книги / Противопожарное водоснабжение

следующие виды деформации: совершенное, несовершенное, полное, неполное сжатие.

Совершенное сжатие возникает в том случае, если размер отверстия не менее чем в три раза меньше расстояния до ближайшей стенки резервуара или свободной поверхности.

Несовершенное сжатие возникает в случае, если отверстие в стенке резервуара больше чем в три расстояния до ближайшей стенки резервуара или свободной поверхности.

Совершенное сжатие имеет меньшее значение коэффициента сжатия, чем несовершенное сжатие.

Сжатие полное наступает в том случае, если струя жидкости, вытекающая из отверстия в тонкой стенке, сжата по всему периметру.

Сжатие неполное возникает в том случае, если струя жидкости, вытекающая из отверстия в тонкой стенке, сжата не по всему периметру, наблюдается неполное сжатие в тех случаях, когда отверстие расположено у дна резервуара или на дне у боковой стенки. Сжатие неполное имеет большее значение коэффициента сжатия, чем сжатие полное.

Струя жидкости, вытекая из отверстия, изменяет, искривляет линии течения потока в зоне кромки отверстия, что приводит к сжатию струи, и за счет этого увеличивается скорость потока, так как площадь живого сечения потока, по мере приближения к отверстию, уменьшается.

Определяем скорость истечения струи из отверстия в тонкой стенке по окончательной формуле

где V – скорость истечения струи, м/с; ф – коэффициент скорости, ф =1/ 1+ξ; ξ – коэффициент сопротивления отверстия;

g – ускорение силы тяжести, g = 9,81; Н0 – величина напора перед отверстием, м.

31

Примеры

1. Дано: коэффициент скорости ф = 0,97; напор перед незатопленным отверстием Н0 = 4 м; ускорение силы тяжести g = 9,81. Скоростным напором возможно пренебречь.

V = 0,97 2 9,81 4 = 8,58 м/с.

Вывод: скорость истечения струи из незатопленного отверстия в тонкой стенке равна 8,58 м/с.

Определяем расход жидкости из отверстия в тонкой стенке по формуле

Q = w 2gH0 ,

где Q – расход через отверстие в тонкой стенке; µ – коэффициент расхода отверстия; w – живое сечение отверстия; g – ускорение силы тяжести; H0 – напор перед отверстием.

2. Дано: отверстие диаметром 0,2 м; напор перед незатопленным отверстием Н0 = 4 м; µ – коэффициент расхода отверстия равный, = 0,62; площадь отверстия – 0,0314 м2;

Q = 0,62 · 0,0314 · 4,43 · 2 = 0, 172 м3/с.

Вывод: расход через незатопленное отверстие в тонкой стенке равен 0,172 м3/с.

3.7. Типы насадка, расчет скорости расхода при вытекании жидкости из внешнего цилиндрического насадка

Насадком называют короткий отрезок цилиндрической, конической, коноидальной формы трубы длиной, равной 3…4 диаметра отверстия (рис. 10).

Внутренний цилиндрический насадок. В этом типе насадка явления изменения струи протекают аналогично, как во внешнем цилиндрическом насадке.

32

Рис. 10. Типы насадков, применяемых при истечении жидкости из резервуаров: а, б – цилиндрические внешние и внутренние; в – конические сходящиеся; г – конические расходящиеся; д – коноидальные

Внешний цилиндрический насадок. Струя потока при входе сжимается. После зоны сжатия струя вновь расширяется и заполняет все сечение насадка.

Конический сходящийся насадок. В этом типе насадков внутреннее сжатие меньше, чем в цилиндрическом, но появляется второе сжатие при выходе струи из насадка. Этот тип насадка применяется при проектировании пожарных стволов.

Конический расходящийся насадок. В этом типе насадка расширение струи происходит значительно резче, чем в цилиндрических насадках, поэтому его гидравлическое сопротивление больше, а коэффициент скорости меньше, что создает большую зону вакуума и увеличивает всасывающую способность, а также дает больший расход жидкости.

Коноидальный насадок. Цилиндрический насадок, имеющий вход в форме истекающей струи из отверстия в тонкой стенке, имеет наименьшие потери, и его расход приобретает максимальную величину. Насадки данного типа широко применяются для получения дальнобойных струй, имеющих значительные начальные скорости полета.

При истечении струи из насадка на нее действуют силы поверхностного натяжения, именуемые инверсией струи. По этой причине форма поперечного сечения струи при ее движе-

33

нии не остается постоянной и все время испытывает соответствующие изменения (рис. 11).

Действие сил поверхностного натяжения необходимо учитывать во всех случаях для получения дальнобойных пожарных струй, поэтому на выходной кромке пожарных стволов, применяемых при пожаротушении, не должно быть вмятин, сколов и других дефектов.

Рис. 11. Схема инверсии струи, вытекающей из квадратного отверстия в тонкой стенке с указанием сечений, возникающих при движении струи

тока после выхода из зоны сжатия будет меньше скорости потока в зоне сжатия. Согласно уравнению Бернулли в сжатом сечении давление будет меньше атмосферного, поэтому в зоне сжатия возникнет вакуум, который изменяет форму истечения струи жидкости через насадок.

Таким образом, жидкость из резервуара изливается не в атмосферу, а в зону вакуума, что приводит к увеличению расхода потока и коэффициента расхода (в данном случае равно-

му 0,82).

При этом возрастание расхода струи может увеличиваться до определенного уровня, при достижении которого в насадке сильно увеличивается вакуум и возникает процесс кавитации.

Кавитация – очень опасное состояние системы прохода потока жидкости, при котором в вакуумной зоне образуются внутри жидкости пары, которые заполняют струю потока, происходит вскипание жидкости, нарушается ее плотность, в отдельных случаях происходит отрыв струи от внутренних стенок насадка, могут возникнуть сильная вибрация и разрушение системы.

Для определения скорости движения и расхода воды через насадки применяют упрощенные формулы расчетов.

Величину расхода воды через насадок определяем по формуле

где Q – расход из насадка, м3/с; р – давление, равное атмосферному; Н – напор перед насадком, м; µ – коэффициент расхода; g – ускорение силы тяжести, g = 9,81.

35

Расчет значения проводимости р, сопротивления s при стандартных диаметрах насадка, коэффициенте расхода, принятым равным 1, приводится в табл. 1.

Таблица 1

Расчет значения проводимости, сопротивления при стандартных диаметрах насадка ( = 1)

3.8. Уравнение Бернулли в практике пожаротушения

При движении жидкости поток обладает энергией, которая имеет несколько видов:

– удельная энергия потока – это энергия, которая приходится на единицу силы тяжести. При обозначении энергии буквой Е, силы тяжести через G можем получить значение удельной энергии е по формуле

Энергию жидкости делят на энергию положения; энергию давления; кинетическую энергию:

– удельная энергия положения (епол = z) как отдельно взя-

тая частица жидкости численно равна геометрической высоте точки над плоскостью отчета;

–удельная энергия давления (едавл = Р/γ) образуется, когда частица жидкости находится под давлением окружающей жидкости;

–удельная потенциальная энергия (епотен = z + Р/γ) равна сумме удельной энергии положения и удельной энергии давления и численно равна расстоянию от плоскости отсчета и цен-

36

тра тяжести сечения. Измеряется как высота столба жидкости от средней линии потока при параллельности среза пьезометрической трубки оси трубы. В однородной жидкости, находящейся в стадии покоя, сумма величин удельной потенциальной энергии одна и та же. В напорном потоке реальной (вязкой) жидкости удельная потенциальная энергия будет одинаковой для точек, расположенных в живом сечении (любом);

– удельная кинетическая энергия давления (скоростной напор, мм вод. ст.) (екинет = тv2/2), где т – масса частицы жидкости, v – скорость частицы в потоке жидкости. Скорость движения жидкости в потоке измеряют скоростной трубкой (трубка Пито), которая имеет открытое изогнутое окончание и принимает в себя жидкость. По величине разности показаний пьезометра и скоростной трубки определяют фактическую скорость движения жидкости в потоке.

Впрактике пожаротушения широко применяется решение практических задач по определению зависимости скорости движения жидкости от давления.

В1738 г. ученый Бернулли составил уравнение, которое является основным уравнением гидравлики и выражает собой закон сохранения энергии, показывает зависимость между положением, давлением и скоростью движения жидкости.

На основании закона сохранения энергии сформулировано уравнение Бернулли и составлена его графическая иллюстрация:

где z – удельная потенциальная энергия положения – геометрический напор (мм вод. ст.); P/γ – удельная потенциальная энергия давления – пьезометрический напор (мм вод. ст.); V2/g – удельная кинетическая энергия давления (скоростной напор) (мм вод. ст.); h – энергия, затраченная на преодоление сил трения (потеря напора) (мм вод. ст.), измеряется скоростными трубками как разность между расчетными точками (рис. 13).

37

Рис. 13. Схема иллюстрации уравнения Бернулли

В практике пожаротушения используется в технике взаимосвязь между скоростью и давлением в движущейся несжимаемой жидкости (уравнение Бернулли).

Водомер Вентури – прибор для измерения расхода жидкости, так как вследствие изменения, сужения сечения водомера происходит увеличение скорости движения жидкости и, соответственно, уменьшение давления (закон Бернулли), то появляется возможность определить скорость движения воды, а по скорости определить расход жидкости по трубе согласно формуле (рис. 14)

где Q – расход воды пожарным стволом при заданной скорости движения воды; с – постоянная водомера (фиксируется в паспорте), определяется опытным путем при тарировке водомера изготовителем; ∆h – дельта (разность) показания пьезометра, установленного на водомере Вентури.

38

Рис. 14. Схема водомера Вентури

Пример расчета

Дано: c = 0,96; ∆h = 8,4.

Расход воды пожарным стволом Q = 0,96 · 8,4 = 2,78 л/с = = 166,9 л/мин = 0,1669 м3/мин = 0,167 м3/мин.

Пожарный ствол-водомер предназначен для определения расхода подаваемой воды при пожаротушении (рис. 15). Расход воды, проходящей по стволу-водомеру определяется по формуле, составленной из уравнения Бернулли:

где Q – расход ствола-водомера, м3/мин; V2 – скорость движения воды при выходе из насадка ствола-водомера, м/мин; w2 – площадь выходного сечения насадка; Hм – высота струи по показаниям манометра при выходе струи из насадка, м; g – ускорение свободного падения, м/с2; 0,95 поправочный коэффициент, определенный опытным путем.

Пример расчета

Дано: V2 = 10 м/с; w2 = 0,0003 м2; Hм = 10 м; g = 9,81 м/с2.

Q = 0,95 · 0,0003 2 9,81 10 = 0,039 м3/с = 39 л/с.

Расход воды через систему ствол-водомер равен 39 л/с.

39

Рис. 15. Схема пожарного ствола типа ствол-водомер»: I–I и II–II сечения ствола, где проходит вода; 1 – корпус ствола; 2 – манометр; 3 – сменная насадка ствола; v – ось ствола, v1, v2 – отсчет данных определения расхода

На базе уравнения Бернулли разработаны и применяются на практике струйные аппараты-насосы, предназначенные для перекачки жидкости, газа, порошкообразного материала и т.д. (рис. 16), которые работают в паре со вторым насосом поршневого, центробежного типа.

Рис. 16. Схема водоструйного насоса: 1 – подвод рабочей жидкости; 2 – насадка; 3 – цилиндрическая часть насадка; 4 – камера смешения; 5 – диффузор

Эти вторые насосы подают через сопло в смесительную (вакуумную) камеру струйного аппарата-насоса рабочий расход жидкости, газа или порошковой смеси.

В результате этого процесса в вакуумной камере падает атмосферное давление, что приводит к образованию в камере вакуума. За счет создания вакуума по всасывающему патрубку

40