Противопожарное водоснабжение

При исследованиях в гидравлике применяют понятие идеальная жидкость, которая абсолютно не сопротивляется разрыву, не сжимаема, не имеет вязкости и текучести.

Значения кинематического коэффициента вязкости v для жидкостей (при температуре t = 15 °C):

Свободная поверхность жидкости при равномерном поверхностном натяжении имеет характерный коэффициент по-

верхностного натяжения σ, который при температуре 20 °С

уводы равен 0,726 Н/м.

Втрубках малого диаметра и капиллярах, под воздействием влияния поверхностного натяжения происходит поднятие или опускание жидкости, в сосудах незначительного диаметра подъем жидкости можно вычислить по формуле

где h – высота поднятия (или опускания) жидкости в узком сосуде или капилляре; σ – коэффициент поверхностного натяжения; p – плотность массы жидкости; g – величина ускорения свободного падения жидкости (тела); r – радиус сосуда или капилляра в единицах длины (мм).

Смазывающая способность жидкости называется воз-

можностью жидкости снижать трение между твердыми поверхностями материалов путем образования молекулярной пленки определенной толщины.

При толщине пленки 0,0007 мм трение между твердыми абсолютно ровными поверхностями снижается в десятки раз.

11

Вспениваемостью жидкости называется способность жидкости при больших скоростях движения образовывать пену, что негативно отражается на работе систем противопожарного водоснабжения и в целом на работе гидротехнических систем.

Вспениваемость зависит от факторов, зависящих от эксплуатации: загрязнение жидкости, случаи окисления, сверхнормативное время эксплуатации.

Эмульгируемость жидкости связана со способностью жидкости образовывать с капельками воды мелкодисперсную систему, которая значительно ухудшает смазочные свойства жидкости и нередко вызывает коррозию труб и сосудов.

Если происходит эмульгируемость жидкости, то не исключены вспышка и воспламенение смеси паров масла с окружающим воздухом при возникновении определенного температурного режима.

12

Глава 2

КРАТКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ

2.1. Гидростатическое давление, единица – паскаль

Гидростатика как раздел гидравлики изучает состояние жидкости в покое, рассматривает действующие в жидкости силы, плавание тел без перемещения их в этой жидкой среде. Все частицы любой жидкости испытывают действие сил тяжести вышележащих слоев и внешних сил, действующих по поверхности жидкости.

Напряжение, возникающее внутри жидкости от действия внешних и внутренних сил, называют гидростатическим дав-

лением в любой точке внутри неподвижного объема жидко-

сти (рис. 2).

Рис. 2. Схема определения гидростатического давления: w – площадь сечения определения гидростатического давления; А – точка определения гидростатического давления; Р – сила, действующая на точку А; ВС – произвольное сечение для определения гидростатического давления

Если отбросить одну из сторон объема жидкости, то в оставшейся части для ее сохранения прикладывается сила, заменяющая отброшенную часть, например правую. Эта заменяющая сила называется поверхностной, а если силу Р разделить на площадь сечения w, то получаем среднее гидростатическое давление:

13

где Рср – среднее гидростатическое давление; Р – гидростатическое давление; w – площадь сечения для определения гидростатического давления.

Гидростатическое давление определяется по формуле

где γ – удельный вес жидкости; h – вес вертикального столба жидкости над расчетной точкой. В международной системе единиц за единицу гидростатического давления P принят Паскаль (Па), равный Н/м2, где Н – гидростатический напор.

Соотношение единиц измерения давления принято счи-

тать: 1 атм = 1 кгс/см2 = 1000 кгс/м2 = 9,81 + 104 Па = = 98,1 кПа = 0,0981 МПа.

Закон Паскаля гласит: давление, действующее на поверхности жидкости, передается всем частицам этой жидкости по всем направлениям без изменений.

Вес вертикального столба жидкости в замкнутом сосуде по объему равен гидростатическому напору, принято считать h = Н.

Вес жидкости G в сосуде с площадью основания w равен произведению удельного веса жидкости γ на площадь основания w и на высоту столба жидкости h (гидростатическому напору H):

Разделив обе части равенства (10) на величину площади основания w, получаем:

G/w = γh,

где G/w = P – величина гидростатического давления. Гидростатическое давление обладает двумя свойствами:

– гидростатическое давление в любой конкретной точке является сжимающим, т.е. направлено внутрь объема жидкости и действует нормально (вертикально) к площади основания, при этом гидростатическое давление всегда перпендикулярно

14

к поверхности, на которую воздействует, и пропорционально глубине погружения;

– гидростатическое давление в любой конкретной точке объема жидкости не зависит от ориентировки площади действия и передается во все стороны с одинаковой силой (закон Паскаля) пропорционально удельному весу жидкости.

2.2. Основное уравнение гидростатики

Анализ основного уравнения гидростатики показывает,

что давление внутри жидкости равно давлению на ее поверхности плюс давление от веса столба жидкости и рассчитыва-

ется по формуле:

где Раб – давление внутри жидкости; γ – удельный вес жидкости; h – высота столба жидкости; Ро – давление на поверхности жидкости.

С увеличением глубины погружения h (увеличение столба жидкости) рабочее давление увеличивается по закону прямой линии, в покоящейся жидкости любая горизонтальная плоскость является плоскостью равного давления.

Пример: определить рабочее давление в резервуарах с водой на глубинах: h = 5 м; 10 м; 15 м; удельный вес воды γ = 1000 кгс/м3; Ро – давление на поверхности жидкости и равно 98,1 кПа.

Раб 5 = 98,1 + 1000 · 5 = 98,1 + 5000 = 5098,1 кгс/м3;

Раб10 = 98,1 + 1000 · 10 = 98,1 + 10 000 = 10 098,1 кгс/ м3; Раб15 = 98,1 + 1000 · 15 = 98,1 + 15 000 = 15 098,1 кгс/ м3.

Схема вывода основного уравнения гидростатики представлена (рис. 3).

15

Рис. 3. Схема вывода основного уравнения гидростатики: h – глубина до исследуемой плоскости от свободной поверхности О–О; G – сила тяжести жидкости, действующая на объем жидкости в пределах контура DВСE; Pо – атмосферное давление на плоскости О–О; Paб – полное абсолютное давление; A – точка измерения давления; B–C – площадка давления; D–Е – свободная плоскость, на которую влияет атмосферное давление; D–В и С–Е – силы, которые давят по

этим плоскостям – взаимно уничтожаются

2.3. Виды давлений: атмосферное, абсолютное, избыточное (манометрическое), вакуумметрическое, эпюры гидростатического давления

В практике различают следующие виды давления:

–атмосферное (Рат) или полное – зависит от высоты места над уровнем моря и климатических условий; за нормальное атмосферное давление принимают давление, которое создается столбом ртути высотой 760 мм, что соответствует (приближенно) 10 м водного столба; 98,1 кПа или 0,098 МПа;

–абсолютное давление (Раб) – это сумма атмосферного

иизбыточного давления, вычисленная по формуле основного уравнения гидростатики (Рат = Ро + γh), обозначают Раб;

–манометрическое (Рм) – избыточное давление, определяется как разность абсолютного Раб и атмосферного Рат давлений по формуле

16

Если на свободной поверхности атмосферное давление равно 98,1 кПа (760 мм ртутного столба, 0,098 МПа), то манометрическое давление Рм вычисляется по формуле

Манометрическое давление Рм измеряется приборами, называемыми манометрами, или измеряется высота столба жидкости на конкретной глубине (приборы для измерения манометрического давления называются пьезометрами). Столб воды высотой в 10 м создает давление в жидкости, равное

98,1 кПа или 0,098 МПа;

– вакуумметрическое давление (Рвак), определяется как разность между атмосферным и абсолютным давлениями. Оно создается в случае, если в расчетной точке жидкости атмосферное давление (Рат) превысит абсолютное давление (Раб) и возникнет зона вакуума, такое давление и носит название ва-

куумметрического давления и определяется по формуле

2.4. Эпюры гидростатического давления

Графическое изображение закона распределения гидростатического давления носит название эпюры гидростатиче-

ского давления.

При построении эпюр необходимо выполнять расчеты по формулам основного уравнения гидростатики и определения гиростатического давления.

При расчете атмосферного давления эпюра гидростатического давления будет иметь прямую линию, начало которой находится у поверхностной плоскости жидкости, а избыточное давление равно «0», а в наиболее заглубленных точках плоскости она достигает своего максимального значения и будет вы-

ражаться (Рат = γh).

Эпюры абсолютного гидростатического давления учитывают атмосферное давление над свободной поверхностью жид-

17

кости в конкретных атмосферных условиях и составляют суммарную слагаемую в наиболее заглубленных точках плоскости, равную максимальному значению (Рат + γh).

Эпюры избыточного гидростатического давления на вертикальную, наклонную плоскости и плоскость с измененным наклоном представлены на рис. 4.

аб

Рис. 4. Эпюра избыточного гидростатического давления: а – на вертикальную плоскость: в точке А – избыточное давление равно «0»; в точке В избыточное давление максимальное; h – глубина жидкости в расчетной плоскости – точке; давление в расчетной точке Рв = Yh; б – на наклонную плоскость

Эпюры абсолютного гидростатического давления на вертикальную и наклонную плоскости показаны на рис. 5.

Рис. 5. Эпюры абсолютного гидростатического давления на вертикальную (а) и наклонную (б) плоскости; Рат – атмосферное давление; Рв – максимальное, избыточное давление на максимальной глубине, равное Yh; h – глубина жидкости в расчетной точке

18

Пять основных свойств гидростатического давления:

–всегда перпендикулярно к поверхности, на которую воздействует;

–в покоящейся жидкости передается во все стороны

содинаковой силой (закон Паскаля);

–в любой точке жидкости пропорционально глубине;

–пропорционально удельному весу жидкости: чем больше удельный вес, тем больше давление;

–не зависит от формы стенок сосуда, на днище сосуда при однородном составе жидкости давление остается постоянным.

19

Глава 3

КРАТКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОДИНАМИКИ

Воснове гидродинамики лежит наука о гидравлике, законе равновесия и движения жидкости по трубам, в открытых водоемах и по водотокам.

Знание гидродинамики необходимо для понимания законов движения воды при транспортировке жидкости по пожарным рукавам, для создания дальнобойных водяных струй и методов распыления этих струй у очага возгорания.

Воснове понимания гидравлики лежат следующие понятия: плотность и удельный вес жидкости, вязкость и динамичный, кинематический коэффициенты вязкости; сжимаемость жидкости; гидростатическое давление; основное уравнение гидростатики; атмосферное, манометрическое, вакуумметрическое давления.

Гидродинамика изучает установившееся и неустановившееся движение жидкости, напорные и безнапорные потоки жидкости и ее движение по неподвижным и движущимся поверхностям.

Движение жидкости – сложное перемещение ее молекул. Описание этого перемещения какими-либо математическими формулами пока не представляется возможным. Для понятия

оперемещении жидкости и упрощения расчетов введена система струйчатой модели ее движения.

Согласно струйчатой модели движения жидкости поток жидкости состоит из отдельных элементарных струек, изучение движения которых дает возможность понять закономерность движения потока жидкости в целом.

Спомощью законов гидродинамики решаются сложные вопросы противопожарного водоснабжения и хозяйственного водоотведения.

20