CC BY
38
АВТОМАТИКА
В. Н. Фролов
канд. техн. наук, инженер ООО “Автоматика”
С. М. Лазарев С. В. Павлова
директор ООО “Автоматика” инженер ООО “Автоматика”
УДК 614.412:665.61
ГИДРОМЕХАНИКА СИСТЕМ ПОЖАРОТУШЕНИЯ
В статье предлагается к рассмотрению комплекс вопросов, составляющих как существо гидромеханического расчета систем пожаротушения, таки смежных, без которых тема оказалось бы неполностью раскрытой. К широте охвата проблемы авторов побуждает неполнота и различия в толкованиях некоторых фундаментальных понятий и определений, отсутствие в нормативах формулировок части важных элементов структуры систем пожаротушения, а также встречающаяся иногда в них ошибочность. Авторы сочли необходимым рассмотреть следующий круг вопросов: терминология и метрология; ограничения, налагаемые на размеры элементов трубной сети АУПТ и их компоновку; допускаемая скорость движения жидкости по участкам трубной системы пожаротушения; расчетный алгоритм, сопровождаемый таблицами и рисунками, и в качестве конечной цели —подбор противопожарного насосного агрегата по результатам расчета. Считается обязательным каждую расчетную нормативную методику дополнять блок-схемой вычислительного процесса и контрольным примером для получения уверенности в ее работоспособности (Ньютон И.: “При изучении наук примеры важнее правил”), что и было сделано в статье. Ключевые слова: гидромеханика, пожаротушение, терминология, расчет, алгоритм, пример.
Введение
Возникающие иногда задачи расчета гидравлических систем автоматических установок водяного пожаротушения (АУПТ по НПБ 110-03 “Перечень зданий, сооружений, помещений и оборудования, подлежащих защите автоматическими установками пожаротушения и автоматической пожарной сигнализацией”) требуют инженерного подхода для получения решения приемлемой точности, которое удовлетворяло бы нескольким требованиям:
а) обеспечивало достаточную, соответствующую нормативному плотность (интенсивность) орошения расчетной площади орошения;
б) давало возможность подобрать по каталогам противопожарную насосную установку, способную обеспечить требуемые расчетные параметры АУПТ — напор огнетушащего вещества и его расход (подачу);
в) минимизировало размеры трубных элементов АУПТ для обеспечения удобства монтажа и невысокой стоимости.
АУПТ в случае возникновения локальной пожарной опасности срабатывает от импульса, подаваемого узлом управления установки, который формируется при падении давления в трубной системе в случае раскрытия одного или нескольких оросителей из-за повышения температуры над очагом возгорания.
При этом начинает работу противопожарная насосная установка, непрерывно подавая через оросители огнетушащую жидкость, расход которой определяется характеристиками как самой насосной установки, так и трубной системы, составляющих одно целое. Эффективность работы такой системы зависит от количества подаваемой на очаг возгорания жидкости не ниже нормативного, что связано с правильностью расчета.
Методики расчета гидромеханики систем пожаротушения, позволяющие получить удовлетворительное решение, можно условно разделить на две категории: основанные на реальном математическом описании (алгоритме) процесса формирования гидравлических сопротивлений и связанных с ними потерь напора при движении вязкой жидкости по трубной системе АУПТ и адаптированные.
Такую адаптированную методику (“адаптированный” — значит, приспособленный для слабоподготовленных) в качестве рекомендуемой предлагает использовать Приложение 2 к НПБ 88-2001*
[1]. Слабость этого подхода заключается в том, что реальное описание процесса в нем подменяется набором коэффициентов с нерасшифрованным физическим смыслом и неотработанными размерностями, от чего рассматриваемый процесс становится формальным, а познавательный уровень описания при этом теряется.
Подобная формализация описания была бы оправдана для сложных процессов, имеющих обширную математическую модель, к числу которых модель формирования гидравлических потерь при движении вязкой жидкости по трубной системе АУПТ отнесена быть не может.
Поэтому считаем, что в данной задаче более продуктивно использовать алгоритм для оценки потерь напора, основанный на классической и широкоупотребительной формуле Дарси-Вейсбаха.
Терминология. Действующий основной нормативный документ по проектированию АУПТ НПБ 88-2001* [1] дает неполную формулировку определений элементов трубной системы, без чего затрудняется дискриминация ее общей схемы на отдельные части, подвергаемые гидромеханическому расчету.
В преамбуле к этому документу (“Термины и определения”) даны определения подводящего, питающего и неполное определение распределительного трубопроводов (ТП), но отсутствуют определения секции, ветви, участка ветви и участка центрального ТП.
Весьма обширный (около двухсот позиций) перечень терминов и определений элементов и понятий водяных и пенных АУПТ приводится в работе
[2], в котором также не дается понятие секции, а некоторые определения, на взгляд авторов статьи, недостаточно информативны.
Полагая, что вопросы терминологии для анализа состава АУПТ и расчета ее элементов достаточно важны и, может быть, не всегда бесспорны, авторы статьи предлагают рассмотреть расширенный в сравнении с НПБ 88-2001* [1] перечень уточненных определений элементов трубной системы АУПТ, расположенных по убывающему ранжиру.
Секция АУПТ — трубная система, включающая источник давления, питающий и один или несколько распределительных ТП, обеспечиваемых огнетушащим веществом от одного узла управления. Одна секция АУПТ с допускаемым нормативным числом оросителей до 800 ед. [1], таким образом, может размещаться как на одном, так и на нескольких этажах здания (рис. 1).
Распределительный ТП — трубная система, состоящая из центрального ТП и оппозитно расположенных (противолежащих) ветвей с участками, на которых установлены оросители для подачи огнетушащего вещества на защищаемую от пожара площадь орошения. Количество распределительных ТП, как правило, соответствует количеству этажей, на которых размещается одна секция АУПТ.
Ветвь — часть распределительного ТП в виде соосной трубной конструкции из участков, как пра-
7
Рис. 1. Секция водяной сети АУПТ, размещенная на нескольких этажах здания: 1 — городской трубопровод (ТП); 2 — подводящий ТП (¡-к); 3 — питающий ТП (§—');
4 — распределительные ТП; 5 — противопожарный насосный агрегат; 6 — узел управления АУПТ; 7 — оросители в рабочем режиме; 8 — оросители в режиме “ожидания”; 9 — расчетная площадь орошения
вило, разного диаметра, лежащая по одну сторону от центрального ТП (рис. 2, табл. 1).
Участок ветви — часть ветви распределительного ТП между двумя соседними оросителями, включающая ороситель, прямую трубу и переход с одного диаметра на другой, если он имеется (см. рис. 2). Участок ветви является элементарной частью водяной сети АУПТ, подвергаемой гидромеханическому расчету по одному и тому же алгоритму (рис. 3, табл. 2).
Участок центрального ТП — часть ТП между двумя соседними ветвями, включающая прямую трубу и переход с одного диаметра на другой, если он имеется (см. рис. 2). На этом участке также могут устанавливаться оросители, как и на участках ветвей. Расчет гидравлических потерь на этом участке производится по тому же алгоритму, что и на участке ветви (см. рис. 3 и табл. 2).
Расчетная площадь орошения — ограниченный нормативом [1] участок помещения (для этажей обычной высоты от 120 до 360 м2), покрываемый частью распределительного ТП (см. рис. 1). Она зависит от группы защищаемого помещения [1, Приложение 1] и служит для оценки расхода
Рис. 2. Фрагмент распределительного ТП водяной сети АУПТ над расчетной площадью орошения (числовой материал на схеме — результаты расчета контрольного примера): 1,2, ..., 12 — спринклеры на участках ветвей; 1-а, 3-а, ..., 11-с — ветви распределительного ТП; 1-2, 2-а, ..., 12-с — участки ветвей распределительного ТП (размеры в мм); а-Ь, Ь-с, с-^ — участки центрального ТП; Н1, Н2, На,..., На — расчетные напоры в особых точках водяной сети АУПТ, м; q1, д2, qa,..., — расходы в особых точках водяной сети АУПТ, л/с
огнетушащего вещества на локальное пожаротушение, диаметра трубных элементов сети и потерь напора. В качестве расчетной площади орошения выбирается наиболее удаленный и высокорасположенный участок защищаемой площади здания, аргументированно полагая, что более близкие участки к противопожарной насосной установке при создании локальной пожарной опасности будут обеспечены огнетушащим веществом еще более полно.
Плотность (интенсивность) орошения — расход огнетушащего вещества (воды или раствора пенообразователя) (л/с), подаваемый через оросители на единицу расчетной площади орошения (м2), т.е. л/(м2 с). Выбор величины плотности орошения за-
висит от группы защищаемого помещения [1, Приложение 1].
Компоновка водяной сети АУПТ устанавливает взаимное расположение ее элементов и архитектуры защищаемого здания на основе действующих нормативов.
Расстояние между оросителями на ветвях (длина участков ветвей распределительного ТП) и расстояние между самими ветвями центрального ТП задаются в соответствии с табл. 1 НПБ 88-2001* [1], а пространственное положение ветвей относительно центрального ТП желательно выбирать симметричным, т.е. таким, чтобы длина, диаметры и количество участков с оросителями на оппозитных ветвях были одинаковыми (см. рис. 2).
Таблица 1. Результаты поверочного расчета участков (ветвей) распределительного ТП над расчетной площадью орошения
Элемент ТП Размеры трубы участка Метод расчета участка(ветви) Расход воды, л/с Скорость Потери
Ветвь Участок Дн х 5, мм Длина, м через спринклер на участке воды на участке, м/с напора на участке, м
1-а 1-2 26 х 2,5 3,0 Прямой 0,951 0,951 2,745 1,714
2-а 38 х 3 1,5 То же 1,102 2,053 2,552 0,511
3-4 26 х 2,5 3,0 Зеркальное отобра- 0,951 0,951 2,745 1,714
3-а 4-а 38 х 3 1,5 жение ветви 1-а 1,102 2,053 2,552 0,511
- а-в 57 х 3,5 4,0 Прямой - 4,106 2,091 0,472
5-6 27 х 2,5 3,0 Итеративный 1,026 1,026 2,699 1,546
5-е 6-е 42 х 3 1,5 То же 1,154 2,180 2,142 0,326
7-8 27 х 2,5 3,0 Зеркальное отобра- 1,026 1,026 2,699 1,546
7-е 8-е 42 х 3 1,5 жение ветви 5-в 1,154 2,180 2,142 0,326
- в-с 70 х 4 4,0 Прямой - 8,467 2,804 0,658
9-10 27 х 2,5 3,0 Итеративный 1,066 1,066 2,803 1,702
9-с 10-с 42 х 3 1,5 То же 1,201 2,267 2,227 0,377
11-с 11-12 27 х 2,5 3,0 Зеркальное отобра- 1,066 1,066 2,803 1,702
12-с 42 х 3 1,5 жение ветви 9-с 1,201 2,267 2,227 0,377
- с-^ 89 х 4 1,0 Прямой - 13,001 2,523 0,084
Примечания :
1. Приведенный числовой материал следует рассматривать совместно с рис. 2.
2. Номинальными (обозначаемыми) размерами труб участков в соответствии с ГОСТ являются наружный диаметр Дн
и толщина стенки 5.
3. Ступенчатая форма ветвей распределительного ТП следует из результатов теоретического расчета. В случае не-
большой разницы между диаметрами труб участков может оказаться рациональнее монтировать элементы системы
из труб одного, большего, диаметра. В таком случае гидравлические показатели, естественно, изменятся , но при этом
создастся положительный запас, т.е. расходы жидкости будут больше, а потери напора - — меньше.
4. Точность, с какой приводится числовой материал расчета, может показаться излишней, но избавиться от нее со-
всем нетрудно.
5. Конечные результаты расчета — точка d на участке с^ (вход в расчетную площадь орошения): требуемый расход жидкости — 13,001 л/с, напор — 8,441 м ст. ж., размер трубы 89 х 4, скорость жидкости — 2,523 м/с.
табл. 1), и этот эффект связан с повышенными напорами перед оросителями, расположенными ближе к центральному ТП.
К преимуществам симметричных распределительных ТП можно отнести также более простой их расчет: достаточно рассчитать ветви, лежащие по одну сторону от центрального ТП, а оппозитные принять с расходами и напорами, как зеркально отраженные по отношению к первым.
Метрология, как прикладная научная дисциплина, изучает измерения физических величин. И не лишним, на взгляд авторов статьи, является разъяснение таких, казалось бы, тривиальных понятий гидромеханики, как напор и давление, что объясняется нередко встречаемой путаницей как в повседневном обиходе, так и в печатных источниках (даже в Государственных стандартах!).
Напомним, что и напор и давление означают одно и то же — потенциальную энергию движуще-
В принципе, если есть необходимость, можно допускать и некоторую асимметрию ветвей, но при этом следует учитывать, что вследствие их различного гидравлического сопротивления усилится неравномерность плотности орошения над защищаемой расчетной площадью орошения: на стороне коротких ветвей плотность будет тем выше, чем больше разница в длине ветвей и количестве оросителей на них.
Вполне очевидно, что это нежелательный эффект и его следует по возможности избегать использованием симметричных распределительных ТП.
Кроме того, можно заметить, что некоторая неравномерность плотности орошения будет даже при симметричном распределительном ТП: под центральным ТП при двух оросителях на оппозит-ных ветвях (см. рис. 2) она будет выше примерно на 15%, чем под концевыми оросителями. Эта неравномерность обнаруживается по результатам поверочного расчета водяной сети АУПТ (см. рис. 2 и
1.
Начало - ввод
'2.
Информация для участков 1-2 и 2-а
3. 4.
/і_2-ю^1-2 /2_а=10Л^-2§2_>/4
Ввести (см. контрольный пример — табл. 2):
х 5^_2 — 25 х 2,5 мм;
¿2-* Х 82-а = 38 Х 3 ММ;
Кф = 80,7 л/мин;
~ -^пйп — 5 м М1 = 3 м/с;
М2 = 2 м/с;
V = 0,00000179 м2/с; кэ = 0,06 мм;
¿^ 2 ~ 3 м; g = 9,80665 м/с2
Скорость воды на участке 1-2
9. ЭТОР 11. вТОР
Коррекция ¿1_2 * 8]_2: —- Коррекция (¡1_2 х б^:
увеличить размер уменьшить размер
12.
Яе1_2 -= 10 м7і_2(^і-2 — 25і_2)/у
13.
II О
*э + 68
^1-2 “ 2§1_2 ЯЄ[_2
0,25
14.
ААі о = А,
1-2 - Л1-2 ¿12 _ 25^2 2ё
Линейные потери напора на участке 1-2
15' „2 16.
#2 = ^1-2 ""
'18.
Информация для участков 2-а и а—Ь
Напор перед спринклером 2 участка 2-а
Рис. 3. Блок-схема вычислительного процесса для определения потерь напора на участке 1-2; необходимо рассматривать совместно с контрольным примером (рис. 2 и табл. 2)
гося потока или покоящейся жидкости, но выраженную разными способами:
напор Н — это высота, на которую может быть поднята жидкость (вода) над поверхностью отсчета за счет источника давления, чаще всего центробеж-
ного насоса. Выражается в метрах столба перекачиваемой жидкости (м ст. ж.), преимущественно воды;
давление Р — сила, оказываемая движущимся потоком или покоящейся жидкостью на стенки
Табл ица 2. Контрольный ч исловой пример: потери н іапора на участ ке 1-2 (р ис. 2 и 3)
Номер опера- тора Числовое значение переменной Размер- ность Операция Результат Размер- ность Комментарий
2 ^1-2 х 51-2 = 25 х 2,5 мм Ввод - - Наружный диаметр и толщина стенки трубы участка 1-2
^2-а х ^2-а = 38 Х 3 мм То же - - Наружный диаметр и толщина стенки трубы участка 2-а
Кф = 80,7 л/мин « - - Коэффициент расхода оросителей
Н1= ЯШ1П = 5 м « - - Минимальный напор перед оросителем 1
[И = 3 м/с « - - Ограничение скорости воды сверху
М2 = 2 м/с « - - Ограничение скорости воды снизу
V = 1,7910-6 м2/с « - - Кинематическая вязкость воды при 0 °С
кэ = 0,06 мм « - - Эквивалентная шероховатость
¿1_2 = 3 м « - - Длина участка 1-2
g = 9,80665 м/с2 « Ускорение свободного падения
3 ^1-2 х 51-2 = 25 х 2,5 мм Расчет /1-2 0,000314 м2 Площадь сечения трубы участка 1-2
4 ^2-а Х ^2-а = 38 Х 3 мм Расчет /2-а 0,000804 м2 Площадь сечения трубы участка 2-а
5 /1 2 = 0,000314 А-а = 0,000804 м2 м2 Расчет £1-2 0,305 б/р Коэффициент местного сопротивления перехода с d2-a на d1-2
6 Кф = 80,7 Н1 = 5 л/мин м Расчет 0,951 л/с Расход воды через ороситель 1
7 д1 =0,951 /1-2 = 0,000314 л/с м2 Расчет и^-2 3,027 м/с Скорость воды на участке 1-2
8 w1-2 = 3,027 м/с Логика: < М1? “Нет”: ™1-2 > М1 - Увеличить размер трубы до 26 х 2,5; перейти к оператору 3
3 d1-2 х 51-2 = 26 х 2,5 мм Расчет /1-2 0,000346 м2 Площадь сечения трубы участка 1-2 (увеличенная)
4 ^2-а х ^2-а = 38 х 3 мм Расчет /2-а 0,000804 м2 Площадь сечения трубы участка 2-а
5 /1 2 = 0,000346 /2-а = 0,000804 м2 м2 Расчет £1-2 0,284 б/р Коэффициент местного сопротивления перехода с d2-a на d1-2
6 Кф = 80,7 Н1 = 5 л/мин м Расчет 0,951 л/с Расход воды через ороситель 1
7 ^ =0,951 /1-2 = 0,000346 л/с м2 Расчет и^-2 2,745 м/с Скорость воды на участке 1-2
8 и^-2 = 2,745 м/с Логика: w1-2 < М1? “Да”: ^1-2 < [^]1 - Перейти к оператору 10
10 и^-2 = 2,745 м/с Логика: w1-2 < М2? “Нет”: ^-2 > М2 - Перейти к оператору 12
12 и^2 = 2,745 ^ 2-51 2 = 2110 3 V = 1,7910-6 м/с м м2/с Расчет Яе1-2 32032 б/р Число подобия Рейнольдса
13 кэ = 0,06 d1-2- 251-2 = 21 Яе1-2 = 32032 мм мм б/р Расчет ^1-2 0,0292 б/р Коэффициент гидравлического трения на участке 1-2
14 ^1-2 = 0,0292 ■^1-2 = 3 ■^1-2 = 2,745 d1-2- 251-2 = 21 £= 9,80665 б/р м м/с мм м/с2 Расчет Дй1-2 1,605 м Линейные потери напора на участке 1-2
Номер опера- тора Числовое значение переменной Размер- ность Операция Результат Размер- ность Окончание табл. 2 Комментарий
15 С1-2 = 0,284 w1-2 = 2,745 g= 9,80665 б/р м/с м/с2 Расчет Ah' 1_2 0,109 м Местные потери на переходе с й2_а на й1-2
16 i = 5 Ah1-2 = 1,605 Ah'1_2 = 0,109 м м м Расчет Н2 6,714 м Напор перед оросителем 2
17 — — Логика: имеются еще участки? — — “Нет” — закончить счет; “Да” — перейти на начало алгоритма, занеся информацию для участков 2-а и а-в
ограничивающего ее объема (ТП или аппарата) и отнесенная к площади его внутренней поверхности.
Давление Р (Па) и напор Н (м ст. ж.) связаны между собой простыми соотношениями:
P = rgH, H = P/rg,
(1)
где р и g — плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3 (для воды «1000 кг/м3), и ускорение свободного падения в безвоздушном пространстве, м/с2 (9,80665 м/с2).
Анализ размерностей (dimensions) в единицах СИ (формулы (1)) — сокращения однородных размерностей в числителе и знаменателе очевидны:
dim P = [pgH ] =
кг
.м3
м
2
м
к п м м " Н "
2 3 2
_ С м3 м2
= [Па];
dim H = і і = ^ кг Па: —— _ м м С2 _ = " H _ м2 кг м3 м • С2 .
кг ■ м кг м кг м ■ м3 1 2 о = [м
і о 2 м2 ' м3 ' С2. 1 о 2 м2 • кг • м
где кг — килограмм-масса;
Н — единица силы ньютон; 1 Н = 1 кг • 1м/с2.
Полученные размерности соответствуют единицам давления (паскаль) и напора (м ст. ж.) Международной системы единиц СИ.
Для гидромеханического расчета водяной сети АУПТ более удобным является использование напора (м ст. ж.) для оценки линейных и местных потерь при движении воды по участкам и ветвям распределительного ТП.
Ограничения. Длина ветвей распределительного ТП ограничивается разрешенным количеством участков на них [1], на каждом из которых устанавливается один ороситель: если используются оросители с диаметром выходного отверстия (насадком) 12 мм и меньше, то их количество не должно превышать 6; для оросителей с диаметром свы-
ше 12 мм — не более 4. Однако даже при таком ограничении длина ветвей получается значительной, порядка 24-16 м, что дает возможность покрыть распределительным ТП площадь орошения любого здания.
Неоднозначным является вопрос о допускаемой скорости движения воды по элементам трубной системы АУПТ. Некоторые специалисты по противопожарному водоснабжению [3] считают, что скорость воды в трубах не должна превышать 2,0-2,5 м/с, и это вполне согласуется с данными других информационных источников, однако СНиП 2.04.01-85* [4, п. 7.6] определяет нижнюю границу скорости воды равной 3 м/с, а верхнюю, для спринклерных и дренчерных систем, — 10 м/с.
Едва ли можно разделять безосновательный оптимизм авторов этого допущения, которое направлено на сомнительную по своей целесообразности минимизацию размеров водяной системы и не учитывает сильной квадратичной зависимости линейных потерь напора от скорости воды.
Например, если для горизонтального ТП внутренним диаметром 100 мм и длиной 50 м подсчитать по формуле Дарси-Вейсбаха (2) потери напора при 20 °С для скоростей воды 2,5 и 10 м/с, то окажется, что они возрастут с 3 до 45 м, т.е. в 15 раз.
Еще большими потерями напора грозит увеличение скорости воды в этом же диапазоне для аналогичного ТП меньшего внутреннего диаметра (50 мм) — с 7,4 до 108,5 м.
И можно сказать, катастрофичными будут потери напора в ТП такой же длины размером 25 х 2,5 — они возрастут с 22,5 до 337,1 м.
Вызывает сомнение, что стационарная противопожарная установка с одноступенчатым центробежным консольным насосом, развивающим напор 50-60 м, окажется способной при скорости воды 10 м/с не только преодолеть линейные потери напора в протяженном ТП, а также суммируемые с ними потери на преодоление разности высотных
отметок между расчетной площадью орошения и установкой (питающий ТП Н-/на рис. 1), местные сопротивления (переходы с диаметра на диаметр, повороты, узел управления, внутренний объем самого насоса), но и создать еще избыточный напор, достаточный для нормальной работы оросителей.
По-видимому, для обеспечения компактности и удовлетворительности работы сети АУПТ скорость воды следует ограничивать как снизу (не менее 2 м/с), так и сверху (не более 3 м/с), и эти ограничения учтены в алгоритме расчета участка ветви водяной сети АУПТ введением проверок и, при необходимости, коррекции размеров труб участков (см. рис. 3, операторы 9 и 11; под операторами здесь понимается выполнение тех или иных действий задачи, приводящих к ее решению).
Методы расчетов. Известно, что существуют две принципиально различающиеся концепции проведения инженерных расчетов, в частности гидромеханических: конструкторский и поверочный расчеты.
В первом случае размеры трубной системы АУПТ (диаметры участков) определяются в результате проведения вычислительных операций по допускаемым скоростям жидкости, во втором — размеры задаются сразу на основании существующего опыта, а расчетом проверяется работоспособность такой системы и соответствие ее размеров нормативным ограничениям, прежде всего по скорости жидкости. При выходе расчетных параметров за пределы ограничений производится коррекция первоначально принятых размеров. Более предпочтителен вследствие своей относительной простоты поверочный расчет.
В Приложении 2 НПБ 88-2001* [1] сообщается, что диаметры ТП АУПТ следует определять гидравлическим расчетом (п. 3), т.е. использовать конструкторский подход, однако эта декларация ничем не подтверждена.
Последовательный расчет участков распределительного ТП (участков ветвей и участков центрального ТП) от опорного оросителя 1 до левой границы расчетной площади орошения (точка й на рис. 2) может быть произведен или прямым методом, или итеративным с использованием алгоритма для оценки потерь напора на участке, приведенного ниже (см. также рис. 3 и табл. 2).
Прямой метод применяется тогда, когда известен (задан) или может быть определен расход воды по рассчитываемому участку. Это дает возможность при известных размерах трубы участка найти скорость, а по ней линейные и местные потери напора на данном участке. Суммирование этих потерь с заданным напором перед опорным оросителем 1 дает значение напора перед оросителем в начале
следующего, второго, участка ветви, т.е. перед оросителем 2.
По найденному напору определяются также расход воды, скорость, потери напора на этом участке ветви — и так до последнего участка, если количество оросителей на ветви больше двух (см. рис. 2).
Напор в начале первого рассчитываемого участка водяной сети АУПТ (1-2 на рис. 2) задается Н1 = НтЬ = 5 м, и это дает возможность, используя прямой метод, определить напор Н2 перед оросителем второго участка 2-а. Таким же прямым методом рассчитываются участок 2-а этой же ветви и участок а-Ь центрального ТП, в результате чего становятся известными напор и расход в точке Ь (НЬ и Чь ).
Оппозитно расположенные ветви (3-а, 7-Ь, 11-с) вообще не нуждаются в проведении расчета: поскольку распределительный ТП симметричен, аналогично симметричными (зеркальными) будут и соотношения между напорами и расходами в противолежащих ветвях (см. табл. 1).
Участки 5-6 и 6-Ь ветви 5-Ь (см. рис. 2) прямым методом рассчитать уже не удается, так как не известен напор перед оросителем 5 (Н5). Однако, пользуясь тем, что напор в точке Ь уже определен, можно, задавая ряд значений напора перед оросителем 5 и просчитав последовательно оба этих участка, попытаться выйти на этот известный напор НЬ.
Такой метод решения называется итеративным (от лат. йегайо — повторение) или методом последовательных приближений и заключается в организации циклического счета с таким изменением варьируемой величины (напора Н5), которое приведет в конечном счете к равенству рассчитанного после очередного приближения значения НЬ с определенным ранее.
Результаты решения части распределительного ТП над расчетной площадью орошения (контрольный пример) с указанием метода расчета — прямого или итеративного — приведены в табл. 1, 2 и на рис. 2.
Алгоритм для оценки потерь напора (давления)
приводится во многих монографиях и учебниках, например в [5], и отражает детально изученный на инженерном уровне механизм формирования гидравлических сопротивлений при движении по трубам воды или раствора пенообразователя, подаваемых на пожаротушение, и связанных с ними потерь напора (давления).
Задачами реализации алгоритма являются:
а) определение необходимого напора на входе в расчетную площадь орошения (точка й на рис. 2), который должен быть больше задаваемого минимального напора (5 м) перед опорным оросителем 1 на величину потерь в трубном тракте, а также с уче-
том некоторого коэффициента запаса. Задание минимального напора — необходимое условие, в противном случае задача не будет иметь решения;
б) определение расхода подаваемой на расчетную площадь орошения воды или раствора пенообразователя, обеспечивающего требуемую нормами плотность орошения в зависимости от группы помещения— Приложение 1 НПБ 88-2001* [1];
в) определение скоростей движения жидкости по участкам ветвей и участкам центрального ТП и проверка попадания их в допускаемый интервал 2-3 м/с;
г) по найденным напору и расходу жидкости с учетом протяженности и профиля трубной системы АУПТ определение требуемого напора, который должна создавать противопожарная насосная установка (в точке Н на рис. 1);
д) подбор по каталогам или стандартам центробежного насоса и электродвигателя, представляющих в целом противопожарный насосный агрегат.
Основу алгоритма составляет классическая формула Дарси-Вейсбаха, связывающая между собой статические (длину и внутренний диаметр ТП, плотность и вязкость воды) и динамические (скорость и коэффициент гидравлического трения) характеристики горизонтального линейного участка трубной системы АУПТ с величиной потерь напора ДН (м) или давления ДР (Па):
т 2
АН = X------------;
й 2 g
2
др = х ьМ_Р й 2
где X = ф 11 Яе, й |; Яе =ф2(м, й, V);
М = фз(9, й),
(2)
(3)
(4)
X — коэффициент гидравлического трения (Дарси), безразмерный (б/р);
Яе — число гидравлического подобия Рейнольдса, б/р;
кэ — эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость внутренней поверхности трубного тракта; средняя величина для новых стальных сварных труб по ГОСТ 10704-91 [6] составляет
0,06 мм [5];
Ь, й — длина (м) и внутренний диаметр (мм) участка ТП;
р, V — плотность (кг/м3) и кинематическая вязкость (м2/с) воды при принимаемой температуре;
Ч, w — расход огнетушащего вещества (л/с) и его средняя скорость по сечению ТП (м/с); g — ускорение свободного падения, м/с2, g = 9,80665 м/с2.
Плотность воды может быть использована как для летних, так и для зимних условий соответственно для температур 20 и 0 °С, при которых плотность составляет 998,23 и 999,80 кг/м3. Без большой погрешности плотность можно принимать равной 1000 кг/м3.
Зависимость кинематической вязкости воды от температуры более ярко выражена, и косвенно вязкость влияет на потери напора (давления) сильнее: для летних условий потери при одинаковых скоростях оказываются меньше на 3-4 %, что при необходимости может быть учтено.
Решение первого участка 1-2 ветви 1-а распределительного ТП (см. рис. 2) начинается с определения расхода жидкости через опорный ороситель 1 при заданном минимальном напоре Н1 = НтЬ = 5 м (см. рис. 3, оператор 6).
Заводская формула для определения расхода через ороситель имеет вид:
9
(5)
где Кф — коэффициент расхода конкретного типа оросителя или К-фактор, л/мин;
Р — давление перед оросителем, кгс/см2.
Если преобразовать эту формулу, заменив давление на напор Н(м) и выразив ч вл/с, то получим:
9
= 0,00527К Лл/Н.
(6)
Предварительно определяется площадь поперечного сечения участков 1-2 и 2-а ветви 1-а (см. рис. 2) через номинальные размеры труб: наружный диаметр й1-2, й2-а и толщину стенки 51-2, 52-а, а внутренний диаметр является величиной расчетной: й1-2 - 251-2; й2-а - 252-а.
Для расчета коэффициента гидравлического трения X (см. рис. 3, оператор 13) имеется множество формул разных авторов. Из них можно рекомендовать формулу Альтшуля [5] для турбулентного режима движения жидкости (в круглом ТП при Яе > 2300), которая выгодно отличается от других формул тем, что в ней при соизмеримой точности коэффициент X выражен в явном виде:
0,25
(7)
При использовании этой формулы можно заведомо полагать, что режим течения воды в ТП турбулентный: так, для ТП с внутренним диаметром 100 мм и при температуре 20 °С турбулизация потока воды наступает уже при скорости 0,02 м/с и выше, т.е. при значительно более низкой, чем в реальных условиях.
Местные потери напора АН' (м), проявляющиеся при любом изменении скорости или направления
жидкости, зависят от коэффициента местного сопротивления препятствия С (б/р), квадрата скорости w и определяются по формуле Вейсбаха:
w 2
АА'=С W-. (8)
2 g
В рассматриваемой водяной сети АУПТ (см. рис. 2) имеются местные сопротивления двух видов: внезапное сужение потоков между участками ветвей и на входе потока из центрального ТП в ветви, такое же сужение на участках центрального ТП, а также поворот потока на 90° (участок e-f на рис. 1) на питающем ТП. Обладают некоторым сопротивлением также узел управления (участок g-h) и внутреннее пространство насоса (h-i).
Коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении потока подсчитывается по формуле
С = 0,5(1 - filf2), (9)
гдеf1, f2 — площади поперечных сечений по внутреннему диаметру меньшего (1-2) и большего (2-а) участков, из чего следует, что чем больше разница между ними, тем будет больше величина С и, как следствие, Ah'.
В случае отсутствия трубного перехода между участками на ветвях или на участках центрального ТП С = 0 и, соответственно, Ah' = 0.
Для отвода 90° (участок e-f) коэффициент местного сопротивления Сот может быть принят с учетом того, что в настоящее время для углового соединения участков труб используются преимущественно компактные крутозагнутые отводы, которые получаются из коротких прямых трубных заготовок горячим формованием на специальных прессах и у которых
Rom /Дн < 2, (10)
где Rom — радиус закругления (гиба) отвода по осевой линии, мм;
Дн — наружный диаметр отвода (трубной заготовки), мм.
Для таких отводов вне зависимости отДн можно принимать Сот = 0,15, а местные потери напора Ah'oт (м) выразятся аналогично (8):
2
w
AhOm =С от ^ • СИ)
2g
В заключение отметим:
а) направление расчета всех участков трубной системы АУПТ всегда противоположно направлению движения потока жидкости;
б) согласно этой особенности первый подстрочный индекс переменных означает начало рассчитываемого участка, второй — его конец (d1-2, L1-2,
d2-a , L2-a , • • -);
в) все расчетные и логические процедуры, приводящие к нахождению потерь напора на горизонтальном линейном участке ветви распределительного ТП, отражены на блок-схеме (см. рис. 3) и в контрольном примере (см. табл. 2);
г) если расчету подвергается участок центрального ТП, на котором нет оросителя, то оператор 6 на блок-схеме (см. рис. 3) исключается, а скорость жидкости по нему определяется по суммарному расходу в ветвях, лежащих за ним;
д) числовой материал на рис. 2ив табл. 1и2 получен при помощи программируемого микрокалькулятора “Электроника МК-52”.
Контрольный пример. Приводится расчетный числовой материал для установки водяного пожаротушения, защищающей помещение группы 1 в соответствии с Приложением 1 (обязательным) НПБ 88-2001* [1]. В эту группу входит обширный перечень помещений, не содержащих горючей массы с высокими пожароопасными свойствами: книгохранилища, библиотеки, цирки, магазины, гостиницы, больницы, офисы и др.
Требования, предъявляемые к помещениям этой группы [1], следующие:
• плотность орошения водой —
не менее 0,08 л/(м2-с);
• расчетная площадь орошения — 120 м2;
• максимальное расстояние между оросителями
— до 4 м.
Числовые данные на входе в расчетную площадь орошения приведены в примечании 5 к табл. 1.
Подробный расчет гидродинамических характеристик части распределительного ТП приведен для первого участка 1-2 ветви 1-а на рис.2 (см. табл. 2), для остальных участков ветвей и участков центрального ТП — только окончательные результаты (см. рис. 2 и табл. 1).
Проверка правильности сделанных расчетов заключается прежде всего в сравнении усредненной расчетной плотности орошения с нормативной: расчетная плотность орошения 13,001:120 = 0,108 л/(м2с), что больше нормативной (0,08 л/(м2-с)), следовательно, расчет можно признать удовлетворительным.
Если бы расчетная плотность орошения оказалась менее нормативной, то пришлось бы повторить расчет, увеличив минимальный задаваемый напор перед опорным оросителем 1 (Н1 = НтЬ).
Общие потери напора в трубной системе АУПТ (участок а-Н на рис. 1) необходимо определить для правильного подбора насосного агрегата: требуемый напор Н на выкиде насоса в точке Н будет больше найденного напора в точке й на величину дополнительных потерь по трубному тракту й-е-/^-Н.
Расход воды также будет больше расчетного (13,001 л/с) на величину расхода для внутреннего
пожаротушения: в соответствии со СНиП 2.04.0185* [4], п. 6.1, табл. 1, для общественных зданий с числом этажей до 10 и объемом от 5000 до 25000 м3 на внутреннее пожаротушение требуется 2,5 л/с, т.е. суммарная подача насоса должна составить 15,501 л/с. Скорость воды по ТП размером 89 х 4 тогда будет равна ~3 м/с.
Потребный напор Н (м), развиваемый насосом, может быть определен из балансового уравнения
H = П(Hd + Ahd - e + Ahf - g + Ah 1 - f +
+ Ahg - h + Ah 'h -,. +AHf - h - Hi), (12)
где п - коэффициент запаса (1,20-1,25);
Hd — напор на входе в расчетную площадь орошения (8,441 м);
Ahd - e — линейные потери напора на участке d-e, м;
Ahf- — линейные потери напора на участке f-g, м;
Ah'e - f -местные потери напора на отводе 90°, м; Ahh-1 — местные потери напора при прохождении потоком насоса, м;
Ahg- h — местные потери напора при прохождении узла управления, м;
AHf- h — потери напора на преодоление статического столба жидкости в питающем ТП (стояке), м;
Hi — напор, обеспечиваемый магистралью, к которой подключена АУПТ, “полезный”, составляющий обычно 20-25 м.
Потери напора на линейных участках d-e и f-g определены по формулам приведенного выше алгоритма. При этом длины участков приняты равными соответственно 20 и 12 м, размер трубы 89 х 4, ско-ростьводыЗм/с, температура 0 °С. По этим данным:
Ahd-e = 2,351м и Ahf-g = 1,411 м.
Другие потери напора:
Ah'e-f = 0,069 м (по формуле Вейсбаха);
Ahh- i = 4 м (принимается);
Ahg-h = 1 м (принимается);
AHf - h = 12м(равенвысотеподъемаводыпостояку); H = 20 м.
Подстановка перечисленных частных потерь напоров в формулу (12) дает:
Н = 1,2(8,441 + 2,351 + 1,411 + 0,069 + 4 +
+ 1 + 12-20) = 11,126 м.
Подбор насосного агрегата состоит из двух операций — подбора по найденным характеристикам сети АУПТ собственно насоса и электродвигателя к нему.
Поскольку насосный агрегат при отсутствии пожарной опасности находится в бездействии и включается для периодических испытаний только один раз в полугодие, рациональнее для конкретной
АУПТ выбирать насос отечественного производства, как значительно более дешевый в сравнении с импортными аналогами.
ГОСТ 22247-96 [7] предоставляет для целей пожаротушения достаточно широкий ряд типоразмеров насосов конструктивных исполнений: К — консольные горизонтальные и КМ — моноблочные горизонтальные.
Найденным выше гидравлическим характеристикам сети АУПТ удовлетворяет насос центробежный консольный горизонтальный (одноступенчатый) для воды типа К100-80-125 со следующими техническими данными, значительно перекрывающими расчетные:
• напор Н = 20 м;
• подача или расход Q = 27,8 л/с (100 м3/ч);
• число оборотов — 2000 об.-1;
• к.п.д. "л = 74 % (0,74 в долях единицы);
• размер фланца: на приеме — Ду 100, на выкиде
—Ду 80;
• длина насоса — 485 мм, высота — 340 мм. Потребляемая мощность электродвигателя N
для насоса с найденными номинальными характеристиками определится из выражения
N = 10 -3 Q9gH|л, (13)
где 10-3 — коэффициент, переводящий подачу из л/с в м3/с;
g — ускорение свободного падения, м/с2 (9,80665 м/с2).
Решение (13) дает
N = 10 3-27,8 1 03-9,80 665-20/0,74 = 73 6 8 Вт * 7,4 кВт.
По этой найденной потребляемой насосом мощности подбирается электродвигатель.
Выводы
1. Сложные трубные системы, какими являются сети АУПТ, поддаются расчету по алгоритму на основе классических закономерностей гидромеханики.
2. Облегчением расчетной задачи для трубных систем АУПТ может служить выбор симметричных распределительных ТП.
3. Симметричные распределительные ТП обеспечивают также более равномерную плотность орошения огнетушащим веществом защищаемой от пожара площади по сравнению с асимметричными.
4. Определение характеристик трубной системы АУПТ сводится к последовательному расчету участков ветвей, начиная с опорного оросителя, и участков центрального ТП с использованием прямого и итеративного методов.
5. Уяснению принципов расчета и получению уверенности в его правильности способствует дополнение алгоритма блок-схемой и контрольным числовым примером.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. НПБ 88-2001*. Нормы пожарной безопасности. Установки пожаротушения и сигнализации.
Нормы и правила проектирования : утв. МЧС России 18.06.2003 : ввод. в действие 01.01.2002.
— М. : ВНИИПО, 2003. — 130 с.
2. Мешман, Л. М. Проектирование водяных и пенных автоматических установок пожаротушения /Л. М. Мешман [и др.] ; под общ. ред. Н. П. Копылова. — М. : ВНИИПО МЧС РФ, 2002. —
413 с.
3. Иванов, Е. Н. Противопожарное водоснабжение / Е. Н. Иванов. — М. : Стройиздат, 1986. —
316 с.
4. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий : утв. Госстрой СССР 04.10.1985 : ввод. в действие 01.07.1986. — М. : ГУП ЦПП, 1997.
5. Примеры расчетов по гидравлике / Под ред. А. Д. Альтшуля. — М. : Стройиздат, 1977. —
255 с.
6. ГОСТ 10704-91. Трубы стальные электросварные прямошовные. Сортамент : утв. Госстандарт СССР 15.11.1991 : ввод. в действие 01.01.1993. — М. : Изд-во стандартов, 1997.
7. ГОСТ 22247-96. Насосы центробежные консольные для воды. Основные параметры и размеры. Требования безопасности. Методы контроля : утв. Госстандарт РФ 06.02.1997 : ввод в действие 01.01.1997. — М. : ИПКИзд-во стандартов, 1997.
Материал поступил в редакцию 06.02.09.
© Фролов В. Н., Лазарев С. М., Павлова С. В., 2009 г.
(e-mail: avtomatica@mail.ru).
О
О
_о
С
1=1
со
Представляем новую книгу
«П0ЖНАУКА»
СВОДЫ ПРАВИЛ.
Системы противопожарной защиты. - 2009. - 618 с.
С мая 2009 г. введен в действие Федеральный закон №123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (полный текст закона опубликован в журнале «Пожаровзрывобезопасность». — 2009.—Т. 18, №1).
С вступлением в силу указанного закона теряют свое значение многочисленные Нормы пожарной безопасности (НПБ), Строительные нормы и правила (СНиП), регламентировавшие требования пожарной безопасности к зданиям и сооружениям. В качестве нормативных документов добровольного применения введены Своды правил (СП) и Г осу дарственные стандарты.
Настоящий сборник включает Своды правил, которые рекомендуются для применения проектными, строительными и эксплуатирующими строительные объекты организациями при решении вопросов обеспечения пожарной безопасности.
121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 12, стр. 7; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: firepress @ gmail.com
