SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ

Katedra Techniki Pożarniczej

Zakład Hydromechaniki i Przeciwpożarowego Zaopatrzenia

Wodnego

LABORATORIUM HYDROMECHANIKI

ĆWICZENIE NR 12

TEMAT: OKREŚLANIE CHARAKTERYSTYKI PRZEWODU ELASTYCZNEGO

WARSZAWA, listopad 1998 r.

1. Wstęp

Pod pojęciem przewodów elastycznych rozumiemy m. in. stosowane w pożarnictwie węże. 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,

• Węże tzw. „parciane”, nie oznaczone żadnym symbolem. Są to węże o ściankach z przędzy nasiąkliwej, która pod wpływem działania wody pęcznieje zapewniając wężom szczelność.

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

W chwili obecnej najczęściej stosowane są węże tłoczne wykładzinowe z wykładziną wykonaną z poliuretanu. Wykładzina jest trwale przyklejona do oplotu, tzn. przy działaniu siły P. = 40 N odrywającej wykładzinę z próbki o szerokości 30 mm, wykładzina nie powinna się odrywa* od oplotu z prędkością większą niż 75 mm w ciągu minuty.

Wszystkie węże przed skierowaniem do jednostek ratowniczo - gaśniczych 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 kró*ca tłocznego pompy wodnej, zawinięcie drugiego i zaciśnięcie go specjalnym zaciskiem. Wymagane ciśnienie próbne należy utrzymywa* przez dwie minuty, przy czym wąż nie powinien wykazywa* żadnych uszkodzeń ani stałych odkształceń.

• sprawdzenie szczelności powinno się przeprowadza* podczas sprawdzania na ciśnienie próbne. Węże nie powinny wykazywa* 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 przeprowadza się w sposób opisany wyżej.

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 długoś*. Zmiany te są scharakteryzowane dwoma wskaźnikami:

ε_D = (D₂ - D₁) / D₁

gdzie: ε_D - względny przyrost średnicy,

D₁ - średnica przed obciążeniem,

D₂ - średnica po obciążeniu węża.

ε_L = (L₂ - L₁) / L₁

gdzie: ε_L - wydłużenie względne,

L₁ - długoś* węża przed obciążeniem,

L₂ - długoś* węża po obciążeniu.

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

Okazuje się, że odkształcenie 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 przedstawi* przy pomocy wskaźnika

e = ε_D / ε_L

Wielkoś* tego współczynnika dla węży torlenowych przedstawiono w tabeli 1.

Rys. 1. Wpływ ciśnienia na zmianę średnicy węży W52

Rys. 2. Wpływ ciśnienia na zmianę długości węży W52

Tabela 1

Wartości współczynnika e dla węży torlenowych w zależności od ciśnienia

Wąż		Ciśnienie, N,	x10^4
	40	80	120	160
W25	8	5.2	4.7	4.4
W52	2.2	7.2	2.3	brak danych
W75	2.4	1.5	1.2	1.0
W110	brak danych

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

3. Zmiany chropowatości względnej

Chropowatoś* względna jest definiowana, zależnie od źródła, jako stosunek s/D lub D/s, gdzie D oznacza średnicę przewodu zaś s wysokoś* nierówności. Należy podkreśli*, że w wężach pożarniczych, w odróżnieniu od przewodów sztywnych chropowatoś* względna zmienia się, szczególnie w wężach wykładzinowych. Chropowatoś* względna węży pożarniczych zależy od ciśnienia wewnątrz węża. Chropowatoś*, 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 chropowatoś* nie zmienia się, a tym samym chropowatoś* względna s/D maleje. Zakres ciśnień odpowiadający opisanym zjawiskom to 0 - 1,5 bar , 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

wielkoś* s/D maleje. Przy ciśnieniu około 2 bar następuje wzrost s/D. Przyrost ten nie występuje dopiero przy ciśnieniach 4,0 - 5,0 bar.

Wielkoś* 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:

λ = 0,006 + b / Re^0.3

gdzie: b - współczynnik zależny od chropowatości węży 0,4 < b < 0.6

( b rośnie ze wzrostem chropowatości).

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

ΔH = K (Q/100 )²

gdzie: K - współczynnik zależny od rodzaju węża,

Q - wydatek.

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

ΔH_str = A L Qⁿ

gdzie: Q - wydatek,

L - długoś* 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 przyjmowa* n = 2. Najczęściej stosuje się uproszczoną posta* podanego wyżej wzoru:

ΔH_str = s₀ L Q²

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 tabeli 2.

Tabela 2

Straty na łącznikach przeliczone na długoś* węża

Typ węża	W52	W75
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 o długości 15 m. jest zasilany poprzez rurę stabilizacyjną z zestawu pompowego, co umożliwia pracę w zakresie ciśnień 2,0 - 8,0 bar. Do rury stabilizacyjnej poprzez otwory impulsowe przyłączono manometr różnicowy MUR - K i manometr z rurką Bourdona klasy 0.4. Przyrządy te pozwalają określi* ciśnienie na początku węża. Przed rurą stabilizacyjną umieszczono zawór upustowy. Pozwala on uzyskiwa* praktycznie dowolne ciśnienie początkowe z zakresu ciśnień roboczych. W przypadku zasilania poprzez zestaw pomp zawór ten umieszczono na przewodzie tłocznym pomp, przed przepływomierzem. Do drugiego końca węża dołączono rurę stabilizacyjną i analogicznie końcówkę manometru różnicowego oraz drugi manometr z rurką Bourdona. Na rurze tej może by* zainstalowany przepływomierz i zawór do regulacji wydatku przepływającej przez wąż wody. Przy zasilaniu z układu pompowego wykorzystywany jest przepływomierz magnetyczny, nie powodujący zakłóceń przepływu, zainstalowany na przewodzie tłocznym pomp.

5. Pomiary

Pomiary wykonuje się otwierając stopniowo zawór do regulacji wydatku, tak, aby ciśnienie początkowe w kolejnych punktach pomiarowych różniło się o 0.2 - 0.5 bar. Po całkowitym otwarciu zaworu regulacyjnego obniżenie ciśnienia zasilania jest możliwe tylko poprzez stopniowe otwieranie zaworu upustowego. Po jego całkowitym otwarciu kończymy pomiary.

Rys. 5. Schemat stanowiska pomiarowego

Stanowisko umożliwia również pomiary przy stałym ciśnieniu początkowym. Zmiana wydatku jest możliwa przy jednoczesnym posługiwaniu się zaworem regulacyjnym na rurze stabilizacyjnej i zaworem upustowym.

6. Opracowanie wyników

Na podstawie otrzymanych pomiarów można wykreśli* charakterystykę

ΔH_str = (p₁ - p₂)/ρg = f(Q). Jeżeli przyjmiemy, że charakterystyka ta da się opisa* krzywą ΔH_str = s₀ L Qⁿ , to możemy wyznaczy* wartoś* wykładnika n. W tym celu wygodnie jest sporządzi* wykres ΔH_str = s₀ L Qⁿ w skali podwójnie logarytmicznej. Po zlogarytmowaniu otrzymamy:

lg ΔH_str = lgs₀ L + n lg Q

Wykres tej zależności w skali podwójnie logarytmicznej jest linią prostą. Zatem wykładnik n jest jej współczynnikiem kierunkowym

n = (lg ΔH_{str 2} - lg ΔH_{str 1}) / ( lg Q₂ - lg Q₁)

Podstawiając otrzymaną wartoś* n do wzoru możemy, przy znanym L,

wyznaczy* wielkoś* s₀.

Przykładowe pytania kontrolne

1. Wymień podstawowe różnice między przewodem sztywnym i elastycznym

2. Od czego zależy chropowatoś* 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.

9. W którym miejscu powinien by* zainstalowany przepływomierz ? Czy typ przepływomierza ma znaczenie ?

LABORATORIUM HYDROMECHANIKI Edycja 2

ĆWICZENIE NR 12 Strona 2

Temat: Określanie charakterystyki przewodu elastycznego Iloś* stron 13

Data 00-05-24

---