14.3.2. Работоспособность рукавных линий пожарных автомобилей

Работоспособность рукавных линий (РЛ) (то есть свободное течение воды в них) рассмотрим, анализируя изменение ее температуры. Работа была выполнена на рукавной линии (температура ниже –35 °С) по схеме, представленной на рис. 14.25.

n; Ø

L_облд

L₀

L_кр

t₀

t_н

Δt_н

t_вод

L_{прд (до начала обледенения)}

Рис. 14.25. Схема критических показателей по длине рукавных линий

Забор воды производится из естественного водоисточника при температуре t_вод. Эта температура непосредственно на границе вода-лед может быть близка к 0 °С.

Поступив в насос АЦ, вода незначительно подогревается на какую-то температуру . Интенсивность нагрева зависит от расхода воды и рабочих параметров насоса и может достигать от 0,1 до 0,6 °С. Далее поток воды с температурой поступает в магистральную рукавную линию. По длине линии вода охлаждается. Непосредственно в рукавной линии можно выделить три характерных участка.

Первый участок представляет собой часть рукавной линии, в которой вода охлаждается до 0 °С. Так называемая критическая длина линии .

Интенсивность снижения температуры воды в рукавной линии, прежде всего, зависит от метеорологических условий (температуры окружающей среды °С, 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 показывает, что вода охлаждена до 0 °С, 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

. (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.

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

Если выполняется условие

, (14.2)

где L_р.л – длина рукавной линии, м, то насосно-рукавная система по фактору обледенения может функционировать неограниченный период времени. Температура воды по длине РЛ не охлаждается до 0 °С, и обледенение такой насосно-рукавной системы возможно только при экстремальных ситуациях.

1

2

Рис. 14.26. Обледенение

внутренней полости разветвления

в работающей рукавной линии:

1 – массив льда;

2 – свободное сечение

Определение критического показателя осуществляется по формуле

, (14.3)

где – температура воды при входе в насос пожарного автомобиля, °С; – изменение температуры воды на насосе, °С; – снижение температуры воды на каждых 100 м рукавной линии, °С, которая может принимать значения в зависимости от гидравлических характеристик рукавных линий и метеорологических условий от 0,05 до 3 °С.

Если же условие незамерзаемости рукавной линии (14.1) не выполняется, то в течение некоторого времени эта линия будет подвержена обледенению. В первую очередь лед в рукавной линии образуется на разветвлениях (см. 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

Обледенение внутренней полости в работающей рукавной линии особенно опасно при тушении крупных пожаров. В течение нескольких часов подача воды стволом может уменьшаться в 2–4 раза.

Влияние обледенения на работоспособность рукавной линии проанализируем на элементарном участке такой линии длиной (рис. 14.28), ограниченном сечением I–I и II–II со льдом на внутренней поверхности рукавов и движущейся водой.

dx

II

II

I

I

t_в

t_р2

t_л1

q_п

q_в

Вода

Лед

Стенка

рукава

I₁; Q₁; υ₁

I₂; Q₂; υ₂

δ_л

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

I₁; Q₁; υ₁ – соответственно, энтальпия, расход и скорость движения воды в сечении I–I;

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

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

q_п – отток тепла с наружной поверхности рукавной линии в окружающую атмосферу, Вт/м;

t_л1 – температура внутренней поверхности льда, °С;

t_р2 – температура наружной поверхности рукава, °С;

t_в – температура окружающей среды, °С;

δ_л – толщина льда, м

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

(14.4)

где V_ж – объемный расход воды, м³/с; ρ_ж – плотность воды, кг/м³; ρ_л – плотность льда, кг/м³; – удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг∙град); t₀ – нулевая температура воды, °С; t_в – температура окружающей среды, °С; I_г – гидравлический уклон, Па/м; α₁ – коэффициент теплоотдачи от воды к поверхности льда, Вт/(м²∙град); х – длина линии, м; K_l – линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м∙град); t_ж – температура воды в линии, °С; r – радиус свободного сечения, м; Н – напор, м; τ – время, с.

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 ЭВМ разработан специальный алгоритм, на базе которого составлена программа. Она позволяет описать работоспособность рукавных линий при воздействии низких температур, т. е. рассчитать, как будут изменяться по длине линии температура и напор воды (см. рис. 14.25). Кроме того, возможно оценить, 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 льдообразования в рукавных линиях. Поэтому были определены схемы наиболее часто применяемых рукавных линий (рис. 14.29).

Рабочие линии в рассматриваемых схемах состояли из трех рукавов с условным проходом 50 мм 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 0 °С, 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. 14.16).

Рассмотрим пример применения представленного метода определения охлаждения воды до 0 °С и начала образования льда в РЛ.

Предположим, выбрана схема № 2. При температуре воздуха –20 °С и скорости ветра 5 м/с вода в рукавной линии охладится до 0 °С только после прохождения по 6 рукавам, а образование льда может начаться после 14-го напорного рукава.

Рис. 14.29. Схемы развертывания пожарной автоцистерны

Таблица 14.16

Примечание.