SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ

Katedra Techniki Pożarniczej

Zakład Hydromechaniki i Przeciwpożarowego Zaopatrzenia Wodnego

LABORATORIUM HYDROMECHANIKI

ĆWICZENIE NR 16

TEMAT: BADANIE WŁASNOŚCI STRUMIENIC CIECZOWYCH STOSOWANYCH W OCHRONIE PRZECIWPOŻAROWEJ

WARSZAWA, 2001 r.

Wstęp

Strumienica stanowi urządzenie przeznaczone do zasysania i podnoszenia płynów albo do mieszania płynów z ciałami stałymi. W strumienicach 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 wtłaczania 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 stosowania strumienic w różnych układach jest prostota ich konstrukcji.

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

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

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

• gazowo - cieczowe,

• gazowe ( w pożarnictwie niektóre urządzenia zasysające np. pompy próżniowe).

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 - maksymalnie 40% ( przeważnie ok. 25-30%).

• 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.

1. Budowa strumienicy cieczowej

W każdej strumienicy cieczowej możemy wyróżnić następujące elementy:

• dysza robocza, w której następuje przyspieszenie i tym samym rozprężenie strumienia roboczego. Dysza jest zasilana strumieniem o określonych parametrach. W strumienicach cieczowych ma ona kształt prawie identyczny z kształtem pyszczka prądownicy na prąd zwarty. Strumień roboczy z dyszy roboczej wpływa do komory ssawnej.

• komora ssawna stanowi obszar wypełniony czynnikiem zasysanym. Wypełnienie czynnikiem zasysanym następuje samoistnie po zanurzeniu strumienicy w cieczy (wysysacze) lub po wyssaniu wypełniającego komorę ssawną powietrza (zasysacze liniowe).

• komora mieszania - obszar, który można umownie podzielić na dwie części: wlot o kształcie konfuzora oraz część cylindryczną. W komorze mieszania następuje wymiana energii między strumieniem roboczym i cieczą zasysaną.

• dyfuzor, w którym następuje zamiana części energii kinetycznej mieszaniny na energię potencjalną ciśnienia.

Do rozważań teoretycznych w każdej strumienicy wyróżnia się następujące przekroje:

1. przekrój wylotowy z dyszy roboczej,

2. przekrój wlotowy do cylindrycznej części komory mieszania,

3. przekrój wylotowy z cylindrycznej części komory mieszania,

4. przekrój wyjściowy ze strumienicy (za dyfuzorem).

Dodatkowym parametrem charakteryzującym każdą strumienicę jest tzw. wyróżnik konstrukcyjny
. Wyróżnik ten stanowi stosunek pola przekroju wylotowego dyszy roboczej do pola przekroju cylindrycznej części komory mieszania. Schemat typowej strumienicy cieczowej przedstawiono na rys. 1. Oznaczenia parametrów cieczy w przekrojach strumienicy odpowiadają oznaczeniom stosowanym w dalszej części instrukcji.

Rys. 1. Schemat strumienicy: A - dysza robocza, B - komora zasysania, C- komora mieszania, D - dyfuzor.

2. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych strumienic cieczowych stosowanych w ochronie przeciwpożarowej.

a) wysysacze

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. Wysysacze charakteryzują się wyjątkowo prostą konstrukcją. Na rys.2 przedstawiono wysysacz z obrotową komorą. Wysysacz jest zanurzony w wodzie w taki sposób, aby przez wlot do komory ssawnej nie mogły przedostawać się pęcherzyki powietrza. Strumień roboczy przepływając przez dyszę roboczą, powoduje zasanie cieczy z komory ssawnej przekazując jej część energii. Mieszanie strumieni i wyrównywanie ich energii zachodzi w komorze mieszania. W dyfuzorze następuje zamiana energii kinetycznej na energię potencjalną ciśnienia. Mieszanina strumieni roboczego i zasysanego jest odprowadzana przez nasadę wylotową, która w stosowanych w pożarnictwie wysysaczach jest z reguły większa od nasady, którą dopływa czynnik roboczy. Obrotowa komora umożliwia użycie wysysacza w każdych warunkach, bez konieczności załamywania węży.

Schemat współpracy wysysacza z hydrantem i pompą pożarniczą pokazano na rys. 3.

Rys.2. Budowa wysysacza z obrotową komorą mieszania: 1 - korpus,

2 - dysza robocza, 3 - dyfuzor, 4 - nasada tłoczna 52, 5 - nasada 75

Rys. 3. Schemat współpracy wysysacza z hydrantem i pompą pożarniczą.

Rys. 4. Schemat zasysacza liniowego.

Rys. 5. Układ pracy zasysacza liniowego

b) zasysacze liniowe

Zasysacz liniowy ( rys.4) 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 2, rozpręża się i powoduje zassanie środka pianotwórczego. Mieszanie strumieni: roboczego i zasysanego następuje w komorze mieszania 3. Część wody przepływa obok strumienicy dzięki zaworowi grzybkowemu 6, 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 8. 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.

Układ pracy zasysacza liniowego pokazano na rys.5.

3. Charakterystyki strumienic cieczowych

Podstawową charakterystyką strumienicy cieczowej jest zależność:

gdzie: (1)

Indeksy oznaczają odpowiednio: r - obszar roboczy, z- 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, (2)

u - współczynnik wydatków,

f₃ - pole przekroju części cylindrycznej komory mieszania

f_r1 - pole przekroju wylotowego dyszy roboczej,

f_z2 = f_r3 - f_r1,

V_r - objętość właściwa czynnika roboczego,

V_z - objętość właściwa czynnika zasysanego,

V_t - 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_t.

Przy takich założeniach równanie strumienicy uprości się do postaci:

(3)

Z równania (3) 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
, 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:

(4)

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 dobrze opisywana przez równanie (2) nagle załamuje się i przebiega prawie równolegle do osi β.

gdzie: p_k - ciśnienie wrzenia cieczy w danej temperaturze (5)

Teoretyczną charakterystykę typowej strumienicy cieczowej pokazano na rys. 6.

Rys.6. Typowa charakterystyka strumienicy cieczowej.

4. Stanowisko pomiarowe.

Rys. 7. Schemat stanowiska do badania charakterystyk zasysaczy liniowych

Rys 8. Schemat stanowiska do badania charakterystyk wysysaczy

5. Wykonanie ćwiczenia

1. Zainstalować badany obiekt na stanowisku zgodnie ze schematem.

2. Otworzyć całkowicie zawory w linii zasilającej oraz za strumienicą.

3. Włączyć pompę.

4. Ustawić zadane ciśnienie zasilania dokonując regulacji poprzez zmianę prędkości obrotowej pompy lub dławieniem.

5. Powoli zamykać zawór za strumienicą.

6. Każdorazowo po przymknięciu zaworu, po ustabilizowaniu się wskazań, odczytać:

• ciśnienie zasilania (p_r),

• ciśnienie za strumienicą (p_t),

• ciśnienie w obszarze ssawnym (p_z),

• wydatek strumienia roboczego (Q_r),

• wydatki strumienia zasysanego (Q_z).

Podczas pomiarów należy zwracać szczególną uwagę na punkty graniczne.

Na rys.7. przedstawiono schemat stanowiska do badania charakterystyk zasysaczy liniowych,

natomiast na rys.8 przedstawiono schemat stanowiska do badania charakterystyk wysysaczy.

W przypadku zasysaczy liniowych obiekt badany jest wbudowany w linię tłoczną. Komora ssawna zasysacza jest połączona z komorą ssawną zbiornika za pomocą układu przewodów. Układ jest zasilany przez pompę z wbudowanym układem automatycznej regulacji, umożliwiającym m.in. stabilizację ciśnienia zasilania. Na przewodzie zasilającym zainstalowano przepływomierz magnetyczny, nie powodujący zakłócenia przepływu, zawór do regulacji dławieniem oraz przyrządy do pomiaru ciśnienia: manometr oraz czujnik tensometryczny. Za zasysaczem zainstalowano manometr i czujnik tensometryczny do pomiaru ciśnienia oraz zawór do regulacji ciśnienia za zasysaczem. W układzie ssawnym zainstalowano przepływomierz magnetyczny do pomiaru wydatku cieczy zasysanej, zawór do regulacji dławieniem oraz manometr i czujnik tensometryczny do pomiaru ciśnienia.

W przypadku wysysaczy obiekt badany jest całkowicie zanurzony w zbiorniku. Przegroda w zbiorniku umożliwia utrzymywanie wysokości słupa cieczy na stałym poziomie, niezależnie od całkowitej ilości zawartej w nim wody oraz zapobiega zasysaniu przez pompę pęcherzyków powietrza. Wysysacz jest zasilany przez pompę z wbudowanym układem automatycznej regulacji, umożliwiającym m. in. stabilizację ciśnienia zasilania. Na przewodzie zasilającym zainstalowano przepływomierz magnetyczny do pomiaru wydatku cieczy roboczej, nie powodujący zakłócenia przepływu, zawór do regulacji dławieniem oraz przyrządy do pomiaru ciśnienia: manometr oraz czujnik tensometryczny. Za wysysaczem zainstalowano przepływomierz do pomiaru sumy wydatków roboczego i zasysanego , manometr i czujnik tensometryczny do pomiaru ciśnienia oraz zawór do regulacji ciśnienia za wysysaczem. W układzie nie zastosowano układu do pomiaru ciśnienia w obszarze ssawnym; ciśnienie cieczy w tym obszarze jest zbliżone do atmosferycznego.

W obydwu przypadkach woda krąży w układzie zamkniętym, natomiast czynniki roboczy, zasysany i mieszanina mają identyczną gęstość.

Określanie charakterystyki strumienicy cieczowej

W przypadku określania charakterystyki zasysacza liniowego należy:

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

2. uruchomić pompę,

3. ustawić poprzez zmianę prędkości obrotowej lub poprzez regulację dławieniem żądane ciśnienie zasilania,

4. stopniowo zamykać zawór regulacyjny za zasysaczem; po każdej regulacji odczytać wydatek roboczy i zasysany, ciśnienie robocze, ciśnienie w obszarze ssawnym i ciśnienie za strumienicą; zwracać szczególną uwagę na punkty charakterystyczne (początek ssania i początek pracy kawitacyjnej).

W przypadku określania charakterystyki wysysacza należy:

1. otworzyć wszystkie zawory regulacyjne na linii tłocznej,

2. uruchomić pompę,

3. ustawić poprzez zmianę prędkości obrotowej lub poprzez regulację dławieniem żądane ciśnienie zasilania ,

4. stopniowo zamykać zawór regulacyjny za wysysaczem; po każdej regulacji odczytać wydatek roboczy i zasysany, ciśnienie robocze i ciśnienie za strumienicą; zwracać szczególną uwagę na punkty charakterystyczne (początek ssania i początek pracy kawitacyjnej).

6. Wykonanie sprawozdania

1. Wykreślić teoretyczną charakterystykę badanej strumienicy (istotne wymiary zostaną podane przez prowadzącego ćwiczenie),

2. Dla każdego punktu pomiarowego obliczyć stosunki wydatków u i ciśnień β,

3. Na tle bezwymiarowej charakterystyki teoretycznej wykreślić charakterystykę

β = f(u) uzyskaną doświadczalnie,

7. Pytania kontrolne.

1. Omówić zakres stosowania strumienic cieczowych stosowanych w ochronie przeciwpożarowej.

2. Omówić zasadę działania strumienicy cieczowej.

3. Omówić budowę wysysacza.

4. Omówić budowę zasysacza liniowego.

5. Omówić zalety i wady strumienic.

6. Przedstaw układ pracy zasysacza liniowego.

7. Przedstaw układ pracy wysysacza.

8. Przedstaw graficznie i omów podstawową charakterystykę bezwymiarową strumienicy cieczowej

9. Jakie czynniki wpływają na charakterystykę strumienicy cieczowej.

10. W jaki sposób wyróżnik konstrukcyjny wpływa na kształt charakterystyki bezwymiarowej strumienicy cieczowej.

11. Jakie czynniki wpływają na stosunek ciśnień, przy którym strumienica zaczyna zasysać.

12. Jakie czynniki mają wpływ na kawitacyjne warunki pracy strumienicy cieczowej.

1

2

---