá)99%左右。

圖1　旋風(fēng)式氣水分離器的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2擋板式氣水分離器的工作原理

擋板式氣水分離器(如圖2所示)的工作原理為：通過分離-降速、離心、碰撞、變向、凝聚等原理，除去壓縮空氣(氣體)中的液態(tài)水分，達(dá)到凈化的作用，其常安置在后冷卻器的后面。

圖2　擋板式氣水分離器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3現(xiàn)有氣水分離器的應(yīng)用分析

現(xiàn)有的氣水分離器，無論是旋風(fēng)式還是擋板式，其均主要運(yùn)用于壓縮氣體的除雜(除去壓縮氣體里的水分或其他質(zhì)量大于空氣的雜質(zhì))，其具有良好的除雜效果，可達(dá)到99%。但消防設(shè)備中質(zhì)量大的水占據(jù)大的比例，因此該技術(shù)不適用于消防水中的氣水分離。

3　空氣輸送式消防水帶設(shè)計(jì)與研究

3.1空氣輸送式消防水帶設(shè)計(jì)方案

本方案擬在原有消防水帶內(nèi)加裝一空氣輸送帶，用于給消防官兵輸送空氣；該方案為消防官兵延長寶貴救援時(shí)間的同時(shí)，保障了其呼吸的暢通；本方案在接口處采用直板固定結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了接口處的機(jī)械強(qiáng)度；同時(shí)為了提高空氣接口處的安全系數(shù)，分散該處的作用壓強(qiáng)，在空氣接口處采用錐形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　方案結(jié)構(gòu)示意圖

3.2空氣輸送式消防水帶性能研究

3.2.1消防水帶改進(jìn)前后壓力對比

由圖4可知，隨著消防水帶距離消防車高壓水泵的軸向距離的增加，在大氣壓、重力、消防水帶摩擦阻力等因素的作用下，水帶內(nèi)水的壓強(qiáng)也呈現(xiàn)非線性降低。

圖4　消防水帶軸向水壓壓強(qiáng)

圖5和圖6所示為ANSYS Workbench[4]依據(jù)實(shí)際工況模擬分析出的消防水帶內(nèi)軸向及徑向的壓強(qiáng)分布圖。由圖6可知，在直板支架處，水流的作用壓強(qiáng)有所增大；但由于消防水帶內(nèi)的水流為湍流，因此支架各處的壓強(qiáng)分布有所差異。圖7所示為支架直板處的水壓壓強(qiáng)分布。

由理論力學(xué)的知識(shí)可知，當(dāng)空氣輸送式消防水帶內(nèi)空氣的作用壓強(qiáng)大于消防水帶內(nèi)水壓對空氣輸送帶的壓強(qiáng)時(shí)，空氣輸送式消防水帶可實(shí)現(xiàn)輸送空

圖5　基于有限元分析的水帶內(nèi)壓強(qiáng)分布

圖6　　　　基于有限元分析的帶有空氣輸送式

圖7　　　　基于有限元分析的橫片支架處的

氣的功能。圖8為空氣輸送帶內(nèi)空氣的壓強(qiáng)和消防水帶內(nèi)水壓對空氣輸送式消防水帶的作用力的分布圖，由此圖可知無論是空氣，還是水的壓強(qiáng)均是均勻沿著軸向作用于空氣輸送式消防水帶上，當(dāng)空氣輸送式消防水帶上有壓強(qiáng)差時(shí)，其將產(chǎn)生形變。

圖8　空氣輸送式消防水帶受力分析

3.2.2消防水帶改進(jìn)前后流體流速的對比

圖9和圖10分別為加裝空氣輸送帶后消防水帶內(nèi)水流速度矢量分布。從圖中可知在加裝空氣輸送帶后，消防水帶相同位置橫截面處的水流面積有所減少，但同時(shí)隨著消防水帶單位長度內(nèi)水的體積減少，在相同高壓水泵作用下，其水流速度增加；因此在單位時(shí)間內(nèi)加裝空氣輸送帶前后，從水槍內(nèi)流出水的質(zhì)量相差不大。

圖9　消防水帶內(nèi)水流速度矢量圖

圖10　帶有空氣輸送帶的消防水帶內(nèi)水流速度矢量圖

4　結(jié)論

綜上所述，在模擬消防水帶的實(shí)際工況下，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行模擬分析可知：(1)現(xiàn)有氣水分離器的工作原理限定了其工作范圍，其僅適用于大量壓縮氣體的除雜(去除大量氣體中的水分等)，而不適于從消防水中分離出供給消防員呼吸的空氣的工況；(2)當(dāng)空氣輸送帶內(nèi)的空氣壓強(qiáng)大于消防水帶內(nèi)水壓對其的作用壓強(qiáng)時(shí)，該設(shè)計(jì)方案可以滿足設(shè)計(jì)要求；(3)該設(shè)計(jì)方案對消防水槍出水量的影響較小。

[1] 趙新.淺談空氣呼吸器的使用與保養(yǎng)[C]//中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2008.

[2] 張景.空氣呼吸器使用時(shí)間測試及其在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2014(2):44-46.

[5] 李建華,黃鄭華.核輻射事故及其應(yīng)急救援的特點(diǎn)[J].輻射防護(hù)通訊,2005,25(5):22-25.

[3] 張冬梅,王保華.壓氣旋風(fēng)式吸氣裝置設(shè)計(jì)[J].設(shè)備管理與維修,2014(9):64-66.

[4] 崔俊芝.有限元結(jié)構(gòu)分析軟件述評(一)[J].計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用,1985,2(4):75-82.

(責(zé)任編輯馬龍)

On the Design of a Fire Hose with Air Convey

LI Ming

(NantongMunicipalFireBrigade,JiangsuProvince226000,China)

This paper offers a design of a fire hose with a air convey band in it connected to a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus for a long time air supply, which meets the need of supplying clear and stable air for a fire fighting in a serious situation. A design simulation has been done through ANSYS Workbench software for the feasibility of this design.

a facepiece for a positive pressure self-contained open-circuit compressed air breathing apparatus; air convey; fire hose

2016-01-15

李明(1973—)，男，江西彭澤人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0021-04