Badanie przelotowości tryskaczy i zraszaczy

BADANIE PRZELOTOWOŚCI TRYSKACZY
Autor: Zbigniew Tuzimek
Opracowanie wersji elektronicznej: Tomasz Wdowiak
Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z metodyką wyznaczania stałej wypływu
(współczynnika przelotowości) tryskaczy. Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiarów
parametrów hydraulicznych (natężenia przepływu wody w funkcji ciśnienia) wybranych
tryskaczy i określenie ich stałych wypływu.
1.
Wprowadzenie
Niezawodność działania instalacji tryskaczowej w znacznym stopniu zależy
od parametrów technicznych zastosowanych elementów wylotowych – zraszaczy i tryskaczy.
Elementy te, kształtując strumień wypływającej wody, powinny umożliwiać uzyskanie
wymaganej do ugaszenia pożaru intensywności zraszania. Jednym z podstawowych
parametrów technicznych elementu wypływowego (tryskacza) jest stała wypływu. Znajomość
wartości stałej wypływu elementu wypływowego jest niezbędna do wykonania przez
projektanta instalacji gaśniczej obliczeń hydraulicznych umożliwiających dobór średnic
rurociągów i parametrów urządzeń zasilających.
Dla celów praktycznych natężenie przepływu wody (wydajność wodną) tryskacza
można traktować jak wypływ z małego otworu. Przy takim założeniu można przyjąć,
że prędkość wypływu wody z otworu wylotowego tryskacza jest stała i jednakowa w całym
przekroju.
2.
Vo
H
Vl
Rys. 1. Wypływ wody z tryskacza:
H – wysokość słupa wody, Vl – prędkość wypływającej wody z małego otworu,
Vo – prędkość obniżania się lustra wody w zbiorniku.
Do obliczenia prędkości wypływającej wody Vl z małego otworu można wykorzystać
równanie Bernoulliego:
1
(1)
Gdzie:
Vo – prędkość obniżania się lustra wody [m/s]
Vl – prędkość wypływającej wody z małego otworu [m/s]
ρ – gęstość wody [kg/m3]
g – przyspieszenie ziemskie [m/s2]
po, pl – ciśnienie [Pa]
zo, zl – wysokość słupa wody [m]
Do dalszych rozważań można przyjąć, że: zo=H, po=pa, zl=0, pl=pa
gdzie: pa – ciśnienie atmosferyczne
Po podstawieniu do równania (1) otrzymamy wyrażenie:
(2)
Równanie ciągłości przepływu ma postać:
(3)
Gdzie:
F – pole przekroju zbiornika [m2]
f – pole przekroju małego otworu [m2]
Po ułożeniu układu z równań (2) i (3) otrzymujemy:
{
(4)
Po wyznaczeniu Vo z równania (3) i podstawieniu do równania (2) otrzymujemy:
(5)
Dzieląc obie strony równiania (5) przez 2g i przenosząc wszystkie wyrażenia na lewą stronę
otrzymujemy:
[
( ) ]
(6)
Z tego:
√
Uwzględniając zależności f << F oraz (
( )
(7)
) otrzymujemy:
√
[ ] - wzór Torricellego
(8)
Z tego wzoru wynika, że prędkość wypływającej wody przez mały otwór zależy
od wysokości ciśnienia H. Jest to prawdziwe dla cieczy doskonałej.
W modelu cieczy doskonałej przyjmuje się, że ciecz ta jest nielepka, nieściśliwa, nie zmienia
stanu skupienia i nie zawiera rozpuszczonych gazów.
Uwzględniając powyższe zależności można przyjąć, że teoretyczne natężenie przepływu
wody z tryskacza Q, przy ustalonej prędkości V wyraża się wzorem:
√
(9)
2
Rzeczywiste natężenie przepływu wody z tryskacza przy uwzględnieniu zjawiska kontrakcji
oraz straty prędkości można wyrazić wzorem:
√
(10)
gdzie: α - współczynnik kontrakcji,
β - współczynnik straty prędkości
Kontrakcja
Na podstawie wykonanych doświadczeń i obserwacji wypływu wody przez otwór w ściance
lub dnie zbiornika stwierdzono, że pole przekroju wypływającego strumienia wody jest
mniejsze od pola przekroju samego otworu.
Zjawisko to, nazywane kontrakcją, i wywołane jest niemożnością nagłej zmiany kierunku
przepływu wody poruszającej się wzdłuż ścianki zbiornika ze względu na siły bezwładności
oraz dławieniem wzdłuż krawędzi otworu. Współczynnik kontrakcji α wyraża się wzorem;
(11)
gdzie: Fs – pole przekroju strumienia wody,
Fr – rzeczywiste pole przekroju otworu.
Z uwagi na to, że Fs< Fr to a< 1
Strata prędkości
Okazuje się, że zmierzona wartość prędkości wypływającej wody z małego otworu
jest mniejsza od wartości teoretycznej obliczonej z wzoru Torricellego. Strata prędkości
powodowana jest głównie lepkością cieczy. Stosunek średniej prędkości rzeczywistej
do prędkości teoretycznej nazywany jest współczynnikiem straty prędkości i oznaczany literą
β wyraża się wzorem:
(12)
gdzie: Vr – prędkość rzeczywista,
Vt – prędkość teoretyczna.
Pomiary współczynnika kontrakcji i współczynnika straty prędkości wykazały, że zależą one
od liczby Reynoldsa – Re. Iloczyn φ - współczynnika strat prędkości β i współczynnika
kontrakcji α nazywa się współczynnikiem wypływu.
(13)
Współczynnik wypływu zależny jest również od liczby Reynoldsa [Re]. Jednak dla
dostatecznie dużych wartości (Re >106), wartość współczynnika wypływu można traktować
jako stałą. Uwzględniając zależność, że φ = α·β, można napisać wzór na rzeczywiste
natężenie przepływu:
√
(14)
Dla danego tryskacza iloczyn
, oznaczony literą K, nazywany jest stałą
√
wypływu lub współczynnikiem przelotowości tryskacza
(15)
√
Z powyższego wzoru natężenie przepływu Q wody wypływającej z tryskacza można wyrazić
wzorem:
3
√
(16)
Stąd:
(17)
√
Po podstawieniu w miejsce H, oznaczającego wysokość ciśnienia w metrach słupa wody,
p wyrażonego w barach, wzór przyjmie postać;
(17)
√
gdzie;
p – jest ciśnieniem wyrażonym w barach,
Q – jest natężeniem przepływu w litrach na minutę.
Opis stanowiska laboratoryjnego
W skład stanowiska laboratoryjnego do wyznaczania współczynnika przelotowości,
przedstawionego na rysunku 2, wchodzą następujące elementy:

SP – pompa umożliwiająca uzyskanie żądanych wartości ciśnienia i natężenia
przepływu,

P – ciśnieniomierz umożliwiający pomiar ciśnienia w zakresie od 0 do 10 bar
z dokładnością ± 0,5%,

Q – przepływomierz umożliwiający pomiar natężenia przypływu wody
w zakresie od 0,5 l/s (30 1/min) do 15 l/s (900 l/min) z dokładnością ± 0,25%,

komputer z interfejsem pomiarowym,

rurociąg z elementami regulacyjnymi,

zbiornik o pojemności 1000 l.
3.
Komputer
Interfejs
pomiarowy
O
Q
P
ZR1
ZU
EB
SP
ZR2
Rys. 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego
P – ciśnieniomierz
4
Q – przepływomierz
EB – badany element
ZR1 – zawór regulacyjny
ZR2 – zawór odcinający
ZU – zawór upustowy
SP – stanowisko pompowe
O – odpowietrznik
Przebieg ćwiczenia
Pomiar wielkości ciśnienia i natężenia przepływu dokonywany jest w sposób
zapewniający spełnienie wymagań przewidzianych w PN ISO 6182-1 „Ochrona
przeciwpożarowa. Urządzenia tryskaczowe. Wymagania i metody badań dla tryskaczy".
Badany tryskacz należy zmocować na rurze pomiarowej w miejscu oznaczonym EB
na rysunku 2. Zawór regulacyjny ZR1 należy całkowicie zakręcić. Zawory ZR2 i ZU
powinny być całkowicie otwarte. Należy uruchomić komputer, a następnie pompę. Woda
zasysana przez pompę ze zbiornika będzie przepływać w obiegu zamkniętym przez część
rurociągu, na której zamontowany jest zawór upustowy. Pomiaru natężenia przepływu wody
przy ustalonym ciśnieniu dokonuje się odkręcając zawór regulacyjny ZR1 i jednocześnie
zakręcając zawór upustowy ZU. W jednej serii prób dokonuje się pomiaru natężenia
przepływu wody przy ciśnieniu od 0,5 bar do 6,5 bar w odstępach co 1 bar. Ciśnienie należy
zwiększać od 0 do każdej z tych wartości. W drugiej serii dokonuje się pomiaru natężenia
przepływu zmniejszając ciśnienie od wartości 6,5 bar do wartości 0,5 bar. Wyniki należy
odczytywać z ekranu monitora i notować w tabeli pomiarowej.
4.
Tabela 1.
P
Bar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Nazwa tryskacza:
K
Q
-1
1·min
-1
Kśr
-1/2
1·min bar
1.min-1 bar-1/2
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
5,5
4,5
3,5
2,5
1,5
0,5
Podobnie należy dokonać pomiarów dla innych tryskaczy wskazanych przez
prowadzącego ćwiczenie. Z otrzymanych wyników pomiarów należy obliczyć średnią
wartość współczynnika przelotowości K, która powinna się zawierać w granicach
5
określonych tabeli 2.
Tabela 2. Współczynnik przelotowości
Średnica nominalna tryskacza
[mm]
10
15
20
K
57±3
80±5
115±6
K dla tryskaczy suchych
57±5
80±6
115±9
Opracowanie sprawozdania
W sprawozdaniu należy:
1.
Krótko opisać sposób wyznaczania współczynnika przelotowości tryskaczy
wraz ze schematem stanowiska laboratoryjnego.
2.
Przedstawić tabele pomiarowe z obliczonymi wartościami K dla badanych
tryskaczy.
3.
Opracować wnioski.
6.
Pytania kontrolne
1.
Opisz metodykę wyznaczania stałej wypływu (współczynnika przelotowości)
tryskaczy wg Polskiej Normy.
2.
Opisz zjawisko kontrakcji.
3.
Opisz zjawisko straty prędkości.
4.
Wyprowadź wzór Torricellego.
5.
Co to jest stała wypływu tryskacza i od czego zależy?
6.
Jakie są znormalizowane stałe wypływu tryskaczy?
5.
7.
[1]
[2]
[3]
Literatura
PN-ISO 6182-1, Ochrona przeciwpożarowa. Urządzenia tryskaczowe.
Wymagania i metody badań dla tryskaczy.
Wodociągi i kanalizacja. Podstawy projektowania i eksploatacja.
Praca zbiorowa pod kierunkiem prof. dr. inż. Marka Romana, Wydanie 2,
„Arkady", Warszawa 1991.
Jan Lindner, Włodzimierz Struś, Przeciwpożarowe urządzenia i instalacje
wodne, „Arkady", Warszawa 1977.
6