Ćwiczenie 6

OKREŚLANIE STRAT CIŚNIENIA W WĘŻACH POŻARNICZYCH

Wykaz ważniejszych oznaczeń

ΔH_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

S₀ - współczynnik oporności węża, s²/dm⁶

S_i - współczynnik oporności i-tego pojedynczego węża w układzie szeregowym, s²/dm⁶

S_j - współczynnik oporności j-tego pojedynczego węża w układzie szeregowym, s²/dm⁶

S_z - współczynnik oporności zastępczej układu węży, ms²/dm⁶

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:

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

2. 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.

3. 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
WH25 WH52 WM52 WM75 WM110	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:

1. oględzinach zewnętrznych, obejmujących sprawdzenie oznakowanie węży i ich cechowania, a także zewnętrzne sprawdzenie jakości (równomierności) oplotu,

2. kontroli wymiarów za pomocą sprawdzianów różnicowych, przy czym sprawdzeniu podlegają obydwa końce węża; grubości wykładziny i oplotu mierzy się suwmiarką,

3. 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;

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

5. 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 by* mniejsze od określonego normą;

6. sprawdzeniu wytrzymałości połączenia wykładziny z oplotem,

7. 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 %:

(6.1)

gdzie: D₁ - średnica przed obciążeniem węża ciśnieniem,

D₂ - średnica po obciążeniu,

b) wydłużenie względne ε_L w %:

(6.2)

gdzie: L₁ - długość węża przed obciążeniem ciśnieniem,

L₂ - długość węża po obciążeniu.

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

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

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	εD [%]	εL [%]
WH25 WH52 WM52 WM75	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:

(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
lub
, 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
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
maleje. Przy ciśnieniu około 0,2 MPa aż do ciśnień rzędu 0,4 ÷ 0,5 MPa następuje wzrost ilorazu
. Przy wyższych ciśnieniach chropowatość względna przyjmuje wartość stałą. Orientacyjny przebieg zmian chropowatości względnej w funkcji ciśnienia panującego wewnątrz węża pokazano na rys. 6.3.

Rys. 6.3. Typowy przebieg zmienności chropowatości względnej węża w funkcji ciśnienia

Do określenia wysokości strat ciśnienia ΔH_str w wężu pożarniczym najczęściej stosuje się wzór przybliżony o postaci ogólnej:

(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 S₀·L, której wierzchołek leży w początku układu współrzędnych H,Q. Współczynnik oporności S₀ 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 S₀ 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.

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

Tabela 6.4. Współczynnik oporności S₀ dla typowych węży pożarniczych [25]

Rodzaj węża	Materiał oplotu	S0
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 S₀, 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:

, m (6.5)

gdzie Δh₀ - różnica wysokości pomiędzy poziomami, na których znajdują się wlot i wylot linii wężowej (Δh₀ > 0 - wylot znajduje się na poziomie wyższym niż wlot, Δh₀ = 0 - wylot znajduje się na tym samym poziomie co wlot, Δh₀ < 0 - wylot na poziomie niższym niż wlot).

Współczynnik oporności zastępczej układu węży S_z można wyznaczyć z następujących zależności:

1. przy układzie szeregowym (rys. 6.5)

(6.6)

Rys. 6.5. Schemat szeregowego połączenia węży pożarniczych

2. przy układzie równoległym (rys. 6.6)

(6.7)

Rys. 6.6. Schemat równoległego połączenia węży pożarniczych

3. przy układzie mieszanym (rys. 6.7)

(6.8)

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.

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.

Rys. 6.9. Schemat stanowiska pomiarowego

4. Przebieg ćwiczenia

Wykonując ćwiczenie należy:

1. 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,

2. otworzyć całkowicie zawór regulacyjny ZR,

3. uruchomić obydwie pompy za pomocą przycisków zielonych „START”,

4. ustawić zadany wydatek wody Q za pomocą zaworu regulacyjnego ZR,

5. odczytać i zapisać w tabeli pomiarowej względne wartości wydatku
   w %,

6. 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

7. 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,

8. 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 dm³/s. Zanotować pomierzone wartości w tabeli 6.5,

9. wyłączyć obydwie pompy za pomocą przycisków czerwonych „STOP”.

Tabela 6.6. Wzór tabeli pomiarowej

L.p.	Qw %	pwe MPa	pwy MPa	Δp bar

5. Opracowanie wyników

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

1. wydatek Q[i] wg wzoru:

, dm³/s (6.9)

gdzie: Q_max = 4,4 dm³/s,

2. przybliżona wysokość straty ciśnienia w wężu ΔH_sp[i] wynikająca z pomierzonych wartości ciśnienia wejściowego p_we i wyjściowego p_wy:

, m (6.10)

gdzie:
= 10⁴ N/m³ - ciężar właściwy wody; (współczynnik 10⁶ wynika z przeliczenia MPa na Pa),

3. wysokość strat ciśnienia w wężu ΔH_str na podstawie pomierzonej wartości różnicy ciśnień Δp wg wzoru:

(6.11)

4. współczynnik oporności węża S₀[i] wg wzoru:

(6.12)

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

e) średni współczynnik oporności węża S₀:

(6.13)

gdzie: n - liczba pomiarów.

Otrzymane rezultaty należy zestawić w tabeli wynikowej.

Tabela 6.6. Wzór tabeli wynikowej

L.p.	Q	ΔHsp	ΔHstr	S0

Średni współczynnik oporności badanego węża wynosi: .................. s²/dm⁶

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 S₀.

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.

---