High-expansion foam (โฟมขยายตัวสูง) คือ สารดับเพลิงประเภทโฟมที่มีอัตราการขยายตัว (Expansion ratio) ในระดับตั้งแต่ 200 ต่อ 1 จนถึงประมาณ 1,000 ต่อ 1 โดยอัตราส่วนนี้คือ การเปรียบเทียบระหว่างปริมาตรของโฟมหลังจากที่เติมอากาศเข้าไปแล้ว กับปริมาตรของสารละลายโฟมก่อนเติมอากาศ
โฟมชนิดนี้เป็นกลุ่มก้อนของฟองอากาศที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำมันหรือน้ำ ซึ่งถูกสร้างขึ้นด้วยกลไกทางกล โดยการปล่อยกระแสอากาศหรือก๊าซให้พัดผ่านตาข่าย ตะแกรง หรือวัสดุพรุนที่ถูกทำให้เปียกชุ่มด้วยสารละลายโฟม
หลักการทำงานในการดับเพลิง: โฟมขยายตัวสูงมีประสิทธิภาพในการดับไฟผ่านกลไกหลายประการ ได้แก่
- ลดปริมาณออกซิเจน: เมื่อโฟมถูกดันเข้าไปในบริเวณที่มีความร้อน น้ำในโฟมจะเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ (Steam) ซึ่งจะเข้าไปเจือจางความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศให้ลดลง และตัวโฟมยังทำหน้าที่กีดกันไม่ให้อากาศเพิ่มเติมเข้าถึงจุดที่เกิดไฟไหม้ได้
- ลดอุณหภูมิความร้อน: การเปลี่ยนสถานะของน้ำเป็นไอน้ำจะช่วยดูดซับความร้อนออกจากเชื้อเพลิงและวัตถุที่กำลังลุกไหม้
- หยุดการถ่ายเทความร้อนและไอระเหย: โฟมช่วยยับยั้งการพาความร้อน (Convection) การแผ่รังสีความร้อน (Radiation) และชะลอการปล่อยไอระเหยที่ติดไฟได้ของเชื้อเพลิง
- แทนที่ควันและความร้อน: โฟมสามารถขยายตัวเข้าไปแทนที่ปริมาตรของควัน ความร้อน และไอระเหยได้ ซึ่งหากมีการระบายอากาศที่ดีในขณะที่ฉีดโฟม โฟมจะช่วยดันไล่ความร้อนและควันออกจากพื้นที่ไฟไหม้ได้
การประยุกต์ใช้งาน Application
- เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการดับเพลิงแบบปล่อยให้ท่วมเต็มพื้นที่ (Total flooding) โดยเฉพาะในพื้นที่ปิดหรือพื้นที่จำกัด เช่น ชั้นใต้ดิน ทางเดินใต้ดิน หรือโกดังเก็บสินค้าบนชั้นวางทรงสูง
- ทำหน้าที่เป็นตัวนำพาน้ำเข้าไปยังจุดที่ยากต่อการเข้าถึง หรือจุดที่เป็นอันตรายเกินกว่าจะส่งเจ้าหน้าที่ดับเพลิงเข้าไปได้
- ใช้ควบคุมและดับไฟ Class A (วัสดุติดไฟทั่วไป) และ Class B (ของเหลวติดไฟ) รวมถึงของเหลวที่รั่วไหล
การคำนวณความลึกและปริมาตรการท่วมโฟม (Submergence Volume)
ในการหาปริมาณโฟมที่ต้องการ Foam Demand ต้องคำนวณหาปริมาตรห้องที่ต้องเติมโฟมให้เต็ม โดยคำนึงถึงความสูงของวัตถุอันตรายเป็นหลัก
- ความลึกโฟมขั้นต่ำ (Minimum Foam Depth): ตามมาตรฐาน NFPA โฟมจะต้องคลุมเหนือจุดที่สูงที่สุดของวัตถุอันตราย (Hazard Height) เพื่อความปลอดภัย เราจึงเลือกค่าที่มากที่สุดระหว่าง:
- สูงกว่าวัตถุอันตราย 10% (Hazard Height x 1.1)
- สูงกว่าวัตถุอันตรายอย่างน้อย 2 ฟุต (Hazard Height + 2.0 ft)
- ปริมาตรการท่วมโฟม (V):
เวลาในการท่วมโฟมสูงสุด (Maximum Submergence Time, T)
ในระบบ Total Flooding “เวลา” คือสิ่งสำคัญที่สุด โฟมต้องเติมเต็มห้องให้ถึงระดับความลึกที่กำหนดก่อนที่โครงสร้างอาคารจะพังทลาย หรือก่อนที่ไฟจะลุกลามจนคุมไม่ได้
มาตรฐาน NFPA 11 (Table 6.12.7.1) จึงกำหนดตัวแปรเวลา T (หน่วยเป็นนาที) โดยผันแปรตาม:
- ประเภทของวัตถุอันตราย (Hazard Type): เช่น สารไวไฟ (Flammable Liquids) จะลุกไหม้เร็วมาก จึงต้องการเวลา T ที่สั้นมาก (เช่น 2-3 นาที) ขณะที่ยางรถยนต์ (Rubber Tires) ยอมให้เวลา T นานกว่าได้ (5-8 นาที)
- โครงสร้างอาคาร (Construction Type): อาคารเหล็กที่ไม่ป้องกันไฟ (Unprotected Steel) จะวิบัติได้เร็วเมื่อโดนความร้อน จึงต้องการเวลา T ที่เร็วกว่าอาคารทนไฟ (Fire-Resistive)
- ระบบสปริงเกลอร์ (Sprinkler Protection): หากมีสปริงเกลอร์ช่วยควบคุมความร้อน โครงสร้างอาคารจะทนทานได้นานขึ้น มาตรฐานจึงอนุญาตให้ยืดเวลา T ออกไปได้อีกเล็กน้อย
อัตราการสูญเสียโฟมจากสปริงเกลอร์ (Sprinkler Breakdown Rate, Rs)
หากในห้องนั้นมีระบบสปริงเกลอร์ทำงานควบคู่ไปด้วย น้ำจากสปริงเกลอร์จะทำลายเนื้อโฟมขยายตัวสูงให้ยุบตัวลง จึงจำเป็นต้องคิดค่าชดเชยการสูญเสียนี้ด้วย โดยใช้สูตร:
โดยที่ Q คือ อัตราการไหลของน้ำจากสปริงเกลอร์ (gpm) และ S คือ Sprinkler Foam Breakdown Factor ซึ่งตามมาตรฐาน NFPA 11 กำหนดให้มีค่าคงที่เท่ากับ 10.0 cfm/gpm (โฟมจะสลายตัวไป 10 ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที ต่อปริมาณน้ำสปริงเกลอร์ทุกๆ 1 แกลลอนต่อนาที) หรือ 0.0748 (m3/min)/(L/min)
อัตราการฉีดโฟมสุทธิที่ต้องการ (Required System Discharge Rate, R)
นี่คือสมการหลักของ NFPA 11 เพื่อหาว่าเครื่องกำเนิดโฟม (Foam Generator) ต้องมีกำลังพ่นโฟมออกมารวมกันกี่ลูกบาศก์ฟุตต่อนาที (cfm) จึงจะดับไฟได้สำเร็จ
โดยที่
- R = อัตราการปล่อยโฟมขยายตัว หรือความจุของเครื่องกำเนิดโฟม (m³/min)
- V = ปริมาตรที่โฟมต้องเข้าไปท่วมท้น หรือ Submergence volume (m³)
- T = เวลาที่ยอมให้ใช้ในการเติมเต็มพื้นที่ (นาที)
- RS = อัตราการถูกทำลายของโฟมอันเนื่องมาจากน้ำของสปริงเกลอร์ (m³/min)
- CN = ค่าชดเชยการยุบตัวของโฟมตามปกติ หรือ Normal Foam Shrinkage Factor (โดยเป็นค่าคงที่ที่ 1.15)
- CL = ค่าชดเชยการรั่วไหลของโฟมออกจากห้อง หรือ Leakage Compensation Factor (อยู่ระหว่าง 1.0 ถึง 1.2)
ตัวอย่างการคำนวน
ข้อมูลอาคารที่จะติดตั้ง High-Foam Expansion มีดังนี้
- ขนาดห้อง: กว้าง 30.5 m × ยาว 61 m × สูง 9.1 m
- สภาพห้อง: โครงสร้างเหล็ก (Light bar joist) มีช่องลมแต่สามารถปิดได้
- ระบบสปริงเกลอร์: แบบเปียก (Wet system) ระยะห่าง 3 m × 3 m, ความหนาแน่น 10.2 L/min·m²
- เชื้อเพลิง (Occupancy): ม้วนกระดาษคราฟท์ (Kraft paper) วางซ้อนกันสูง 7.6 m
- สมมติฐานเพิ่มเติม:
- คาดว่าหัวสปริงเกลอร์จะทำงาน 50 หัว
- ประเมินค่าชดเชยการรั่วไหลของโฟม (CL) = 1.2
- โฟมที่ใช้มีอัตราการขยายตัว (Expansion Ratio) = 500:1
- ใช้น้ำยาโฟมเข้มข้นแบบ 3%
การแสดงวิธีทำอย่างละเอียด (Step-by-Step Calculation)
Step 1: หาความลึกของโฟมที่ต้องการ (Foam Depth) มาตรฐานระบุว่าความลึกของโฟมจะต้องไม่น้อยกว่า 1.1 เท่าของความสูงของกองเชื้อเพลิง และต้องสูงพ้นเชื้อเพลิงอย่างน้อย 2 ft หรือ 0.6 m
- ความลึกโฟม = 7.6 m×1.1=8.4 เมตร (ความสูงของม้วนกระดาษคราฟท์ x 1.1)
Step 2: หาปริมาตรโฟม (Submergence Volume, V)
- V=กว้าง×ยาว×ความลึกโฟม
- V=30.5 m×61 m×8.4 m=15,628 m³
Step 3: กำหนดเวลาเติมเต็ม (Submergence Time, T)
- อ้างอิงตามมาตรฐานสำหรับเชื้อเพลิงประเภทม้วนกระดาษคราฟท์ จะใช้เวลา T=5 นาที
Step 4: คำนวณอัตราการทำลายโฟมโดยสปริงเกลอร์ (RS) เมื่อสปริงเกลอร์ทำงาน น้ำจะตีเนื้อโฟมให้ยุบตัว เราต้องหาปริมาณน้ำสปริงเกลอร์ (Q) ด้วย:
- Q=จำนวนหัว×พื้นที่ครอบคลุมต่อหัว×ความหนาแน่น
- Q=50×(3 m×3 m)×10.2 L/min⋅m2 = 4,590 L/min
- แทนค่าเพื่อหาการทำลายโฟม: RS=0.0748×4,590=343 m³/min
Step 5: คำนวณอัตราการปล่อยโฟมรวม (Total Generator Capacity, R) แทนค่าทั้งหมดลงในสมการหลัก:
- R=(15,628/5+343)×1.15×1.2 = 4,787 m³/min
Step 6: คำนวณหาปริมาณน้ำยาโฟมเข้มข้นที่ต้องการ (Concentrate Demand) แปลงจากปริมาตรโฟมพองตัวให้กลับเป็นของเหลว (Foam Solution) จากนั้นหาความต้องการน้ำยาโฟมเข้มข้น:
- แปลง R เป็นลิตร: 4,787 m3/min×1,000=4,787,000 L/min
- หาอัตราของเหลวสารละลายโฟม: จากสมมติฐาน Expansion Ratio ที่ 500:1
- อัตราสารละลายโฟม=4,787,000/500=9,574 L/min
- หาอัตราน้ำยาโฟมเข้มข้น: ใช้น้ำยา 3%
- อัตราน้ำยาโฟม (Concentrate Rate)=9,574×0.03=287.22 L/min
Step 7: สรุปปริมาตรจัดเก็บน้ำยาโฟมที่ต้องมี (Total Concentrate Storage) ตามมาตรฐานระบุให้เตรียมน้ำยาเผื่อไว้ให้ระบบทำงานเต็มที่ได้อย่างน้อย 15 นาทีเป็นขั้นต่ำ (บางกรณีอาจสูงถึง 25 นาทีหรือ 4 เท่าของ Submergence volume แล้วแต่ค่าใดจะน้อยกว่า)
- ปริมาณสำรองขั้นต่ำของ Foam Concentrate = 287.22 L/min×15 นาที=4,308.3 ลิตร
จากรูปถ้าเราทำการเปลี่ยนชนิดของโฟมที่มีค่า ER (Expansion Ratio) ที่สูงขึ้น ความต้องการใช้โฟมก็ต่ำลง นี่รวมถึงความต้องการน้ำดับเพลิง ขนาดหัวจ่ายโฟม และความต้องการขนาดปั๊มด้วย