SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
KATEDRA TECHNIKI POŻARNICZEJ		LABORATORIUM HYDROMECHANIKI
Ćwiczenie nr: 16 Temat: „ Badanie własności stumienic cieczowych stosowanych w ochronie przeciwpożarowej ”	Pluton: III	Imię i nazwisko: Damian Saleta
					Grupa: B
Prowadzący: bryg. mgr inż. Wojciech Zegar	Data wykonania: 03.03.2002 r.		Data złożenia: 17.03.2002 r.	Ocena:

1. Wstęp

Strumienica stanowi urządzenie przeznaczone do zasysania i podnoszenia płynów albo do mieszania płynów z ciałami stałymi. Wstrumienicach wykorzystuje się zjawisko Venturi, występujące w zwężce zasilanej dowolnym płynem roboczym. Ogólnie strumienice można podzielić na:

• ejektory - przeznaczone do zasysania danego medium oraz na

• injektory - przeznaczone do wtałaczania medium do określonego obszaru.

Z reguły ejektory zasysają medium i wtłaczają go do obszaru, w którym panuje ciśnienie atmosferyczne lub niewiele od niego wyższe, injektory wtłaczają medium do obszaru o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego. Podstawą stsosowania strumienic jest ich prostota konstrukcji.

Ze względu na rodzaj płynu roboczego i zasysyanego strumienice podzielić można na:

• cieczowe (w ochronie przeciwpożarowej wysysacze, zasysacze środka pianotwórczego, dozowniki środka pianotworczego),

• cieczowo-gazowe (w pożarnictwie - prądownice pianowe i wytwornice piany średniej),

• 
  gazowo-cieczowe,

• gazowe (w pożarnictwie niektóre urząązdenia zasysające - pompy próżniowe)

Rys. Schemat strumienicy:

A - dysza robocza,

B - komora zasysania,

C - komora mieszania,

D - dyfuzor.

Urządzenie strumienicowe posiada następujące zalety:

• brak elementów ruchomych,

• prostotę budowy,

• małą wrażliwość na zanieczyszczenia,

• dużą rozpiętość natężeń przepływu,

• swoboda w doborze materiału.

Wadą wszystkich strumienic jest niska sprawność, która osiąga maksymalnie 40%

(przeważnie ok. 25-30%).

Wadą strumienic cieczowych jest ich wrażliwość na zmiany ciśnienia za strumienicą, co w przypadku urządzeń dozujących może mieć poważne konsekwencje w procesie podawania pian gaśniczych; w szczególności nieodpowiednio eksploatowana strumienica może nie zasysać środka pianotwórczego. dlatego też wydaje się celowym określenie podstawowych charakterystyk strumienic cieczowych, co umożliwi w pełni poznać ich możliwości i określić właściwe warunki pracy.

Rozwiązania konstrukcyjne strumienic cieczowych stosowane w ochronie przeciwpożarowej

Wysysacze przeznaczone są do poboru wody z miejsc, z których nie można jej pobrać bezpośrednio za pomocą pomp pożarniczych. Ma to miejsce wtedy, kiedy lustro cieczy znajduje się na głębokości większej niż wysokość aktualnego ciśnienia barometrycznego oraz wtedy, kiedy występują inne ograniczenia, takie jak: brak możliwości dojazdu, zbyt mała ilość węży ssawnych.

Rys. Budowa wysysacza z obrotową komorą mieszania:

1 - korpus,

2 - dysza robocza,

3 - dyfuzor,

4 - nasada tłoczna 52,

5 - nasada 75

Wysysacze charakteryzują się wyjątkowo prostą konstrukcją. Wysysacz jest zanurzony w wodzie w taki sposób, aby przez wlot do komory ssawnej nie mogły przedostawać się pęcherzyki powietrza. Strumień roboczy przepływa przez dyszę roboczą, powoduje zassanie cieczy z komory ssawnej i przekazuje jej część energii. Mieszanie strumieni i wyrównywanie ich energii zachodzi w komorze mieszania. W dyfuzorze następuje zamiana energii kinetycznej na energie potencjalną ciśnienia. Mieszanina strumieni roboczego i zasysanego jest odprowadzana przez nasadę wylotową, która w stosowanych w pożarnictwie wysysaczach jest z reguły większa od nasady która dopływa czynnik roboczy. Obrotowa komora umożliwia użycie wysysacza w każdych warunkach, bez konieczności załamywania węży.

Rys. Schemat współpracy wysysacza z hydrantem i pompą pożarniczą

Zasysacz jest przeznaczony do zassania środka pianotwórczego oraz do wytworzenia jego wodnego roztworu o zadanym stężeniu. Zasadniczym elementem zasysacza liniowego jest typowa strumienica cieczowa.

Strumień roboczy (woda) przepływa przez dysze roboczą, rozpręża się i powoduje zassanie środka pianotwórczego. mieszanie strumieni: roboczego i zasysanego następuje w komorze mieszania. Część wody przepływa obok strumienicy dzięki zaworowi grzybkowemu, stanowiącemu element wykonawczy układu automatycznej regulacji. Mieszanie strumienia opływającego strumienicę z roztworem środka pianotwórczego wytworzonym w strumienicy następuje poza urządzeniem. Jest to konieczne, ponieważ stężenie środka pianotwórczego w jego wodnym roztworze jest zbyt wysokie. W celu dalszego obniżenia stężenia środka pianotwórczego przewidziano zawór iglicowy.

Otwarcie tego zaworu powoduje napływ cieczy roboczej do obszaru ssawnego, co powoduje wstępne rozcieńczenie środka pianotwórczego; zamiast czystego środka strumienica zasysa jego wodny roztwór. Stężenie wyjściowe środka pianotwórczego zależy od stopnia otwarcia zaworu (cechowanie na pokrętle); najwyższe stężenie uzyskuje się przy całkowitym zamknięciu tego zaworu.

Rys. 4. Schemat zasysacza liniowego

2. Charakterystyki strumienic cieczowych

Podstawową charakterystyką strumienicy cieczowej jest zależność:

gdzie: u = Q_s/Q_r,

Indeksy oznaczają:

r - obszar roboczy,

s- obszar ssawny,

t - obszar tłoczny za strumienicą.

Równanie charakterystyki strumienicy cieczowej po uwzględnieniu własności fizycznych cieczy roboczej i zasysanej, strat energetycznych oraz wielkości powierzchni odpowiednich przekrojów przyjmuje postać:

gdzie:

β - współczynnik ciśnień,

u - współczynnik wydatków,

f_r1 - pole przekroju wylotowego dyszy roboczej,

f₃ - pole przekroju cylindrycznej części komory mieszania,

f_z2 = f₃ - f_r1,

V_r - objętość właściwa czynnika roboczego,

V_z - objętość właściwa czynnika zasysanego,

V_s - objętość właściwa mieszaniny cieczy za strumienicą,

ϕ₁ - współczynnik uwzględniający straty podczas rozprężania strumienia

roboczego,

ϕ₂ - współczynnik uwzględniający straty w komorze mieszania,

ϕ₃ - współczynnik uwzględniający straty w dyfuzorze,

ϕ₄ - współczynnik uwzględniający straty podczas rozprężania strumienia

zasysanego,

K₁ = ϕ₁ϕ₂ϕ₃,

K₂ = ϕ₂ϕ₃ϕ₄.

Równanie charakterystyki strumienicy cieczowej określa zależność między współczynnikami ciśnień i wydatków. Warto zwrócić uwagę, że zależność ta ma postać bezwymiarową..

W przypadku strumienicy idealnej współczynniki prędkości muszą być równe jedności.

W tej sytuacji ϕ₁= ϕ₂= ϕ₃= ϕ₄=1 oraz K₁ = K₂ = 1.

Jeżeli dodatkowo założymy, że cieczą roboczą i cieczą zasysaną jest ta sama ciecz poprawny będzie zapis: V_r = V_z =V_s. Przy takich założeniach równanie strumienicy uprości się do postaci:

Z powyższego wynika, że przebieg bezwymiarowej charakterystyki strumienicy cieczowej, przy przyjętych założeniach, jest zależny jedynie od wyróżnika konstrukcyjnego.

Linia charakterystyki jest parabolą.

W rzeczywistości, dla strumienicy o znanym wyróżniku konstrukcyjnym f₃/f_r1, nie są znane współczynniki prędkości ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃ i ϕ₄.

Przedstawiają one stosunki prędkości rzeczywistych do prędkości, jakie wystąpiły by, gdyby nie było strat energetycznych. w literaturze, dla strumienic cieczowych można znaleźć zalecane wartości współczynników prędkości: ϕ₁ = 0,95, ϕ₂ = 0,975 , ϕ₃ = 0,90 i ϕ₄ = 0,925. Wartości te mogą być stosowane jedynie do przybliżonych obliczeń.

Stosunek ciśnień, przy którym strumienica zaczyna zasysać możemy określić podstawiając współczynnik ejekcji u = 0. Otrzymamy:

Z powyższego wynika, że stosunek ciśnień przy którym strumienica zaczyna zasysać zależy jedynie od wyróżnika konstrukcyjnego strumienicy. Jeżeli podstawimy wartość wyróżnika konstrukcyjnego równą jedności otrzymamy β = 1; oznacza to, że przy wartościach wyróżnika konstrukcyjnego mniejszych od jedności wartość stosunku ciśnień przy którym strumienica zaczyna zasysać będzie również mniejsza od jedności. Wartość ta będzie maleć wraz ze spadkiem wartości wyróżnika konstrukcyjnego strumienicy.

Stan, odpowiadający stosunkowi ciśnień przy którym strumienica zaczyna zasysać nazwiemy umownie pierwszym stanem granicznym. Wartość stosunku ciśnień przy której strumienica zaczyna zasysać nazywamy umownie wartością graniczną.

Dalsze zmiany stosunku ciśnień realizowane zwykle poprzez zmianę ciśnienia za strumienicą przy stałym ciśnieniu zasilania będą powodowały zmiany stosunku wydatków.

Z analizy charakterystyki teoretycznej wynika, że obniżanie stosunku ciśnień będzie powodowało wzrost stosunku wydatków. Z równania wynika, że strumienica zasysa najwięcej cieczy w przypadku, kiedy stosunek ciśnień jest równy zeru.

W rzeczywistości charakterystyka w pewnej części nagle załamuje się i przebiega prawie równolegle do osi β.

3. Stanowisko pomiarowe

Rys. Schemat stanowiska do badania zasysaczy

Rys. Schemat stanowiska do badania charakterystyk wysysaczy

4. Określanie charakterystyki strumienicy cieczowej

Przy określaniu charakterystyki zasysacza liniowego:

1. otworzylismy wszystkie zawory regulacyjne na linii tłocznej i w obszarze ssawnym,

2. uruchomilismy pompę,

3. ustawiliśmy poprzez zmianę prędkości obrotowej (można też poprzez regulację dławieniem) żądane ciśnienie zasilania,

4. stopniowo zamykaliśmy zawór regulacyjny za zasysaczem; po każdej regulacji odczytywaliśmy wydatek roboczy i zasysany, ciśnienie robocze, ciśnienie w obszarze ssawnym i ciśnienie za strumienicą;

Należy zwracać szczególną uwagę na punkty charakterystyczne (początek ssania i początek pracy kawitacyjnej).

Przy określaniu charakterystyki wysysacza postępowaliśmy podobnie:

• otworzyliśmy wszystkie zawory regulacyjne na linii tłocznej,

• uruchomiliśmy pompę,

• ustawiliśmy poprzez zmianę prędkości obrotowej (można też poprzez regulację dławieniem) żądane ciśnienie zasilania ,

• stopniowo zamykaliśmy zawór regulacyjny za wysysaczem; po każdej regulacji odczytywaliśmy wydatek roboczy sumę wydatków roboczego i zasysanego, ciśnienie robocze i ciśnienie za strumienicą

Również należy zwracać szczególną uwagę na punkty charakterystyczne (początek ssania i początek pracy kawitacyjnej).

5. Wnioski

Strumienice wodno-cieczowe stosuje się tam gdzie dostępna jest ciecz pod ciśnieniem, która może spełniać rolę płynu zasilającego (przenoszącego). Strumienice znajdują również zastosowanie do odpompowywania kopalń, przenoszenia i mieszania ścieków chemicznych, do dodawania kwasów i zasad w urządzeniach przygotowania wody itd. Są samossawne i nie posiadają żadnych ruchomych części mechanicznych. Dostępne w różnych wykonaniach materiałowych (PVC, PP, PVDF - DN20, DN50, DN80). Strumienica wodna działa na zasadzie zjawiska Venturiego. Płyn zasilający przepływający przez dyszę zasilającą zasysa z przewodu ssawnego płyn lub gaz przenoszony. W wyniku tego procesu następuje zmieszanie płynu przenoszącego z medium przenoszonym. Strumienice są w zdolne przepompować płyny w ilości 40 l/h do 1500 l/h oraz powietrze od 100 l/h do 24000 l/h Istnieje możliwość zamknięcia obiegu zasilającego w pętlę. Z odczytanych pomiarów obliczyliśmy stężenie środka pianotworczego i wykonaliśmy wykresy dla nastawień 1, 4 i 5%. Na wykresach widać, że wartości nastawów różnią się od stężenia środka pianotwórczego obliczonego na podstawie wskazań wydatku strumienia roboczego i wydatku strumienia zasysanego. Różnice te wynikają z błędów przy odczytywaniu wyników. Strumienice stosowane w ochronie przeciwpożarowej: wysysacze, zasysacze środka pianotwórczego, dozowniki środka pianotwórczego, prądownice pianowe i wytwornice piany średniej, mogą również pracować, jako pompy próżniowe (urządzenia zasysające).

SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ - LABORATORIUM HYDROMECHANIKI

---