2015-04-30
921
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.
| L прд (до начала обледенения) |
| t вод |
| Δ t н |
| t н |
| t 0 |
| L 0 |
| L кр |
| L облд |
| n; Ø |
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.
| 1 |
| 2 |
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.
| δл |
| I 2; Q 2; υ 2 |
| I 1; Q 1; υ 1 |
| Стенка рукава |
| Вода |
| Лед |
| q в |
| q п |
| t л1 |
| t р2 |
| t в |
| I |
| I |
| II |
| II |
| dx |
Рис. 14.28. Схема элементарного участка рукавной линии в условиях обледенения:
I 1; Q 1; υ 1 – соответственно, энтальпия, расход и скорость движения воды в сечении I–I;
I 2; Q 2; υ 2 – 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;
δл – 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; ρж – плотность воды, кг/м3;
ρл – плотность льда, кг/м3; 
– удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг∙град); t 0 – 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;
Kl – 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. |
