CC BY
35МЕТОДЫ, МЕТОДИКИ, АППАРАТУРА, ТЕХНИКА
УДК 614.846
М. В. Алешков
кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника Академии ГПС МЧС России по научной работе
Д. С. Пушкин
адъюнкт Академии ГПС МЧС России
M. Aleshkov, D. Pushkin
КОЭФФИЦИЕНТЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЖАРНЫХ НАПОРНЫХ РУКАВОВ
В статье представлены характеристики пожарных напорных рукавов. Подробно рассмотрены режимы течения жидкости в трубопроводах. Дано понятие коэффициента гидравлического сопротивления, рассмотрена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от шероховатости поверхности. Получены данные о шероховатости поверхности внутреннего гидроизоляционного слоя пожарного напорного рукава (ПНР).
Ключевые слова: пожарный напорный рукав, режимы течения жидкости, шероховатость поверхности, коэффициент гидравлического сопротивления.
DRAG COEFFICIENT FIRE PRESSURE HOSES
This article details the characteristics of pressure fire hoses. Examine in detail the regimes of fluid flow in pipelines. Given the concept of the coefficient of hydraulic resistance, consider the dependence of the coefficient of hydraulic resistance of the surface roughness. The data on surface roughness, internal waterproofing layer pressure fire hoses.
Keywords: fire hose pressure, fluid flow regimes, surface roughness, coefficient of hydraulic resistance.
Пожарный напорный рукав (ПНР) представляет собой гибкий трубопровод, предназначенный для транспортирования огнетушащих веществ и оборудованный при эксплуатации в расчете пожарной машины, а также в составе пожарного крана пожарными соединительными головками [1].
Быстрота и надежность подачи к очагу пожара необходимого количества воды во многом определяют успешность действия пожарных подразделений.
В пожарном деле важно обеспечить не только подачу воды по пожарным рукавам (ПНР) на большие расстояния, но и достаточную величину давления у стволов. Для этого ПНР должны иметь следующие характеристики:
- эластичность (гибкость),
- малый вес;
- большое сопротивление разрыву;
- минимальное сопротивление движению воды.
Для осуществления успешных практических действий по тушению пожаров необходимо изучение многих теоретических вопросов, касающихся течения воды в трубопроводах. Один из наиболее важных вопросов - определение сопротивления потоку воды в пожарных рукавах.
Как известно из гидродинамики [5] потери напора в трубопроводе складываются из местных и линейных потерь по длине трубопровода. Это же относится и к пожарным напорным рукавам. Потери напора по длине рукавной линии зависят как от диаметра, так и от профиля внутренней стенки ПНР. Местные потери связаны с сопротивлением, которое влияет на скорость движения жидкости (рукавная арматура, гидравлическое оборудование и т. д.) [2]. Принято считать, что местные потери составляют 5-10 % от линейных.
Рассмотрим более подробно каждую из двух составляющих, влияющих на потери напора в трубопроводе.
Потери давления, вызываемые местными сопротивлениями, определяются по формуле 1 [5]:
л= -=5^ . (1)
у ^2д
где Л- величина потерь давления, м вд. ст.; Др- потери напора, кг/м2; у - удельный вес жидкости, кг/м3; V - средняя скорость движения жидкости, м/с; ^ - ускорение свободного падения, м/с2; 5 - коэффициент, зависящий от вида местного сопротивления.
Потери давления, вызванные сопротивлением трения на длине трубопровода, определяются по формуле Дарси - Вейсбаха (2) [2]:
ъ • (2)
где X - безразмерный коэффициент линейного сопротивления; /. - длина отрезка трубопровода, для которого определяется сопротивление. м; ъ- внутренний диаметр трубопровода, м.
Для использования рассмотренных формул на практике необходимо знать величины коэффициентов £ и X .Определение величины коэффициента линейного сопротивления X особенно сложно и требует знаний механики течения жидкости в трубопроводе. Как показали исследования, величина коэффициента линейного сопротивления зависит от характера движения воды в трубопроводах, поэтому определение его является наиболее важным.
Для практических расчетов в справочной документации приводятся данные о гидравлических сопротивлениях ПНР [2, 6, 9]. В табл. 1 представлены тактико-технические характеристики напорных рукавов.
Таблица 1
Внутренний диаметр рукава, мм Давление для новых рукавов, МПа Емкость рукава (длина 20 м), л Сопротивление одного рукава (длина 20 м), (л/с)'М2 Пропускная способность одного рукава по воде, л/с Масса одного рукава (длина 20 м), кг
рабочее испытатель- ное прорези- ненного непрорези- ненного
50 1,6 2,0 40 0,13 0,24 10,2 11,6
65 1,6 2,0 70 0,034 0,077 17,1 14,0
80 1,6 2,0 90 0,015 0,030 23,3 17,0
90 1,4 1,6 125 0,007 (0,0035) - 30,0 (40,0) 21,1
110 - - - (0,0022) - - -
150 1,2 1,4 350 0,00046 - - 36,0
Примечание: - нет данных;
в скобках указаны данные по источнику [9].
Значения этих коэффициентов были получены в начале 50-х годов ХХ века, со временем изменились не только технологии изготовления рукавов, но и сами материалы, используемые в рукавах. Поэтому значения коэффициентов гидравлического сопротивления можно подвергнуть сомнению.
Дальнейшее изучение вопроса гидравлического сопротивления, создало необходимость рассмотрения физического принципа шероховатости.
На рис. 1 представлен профиль шероховатости поверхности [3].
l
Рис. 1. Профиль шероховатости поверхности: l - базовая длина; m- средняя линия профиля; Smi - средний шаг неровностей профиля;
S - средний шаг местных выступов профиля; Hmax - отклонение пяти наибольших максимумов профиля;
Hmin - отклонение пяти наибольших минимумов профиля; hmax - расстояние от высших точек пяти наибольших максимумов до линии параллельной средней и не пересекающей профиль; hmin - расстояние от низших точек пяти наибольших минимумов до линии параллельной средней и не пересекающей профиль; Rmax - наибольшая высота профиля; у - отклонения профиля от линии m ; p- уровень сечения профиля; bn - длина отрезков, отсекаемых на уровне p
Высотные параметры: Ra- среднее арифметическое отклонение профиля.
Шероховатость характеризуется некоторой величиной, эквивалентной зернистой шероховатости, вызывающей в трубопроводе того же размера и при одних и тех же числах Рейнольдса одинаковые потери удельной энергии.
Re = -, (3)
и
где V- скорость течения жидкости, м/с; d- диаметр трубопровода, м; и - вязкость жидкости, м2/с.
Шероховатость в лабораторных условиях измеряется с помощью профилометра - прибора, предназначенного для измерения неровностей поверхности (шероховатости).
Измерения шероховатости внутренней стенки пожарного напорного рукава проходили в ГФУП ВНИИМС на оборудовании фирмы Taylor Hobson Ltd (Великобритания) (рис. 2).
Рис. 2. Установка для измерения шероховатости поверхности
На рис. 3 представлен профиль шероховатости внутренней стенки прорезиненного рукава 0 50 мм, полученный на установке для измерения шероховатости поверхности.
Ol
о
5.162.0
Taylor Hobson
S PRECISIOf«
Измененный профиль
1-1 - R/61 X0.8MM/G/100/Линия LS 1 1 - 50.1 MM/Admin/ВНИИМС
28.01.2009 16:38:56
28.01.2009 16:35:48
T3
о
CD
—I
T3
25
20
15
10
5
-0
-5
-10
-15
25
20
15
10
5
-0
-5
-10
-15
T3
о
CD
—I
T3
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 миллиметры 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Rz(JIS) 8,9744 MKM
Ra 2,5917 мкм Rq 3,5226 MKM R3z 6,6520 MKM
Rsk 0,6490 Rku 6,0585 R3y 18.7048 MKM
Rp 9,2807 MKM Rv 6,0388 MKM Rz(DIN) 15,3195 MKM
RLo 49,9453 mm Rt 39,5725 MKM Rmr(c) 45,94 % Высота (среднее) 0,000 мкм
Rlq 97,35 MKM Rdq 12° 48' 31,2" RHSC 285 выбросы Высота (среднее) 0,000 мкм
Rda 8° 5' 59,2" Rz 15,3195 MKM Rdc 39,5725 мкм mr1% 0,0 % mr2% 100,0 %
RS 61,64 MKM RSm 323,18 MKM Rmr 50,00 % смещение 0,000 мкм тг% 50,00 %
Rin 48,8000 MM Rc 11,3163 MKM RVo 0,1167 велич смещение 0,000 мкм тг% 50,00 %
RPc 81,1 і аыбр/см Высота (среднее) 0,000 мкм ширина полосы прсО.ОО мкм
Рис. 3. Профиль шероховатости внутренней стенки рукава
Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. № 4. 2009
Исследования сопротивления трения при течении воды в трубопроводах проводились многими исследователями еще в прошлом веке, но до сих пор самое большое значение имеют теоретические работы И. И. Никурадзе. Для определения коэффициента линейного сопротивления И. И. Никурадзе применил искусственную шероховатость, которую создал с помощью различных фракций песка, прилепленных на внутренней поверхности стенок исследуемых латунных труб при значениях обратных величин относительной шероховатости [5], формула которой представлена ниже:
л А
Л = Ъ ■
(3)
где А - относительная шероховатость; Д - абсолютная геометрическая шероховатость внутренней поверхности; D- внутренний диаметр трубопровода, мм.
Предложенная И. И. Никурадзе диаграмма (рис. 4) позволила установить наличие пяти зон, характеризующих движение воды в трубопроводах, и показать изменение коэффициента линейного сопротивления X в каждой из них:
зона I - зона ламинарного течения. Характеризуется тем, что все частицы жидкости движутся параллельно друг другу ^е < 2300);
зона II - зона перехода от ламинарного движения к турбулентному. Она называется критической и характеризуется тем, что частицы жидкости движутся в беспорядке (2320 < Re < 4000); зона III характеризует поток в гладких трубах (104 < Re < 109); зона IV - также переходная (104 < Re < 108);
зона V характеризуется полностью турбулентным потоком, при этом исчезает ламинарный пристенный подслой. В этой зоне коэффициент линейного сопротивления зависит исключительно от относительной шероховатости А, и не зависит от числа Re.
Поток воды в пожарных рукавах надо рассматривать как турбулентный, так как при относительно малых диаметрах рукавов он имеет большую скорость. Определение потерь давления в рукавах и на сегодняшний момент является довольно трудной задачей.
Анализ зависимости коэффициента трения (линейных сопротивлений) X в функции числа Рейнольдса явились следующим шагом в области исследовательских работ по оценке потерь давления в напорных рукавах.
Рис. 4. График Никурадзе [7]
Большой вклад в работы этого направления в 1940-1941 гг. внес А. О. Шимановский, который за основу расчетов величины потерь принял общую зависимость Дарси - Вейсбаха.
Сравнивая работы этих двух ученых, следует отметить, что они значительно отличаются друг от друга. На основании вышеизложенного можно утверждать, что сопротивление потоку жидкости в рукавах и потери давления в них изучены не достаточно хорошо.
Сложность изучения гидравлического сопротивления связана еще и с тем, что под давлением воды, протекающей по рукаву, происходит его деформация. Она приводит к увеличению диаметра и длины рукава.
В связи с этим возникает необходимость проведения натурных испытаний с последующей обработкой полученных данных, которые в дальнейшем можно будет использовать для решения тактических задач пожарных подразделений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методическое руководство по организации и порядку эксплуатации пожарных рукавов, 2007.
2. Тарасов-Агалаков Н А. Практическая гидравлика в пожарном деле. - М.: Министерство коммунального хозяйства РСФСР, 1959. - 262 с.
3. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Термины и определения.
4. Сьцебура Т. Исследование гидравлических сопротивлений в пожарных напорных рукавах из синтетических материалов и области их применения: Дис. ... канд. техн. наук. / - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1977. - 236 с.
5. ИдельчикИ Е Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1975 .
6. Безбородько М. Д. Пожарная техника. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. - 550 с.
7. Френкель Н З. Гидравлика. - М.: Машиностроение, 1956. - 453 с.
8. Иванников В. П., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. - М.: Стройиздат, 1987.
9. АбросимовЮ. Г Гидравлика. - М.: АГПС МЧС России, 2005. - 312 с.
УДК 614.844
А. В. Долговидов
кандидат технических наук, старший научный сотрудник, преподаватель кафедры пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки Академии ГПС МЧС России
В. А. Грачев
кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки Академии ГПС МЧС России
О. Ю. Сабинин
кандидат технических наук, преподаватель кафедры пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки Академии ГПС МЧС России
И. Д. Неретин
преподаватель кафедры пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки
Академии ГПС МЧС России
A. Dolgovidov, V. Grachev, O. Sabinin, I. Neretin
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОДАЧИ ОГНЕТУШАЩИХ ПОРОШКОВ
Проведены обзор модулей порошкового пожаротушения (МПП), выпускаемых в настоящее время отечественной промышленностью, их классификация. Проанализированы достоинства и недостатки различных типов модулей. Выявлены проблемы, стоящие на пути развития автоматических средств порошкового пожаротушения, и пути их решения.
Ключевые слова: огнетушащий порошок, средства порошкового пожаротушения, модуль порошкового пожаротушения, огнетушащая эффективность, импульсное пожаротушение.
AUTOMATIC FIRE EXTINGUISHING POWDER FEEDING MEANS
A review of dry powder extinguishing modules produced by domestic industry at the present time, their classification. The advantages and disadvantages of different types of modules. Identified problems faced in the development of automated tools for powder fire and ways to address them.
Keywords: extinguishing powder, means of powder fire, powder fire extinguishing unit, fire extinguishing efficiency, impulse extinguishing.
