14.3.2. Работоспособность рукавных линий (рл) пожарных автомобилей

Оценку работоспособности РЛ (т.е. свободного течения воды в ней) рассмотрим, анализируя изменение ее температуры. Работа была выполнена на рукавной линии (температура ниже -35⁰С) по схеме, проедставленной на рис.14.25.

Рис.14.25. Схема критических показателей по длине рукавных линий

Забор воды производится из естественного водоисточника при температуре (). Эта температура, непосредственно на границе вода-лед, может быть близка к 0⁰С.

Поступив в насос АЦ, вод незначительно подогревается на какую-то температуру (). Интенсивность нагрева зависит от расхода воды и рабочих параметров насоса и может достигать от 0,1 до 0,6⁰С. Далее поток воды с температурой поступает в магистральную рукавную линию. По длине линии воды охлаждается. Непосредственно в рукавной линии можно выделить три характерных участка.

Первый участок представляет собой часть рукавной линии, на котором вода охлаждается до 0⁰С. Так называемая, критическая длина линии ().

Интенсивность снижения температуры воды в рукавной линии, прежде всего, зависит от метеорологических условий (температуры окружающей среды (⁰С) и скорости ветра (м/с)). Интенсивность охлаждения потока воды зависит также от диаметра рукавов, расхода и скорости движения воды в РЛ.

Второй участок рукавной линии () характеризуется тем, что несмотря на то, что вода и охлаждена до 0⁰С, но лед на рукавной арматуре и на внутренней поверхности рукавов и рукавной арматуры еще не образуется. Для образования льда необходима дополнительная отдача энергии перехода из жидкого состояния в твердое. На этом участке рукавной линии происходит потеря теплоты, равной теплоте кристаллизации воды.

В сумме первый () и второй () участки формируют предельную длину магистральной рукавной линии до начала обледенения ()

, м. (14.1)

После этого участка при течении воды на внутренней поверхности рукавной арматуры и рукавов образуется лед. Это наиболее опасный участок (). Интенсивное образование льда на арматуре приводит к уменьшению проходных сечений (рис.14.26) и. следовательно, к снижению интенсивности подачи воды. Кроме того, обледенение рукавов приводит к уменьшению их срока службы и к отказам в работе.

Рис.14.26. Обледенение внутренней полости разветвления в работающей рукавной линии: 1 – массив льда; 2 – свободное сечение

Предельная длина рукавной линии до начала обледенения () может быть использована для прогнозирования работоспособности насосно-рукавной системы пожарного автомобиля.

Если выполняется условие

, (14.2)

где: - длина рукавной линии, м, то насосно-рукавная система по фактору обледенения может функционировать неограниченный период времени. Температура воды по длине РЛ не охлаждается до 0⁰С и обледенение такой насосно-рукавной системы возможно только при экстремальных ситуациях.

Определение критического показателя (м) осуществляется по формуле:

, м, (14.3)

где: - температуры воды, при входе в насос пожарного автомобиля,⁰С; - изменение температуры воды на насосе,⁰С; - снижение температуры воды на каждых 100 м рукавной линии,⁰С, которое может принимать значения в зависимости от гидравлических характеристик рукавных линий и метеорологических условий от 0,05 до 3⁰С.

Если же условия незамерзаемости рукавной линии (14.24) не выполняется, то с течением времени эта линия будет подвержена обледенению. В первую очередь, лед в рукавной линии образуется на разветвления (рис.14.26), соединительных рукавных головках (рис.14.27), стволах, а также на внутренних поверхностях рукавов вблизи рукавной арматуры.

Рис.14.27. Обледенение внутренней полости соединительной

рукавной головки в работающей рукавной линии:

1- массив льда; 2 – свободное сечение

Это особенно опасно при тушении крупных пожаров. В течение нескольких часов подача воды стволом может уменьшаться в 2-4 раза.

Оценку влияния обледенения на работоспособность рукавной линии проанализируем на элементарном участке такой линии длиной (рис.14.28), ограниченный сечениемI-I и II-II со льдом на внутренней поверхности рукавов и движущейся водой.

Рис.14.28. Схема элементарного участка рукавной линии в условиях обледенения

где: I₁; Q₁; υ₁ - соответственно, энтальпия, расход и скорость движения воды в сечении I - 1;

I₂; Q₂; υ₂ - соответственно, энтальпия, расход и скорость движения воды в сечении II- 1;

q_в - отток тепла от воды к поверхности раздела между водой и льдом, Вг/м ;

q_п - отток тепла с наружной поверхности рукавной линии в окружающую атмосферу, Вг/м ;

t_л1 - температура внутренней поверхности льда, ⁰С;

t_р2- температура наружной поверхности рукава, ⁰С;

t_в - температура окружающей среды, ⁰С.

Дифференциальные уравнения баланса тепла и дифференциальное уравнение гидравлики составляют систему из трех уравнений со следующими переменными: - радиус свободного сечения, м;- температура воды в линии,⁰С; Н – напор, м; - длина, м;- время, с;

(14.4)

В результате решения этой системы уравнений можно установить следующие функции:

.

Они определяют изменение температуры воды, напора и радиуса живого сечения (степень обледенения) как по длине рукавной линии, так и во времени.

Для использования этой модели с помощью ПЭВМ разработан специальный алгоритм, на базе которого составлена программа. Она позволяет описать работоспособность рукавных линий при воздействии низких температур, то есть рассчитать, как будет изменяться по длине линии температура и напор воды (см.рис.14.25). Кроме этого, возможно оценивать, как во времени будет изменяться радиус внутреннего сечения рукавов и рукавной арматуры (интенсивность обледенения). И, самое важное, с помощью этой программы можно определять: как во времени будет изменяться напор на стволах, а следовательно, и подача воды.

Появляются условия для предварительной оценки тактико-технических возможностей подразделений по тушению пожаров при экстремально низких температурах окружающей среды.

Для решения практических задач наиболее важным является установление начала ледообразования в рукавных линиях. Поэтому были определены схемы наиболее часто применяемых рукавных линий. Они представлены в табл.14.16. Количество рукавов в магистральной рукавной линии (МРЛ) принято равным трем. Такая длина МРЛ является является предельной по гидравлическим характеристикам.

Рабочие линии в рассматриваемых схемах состояли из трех рукавов условным проходом 50 для стволов РС-50 и условным проходом 65 мм для стволов РС-70.

Для этих схем, по изложенной выше методике, были рассчитаны точки, где температура воды достигала 0⁰С, и точки, где начиналось льдообразование.

Естественно, что значение их зависело от температуры внешней среды, скорости ветра, расхода воды и длины рукавных линий.

Результаты расчетов представлены в виде картограммы (табл.14.17).

Рассмотрим пример применения представленного метода определения охлаждения воды до 0⁰С и начала образования в РЛ льда.

Предположим, выбрана схема №2. При температуре воздуха -20⁰С и скорости ветра, равной 5 м/с вода в рукавной линии охладится до 0⁰С только после 6 рукавов, а образование льда может начаться после 14 напорного рукава. В этих условиях образование льда в РЛ исключено. Таким образом, в режиме тушения пожара можно достаточно точно исключать обледенение арматуры и РЛ.