Материал: Противопожарное водоснабжение

На подходе жидкости к отверстию траектории движущихся частиц имеют криволинейную форму, при этом в струе возникают центробежные силы, под действием которых струя сужается, достигая наименьших размеров в сечении II -II, на некотором удалении от плоскости отверстия, примерно на расстоянии, равном 0,5d. В сжатом сечении все элементарные струйки становятся параллельными.

Рис. 5 Схема истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке.

Степень сжатия струи определяется коэффициентом сжатия ε, равным отношению площади поперечного сечения струи в месте сжатия ω_c к площади сечения отверстия ω.

ε = ω_c / ω.

Сжатие струи называют полным, если оно происходит по всему периметру отверстия, т.е. со всех сторон вытекающей струи. Если сжатие наблюдается не по всему периметру живого сечения, то оно будет неполным. Сжатие называется совершенным, если вблизи отверстия нет дна, стенок или свободной поверхности жидкости, влияющих на характер истечения. Совершенное сжатие наблюдается лишь в тех случаях, когда расстояние от стенок до отверстия больше утроенного диаметра отверстия. Если данные условия не соблюдаются от отверстие на меньшем расстоянии от боковых стенок, сжатие называют несовершенным.

Для определения скорости истечения жидкости из отверстия запишем уравнение Бернулли для сечений I-I и II-II, в которых течение жидкости можно считать плавноизменяющимся, относительно горизонтальной плоскости сравнения 0-0, проходящей через центр тяжести сжатого сечения струи

z₁ + p₁ / ρg + υ₁² / 2g = z₂ + p₂ / ρg + υ₂² / 2g + h.

Потери напора между сечениями I-I и II-II определяются по формуле Вейсбаха:

h = ζ ₀ υ₂² / 2g,

где ζ ₀ - коэффициент сопротивления отверстия.

Учитывая, что скорость υ₁ можно считать равной нулю, а давление на свободной поверхности и в сжатом сечении равно атмосферному, уравнение Бернулли перепишем в таком виде:

Отсюда скорость истечения равна:

где φ - коэффициент скорости, равный

φ = 1 / √ 1 + ζ _0.

Расход жидкости, вытекающей из отверстия, равен произведению скорости истечения на площадь струи в сжатом сечении

Q = υ₂ ω_c.

Подставляя в эту формулу значения ω_c и υ₂ получим

Q = ε φ ω√ 2g H

Произведения коэффициентов ε и φ называют коэффициентом расхода и обозначают буквой μ, т.е.

μ = ε φ.

Тогда в окончательном виде формула расхода жидкости примет вид

Q = μ ω√ 2g H

Используя эту формулу, можно определить напор перед отверстием.

H = Q² / μ² ω² 2g

Если бы при истечении жидкости не происходило сжатия струи и отсутствовали потери напора, то теоретически расход определялся бы по формуле Q_т = ω√2gH. Это значит, что коэффициент расхода μ всегда меньше единицы, так как, он показывает, какую часть от теоретического составляет действительный расход.

Вопрос №7

Каковы причины возникновения гидравлического удара? Как рассчитать величину давления в трубопроводе при этом явлении? Приведите примеры возникновения гидравлического удара при эксплуатации пожарной техники. Как можно уменьшить или предотвратить повышения давления?

При быстром закрытии задвижки или при мгновенной остановке потока в напорных трубопроводах, например при остановке насоса, кинетическая энергия движения трансформируется в работу сил давления. Резкое повышение давления вызывает сжатие жидкости, сопровождающееся мгновенным ее объема и расширением трубопровода, - в результате происходит гидравлический удар. Величина добавочного давления внутри трубопровода бывает настолько велика, что вызывает разрыв его стенок. Таким образом, справедливо будет следующее определение данного явления: гидравлический удар - это резкое увеличение давления в жидкости, возникающее в трубопроводе при мгновенном изменении скорости движения.

Процесс характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, происходящих за достаточно малый промежуток времени. Явление гидравлического удара обусловлено инерцией массы жидкости, находящейся в трубопроводе, при изменении ее движения во времени. Этот вид неустановившегося движения жидкости часто встречается в практике эксплуатации насосных станций и противопожарных водопроводов, работающих в нестационарном режиме.

В пожарных рукавах гидравлический удар может произойти при резком закрытии крана на пожарном стволе, при наезде автомобиля на рукавную линию, в результате “залома” рукава и т.п.

Формула для определения величины повышения давления при гидравлическом ударе имеет вид:

∆р = ρ а υ_. (5)

Разделив данное выражение на ρg, получим:

∆ H = а υ / g.

Таким образом, с повышением эластичности материала, увеличением диаметра трубопровода и уменьшением толщины его стенок уменьшается скорость распространения ударной волны и, как следствие, наблюдается менее заметное повышение давления при гидравлическом ударе.

Формула (5) справедлива для так называемого прямого гидравлического удара. Гидравлический удар называется прямым, если время закрытия крана t меньше фазы гидравлического удара t_ф т.е. времени двойного пробега ударной волны вдоль трубопровода t < t_ф = 2l / a.

При t > t_ф возникает непрямой гидравлический удар, при котором ударная волна, отразившись от резервуара, возвращается к крану раньше, чем он будет полностью закрыт. При этом повышение давления будет меньше, чем при прямом ударе, и оно может быть найдено по формуле Н.З. Френкеля.

∆р = ρ а υ_. t_ф / t_.

Из этой формулы следует, что чем медленнее закрывается кран, тем слабее проявляется гидравлический удар.

Для предохранения оборудования трубопроводов и рукавных линий от повреждения при возникновении гидравлического удара принимаются различные меры эксплуатационного или конструкторского характера.

Наиболее эффективный метод снижения давления - это устранение возможности прямого гидравлического удара при увеличении времени закрытия или открытия запорной и регулирующей арматуры. Уменьшение скорости движения жидкости в трубопроводах, что при заданном расходе сводится к увеличению диаметра трубы, также позволяет снизить ударное давление. Для уменьшения разрушающего действия давления применяют предохранительные клапаны, которые открываются при определенном давлении. На водопроводных линиях могут устанавливаться воздушные колпаки, которые позволяют уменьшить давление за счет сжатия находящегося в колпаке воздуха.

Следует отметить, что блокировка открытия шиберов пожарной колонки гидранта московского типа также предупреждает возникновение гидравлического удара в водопроводной мети. Аналогичное назначение имеют мостики, устанавливаемые в местах возможного проезда автомобилей через рукавные линии, а также предохраняющие рукава от “заломов” в местах прокладки через стенки, заборы и другие преграды.

Вопрос №8

Как изменяются подача, напор и мощность при изменении частоты вращения колеса насоса? Назовите существующие способы регулирования центробежных насосов и объясните их суть.

Подачей насоса называется объем жидкости, перекачиваемый в единицу времени. Подача насоса измеряется в м³ / ч, м³ / мин, м³ / с, л/с.

Напором насоса называют разность полных удельных энергии потока у входа в насос и выхода из него, выраженную в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Мощность насоса - это объем работы, выполняемый им в единицу времени.

Полный к.п.д. насоса η учитывает гидравлические, объемные и механические потери, возникающие при передаче энергии перекачиваемой жидкости, и определяется произведением трех коэффициентов полезного действия.

Влияние частоты вращения на параметры работы насоса проявляется следующим образом.

Подача центробежного насоса изменяется пропорционально частоте вращения рабочего колеса

Q₁ / Q₂ = n₁ / n₂.

Напор, развиваемый насосом, изменяется пропорционально квадрату частоты вращения.

Н₁ / Н₂ = (n₁ / n₂)².

Мощность, потребляемая насосом, изменяется пропорционально кубу частоты вращения рабочего колеса.

N₁ / N₂ = (n₁ / n₂)³.

Установленный закон пропорциональности позволяет по одной опытной серии рабочих характеристик Q - H и Q - N построить ряд характеристик насоса в широком диапазоне изменения частоты вращения. Отмечая на полученных характеристиках Q - H, Q - H₁ …. Q - H_i точки с равными значениями к.п.д. и соединяя их плавными кривыми, получают так называемую универсальную характеристику. Таким образом характеристики насосов наглядно отражают эффективность их работы на различных режимах и позволяют точно подобрать наиболее экономичный из них для заданных условий.

Изготовленные на заводе насосы подвергают стендовым испытаниям, цель которых - определить зависимость напора, потребляемой мощности и к.п.д. от подачи насоса. Эти зависимости изображают графически кривыми, которые являются рабочими характеристиками центробежного насоса.

Характеристики строят следующим образом. Регулируя степень открытия задвижки на напорном патрубке, получают различные подачи. Для каждого значения подсчитывают напор, мощность и к.п.д. насоса. Затем на ось абсцисс наносят в принятом масштабе значения подачи, а на ось ординат - найденные рабочие параметры. Полученные точки соединяют плавными линиями.

Испытания ведутся при постоянной частоте вращения, которая замеряется тахометром.

Для выбора рабочего режима насоса пользуются универсальными характеристиками. Представляющими собой кривые зависимости напора, мощности и к.п.д. от подачи насоса при различных частотах вращения рабочего колеса.

Вопрос №9

Как определяется рабочая точка насоса, в каком случае она является оптимальной?

В практике проектирования и анализа режимов работы насосов широко применяется метод графоаналитикеского расчета совместной работы системы “насосы-сеть”. При совместной работе насоса и сети устанавливается режим, при котором расход воды и напор будут соответствовать друг другу, т.е. напор, необходимый для подачи воды по трубопроводу, будет соответствовать напору, развиваемому насосом. Этот режим можно определить, построив совмещенные характеристики насоса и сети на одном графике.

Для решения поставленной задачи, надлежит использовать аналитическое выражение главной рабочей характеристики насоса. Если кривую Q - H считать параболой, что вполне допустимо для практических расчетов, то главную рабочую характеристику можно выразить уравнением,

H = a - b Q^2,

где H - напор, развиваемый насосом, м; - напор насоса при нулевой подаче, м; - переводной коэффициент, учитывающий конструктивные особенности насоса; - подача насоса, л/с.

Используя значения параметров а и в и задаваясь значениями подачи в соответствии с формулой строят на графике характеристику насоса Q - H, которая показывает, как изменяется напор с изменением расхода.

Для получения формулы, определяющей характеристику трубопровода, используем выражение

H = H_г + h_вс + h_н +H_св,

в котором сумму потерь напора во всасывающем и напорном трубопроводах выразим таким образом:

h = h_вс + h_н = S Q²,

где S - сопротивление трубопроводов.

Так как для заданных условий H_г и H_св известны, то сумма этих величин может быть записана в виде

z = H_г +H_св.

Полученное выражение позволяет рассчитать напор по формуле

H = z + S Q²

Это выражение называется характеристикой трубопровода (сети).

Если характеристику изобразить на одном графике вместе с рабочей характеристикой насоса, то получим точку пересечения двух кривых (точка А) которая называется рабочей точкой насоса (рис. 6). По этой точке определяются все данные, характеризующие режим работы насоса: подачу, напор, мощность, к.п.д. Если рабочая точка отвечает оптимальному режиму работы насоса, то он подобран правильно.

Чтобы уменьшить подачу, можно перекрыть задвижку на напорном трубопроводе настолько, чтобы рабочая точка А переместилась в новую точку, например в точку В, соответствующую подаче Q_В. В этом случае появляется добавочное сопротивление от задвижки h_з, получаемый при этом напор Н_В для полезной работы используется только частично.

Рис .6. Определение рабочей точки насоса.

Увеличить подачу, например до величины соответствующей рабочей точке С, можно либо увеличив частоту вращения рабочего колеса, либо используя насос с другой характеристикой или меньшей потерей напора в трубопроводах.

Вопрос №10

Схемы подачи воды на пожар ручными стволами. Методика определения напора пожарного насоса для подачи требуемого расхода воды по заданной рукавной системе.

Определение напора у насоса.

При практических расчетах насосно-рукавных систем обычно определяют напор, фиксируемый манометром, установленным на напорном патрубке. Величина этого напора используется на преодоление сопротивлений в рукавной системе h_c подъем жидкости на высоту z и создание свободного напора у ствола H_св для подачи струи, т.е.

H = h_c + H_св + z.

Величина потерь напора в рукавных линиях зависит от схемы их соединения h_c = S_c Q².

При последовательном соединении рукавов (рис.7.а) сопротивление системы равно сумме сопротивлений всех участков S_c = S₁ +S₂ +…. +S_n.

При параллельном соединении рукавов (рис. 7.б) сопротивление системы равно:

Рис. 7. Схема насосно-рукавных систем

а - последовательное соединение; б - параллельное соединение; в - смешанное соединение с различными рабочими линиями.

Рассмотрим смешанную систему (рис. 7.в.) с тремя пожарными стволами, вода к которым подается от насоса по магистральной линии, соединенной через разветвление с тремя параллельными рабочими линиями.

Сопротивление отдельной рабочей линии S_р' с присоединенным стволом определяют по формуле.

S_р' = n S + S_ст,

где n - число рукавов в рабочей линии; - сопротивление одного рукава; _ст - сопротивление ствола.

Общее сопротивление рабочих линий S_р определяют по правилу параллельных соединений:

Если рабочие линии и стволы совершенно одинаковы, то общее сопротивление устанавливают по формуле:

S_р = (n₁ S₁ + S_1ст) / g.

Сопротивление магистральной линии S_м, составленной из одинаковых рукавов, будет равно:

S_м = n_м S.

Сопротивление всей системы S_с, которую можно рассматривать как последовательное соединение магистральной линии с параллельными рабочими линиями, будет равно сумме сопротивлений составляющих участков

S_с = S_м + S_р.

Напор у насоса рассчитывается по формуле

где Q - общая подача насоса; - разность геометрических отметок расположения стволов и автонасоса.

Таким образом, при определении требуемого напора у насоса необходимо в первую очередь вычислить сопротивление системы подачи воды к месту пожара.