Ćwiczenie 6

OKREŚLANIE STRAT CIŚNIENIA W WĘŻACH POŻARNICZYCH

Wykaz ważniejszych oznaczeń

∆

H

str

– wysokość straty ciśnienia w wężu pożarniczym, m

k – liczba węży połączonych równolegle,
L – długość węża pożarniczego, m
L

i

– długość i-tego węża , m

L

j

– długość j-tego węża , m

n – liczba węży szeregowo połączonych,
p

we

– ciśnienie na wlocie do węża pożarniczego, MPa

p

wy

– ciśnienie na wylocie z węża pożarniczego, MPa

S

0

– współczynnik oporności węża, s

2

/dm

6

S

i

– współczynnik oporności i-tego pojedynczego węża w układzie szeregowym, s

2

/dm

6

S

j

– współczynnik oporności j-tego pojedynczego węża w układzie szeregowym, s

2

/dm

6

S

z

– współczynnik oporności zastępczej układu węży, ms

2

/dm

6

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z doświadczalnym wyznaczaniem strat ciśnienia

w wężach pożarniczych, na przykładzie węża W25. Podstawowym zadaniem jest uzyskanie zależności
między wysokością strat ciśnienia a ilością wody przepływającej przez wąż.

1.

Wprowadzenie teoretyczne

Przedmiotem badań jest elastyczny wąż tłoczny wykładzinowy z wkładką W25, stosowany w

pożarnictwie. Stanowi on przykład przewodu, który w sposób istotny zmienia swój kształt i wymiary
pod wpływem ciśnienia. W ochronie przeciwpożarowej znajdują zastosowanie następujące rodzaje
węży:

a)

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

b)

Węże wykładzinowe z wkładką, oznaczane literą W. Posiadają one ścianki (oplot) tkane z przędzy
naturalnej lub z włókien sztucznych. Dla uszczelnienia i zmniejszenia oporów przepływu
zaopatrzone są we wkładkę z gumy lub z innego materiału.

c)

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 są oznakowane przebiegającym wzdłuż całego węża kolorowym

paskiem, kontrastowym w stosunku do koloru materiału, z którego wykonany jest oplot węża. Ponadto
na obydwu końcach węża powinny być 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 M
oraz ich wielkości, w zależności od średnicy wewnętrznej węża w mm: 25, 52, 75 i 110.

Obecnie najczęściej produkowane są węże posiadające oplot torlenowy lub stylonowy z

wykładziną wykonaną z poliuretanu. W tab. 6.1 podano oznaczenia węży, ich długości oraz
wydajności nominalne.

Tabela 6.1. Parametry nominalne węży stosowanych w pożarnictwie [17]

Oznaczenie węża

Średnica

mm

Długość

m

Wydajność nominalna

min

dm

3

W

H

25

W

H

52

W

M

52

W

M

75

W

M

110

25

52

52

75

110

15

20

20

20

20

50

200

200

800

1600

Wszystkie węże przed skierowaniem do sprzedaży są poddawane badaniom odbiorczym.

Polegają one na:
a) oględzinach zewnętrznych, obejmujących sprawdzenie oznakowanie węży i ich cechowania, a

także zewnętrzne sprawdzenie jakości (równomierności) oplotu,

b) kontroli wymiarów za pomocą sprawdzianów różnicowych, przy czym sprawdzeniu podlegają

obydwa końce węża; grubości wykładziny i oplotu mierzy się suwmiarką,

c) sprawdzeniu wytrzymałości na ciśnienie próbne; przeprowadza się je po zamocowaniu jednego

końca węża 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;

d)

sprawdzeniu szczelności; powinno się je przeprowadzać podczas sprawdzania na ciśnienie próbne.
Węże nie powinny wykazywać przecieków;

e)

sprawdzeniu wytrzymałości na ciśnienie rozrywające; sprawdzian należy przeprowadzić bezpo-
średnio po kontroli na ciśnienie próbne. Przeprowadza się go na dwóch próbkach węża o długości
1 m, zwiększając ciśnienie aż do rozerwania węża. Ciśnienie, przy którym nastąpi rozerwanie
węża, nie powinno być mniejsze od określonego normą;

f) sprawdzeniu wytrzymałości połączenia wykładziny z oplotem,
g) sprawdzeniu odporności węża na niską temperaturę.

Wg normy PN/M-51151 dla węży pożarniczych zostały określone: ciśnienie robocze 1,21

MPa, próbne 1,82 MPa i rozrywające 3,65 MPa (węże hydrantowe) lub 4,05 MPa (węże do
motopomp).

Jedną z istotniejszych własności hydraulicznych węży jest zmiana ich wymiarów pod

wpływem ciśnienia wody. Węże pożarnicze podczas zwiększania ciśnienia przepływającej nim wody
zmieniają zarówno średnicę jak i długość. Ich elastyczność charakteryzują dwie niżej zdefiniowane
wielkości:

a) względny przyrost średnicy ε

D

w %:

100

D

D

D

ε

1

1

2

D

−

=

(6.1)

gdzie: D

1

- średnica przed obciążeniem węża ciśnieniem,

D

2

- średnica po obciążeniu,

b) wydłużenie względne ε

L

w %:

100

L

L

L

ε

1

1

2

L

−

=

(6.2)

gdzie: L

1

- długość węża przed obciążeniem ciśnieniem,

L

2

- długość węża po obciążeniu.

Wielkości te w funkcji wysokości ciśnienia rozciągającego H przedstawiono dla węża W52 na rys.
6.1. i 6.2.

H , m

ε

D

%

20

100

1,0

2,0

Rys. 6.1. Wpływ ciśnienia na zmianę średnicy węża W-52

H , m

ε

L

%

20

100

1,0

2,0

3,0

4,0

Rys. 6.2. Wpływ ciśnienia na zmianę długości węży W-52

Tabela 6.2 podaje dla różnych rodzajów węży torlenowych typowe zakresy wartości względ-

nego przyrostu średnicy oraz wydłużenia względnego, odpowiadające wysokości ciśnienia H = 80 m.

Tabela 6.2. Zakresy wartości ε

D

i ε

L

przy H = 80 m dla różnych typów węży torlenowych [17]

Typ węża

ε

D

[%]

ε

L

[%]

W

H

25

W

H

52

W

M

52

W

M

75

3,5

÷

4,0

2,7

÷

4,0

1,6

÷

2,6

2,6

÷

3,8

0,6

÷

0,9

1,2

÷

2,0

0,9

÷

2,2

1,7

÷

3,8

Badania wykazały, że odkształcenia węży torlenowych mają charakter sprężysty. Po ustaniu

przyczyny odkształcenia zanika ono jednak bardzo powoli. Powrót wymiarów węży do wielkości
pierwotnych następuje zwykle po kilkunastu godzinach. Mamy zatem do czynienia ze zjawiskiem
histerezy polegającym na tym, że znacznie szybciej następuje wzrost wymiaru węża podczas
zwiększania ciśnienia niż zmniejszanie się tego wymiaru podczas spadku ciśnienia. Zmianę wymiarów
węży podczas rozciągania spowodowanego ciśnieniem wygodnie jest przedstawić za pomocą
wskaźnika:

L

D

ε

ε

e

=

(6.3)

Wartości tego wskaźnika dla węży torlenowych przedstawiono w tab. 6.3.

Tabela 6.3. Wartości e dla różnych typów węży torlenowych [17]

Typ wę-

ża

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

Duże znaczenie dla własności przepływowych węży mają zmiany jego średnicy, bowiem

wiążą się one ze zmianami chropowatości względnej węża. Chropowatość względna jest definiowana

jako stosunek

D

s

lub

s

D

, gdzie D oznacza średnicę przewodu, zaś s wysokość nierówności jego

ścianek. W wężach pożarniczych, w odróżnieniu od przewodów sztywnych, chropowatość się
zmienia; szczególnie dotyczy to węży wykładzinowych. Chropowatość względna węży pożarniczych
zależy od ciśnienia wewnątrz węża. W obszarze najczęściej stosowanych ciśnień wartość
chropowatości względnej wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia, jednocześnie jednak wzrostowi temu
towarzyszy zwiększanie się średnicy węża. Wzrost chropowatości nie jest równomierny w całym
zakresie ciśnień roboczych. Przy małych ciśnieniach następuje zmiana kształtu przekroju węża (jego
przekrój poprzeczny staje się kołowy), przy czym praktycznie nie występuje wgniatanie wykładziny w
materiał oplotu. W tym przypadku chropowatość s nie zmienia się, a tym samym chropowatość

względna

D

s

maleje. Zakres ciśnień odpowiadający takiej sytuacji zależy od materiału oplotu i

wykładziny węża. Dla typowych obecnie stosowanych węży pożarniczych górna granica tego zakresu
ciśnień wynosi około 0,15 MPa. W momencie, kiedy przekrój węża stanie się kołowy, a ciśnienie

ulega dalszemu wzrostowi, następuje wgniatanie wykładziny w materiał oplotu. Przyrost

chropowatości s jest wolniejszy od przyrostu średnicy, zatem i wielkość

D

s

maleje. Przy ciśnieniu

około 0,2 MPa aż do ciśnień rzędu 0,4 ÷ 0,5 MPa następuje wzrost ilorazu

D

s

. Przy wyższych

ciśnieniach chropowatość względna przyjmuje wartość stałą. Orientacyjny przebieg zmian
chropowatości względnej w funkcji ciśnienia panującego wewnątrz węża pokazano na rys. 6.3.

0,1

0

0,5

1,0

S

D

p[MPa]

0,001

0

0,002

Rys. 6.3. Typowy przebieg zmienności chropowatości względnej

węża w funkcji ciśnienia

Do określenia wysokości strat ciśnienia

∆

H

str

w wężu pożarniczym najczęściej stosuje się

wzór przybliżony o postaci ogólnej:

2

0

str

Q

L

S

ΔH

⋅

⋅

=

(6.4)

Wzór ten dotyczy pojedynczego węża o długości L, którego początek i koniec znajduje się na tym
samym poziomie. Wykresem funkcji opisanej wzorem (6.4) jest parabola o współczynniku kształtu
S

0

·L, której wierzchołek leży w początku układu współrzędnych H,Q. Współczynnik oporności S

0

jest

zależny od ciśnienia cieczy w wężu. Charakter zmian tego współczynnika jest taki sam, jak
współczynnika chropowatości względnej (rys. 6.3), niemniej dla celów praktycznych przyjmuje się
stałą wartość współczynnika oporności w całym zakresie ciśnień. W tab. 6.4 podano wartości
współczynnika S

0

dla różnych rodzajów węży pożarniczych. Na rys. 6.4 pokazane są przykładowe

charakterystyki przepływowe przewodu opisane równaniem (6.4), dla wartości współczynnika
oporności odpowiadających wężom W52 i W75 o długości 20 m.

0

2

4

6

8

10

12

0

2

4

6

8

10

Q, dm

3

/s

∆

H

str

m

W52

Rys. 6.4. Charakterystyki przepływowe węży W52 i W75 o długości 20 m z oplotem torlenowym
Tabela 6.4. Współczynnik oporności S

0

dla typowych węży pożarniczych [25]

Rodzaj

węża

Materiał oplotu

S

0

6

2

dm

s

W25
W52
W75

W110

W52
W75

torlen
torlen
torlen
torlen

stylon
stylon

4,32·10

-1

5,40·10

-3

1,01·10

-3

1,29·10

-4

2,88·10

-3

5,76·10

-4

W linii wężowej występują straty lokalne na łącznikach (przewężenie, a następnie rozszerze-

nie przekroju). Straty te określa się dla danego węża, a następnie wychodząc z warunku równości strat
przelicza się je na jednostkę jego długości. Procedurę tę stosuje się po to, aby straty na łącznikach
połączonych szeregowo z wężami można było bezpośrednio sumować ze stratami ciśnienia w wężu.
Przeliczone wartości strat umożliwiają ponadto bezpośrednie porównanie strat ciśnienia na łącznikach
i w wężach. Przykładowe wyniki obliczeń dla węży W52 i W75 przedstawiono w tab. 6.5. W praktyce
straty na łączniku są uwzględniane we współczynniku S

0

, co przy znormalizowanej długości węży nie

powoduje większych błędów w oszacowaniu strat ciśnienia w całym układzie wężowym.

Tabela 6.5. Procentowy udział strat na łączniku przeliczonych na równoważne długości

węży W52 i W75 [25 ]

Typ węża

W-52

W-75

Równoważna długość [m]

0,5

1,0

Udział strat na łączniku dla 20-metrowe-
go odcinka węża [%]

2,5

5

Dla linii składającej się z kilku węży pożarniczych można napisać równanie:

0

2

z

l

h

Q

S

H

∆

+

⋅

=

, m (6.5)

gdzie Δh

0

– różnica wysokości pomiędzy poziomami, na których znajdują się wlot i wylot linii

wężowej (Δh

0

> 0 – wylot znajduje się na poziomie wyższym niż wlot, Δh

0

= 0 – wylot znajduje się na

tym samym poziomie co wlot, Δh

0

< 0 – wylot na poziomie niższym niż wlot).

W75

Współczynnik oporności zastępczej układu węży S

z

można wyznaczyć z następujących zależności:

a) przy układzie szeregowym (rys. 6.5)

∑

=

⋅

=

n

1

i

i

i

z

L

S

S

(6.6)

S , L

1

1

S

, L

i

2

S

, L

n

n

Rys. 6.5. Schemat szeregowego połączenia węży pożarniczych

b) przy układzie równoległym (rys. 6.6)

2

k

1

j

j

j

z

l

S

1

1

S















⋅

=

∑

=

(6.7)

S

, L

1

1

S

, L

2

2

S

, L

k

k

Rys. 6.6. Schemat równoległego połączenia węży pożarniczych

c) przy układzie mieszanym (rys. 6.7)

2

k

1

j

j

j

n

1

i

i

i

z

l

S

1

1

l

S

S















⋅

+

⋅

=

∑

∑

=

=

(6.8)

S , L

1

1

S , L

n

n

S , L

1

1

S , L

k

k

Rys. 6.7. Mieszane połączenie węży pożarniczych

Niżej na rys. 6.8 pokazano przykładowe charakterystyki linii wężowych dla trzech różnych

konfiguracji wzajemnego położenia wlotu i wylotu linii.

Q

∆

h

0

∆

h

o

∆

h

o

S

z

⋅

Q

2

+

o

∆

h

o

= 0

∆

h

o

> 0

∆

h

o

< 0

H

str

Rys. 6.8. Przykładowe charakterystyki układu linii wężowych

3. Stanowisko pomiarowe

Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiony jest na rys. 6.9. Badany odcinek węża W 25

o długości 15 m jest zasilany poprzez rurę stabilizacyjną z zestawu pompowego, co umożliwia pracę
w zakresie ciśnień 0,2 ÷ 0,8 MPa. Do rury stabilizacyjnej poprzez otwory impulsowe przyłączono
jedną z końcówek nowoczesnego precyzyjnego manometru różnicowego typu MCD produkowanego
przez firmę PELTRON oraz manometr z rurką Bourdona klasy 0.4 (M1). Przyrządy te pozwalają
zmierzyć ciśnienie na początku węża (p

we

) .

Do drugiego końca węża dołączono rurę stabilizacyjną i drugą końcówkę manometru

różnicowego oraz manometr z rurką Bourdona (M2), który pozwala na pomiar ciśnienia na wylocie z
węża (p

wy

). Na rurze jest zamontowany zawór ZR przeznaczony do regulacji wydatku wody

przepływającej przez wąż. Do pomiaru wydatku wykorzystywany jest przepływomierz

elektromagnetyczny nie powodujący zakłóceń przepływu, zainstalowany na przewodzie tłocznym
zestawu pompowego.

00,0

p

ZR

wy

p

we

przepływomierz

badany odcinek
węża

rura stabilizacyjna

zestaw
pompowy

p

Rys. 6.9. Schemat stanowiska pomiarowego

4. Przebieg ćwiczenia

Wykonując ćwiczenie należy:

a)

ustawić w odpowiednim położeniu zawory kulowe tak, aby uzyskać maksymalny wydatek z
zestawu pompowego (pompy powinny być połączone równolegle). Ponadto należy otworzyć
zawór łączący linię wężową z układem pompowym,

b) otworzyć całkowicie zawór regulacyjny ZR,
c) uruchomić obydwie pompy za pomocą przycisków zielonych „START”,
d) ustawić zadany wydatek wody Q za pomocą zaworu regulacyjnego ZR,

e)

odczytać i zapisać w tabeli pomiarowej względne wartości wydatku

w

Q

w %,

f)

odczytać i zapisać w tabeli pomiarowej ciśnienia na wlocie do węża p

we

(manometr M1) w MPa i

wylocie z węża p

wy

(manometr M2) w MPa

g)

nacisnąć żółty przycisk na obudowie manometru różnicowego MCD, odczytać z wyświetlacza
wartość różnicy ciśnień w bar a następnie zapisać ją w tabelce pomiarowej. Przy wahaniach
wskazań należy przyjąć wartości średnie,

h)

powtórzyć czynności opisane w punktach d-g zamykając stopniowo zawór ZR. Należy wykonać
około kilkunastu pomiarów, aż do minimalnego wydatku równego ok. 5% wydatku Q

max

= 4,4

dm

3

/s. Zanotować pomierzone wartości w tabeli 6.5,

i) wyłączyć obydwie pompy za pomocą przycisków czerwonych „STOP”.

Tabela 6.6. Wzór tabeli pomiarowej

L.p.

Q

w

%

p

we

MPa

p

wy

MPa

Δp

bar

5. Opracowanie wyników

Na podstawie uzyskanych wyników należy dla każdego i-tego pomiaru wykonać następujące

obliczenia:

a) wydatek Q[i] wg wzoru:

100

Q

[i]

Q

Q[i]

max

w

⋅

=

, dm

3

/s

(6.9)

gdzie: Q

max

= 4,4 dm

3

/s,

b)

przybliżona wysokość straty ciśnienia w wężu ΔH

sp

[i] wynikająca z pomierzonych wartości

ciśnienia wejściowego p

we

i wyjściowego p

wy

:

6

wy

we

sp

10

γ

[i]

p

[i]

p

]

i

[

H

⋅

−

=

∆

, m (6.10)

gdzie:

γ

= 10

4

N/m

3

- ciężar właściwy wody; (współczynnik 10

6

wynika z przeliczenia MPa na Pa),

c)

wysokość strat ciśnienia w wężu

∆

H

str

na podstawie pomierzonej wartości różnicy ciśnień

∆

p wg

wzoru:

m

,

10

Δp

i]

[

H

5

str

γ

⋅

=

∆

(6.11)

d)

współczynnik oporności węża S

0

[i] wg wzoru:

6

2

2

s

o

dm

/

s

,

Q

L

ΔH

i]

[

S

⋅

=

(6.12)

gdzie: L = 15 m – długość badanego węża W25,

e) średni współczynnik oporności węża S

0

:

6

2

n

1

i

0

o

dm

/

s

,

n

]

[i

S

S

∑

=

=

(6.13)

gdzie: n – liczba pomiarów.

Otrzymane rezultaty należy zestawić w tabeli wynikowej.

Tabela 6.6. Wzór tabeli wynikowej

L.p.

Q

s

/

dm

3

ΔH

sp

m

ΔH

str

m

S

0

6

2

dm

/

s

Średni współczynnik oporności badanego węża wynosi: ..................

s

2

/dm

6

Należy narysować na papierze milimetrowym wykres funkcji ΔH

str

= f (Q). Na wykresie

nanieść punkty o współrzędnych (Q[i], ΔH

sp

[i]) uzyskane podczas pomiaru za pomocą manometrów z

rurką Bourdona.

6. Przykładowe pytania

1. Wymień podstawowe różnice pomiędzy 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. W jaki sposób na podstawie charakterystyki przewodu określonej doświadczalnie można

wyznaczyć średni współczynnik oporności badanego węża?

7. Wyprowadzić jednostkę współczynnika oporności węża S

0

.

8. Omówić wpływ łączników na straty ciśnienia w wężu.
9. Narysować i omówić wykres ΔH

str

= f (Q) dla węży pożarniczych.

10. Narysować charakterystykę układu wężowego dla różnych konfiguracji wzajemnego położenia

pionowego początku i końca linii wężowych.