автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Гидравлические сопротивления гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения

Белорусская государственная политехническая

академия ^^ Л_

Ш од

УДК 614.842.628.2:532.5.12 г С Г':'-? О

ЯКОВЧУК ВИКТОР ИВАНОВИЧ

Гидравлические сопротивления гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения

05.23.04. - Водоснабжение, капалшация, строительные системы охраны водных ресурсоз

Автореферат диссертации на соискание учрнон степени кандидата технических наук

Минск - 2000

Работа выполнена в Белорусской государствеиной политехнической академии и Командно-инженерном институте МЧС Республики Беларусь

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мнхневич Э.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Васильчсико Г.В.

кандидат технических паук, доцент Леди» IO.I1-

Оппонирующая организация: Белорусский научно-исследовательский

институт мелиорации п луговодства, г. Минск

Защита состоится «22 » декабря 2000 г. в 14 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.10 Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220114 г. Минск, проспекгФ. Скорины, 150, корп. 15, ауд.№ 736. Тел.2649491

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехническом академии

Автореферат разослан « » ноября 2000 г Учёный секретарь

совета по защите диссертаций Д 02.05.10

кандидат технических наук, доцент

Г.Г. Круглов

-5И -ОЩ-М , 0

Общая характеристика

Актуальность темы диссертации. Возрастающие в последнее время социальные и экономические последствия пожаров, требуют решения проблемы повышения эффективности систем подачи огнетушащих средств к очагу пожара и создания научно обоснованных методик их гидравлического расчета.

Одним из основных элементов систем пожаротушения являются пожарные рукава. Методика, используемая в настоящее время для их расчета, базируется на ряде допущений.

Предпологается, что движение воды по пожарным рукавам происходит при числах Рейнольдса, соответствующих только квадратичной области сопротивлений. При этом не учитывается изменение поперечных и продольных размеров рукавов под воздействием внутреннего давления, увеличение шероховатости внутренней поверхности с ростом срока службы рукавов, влияние на потери напора добавок пенообразователей.

Кроме этого, расчеты выполняются на основании справочных данных, приведенных для пожарных рукавов, которые в настоящее время практически не используются. Аналогичные данные по современным пожарным рукавам в литературе отсутствуют.

В результате, расчеты по существующей методике приводят к существенной погрешности. Поставленная проблема может быть решена путем разработки новой методики расчета пожарных рукавов, учитывающей весь комплекс факторов, влияющих на потери напора. Разработка такой методики требует изучения гидравлических закономерностей движения жидкостей в современных пожарных рукавах.

Цель н задачи исследования. В результате изучения современного состояния гидравлических расчетов пожарных рукавов автор поставил перед собой цель на основе экспериментальных и теоретических исследований определить гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов, разработать методику их гидравлического расчета с учетом дополнительных факторов, влияющих на пропускную способность. В задачи, поставленные автором, входят:

1. Экспериментальные и теоретические исследования современных пожарных рукавов из синтетических материалов.

2. Разработка и создание экспериментальных стендов для исследования гидравлических характеристик и параметров пожарных рукавов.

3. Исследование влияния отдельных типов деформаций на условия движения жидкости в пожарных рукавах.

4. Исследование влияния концентраций пенообразователя на гидравлические параметры пожарных рукавов.

5. Разработка методики расчета пожарных рукавов.

Объест и предмет исследования. Объектом исследования является оборудование противопожарного водоснабжения, в частности, гибкие трубопроводы противопожарного водоснабжения - напорные пожарные рукава. Предметом

исследования являются гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов и методика их гидравлического расчета.

Гипотеза. В отличие от жестких трубопроводов напорные пожарные рукава при транспортировании по ним жидкости изменяют свои геометрические параметры, что отражается на их гидравлическом сопротивлении. Шероховатость стенок рукавов изменяется с течением времени вследствие износа гидроизоляционного слоя. Кроме того, гидроизоляционный слой под давлением жидкости вдавливается во впадины ткани чехла рукава, что приводит к увеличению шероховатости стенок, а значит и гидравлического сопротивления рукава.

Исходя из анализа научно-технической и справочной литературы, коэффициент гидравлического трения пожарных рукавов должен зависеть от материала изготовления рукавов, шероховатости их внутренней поверхности, срока эксплуатации рукавов, вида транспортируемой жидкости и режима ее движения. К этому добавляются упругие колебания стенок, обусловленные пульсациями давлений в напорном потоке.

Методология и методы проведенных исследований. В основу исследований положена классическая теория гидравлических сопротивлений. Эксперименты проводились на лабораторном стенде и специально разработанных экспериментальных установках, позволяющих изучить гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов. В работе использовались методы определения гидравлических сопротивлении по эффективности снижения гидродинамического напора на контрольном участке исследуемого трубопровода, метод итерации для анализа взаимосвязанных величин, теория планирования эксперимента и другие методы, более подробное описание которых дается в соответствующих главах диссертации.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые изучены основные гидравлические закономерности движения жидкости в гибких трубопроводах противопожарного водоснабжения. Путем экспериментальных исследований пожарных рукавов предложены положения и установлены новые характеристики и параметры:

1. Расшифрован механизм потерь напора в пожарных рукавах и определен состав влияющего на него комплекса факторов. Доказано, что при определении потерь напора необходимо учитывать изменения поперечных и продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок рукавов, зависящих от внутреннего давления. Установлено, что увеличение поперечных и продольных размеров из-за внутреннего давления приводит к уменьшению потерь напора. Экспериментально подтверждено, что абсолютная гидравлическая шероховатость увеличивается с ростом числа Ке и зависит от срока эксплуатации рукавов.

2. Впервые исследованы латексированные пожарные рукава. Получены соотношения, связывающие длину и диаметр рукавов с внутренним давлением, определена абсолютная эквивалентная гидравлическая шероховатость стенок и гидравлическое сопротивление рукава стандартной длины (20 м). Установлено, что введение добавок пенообразователя увеличивает потери напора.

3. Получены экспериментальные кривые зависимости коэффициента гидравлического трения от числа Рейнольдса для латексированных, прорезиненных и непрорезиненных пожарных рукавов различных диаметров и сроков эксплуатации. Предложена эмпирическая формула для определения коэффициента X. Экспериментально установлено, что при учете зависимости шероховатости от числа Яе для определения коэффициента X в квадратичной зоне применима формула А.Д. Альтшуля.

4. Разработана и экспериментально подтверждена методика расчета потерь напора в пожарных рукавах, позволяющая определять потери напора при различных режимах движения жидкости с учетом изменения поперечных п продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований внесены в проект, разрабатываемых государственным предприятием «Стройтехнорм» и Техническим комитетом по техническому нормированию и стандартизации в строительстве «Пожарная безопасность», строительных норм «Противопожарное водоснабжение». Они могут быть использованы проектными организациями при проектировании и расчете наружных водопроводных систем высокого давления и внутренних противопожарных водопроводов зданий и сооружений.

На основании проведенных исследований разработаны, утверждены Министерством по чрезвычайным ситуациям и доведены до всех пожарных аварийно-спасательных подразделений республики для использования в практической деятельности «Рекомендации по гидравлическому расчету латексированных пожарных рукавов». Разработанная методика гидравлического расчета насос-но-рукавных систем используется также в учебном процессе Командно-инженерного института МЧС Беларуси.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. На защиту выносятся: результаты гидравлических исследований напорных пожарных рукавов и методика расчета потерь напора в них с учетом материала изготовления, изменения поперечных и продольных размеров и эквивалентной гидравлической шероховатости стенок.

Личный вклад соискателя. Автором проведен анализ методов определения гидравлического сопротивления жестких и гибких трубопроводов III. Разработаны экспериментальные установки и методики проведения испытаний по определению гидродинамических характеристик напорных пожарных рукавов, проведены лабораторные и натурные эксперименты по определению:

геометрических параметров напорных пожарных рукавов в зависимости от внутреннего давления транспортируемой по ним жидкости /11/; вязкости и плотности исследуемых водных растворов пенообразователей /2,15/;

потерь напора в различных рукавах при транспортировании по ним исследуемых жидкостей /2,17/.

Получены экспериментальные зависимости изменения геометрических размеров рукавов от внутреннего давления транспортируемой жидкости, коэффи-

циента гидравлического трения пожарных рукавов от числа Яе с учетом материала изготовления, сроков их службы, транспортируемой по ним жидкости; доказано влияние этих факторов на гидравлическое сопротивление рукавов; определена эквивалентная гидравлическая шероховатость латексированных пожарных рукавов /1,8,10,12,13,14/.

Сделаны выводы и предложены методики определения потерь напора в пожарных рукавах и гидравлического расчета насосно-рукавных систем /1,2,16,17/.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 51, 52, 53, 54 Международных научно-технических конференциях БГПА(1995, 1998, 1999, 2000 г.г.), XIII, XIV Всероссийских научно-практических конференциях ВНИИПО МВД РФ (1995, 1997 г.г.), II Международной научно-практической конференции в РНПЦ ПБ МВД Беларуси (1997 г.), II международной научно-практической конференции в Московском институте пожарной безопасности МВД России (1999 г.)

Опубликованность результатов. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 17 научных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений; содержит 149 страниц, из них: 35 рисунков на 28 страницах, 15 таблиц на 7 страницах, 20 приложений на 34 страницах. Список использованных источников насчитывает 129 наименований на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении освещаются основные проблемы повышения эффективности определения потерь напора и расходов воды на пожаротушение, даётся краткая характеристика используемых в практике пожаротушения напорных пожарных рукавов и методик их гидравлического расчёта.

В первой главе «Анализ методов определения потерь напора в различных трубопроводах» даётся анализ методов определения потерь напора и коэффициента гидравлического трения в жёстких и гибких трубопроводах. Отмечается, что проблема гидравлических сопротивлений в трубопроводах решается с давних пор и в настоящее время достаточно широко изучена для жёстких трубопроводов. Этой проблеме посвящены труды Прандтля, Шези, Блазиуса, Альтшуля, Шевеля, Мурина, Мурашко, Митраховича и многих других учёных). Приведённый обзор формул, предложенных для гидравлического расчёта гибких трубопроводов (Фримен, Зандер, Лобачев, Френкель, Рихтер, Тольц-ман, Тарасов - Агалаков и др.) показывает некоторую противоречивость в оценке гидравлических параметров и рекомендаций по инженерным расчётам гибких трубопроводов, которую следует искать в различии комплекса факторов, обуславливающих величину гидравлического сопротивления гибких трубопроводов.

Как отмечают многие исследователи, специфической особенностью гибких трубопроводов, в отличие от жестких, является их деформация, проявляю-

щаяся в изменении поперечных и продольных размеров под действием внутреннего давления транспортируемой жидкости. Однако, по утверждению Тара-сова-Агалакова, в напорных пожарных рукавах потери напора, вызванные этими деформациями уравновешиваются между собой и поэтому их можно не учитывать при гидравлическом расчете. Существующая методика гидравлического расчета пожарных рукавов позволяет определять потери напора только в квадратичной зоне гидравлических сопротивлений без учета режимов движения жидкости и сроков эксплуатации рукавов. Отсутствует научно обоснованная методика определения потерь напора и коэффициента гидравлического - трения латексирован гых пожарных рукавов с чехлом из синтетических нитей. Для их расчетов используются значения гидравлического сопротивления прорезиненных пожарных рукавов, что на практике приводит к большим погрешностям. Не изучено влияние водных растворов пенообразователей на гидравлические характеристики и параметры пожарных рукавов.

На основании анализа литературы были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Методика экспериментальных исследований гидравлических характеристик и параметров гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения» приводятся сведения о применяемой измерительной технике, составе, объёме и методиках проведения исследований. В начале главы даётся обзор и описание гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения -напорных пожарных рукавов зарубежного, в том числе и российского, произ-• водства, которые нашли применение в Республике Беларусь, приводится их классификация по категориям эксплуатации.

Исследованию подвергались:

а) напорные пожарные рукава с чехлом из синтетических нитей с латекс-ным гидроизоляционным слоем (ТУ 17 РСФСР 40-6851-77), наиболее часто используемых в практике пожаротушения диаметров 51; 66; 77±1 мм и различных категорий эксплуатации, рассчитанные на рабочее давление 1,6 МПа (с1 = 51;66 мм) и 1,2 МПа (с1 = 77 мм) в интервале рабочих температур от -40 до +40°С в районах с умеренным климатом;

б) напорные прорезиненные пожарные рукава (ГОСТ 7877-75) с чехлом из синтетических нитей диаметром 51;66;77±1 мм, рассчитанные на такие же условия эксплуатации как и латексированные;

в) напорные льняные пожарные рукава (ГОСТ 472-75) диаметром 51;66;77±2 мм.

Проведены лабораторные исследования вязкости и плотности водных растворов пенообразователя ПО - 3 А (вязкость определялась с помощью вискозиметра Энглера, плотность - ареометром по известным методикам); зависимости гидравлического сопротивления от концентрации пенообразователя в транспортируемой воде; натурные исследования по определению потерь напора в пожарных рукааах, изменению их диаметра и длины в зависимости от внутреннего давления транспортируемой жидкости.

Опыты по определению потерь напора, зависимости диаметра и длины от внутреннего давления проводились в натурных условиях на установке, показанной на рис. 1.

в пожарных рукавах.

Экспериментальная установка работает как прямоточная. Вода из водопроводной сети 1 через пожарную колонку 2, установленную на пожарном гидранте 3, по напорно-всасывающим рукавам 4 подается в цистерну 5 пожарного автомобиля. При проведении опытов с растворами пенообразователя необходимая концентрация раствора приготавливается непосредственно в цистерне. Из цистерны исследуемая жидкость (вода или раствор пенообразователя требуемой концентрации) забирается центробежным насосом 7 и через регулирующую задвижку 8 поступает в соединительный рукав 9. Регулирующая задвижка дает возможность плавно изменять напор и расход насоса. Соединительный рукав длиной 8 м (больше 50с1 исследуемых рукавов) применяется для устранения влияния начального участка на результаты опытов. Давление в начале и конце исследуемого рукава определяется манометрами 10, которые для сглаживания пульсаций давления устанавливаются на воздушных колпаках 11, закрепленных па переходных вставках 12.

Для увеличения точности результатов опытов исследуемый участок 13 принимался длинной более 100(1 и прокладывался в специальном желобе 14. Это давало возможность испытывать все рукава распрямленными с прямыми входными и выходными участками и определять увеличение длины и диаметра рукавной линии в зависимости от давления.

Расход воды определялся по стволу-водомеру 15, который перед каждым опытом тарировался объёмным способом с помощью мерной ёмкости 16 и

электронного секундомера. Температура воды определялась как среднее арифметическое значение показаний термометров 6 в цистерне и мерной емкости, потери напора - по разности показаний манометров 10, диаметр и длина рукава измерялись соответственно штангенциркулем и рулеткой. Внутренний диаметр рукава рассчитывался как среднеарифметическое значение наружных диаметров на входе и выходе рабочего участка за вычетом толщины стенки,

В конце второй главы приводится анализ ошибок измерений и погрешности эксперимента в целом, что подтвердило точность измерений с ошибкой не более 5%.

В третьей главе «Экспериментальные исследования гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения» приводятся результаты экспериментальных исследований пожарных рукавов.

Всего было проведено более 400 опытов в диапазоне изменения скоростей 0,36-3,92 м/с и чисел Рейнольдса Re = 16900-250000, что вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к режиму работы пожарных рукавов в практике пожаротушения.

Получены экспериментальные зависимости диаметра и длины латекси-рованных рукавов от внутреннего давления. Математическая обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов позволила получить соотношение для определения фактического диаметра и длины рукавов.

Для рукавов с условными диаметрами dvo = 51 мм, 66 мм и 77 мм зависимость фактического диаметра dpr,c., от напора в рукаве Н имеет вид:

dpac4 = dyc„(0,12 1gH + 0,88). (1)

Зависимости расчетной длины рукава 1расч от внутреннего давления Р„„ различаются для разных условных диаметров:

для рукавов dyc., = 51 мм 1раСч = 1о (0,085 Ра„ + 1,021), (2)

для рукавов dy„ = 66 мм 1расч = 10 (0,041 Р„„ + 1,018), (3)

для рукавов dyc,n = 77 мм 1расч = 10 (0,036 Рвн + 1,0). (4)

Результаты расчета'по (1) - (4) и экспериментальные точки приведены на рис. 2 и рис. 3. Линии на рисунках соответствуют расчетным данным.

Как вндно, соотношения (1) - (4) с достаточной точностью аппроксимируют экспериментальные значения.

Оценка влияния изменения диаметра и длины рукава на потери напора выполнена при помощи формулы Дарси-Вейсбаха, в которой скорость была заменена на объемный расход:

h = 8XlQ2/(n2gd5).

(5)

расч,

Рис. 2. График определения расчетного диаметра латексированных рукавов в зависимости от внутреннего давления

Рис.3. Относительное удлинение латексированных пожарных рукавов условным диаметром: «-51 мм; с - 66 мм; о -11 мм.

Для этого определялись отношения I/d5 для стандартной длины 1 = 20 м и диаметров d = 51 мм, 66 мм, 77 мм. Расчет проводился для двух вариантов. Первоначально принималось 1/d5 = const, что соответствует случаю, когда изменение диаметра и длины компенсируют друг друга и не влияют на потери напора. Далее при помощи соотношений (1) - (4) определялись значения 1/d5 при различных величинах Рв„. В результате установлено, что с ростом Рвн соотношение 1/d5 уменьшается и при Р„н = 6 МПа составляет 31 - 33%.

Коэффициент гидравлического трения X рассчитывался из соотношения (5) на основании экспериментальных значений потерь напора, расхода, длины и диаметра. Результаты расчета для латексированных, прорезиненных и непроре-зиненных рукавов диаметрами 51 мм, 66 мм, 77 мм и различными сроками эксплуатации приведены на рис. 4.

Анализ графиков позволяет расшифровать механизм потерь напора в пожарных рукавах. Кривые сопротивления расположены в переходной и квадратичной зоне, являются нисходящими и имеют точку минимума. В квадратичной зоне с увеличением числа Re коэффициент X несколько увеличивается, что объясняется вдавливанием гидроизоляционного слоя в ткань чехла рукава. Из рис. 4 видно, что на величину коэффициента X также влияют материал изготовления, диаметр и срок эксплуатации рукава.

По материалу изготовления меньшим гидравлическим сопротивлением обладают прорезиненные рукава, большим - льняные непрорезиненные рукава. Напорные пожарные рукава с чехлом из синтетических нитей (капрон, лавсан) и внутренним латексным гидроизоляционным слоем занимают промежуточное положение между двумя указанными выше, и, значит, определение потерь напора в них по значением гидравлического сопротивления прорезиненных рукавов является неправомочным. Большее гидравлическое сопротивление льняных непрорезиненных рукавов объясняется отсутствием у них гидроизоляционного слоя. У латексированных рукавов такой слой есть, однако его толщина намного меньше, чем у прорезиненных рукавов, и он поэтому более четко копирует все неровности чехла, что и создает дополнительную шероховатость, кроме шероховатости самого материала гидроизоляции.

Влияние срока службы рукава на коэффициент X объясняется разрушением гидроизоляционного слоя с течением времени и увеличением, тем самым, шероховатости внутренней поверхности.

При помощи преобразованной формулы Прандтля-Никурадзе (6) для квадратичной зоны сопротивления были определены численные значения эквивалентной гидравлической шероховатости латексированных пожарных рукавов Д, при различных числах Re:

At = (3,7 — dpac4)/l 0 . (6)

Установлено, что при росте числа Re шероховатость увеличивается, что соответствует сделанным ранее выводам о причине увеличения коэффициента X в квадратичной зоне.

X 0,08

0,06

0,04

0,02

0 3 6 9 12 15 18 21 ИехЮ-4

5)

0,08 0,06 0,04 0,02

0 4 8 12 16 20 24 КехЮ"4

в)

X 0,08

0,06

0,04

0,02

Рис. 4. Гидравлические сопротивления напорных пожарных рукавов

диаметром 51 (а), 66 (б) и 77(в) мм: латексированные: • - 1 категории, « - 2 категории, о - 3 категории; Д - льняные непрорезиненные, ▲ - прорезиненные.

На рис.5 приведены зависимости потерь напора от расхода для различных концентраций пенообразователя. Как видно, увеличение концентрации приводит к росту потерь наггора в рукавах.

Для объяснения такой зависимости были проведены аналогичные исследования на универсальном гидравлическом стенде ГС-3, имеющем рабочий участок в виде стеклянной трубки. Установлено, что причиной увеличения потерь напора является образование внутри потока газожидкостной смеси с определенными размерами пузырьков.

Ь, м

6

5 X (К

4

3

2

1

О 2 4 б 8 10 12 0,л/с-

Рис. 5. Гидравлическое сопротивление прорезиненных пожарных рукавов <1 = 66 мм при пропуске: а- воды, • - 0,5 % р-ра пенообразователя, О - 1 % р-ра пенообразователя, О - б % р-ра пенообразователя

В четвертой главе «Методика гидравлического расчета гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения и её технико-экономическая оценка» приводится методика расчета потерь напора в пожарных рукавах, примеры решения практических задач с ее использованием и технико-экономическое обоснование проведенных диссертационных исследований.

Обработка экспериментальных зависимостей X = Г (Ые) позволила установить, что точки зависимости коэффициента X. от числа Яе располагаются вблизи кривой, имеющей точку минимума. Предложено данную, кривую описывать эмпирической формулой в виде частичной суммы разложения точной функции Г в ряд Тейлора в окрестности точки минимума:

Х.=Я.т,п+Ь(аеЖет;„-1)2, (7)

где Хт-,„— наименьшее из экспериментальных значений X, Кетп — соответствующее ему значение Яе, Ь— коэффициент, подлежащий определению.

Параметры, входящие в формулу (7), определены для рукавов различных :наметров, материалов и сроков эксплуатации (табл. 1).

Таблица 1

Значения апроксимационных параметров для определения коэффициента гидравлического трения X

Тип рукава, Категория Апроксимационные Среднеквад-

диаметр, мм параметры ратичное от-

Че Ь клонение, %

Латексированный, 1 0,035 108256 0,0172 4,68

51 2 0,040 76013 0,0041 6,44

3 0,043 133321 0,0286 . 4,28

Латексированный, 1 0,038 140241 0,0307 6,72

66 2 0,044 142006 0,0190 3,18

3 0,047 91955 0,0054 4,05

Латексированный, 1 0,038 233906 0,0212 3,79

77 . 2 0,043 241624 0,0449 3,04

3 0,049 240204 0,0583 2,44

Прорезиненный, 51 1 0.031 83823 0,0127 9,5

Прорезиненный, 66 I 0,033 111531 0,0076 4,11

Прорезиненный, 77 1 0,026 175674 0,0331 8,09

Для расчета потерь напора в пожарных рукавах разработана методика, осно-занная на методе последовательных приближений. Расчет осуществляется в :ледующей последовательности:

1. Определяется скорость движения жидкости V = 4(У(71с1уСЛ2) и число Рей-нольдса Ие = \с1>сл/V для условного значения диаметра рукава (с1усл = 51 мм,66 мм, 77 мм).

2. По эмпирической формуле (7) находится ориентировочное значение коэффициента А,.

3. Для полученного значения Я, первоначальной длины 1о и условного диаметра <1„сл по преобразованной формуле Дарси-Вейсбаха (5) вычисляется ориентировочное значение потерь напора Ь.

4. Определяется внутреннее давление жидкости в рукаве по формулам:

Р„„ = (Р»х + Рвых) /2 = рёЬ /2 + РВЬ1„ (8)

Роых = 0,88рО2М4, (9)

где Рвх и Р8ых - соответственно давление на входе и выходе рукава.

5. По выражениям (1) и (2)-(4) уточняются значения длины 1 и диаметра с1 с

. учетом внутреннего давления.

6. По уточненным значениям 1 и (1 расчет повторяется. Условием прекращения итераций является (IVI - ЬО/Ьа < е.

Сравнительный анализ разработанной и.существующей методик показывает, что при рекомендуемых диаметрах и расходах воды на пожаротушение погрешность данных полученных с использованием существующей методики, по сравнению с разработанной, достигает порядка 70%.

Была проверена возможность использования для гидравлических расчетов пожарных рукавов других зависимостей, которые широко применяются в водопроводной практике. Установлено, что при учете зависимости относительной шероховатости от числа 11е, для определения коэффициента гидравлического трения в квадратичной зоне сопротивлений применима формула А.Д. Альтшуля:

А = 0,11 (68/Яе +Д/(1)°-25. (10)

Для оценочного расчета потерь напора в рукавной линии предложена формула, учитывающая сроки эксплуатации рукавов:

1т = пкБО2, (11)

где п - количество рукавов в рукавной линии;

к - коэффициент, зависящий от категории рукавов и принимаемый: к = 1; 1,1; 1,2 - для рукавов 1-ой, 2-ой, 3-ей категории эксплуатации; Б = 8А.1(3"77Г£сР - сопротивление рукава стандартной длины 20 м.

Уточнены, а для лагексированных рукавов впервые получены, входящие в нее значения гидравлических сопротивлений (табл. 2).

Таблица 2

Значения сопротивлений пожарных рукавов

Тип рукава Диаметр рукава, мм

51 66 77

эксп. табл. эксп. табл. эксп. табл.-

Прорезиненные Латексированные Непрорезиненные 0,12 0,15 0,23 0,13 0,24 0,03 0,04 0,07 0,034 0,077 0,013 0,021 0,035 0,015 0,03

Разработана методика расчета насосно-рукавных систем. Рассмотрен пример подачи воды по двум рабочим l1.d1J2.d2 и магистральной 1МД, линиям через стволысЗ,,!^,,! в количестве 0>2(рис.6).

1|, л,

-1—►

¡2, ¿2 С1„2 СЬ

Рис.6. Расчетная схема подачи воды через стволы.

1. Расчет осуществлялся в следующей последовательности:

2. По соотношению (9) определяется давление жидкости перед стволами РЬР2.

3. Определяется подача насоса: <3„ = С)|+СЬ.

4. По разработанной методике расчета потерь напора в пожарных рукавах определяются потери напора в любой из рабочих линий (например И|). В качестве Рвых принимается давление Р|.

5. Аналогично п.З определяются потери напора в магистральной линии Ьм. Здесь Рвых= р£Ь|+Р1.

6. Определяется напор на насосе Н„ = Ьм +

Рассмотрен также пример определения расстояния между автонасосами при подаче воды в перекачку в количестве (5„ по рукавной линии с!м (рис.7).

Н,„ <}„

1о-?

Рис. 7 Расчетная схема подачи воды в перекачку.

1. Определяется величина внутреннего давления в рукавной линии Рвн = pg (Н„ + Нвх).

2. По формуле (1) вычисляется фактическое значение с!м.

3. По величине С?н , с!„ определяется скорость и число 11е.

4. По формуле (7) определяется X.

5. По формуле (5) определяется 1расч.

6. По формулам (2) — (4) находится первоначальные значения длины рукавной линии (расстояние между автомобилями) 1о.

Сравнительный анализ полученных данных с результатами расчета по существующей методике показывает, что погрешность последней для приведенных схем подачи воды составляет 25-45%.

Приведена методика расчета экономической эффективности использования диссертационных исследований. Предполагаемый минимальный экономический эффект внедрения новой методики расчета гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения составляет более 148 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований изучены и экспериментально обоснованы гидравлические закономерности движения жидкости в гибких трубопроводах противопожарного водоснабжения.

Разработана методика определения потерь напора в пожарных рукавах, позволяющая проводить расчеты насосно-рукавных систем для различных скоростей движения жидкости. Методика учитывает изменения поперечных и продольных размеров рукавов под влиянием внутреннего давления, материал изготовления рукавов и срок их эксплуатации.

Основные выводы по результатам исследований:

1. На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований обоснована необходимость учета зависимостей диаметра и длины рукавов от давления транспортируемой жидкости. По результатам экспериментальных исследований получены апроксимационные соотношения, связывающие фактический диаметр и длину пожарных рукавов с внутренним давлением (формулы 1-4). Установлено, что увеличение поперечных и продольных размеров приводит к уменьшению потерь напора, а не компенсирует друг друга, как это было принято ранее /1,7,11/.

2. Изучены основные гидравлические закономерности движения жидкости в гибких трубопроводах противопожарного водоснабжения и расшифрован механизм потерь напора в них. Установлено, что основное отличие в расчетах гибких деформируемых и жестких практически недеформируемых трубопроводов обусловлено различным составом комплекса тех факторов, которыми определяется величина гидравлических сопротивлений в них. Основные отличия состоят в том, что с изменением скорости течения жидкости за счет напора в рукаве происходит изменение не только поперечных и продольных его размеров, но и шероховатости стенок. С увеличением числа Яе относительная шероховатость стенок увеличивается за счет вдавливания резинового либо ла-тексного гидроизоляционного слоя в ткань чехла рукава. В результате такого механизма воздействия потока на стенки рукавов в квадратичной зоне сопротивлений наблюдается увеличение коэффициента X с ростом числа Яе.

Экспериментально установлено, что в пожарных рукавах также, как и в жестких трубопроводах коэффициент X возрастает с увеличением срока службы. Причиной этого является увеличение шероховатости стенок за счет разрушения гидроизоляционного слоя /4,8,10/.

3. Впервые получены экспериментальные и эмпирические зависимости коэффициента X от числа Яе для пожарных рукавов различных диаметров, материалов и сроков эксплуатации. Полученные зависимости позволяют определять величину X в переходной и квадратичной зонах гидравлических сопротивлений. Установлено, что коэффициент А. различается для латексированных и прорезиненных рукавов и увеличивается с ростом срока службы.

Определены численные значения эквивалентной гидравлической шероховатости латексированных пожарных рукавов при различных числах 11е. Установлено, что при учете экспериментально полученной зависимости относительной шероховатости от числа 11е, для определения коэффициента гидравлического трения в квадрвтичной зоне сопротивлений применима формула А.Д. Альтшуля /1,12,13,15,16/.

4. Разработана методика расчета потерь напора в пожарных рукавах, базирующаяся на методе последовательных приближений. Расчет осуществляется путем подстановки в формулу (Б) значений диаметра и длины рукава, уточняющихся при каждой последующей итерации в зависимости от величины потерь напора. Разработанная методика, в отличие от существующей, позволяет определять потери напора в пожарных рукавах при различных режимах движения жидкости с учетом изменения поперечных и продольных размеров пожарных рукавов и сроков их эксплуатации. Сравнительный анализ разработанной и существующей методик показывает, что при рекомендуемых диаметрах насадков и расходах воды на пожаротушение погрешность справочных данных, полученных на базе существующей методики, достигает порядка 70% /1,2,17/.

5. Предложена формула (И) для оценочного расчета потерь напора в пожарных рукавах, учитывающая срок эксплуатации рукавов. Уточнены входящие в неё значения сопротивлений пожарных рукавов. Впервые получены экспериментальные значения сопротивлений латексированных рукавов. Доказано, что расчет потерь напора в латексированных рукавах по значениям сопротивлений прорезиненных рукавов приводит к погрешностям в пределах 24,368,3%. Проведены экспериментальные исследования влияния пенообразователя на величину потерь напора в пожарных рукавах. Установлено, что введение пенообразователя в транспортируемую жидкость в концентрациях, принятых в пожаротушении не влияет на ее вязкость, но увеличивает гидравлическое сопротивление. Экспериментально обосновано, что причиной этого является образование внутри рукава газожидкостной смеси/1,3,16,17/.

6. - Разработана методика расчета насосно-рукавных систем противопо-' жарного водоснабжения. Методика иллюстрируется на примере решения двух типовых задач: определение требуемого напора и предельного расстояния между пожарными автонасосами при известном расходе воды на пожаротушение. Сравнительный анализ с результатами расчета по существующей методике показывает, что погрешность последней для различных схем подачи воды составляет 25-45%.

Приведена методика расчета экономической эффективности использования диссертационных исследований предполагаемый минимальный экономический эффект внедрения новой методики расчета гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения составляет более 148 млн. руб. в год /2,3,17/.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА

1. Определение гидравлического сопротивления напорных пожарных рукавов // Научное обеспечение пожарной безопасности. - 1999. - №7. С. 50-51.

2. Потери напора в пожарных рукавах // Водное хозяйство и гидротехническое строительство: Респуб. межвед. сб. науч. тр. Вып. 21. - Минск: БГПА, 2000.- С. 143-146. (соавтор Михцевич Э.И.).

3. Рекомендации по гидравлическому расчету латексированных пожарных рукавов: Утв. МЧС РБ 19.05.2000/M-BO по чрезвычайным ситуациям РБ.-Минск, 2000.-13 с.

4. Оптимизация некоторых гидравлических параметров насосно-рукавных систем // Пожарная безопасность - 95: Тез. докл. XII Всерос. науч.-практ. конф., Балашиха, 1-2 ноября 1995 г. / ВНИИПО МВД РФ - Москва, 1995 - С. 206-208. (соавторы Маханько В.И., Ковеня A.C.)

5. Расчет системы противопожарного водоснабжения объекта. Метод, указания.-Минск: ВПТУ МВД РБ, 1995.-41 с.

6. Гидравлика в пожарном деле. Метод, указания. - Минск: ВПТУ МВД РБ, 1995.-54 с. (соавтор Дмитриченко A.C.)

7. Анализ методов определения гидравлических сопротивлений гибких трубопроводов и пути их совершенствования //Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии: Тез. докл. межд: 51-ой науч.- практ. конф. БГПА Минск, 1995 г./БГПА-Минск, 1995 ,ч.1. С. 118-119.

8. Исследование гидравлических характеристик современных пожарных рукавов // Пожарная безопасность - 95: Тез. докл. XII Всерос. науч.-практ. конф., Балашиха, 1-2ноября 1995 г. / ВНИИПО МВД РФ - Москва, 1995 - С. 206-208. (соавторы Дмитриченко A.C., Ковеня A.C.)

9. О нормативной продолжительности отбора воды для тушения пожаров // Пожарная безопасность: Тез. докл. II Межд. науч.-практ. конф., Минск, 1997 г./ РНПЦ ПБ - Минск, 1997. - С. 33-34. (соавтор Маханько В.И.) Ю.Гидравлические параметры напорных пожарных рукавов// Пожарная безопасность: Тез. докл. II Межд. науч.-практ. конф., Минск 1997 г., / РНПЦ ПБ -Минск, 1997-С. 34-36. (соавтор Дмитриченко A.C.)

11. Экспериментальные исследования по определению изменения диаметра и длины пожарных рукавов в зависимости от внутреннего давления// Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы: Тез. докл. XIV Межд. науч.-практ. конф. Балашиха, 2-3 июля 1997 г. / ВНИИПО МВД РФ - Москва, 1997 -С. 145-146. (соавтор Дмитриченко A.C.)

12. Экспериментальные исследования по определению гидравлических характеристик гибких трубопроводов // Технические вузы - республике: Тез. докл. межд. 52-ой науч.- практ. конф. БГПА Минск, 1997 г./ БГПА - Минск, 1997 , 4.5-С. 89.

13. Определение гидравлического сопротивления напорных пожарных рукавов // Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы: Тез. доклада XIV Международной науч.-практ. конф. Балашиха, 2-3 июля 1997 г. / ВНИИПО МВД РФ - Москва, 1997-С. 147-148. (соавтор Дмитриченко A.C.)

14.Проверка противопожарного водоснабжения. Метод, указания по курсу «Гидравлика и противопожарное водоснабжение». - Минск: ВПТУ МВД РБ 1997 - С. 80. (соавтор Маханько В.И.)

15. Исследования гидравлических сопротивлений гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения // Материалы межд. 53-й науч.-техн. конф. БГПА, Минск, 2-6 февраля 1999 г. / БГПА -Минск, 1999, ч.З - С. 123. .

16. Гидравлические параметры синтетических пожарных рукавов// Материалы науч.-практ. конф., Москва, 22-23 апреля 1999 г. / МИПБ - М: МИЛЬ МВД РФ, 1999.-С. 234.

17.. Потери напора в пожарных рукавах // Материалы 54-й научн.-техн. конф. БГПА, Минск, 2000/ БГПА - Минск, 2000, г. 7 - С. 143.

РЭЗЮМЕ .Якаучук Вктар 1ванав1ч .

Пдраул1чныя супряЫулетм г!бк1х трубаправодау супрацьпажарнага водазабесппчэннп.

Ключавыя словы: пбт трубаправоды супрацьпажарнага водазабеспячэння, пажарныя рукавы, пдраул1чнае супращуленне, страта нащску, водныя растворы пенаутваралылкау.

Аб'ектам даслсдавання з'явшся пбюя трубаправоды супрацьпажарнага водазабеспячэння - пажарныя рукавы пры транспартаванш па ¡х вады 1 водных растворау пенаутварапыпкау.

Прадметам даследавання з'явшся пдраул1чныя характарыстьш 1 параметры напорных пажарных рукавоу ! методыю ¡х гщраулщнага разл1ку.

Мэтай работы з'явшася вызначэнне гщраул1чных характарыстык I параметрау напорных пажарных рукавоу ! распрацоука методьш ¡х гщраул1чнага разлшу з ул1кам набору фактарау, яюя уплываюць на ¡х прапускную здольнасць.

Праведзены комплексный пдраул1чныя даследаванш напорных пажарных рукавоу у шырок;м дыяпазоне фактарау, як1я ¡х вызначаюць. У вынжу праведзеных даследаванняу прапанаваны палажэнш 1 установлены новыя характарыстыга ! параметры пажарных рукавоу. Упершыню атрыманы эксперыментальныя крывыя залежнасш пдраул1чнага супращулення латэкараваных пажарных рукавоу ад рэжыму руху транспартуемай вадкасщ. Атрыманы эмшрычпыя разлжовыя формулы для вызначэння каэфщ1епта г1драул1чнага трэння пажарных рукавоу 1 ¡х геаметрычных параметрау у залежнасщ ад унутранага цюку транспартуемай вадкасщ.

Даказаны уплыу розных канцэнтрацый пенаутваралыпка на змяненне вел1чыш пдраул1чнага супращулення напорных пажарных рукавоу.

Распрацавана методика гщраугпчнага рашку помпава-рукауных астэм, якая улнтае змены геаметрычных параметрау напорных пажарных рукавоу у залежнасщ ад унутранага щеку транспартуемай па ¡х вадкасщ 1 тэрмшу ¡х эксплуатацьп. Прапанаваная методыка можа быць выкарыстана пры "праектаванш унутраных 1 вонкавых супрацьпажарных водаправодау, пдраул1чным разлп<у пажарных помпава-рукауных астэм.

22

РЕЗЮМЕ

Яковчук Виктор Иванович

Гидравлические сопротивления гибких трубопроводов противопожарного водоснабжения

Ключевые слова: гибкие трубопроводы противопожарного водоснабжения, пожарные рукава, гидравлическое сопротивление, водные растворы пенообразователей.

Объектом исследования являлись гибкие трубопроводы противопожарного водоснабжения — пожарные рукава при транспортировании по ним воды и водных растворов пенообразователей.

Предметом исследования являлись гидравлические характеристики и параметры напорных пожарных рукавов и методики их гидравлического расчета.

Целью работы являлись определение гидравлических характеристик и параметров напорных пожарных рукавов и разработка методики их гидравлического расчета с учетом набора дополнительных факторов, влияющих на их пропускную способность.

Проведены комплексные гидравлические исследования напорных пожарных рукавов в широком диапазоне определяющих факторов. В результате проведенных исследований предложены положения и определены новые характеристики и параметры пожарных рукавов. Впервые получены экспериментальные кривые зависимости гидравлического сопротивления лагексированных пожарных рукавов от режима движения транспортируемой жидкости. Получены эмпирические расчетные формулы для определения коэффициента гидравлического трения пожарных рукавов и их геометрических параметров в зависимости от внутреннего давления транспортируемой жидкости.

Доказано влияние различных концентраций пенообразователя на изменение величины гидравлического сопротивления напорных пожарных рукавов.

Разработана методика гидравлического расчета насосно-рукавных систем, учитывающая изменения геометрических параметров напорных пожарных рукавов в зависимости от внутреннего давления транспортируемой по ним жид-костн и сроки ил эксплуатации. Предложенная мегодика может' быть использована при проектировании внутренних и наружных противопожарных водопроводов, гидравлическом расчете пожарных насосно-рукавных систем.

Summary Jakovchuk Viktor Ivanovich Hydraulic resistance of flexible pipelines of fire-prevention water supply

Basic terms: flexible pipelines of fire-prevention water supply, fire hoses, hydraulic resistance, loss of head, aqueous solution of foam generators.

Flexible pipelines of fire-prevention water supply — fire hoses during a transportation of water and aqueous solution of foam generator were the objects of investigation.

The subjects of investigation were hydraulic characteristics and parameters of headal fire hoses and methods of theirs hydraulic account.

The aims of work were the determination of hydraulic characteristics and parameters of headal fire hoses and the development of the method of their hydraulic account taking into consideration a number of factors, which influence their passing ability.

Complex hydraulic investigations of headal fire hoses were conducted in wide range of determinative factors. As a result of investigation some statements were proposed and new characteristics and parameters of latexed fire hoses were established.

Firstly experimental curves of dependence of hydraulic resistance of latexed fire hoses on moving condition if transporting liquid were received. Empirical accounting formulae for determination; of the coefficient of hydraulic friction of latexed fire hoses and their geometrical parameters which depend on inside pressure of transporting liquid have been also obtained.

Influence of different concentrations of foam generators on changing the quantity of hydraulic resistance of headal firehoses was proved.

Method of hydraulic account pump-hose systems which takes into account changes of geometrical parameters of headal fire hoses in dependence on inside pressure of transporting liquid and terms of their exploitation was worked out. The proposed method can be used in designing of inside and outside fire-prevention water conduct, hydraulic account of fire pump-hose systems.