SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ

Katedra Techniki Pożarniczej

Zakład Hydromechaniki i Przeciwpożarowego Zaopatrzenia Wodnego

LABORATORIUM HYDROMECHANIKI

ĆWICZENIE NR 12

TEMAT: OKREŚLANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEWODU ELASTYCZNEGO

WARSZAWA, 2002 r.

1. Wstęp

Pod pojęciem przewodów elastycznych rozumiemy przewody, które w sposób istotny zmieniają swoje kształty i wymiary pod wpływem ciśnienia. Do takich przewodów możemy zaliczyć stosowane w pożarnictwie węże tłoczne. W ochronie przeciwpożarowej stosuje się najczęściej następujące rodzaje węży:

• Przekładkowe oznaczane literą P. Są to węże wykonane z gumy lub innego tworzywa o zbliżonych właściwościach, wzmocnione za pomocą przekładek,

• Węże wykładzinowe z wkładką oznaczane literą W. Posiadają one ścianki (oplot) tkane z przędzy naturalnej lub z włókien sztucznych. Zaopatrzone są ponadto dla uszczelnienia i zmniejszenia oporów przepływu we wkładkę gumową lub z innego materiału,

• Węże wykładzinowe z okładziną, oznaczone symbolem WO. Są to węże o ściankach tkanych z przędzy nasiąkliwej, uszczelnione wykładziną wewnętrzną, a od strony zewnętrznej pokryte powłoką gumową lub z innego tworzywa plastycznego, tworzącego powłokę ochronną,

Wszystkie węże tłoczne za wyjątkiem przekładkowych i wykładzinowych z okładziną są oznakowane kolorowym paskiem przebiegającym wzdłuż całego węża kontrastowym w stosunku do materiału węża. Ponadto na obydwu końcach węża powinny by* trwale oznakowane: długość węża w metrach, średnica w milimetrach, miesiąc i rok produkcji, np. W52, 20m., 05.98.

Polska Norma PN/M-51151 Pożarnicze węże tłoczne, wyróżnia następujące typy węży:

- do hydrantów, oznaczone literą H,

- do motopomp i autopomp, oznaczone literą W,

i wielkości w zależności od średnicy wewnętrznej węża w mm: 25; 52; 75 i 110.

Wszystkie węże przed skierowaniem do sprzedaży są poddawane badaniom odbiorczym. Polegają one na:

• oględzinach zewnętrznych polegających na sprawdzeniu oznakowania węży i ich cechowania, a także na zewnętrznym sprawdzeniu jakości (równomierności) oplotu,

• sprawdzeniu wymiarów za pomocą sprawdzianów różnicowych (dwie średnice: przechodnia i nieprzechodnia), przy czym sprawdzeniu podlegają obydwa końce węża. Grubości wykładziny i oplotu sprawdza się za pomocą suwmiarki,

• sprawdzenie wytrzymałości na ciśnienie próbne przeprowadza się po zamocowaniu jednego końca do króćca tłocznego pompy wodnej, zawinięcie drugiego i zaciśnięcie go specjalnym zaciskiem. Wymagane ciśnienie próbne należy utrzymywać przez dwie minuty, przy czym wąż nie powinien wykazywać żadnych uszkodzeń ani stałych odkształceń,

• sprawdzenie szczelności powinno się przeprowadza* podczas sprawdzania na ciśnienie próbne. Węże nie powinny wykazywać przecieków,

• sprawdzenie wytrzymałości na ciśnienie rozrywające należy przeprowadzi* bezpośrednio po kontroli na ciśnienie próbne. Przeprowadza się je na dwóch próbkach długości 1m. zwiększając ciśnienie aż do rozerwania węża. Ciśnienie, przy którym nastąpi rozerwanie węża nie powinno by* mniejsze od określonego normą,

• sprawdzenie wytrzymałości połączenia wykładziny z oplotem,

• sprawdzenie odporności na niską temperaturę.

Parametry eksploatacyjne węży norma określa jak w poniższej tabeli.

Parametr	J.m.	25	52	75
Ciśnienie robocze	MPa	1,2
Ciśnienie próbne	MPa	1,8
Ciśnienie rozrywające	MPa	4,0
Przyrost długości przy ciśnieniu próbnym,	%	< 5	< 4	< 5
Przyrost średnicy przy ciśnieniu próbnym	%	< 6	< 5	< 5

Przedstawione wyżej badania nie wyczerpują wszystkich rodzajów badań, jakim poddawane są węże tłoczne. W szczególności nie dają podstawy do oceny własności przepływowych węży pożarniczych. Zagadnieniem tym zajmiemy się niżej.

2. Zmiany wymiarów węży pożarniczych pod wpływem ciśnienia wody

Węże pożarnicze podczas zwiększania ciśnienia zmieniają swoje wymiary, tzn. średnicę i długość. Zmiany te są scharakteryzowane dwoma wskaźnikami:

gdzie: ε_D - względny przyrost średnicy,

D₁ - średnica przed obciążeniem,

D₂ - średnica po obciążeniu węża.

gdzie: ε_L - wydłużenie względne,

L₁ - długość węża przed obciążeniem,

L₂ - długość węża po obciążeniu.

Obydwa te wskaźniki najczęściej przedstawiane są w funkcji wysokości ciśnienia rozciągającego H (Rys. 1 i 2).

Rys. 1. Wpływ ciśnienia na zmianę średnicy węży W-52

Rys. 2. Wpływ ciśnienia na zmianę długości węży W-52

Okazuje się, że odkształcenia węży torlenowych mają charakter sprężysty, zanikają jednak bardzo powoli. Powrót wymiarów węży do wielkości pierwotnych następuje zwykle po kilkunastu godzinach. Tak więc przy obniżaniu ciśnienia następuje zjawisko histerezy, związane z tym, że spadek ciśnienia nie powoduje tak szybkiego zmniejszania wymiarów, jak ich wzrost podczas zwiększania ciśnienia. Zmiany wymiarów węży podczas rozciągania ciśnieniem wewnętrznym wygodnie jest przedstawić przy pomocy wskaźnika

Wielkość tego współczynnika dla węży torlenowych przedstawiono w tabeli.

Typ węża	Ciśnienie [MPa}
		0,4	0,8	1,2
W25	8	5.2	4.7
W52	2.2	7.2	2.3
W75	2.4	1.5	1.2

Większe znaczenie dla własności przepływowych węży mają zmiany średnicy, co związane jest ze zmianami chropowatości względnej.

3. Chropowatość względna

Chropowatość względna jest definiowana, zależnie od źródła, jako stosunek
lub
, gdzie D oznacza średnicę przewodu zaś s wysokość nierówności. Należy podkreśli*, że w wężach pożarniczych, w odróżnieniu od przewodów sztywnych chropowatość względna zmienia się, szczególnie w wężach wykładzinowych. Chropowatość względna węży pożarniczych zależy od ciśnienia wewnątrz węża. Chropowatość, w obszarze najczęściej stosowanych ciśnień roboczych, rośnie ze wzrostem ciśnienia. Jednocześnie jednak temu wzrostowi towarzyszy zwiększanie się średnicy węża. Wzrost ten (tzn. wzrost chropowatości) nie jest równomierny w całym zakresie ciśnień roboczych. Przy ciśnieniach małych następuje zmiana kształtu przekroju węża (jego przekrój poprzeczny staje się kołowy), przy czym praktycznie nie występuje wgniatanie wykładziny w materiał oplotu. Zatem chropowatość nie zmienia się, a tym samym chropowatość względna
maleje. Zakres ciśnień odpowiadający opisanym zjawiskom to 0 - 0,15 MPa , przy czym przedział ten zależy od materiału oplotu i wykładziny węża. W momencie, kiedy przekrój węża stanie się kołowy, a ciśnienie ulega dalszemu wzrostowi, następuje wgniatanie wykładziny w materiał oplotu. Przyrost chropowatości jest wolniejszy od przyrostu średnicy, a zatem wielkość
maleje. Przy ciśnieniu około 0,2 MPa następuje wzrost
. Przyrost ten nie występuje dopiero przy ciśnieniach 0,4 - 0,5 MPa.

Wielkość współczynników strat liniowych początkowo starano się określi* w oparciu o teorię strat liniowych przy przepływie przez przewody sztywne. Najbardziej pełne badania węży przeprowadził Herterich. Jego badania doprowadziły do ogólnej zależności wyrażającej współczynnik oporu λ w funkcji liczby Reynoldsa Re i chropowatości:

gdzie: b - współczynnik zależny od chropowatości węży 0,4 < b < 0.6 (b rośnie ze wzrostem chropowatości).

Ponadto określił on zależność dla obliczania strat ciśnienia w linii wężowej długości 100 m.

gdzie: K - współczynnik zależny od rodzaju węża,

Q - wydatek.

Wzory te nie są zbyt dogodne do zastosowań praktycznych. Znacznie wygodniejsze jest korzystanie z zależności:

gdzie: Q - wydatek,

L - długość węża,

A, n - współczynniki zależne od rodzaju węża i ciśnienia.

W zależności tej wykładnik n zmienia się w granicach n = 1,87 - 2,28. Dlatego też do praktycznych przybliżonych obliczeń należy przyjmować n = 2. Najczęściej stosuje się uproszczoną postać podanego wyżej wzoru:

Wzór ten określa charakterystykę przewodu. Jest to parabola o współczynniku kształtu S₀ L , z wierzchołkiem w początku układu współrzędnych H,Q. Współczynnik S₀ jest zależny od ciśnienia i zmienia się podobnie do chropowatości względnej.

Rys. 3. Typowy przebieg zmienności S₀ w funkcji ciśnienia.

W linii wężowej występują straty lokalne na łącznikach ( przewężenie, a następnie rozszerzenie przekroju). Straty te określono dla różnych rodzajów węża, a następnie wychodząc z warunku równości strat przeliczono na długości węża. Wyniki obliczeń przedstawiono w poniższej tabeli.

Typ węża	W-52	W-75
Straty na łączniku równoważne długości w m.	0.5	1.0
Udział strat na łączniku, odc. 20 m	2.5%	5%

Rys. 4. Typowe charakterystyki przewodu.

W praktyce straty na łączniku są uwzględniane we współczynniku S₀, co przy znormalizowanej długości węży nie powoduje błędów. Istotne jest również to, że współczynnik strat S₀ w obszarze typowych wartości ciśnień roboczych jest prawie stały.

4. Stanowisko pomiarowe

Stanowisko pomiarowe przedstawiono na rys. 5. Badany odcinek węża W 25 (2) o długości 15 m. jest zasilany poprzez rurę stabilizacyjną z zestawu pompowego (1), co umożliwia pracę w zakresie ciśnień 0,2 - 0,8 MPa. Do rury stabilizacyjnej poprzez otwory impulsowe przyłączono manometr różnicowy MUR - K (5) i manometr z rurką Bourdona klasy 0.4 (4). Przyrządy te pozwalają określi* ciśnienie na początku węża. Do drugiego końca węża dołączono rurę stabilizacyjną i analogicznie końcówkę manometru różnicowego oraz drugi manometr z rurką Bourdona. Na rurze jest zamontowany zawór (6) do regulacji wydatku przepływającej przez wąż wody. Do pomiaru wydatku wykorzystywany jest przepływomierz magnetyczny (3), nie powodujący zakłóceń przepływu, zainstalowany na przewodzie tłocznym zestawu pompowego.

5. Wykonanie ćwiczenia

Pomiary wykonuje się zamykając stopniowo zawór do regulacji wydatku, tak aby od pełnego otwarcia tego zaworu do minimalnego wydatku (około 5 % Q_nom ) uzyskać dziesięć punktów pomiarowych.

Rys. 5. Schemat stanowiska pomiarowego.

6. Opracowanie wyników

Na podstawie uzyskanych wyników obliczyć:

• wydatek
  
  

gdzie: k - wskazanie przepływomierza wyrażone w % wartości zadanej (nominalnej) Q_n=4,4

• wysokość strat ciśnienia
  [m s.w.]

• wykładnik
  

• średni wykładnik
  

• współczynnik strat
  

Wyniki zestawić w tabeli wg poniższego wzoru:

Lp.	Q	ΔHstr [m s.w.]	ni [--]	So

Wykonać wykres zależności:

• 
  

• 
  

Przykładowe pytania kontrolne

1. Wymień podstawowe różnice między przewodem sztywnym i elastycznym

2. Od czego zależy chropowatość węża wykładzinowego ?

3. Omów zmiany średnicy i długości węża poddanego działaniu ciśnienia.

4. Podaj podstawowe zależności opisujące charakterystykę przewodu.

5. Omów stanowisko pomiarowe.

6. Opisz zasadę pomiaru różnicy ciśnień manometrem cieczowym różnicowym.

7. W jaki sposób na podstawie charakterystyki przewodu określonej doświadczalnie można wyznaczy* n i s₀.

8. Omówi* wpływ łączników na straty ciśnienia w wężu.

Ćwiczenie nr 12. Określanie charakterystyki przewodu elastycznego.

Tabela pomiarowa.

Lp.	k [%]	pp [MPa]	pl [MPa]	Hp [mm Hg]	Hl [mm Hg]

1. Imię i nazwisko ....................................................................................................................

2. Imię i nazwisko ....................................................................................................................

3. Imię i nazwisko ....................................................................................................................

4. Imię i nazwisko ....................................................................................................................

5. Imię i nazwisko ....................................................................................................................

data wykonania: .........................................

SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
KATEDRA TECHNIKI POŻARNICZEJ			LABORATORIUM HYDROMECHANIKI
Ćwiczenie nr:	12	Pluton: Grupa:	Imię i nazwisko		Ocena
Temat: OKREŚLANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEWODU ELASTYCZNEGO
Prowadzący:			Data wykonania:	Data złożenia:

8

---