Водопроводные системы и сооружения

Содержание Введение

1. Водопроводные системы и сооружения

1.1 Общие схемы водопроводов

1.2 Классификация водопроводов

1.3 Нормы расхода воды водопроводной сети

2. Расчет гидравлических сопротивлений водопроводных систем

2.1 Потери энергии по длине трубопровода

2.2 Гидравлический расчет водопроводной сети

2.2.1 Гидравлический расчет первого этапа водопроводной сети

2.2.2 Гидравлический расчет второго этапа водопроводной сети

3. Насосно-рукавные системы

3.1 Классификация насосов и их применение в пожарном деле

3.2 Классификация, устройство и принцип действия центробежных насосов

3.3 Основные рабочие параметры насосов

3.4 Работа насоса на сеть

3.5 Расчет рукавных систем

4. Пример расчета пожарных струй

4.1 Расчет сплошной струи

4.2 Расчет вертикальной струи

4.3 Расчет наклонных струй

5. Пример расчета наружных и внутренних противопожарных систем

5.1 Определение необходимого напора в наружной водопроводной сети у расчетного гидранта низкого давления

5.2 Определение необходимого напора в наружной водопроводной сети у расчетного гидранта высокого давления

5.3 Определение напора у внутренних пожарных кранов

5.4 Расчет числа автонасосов, необходимых для перекачки Список использованных источников Введение В современном обществе резко возрастает роль промышленной экологии, призванной на основе оценки степени вреда, приносимого природе индустриализацией, разрабатывать и совершенствовать инженерно-технические средства защиты окружающей среды, всемерно развивать основы создания замкнутых, безотходных и малоотходных технологических циклов и производств. В связи с этим важное место в деле защиты окружающей среды отводится экологическому образованию инженерных кадров.

Основные противопожарные требования предусматривают получение необходимых расходов воды под требуемым напором в течение рассчитанного времени тушения пожаров. Студенты специальности «Противопожарная защита» должны хорошо знать методы, приемы и технические средства и устройства противопожарного водоснабжения и умело применять их при экспертизе проектов и эксплуатации водопроводов.

Согласно требованиям ГОС ВПО направления подготовки дипломного специалиста «Техносферная безопасность», специальности 280 103 «Защита в чрезвычайных ситуациях» в учебном пособии «Противопожарное водоснабжение» разработаны следующие основные разделы:

— объекты водопроводных систем и сооружений;

— расчет расходов воды на противопожарное водоснабжение населенных пунктов и промышленных объектов;

— гидравлический расчет требуемого напора в течении рассчитанного времени тушения пожаров;

— методика расчета насосно-рукавных систем;

— методика расчета пожарных струй;

— методика расчета наружной и внутренней противопожарной сети.

1. ВОДОПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ И СООРУЖЕНИЯ Противопожарному водоснабжению уделяют большое внимание при проектировании городов, промышленных предприятий и других объектов народного хозяйства. Однако самостоятельное противопожарное водоснабжение устраивают очень редко. Чаще всего требования пожарной охраны входят в комплекс общих задач водоснабжения населенных мест и промышленных предприятий.

Основные нормативные требования, предъявляемые к водоснабжению (водопроводным сооружениям и наружным сетям), изложены в строительных нормах и правилах: СНиП II-31−74 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Нормы проектирования и СНиП II-Г.1−70 «Внутренний водопровод зданий. Нормы проектирования».

Противопожарное водоснабжение населенных мест и промышленных предприятий может быть безводопроводное и водопроводное. Безводопроводное предусматривает использование в первую очередь естественных водоисточников (рек, озер, прудов) или искусственных водоисточников (колодцев, резервуаров, водохранилищ, каналов). Для водопроводного используют существующие водопроводы путем отбора воды пожарными автонасосами из гидрантов.

В зависимости от степени пожарной опасности производств и с учетом экономического фактора безводопроводное противопожарное водоснабжение предусматривают для предприятий с территорией не более 20 га и категорией производства Г и Д при расходе воды на наружное пожаротушение 20 л/с и менее, а также для населенных мест с числом жителей не более 5 тыс. человек и для отдельно расположенных общественных зданий.

Для отдельных производственных зданий I и II степени огнестойкости объемом не более 2000 м³ с производствами категории Д, а также для населенных мест с числом жителей до 50 человек при застройке зданиями высотой до двух этажей противопожарное водоснабжение можно не предусматривать.

1.1 Общие схемы водопроводов В качестве источников водоснабжения могут быть использованы открытые и подземные водоисточники. В зависимости от вида водоисточника возможны следующие схемы водоснабжения:

а) схема подачи воды из открытых водоисточников (рис. 1)

Рис. 1 Схема водопровода при открытых водоисточниках:

1 — водозаборный колодец; 2 — насосная станция I подъема; 3 — очистные сооружения; 4 — запасной резервуар; 5 — насосная станция II подъема; 6 — водонапорная башня; 7 — водопроводная сеть Вода из источника водоснабжения поступает в водозаборные устройства 1, откуда забирается насосной станцией первого подъема 2 и подается на очистные сооружения 3. С очистных сооружений вода самотеком поступает в запасные резервуары чистой воды 4, из которых насосами насосной станции II подъема 5 подается в водонапорную башню 6 или водопроводную сеть 7.

Водозаборные устройства, насосная станция и очистные сооружуния относятся к сооружениям I подъема. Запасной резервуар, вторая насосная станция, водонапорная башня и наружная водопроводная сеть — к сооружениям II подъема;

б) схема подачи воды из подземных водоисточников (рис. 2).

Рис. 2. Схема водопровода при подземных источниках:

1 — артезианская скважина с насосом I подъема; 2 — запасной резервуар; 3 — насосная станция II подъема; 4 — водонапорная башня; 5 — водопроводная сеть.

Для забора воды из подземных водоисточников устраивают шахтные колодцы, артезианские скважины 1. Из артезианской скважины вода подается в запасные резервуары 2, откуда перекачивается насосами насосной станции II подъема 3 в водопроводную башню 4 или водопроводную сеть 5.

1.2 Классификация водопроводов Водопроводом называется комплекс сооружений, предназначенных для забора воды из водоисточника, ее очистки, хранения, транспортирования и распределения между потребителями. Системы водоснабжения по надежности подачи воды подразделяются на три категории и принимаются в зависимости от вида промышленного предприятия, количества жителей в населенном пункте и требований бесперебойности подачи воды (таблица 1).

Таблица 1

Классификация системы водоснабжения по надежности

В зависимости от вида обслуживаемого объекта водопроводы могут быть городские и промышленные. По назначению потребляемой воды водопроводы подразделяются на:

— хозяйственно-бытовые, подающие воду, для приготовления пищи и удовлетворения санитарно-технических потребностей (работы санитарных узлов, ванн, душей и т. п.)

— производственные, подающие воду для отопления, получения пара для технологических целей, мойки, сырья, полуфабрикатов, готовой продукции;

— пожарные;

— объединенные, которые обеспечивают одновременно несколько назначений (например, хозяйственно-бытовые и пожарной, производственно-пожарный или хозяйственно-производственно-пожарный водопровод). Наиболее экономически целесообразны объединенные хозяйственно-бытовые пожарные водопроводы.

1.3 Нормы расхода воды водопроводной сети При возникновении пожара водопроводные сооружения и сети должны пропустить одновременно с максимальными хозяйственно-бытовыми и производственными расходами воды и расход воды на тушение пожара.

Отсюда общее количество воды, необходимое в водопроводной системе, состоит из трех составляющих:

Q = (Q₁ + Q₂ + Q₃) Ч K₃, м³/с (1)

где Q₁ = Q_сут.ср = Q_х/п — суточный расход воды на хозяйственно-бытовые нужды, м³/с;

Q — расход воды на производственные и хозяйственно-бытовые нужды промышленных объектов, м³/с;

Q₃ — расход воды на пожаротушение, м³/с;

К₃=1,3 — коэффициент запаса воды в водопроводной сети.

1.3.1 Расход воды на хозяйственно-бытовые нужды населенных пунктов Расход воды на хозяйственно-бытовые нужды населенных пунктов рассчитывается по следующей формуле:

м³/с (2)

где q_ж — водопотребление на одного жителя, л/сут (приложение 2, табл. 1);

N_ж — число жителей населенного пункта (приложение 1, табл. 1).

1.3.2 Расход воды на производственные и хозяйственно-бытовые нужды промышленных объектов Расход воды на производственные и хозяйственно-бытовые нужды промышленных объектов состоит из двух составляющих:

Q₂ = Q_пр + Q_х/б, м³/с, (3)

где Q_пр — расход воды на производственные нужды, м³/с (приложение 2, табл. 1).

м³/с (4)

Где N_пр — количество рабочих на производстве (приложение 2, табл. 1);

q_пр — удельный расход воды на одного рабочего, л/см (приложение 2, табл. 1);

n — число смен в сутки (приложение 2, табл. 1);

К = 3 — коэффициент неравномерности водопотребления (приложение 2, табл. 1);

8 — восьмичасовой рабочий день.

1.3.3 Расход воды на пожаротушение Количество воды, необходимое для пожаротушения, зависит от степени огнестойкости, объема здания, категорий и от числа жителей.

Q₃ = Q_нар + Q_вн + Q_спр + Q_др, м³/с (5)

где Q_нар — расход воды на наружное пожаротушение в течение часов;

Q_вн — расход воды на внутреннее пожаротушение в течении 3 часов;

Q_спр — расход воды на спринкерное пожаротушение в течение 1 часа;

Q_др — расход воды на дренчерное пожаротушение в течение 1 часа.

Расход воды на наружное пожаротушение состоит из двух составляющих:

Q_нар = Q_нп + Q_пр, м³/с (6)

Где Q_нп — расход воды на наружное пожаротушение населенных пунктов через гидранты, м³/с;

Q_пр — расход воды на наружное пожаротушение промышленных объектов через гидранты, м³/с.

Расход воды на наружное пожаротушение населенных пунктов через гидранты определяетсяй по следующей формуле:

м³/с (7)

Где q_нп — расход воды на тушение одного пожара, л/с (приложение 1, табл. 1);

n_нп — число пожаров (приложение 1, табл. 1);

Расход воды на наружное пожаротушение промышленных объектов через гидранты определяетсяй по следующей формуле:

Q_пр = q_пр Ч n_пр, м³/с (8)

Где q_пр — расчетный расход воды на наружное пожаротушение промышленных объектов одного пожара через гидрант (приложение 1, табл. 2);

n_пр — количество пожаров на промышленном объекте (приложение 2, табл. 2)

Расход воды на внутреннее пожаротушение определяется по формуле:

Q_вн = q_c Ч n_с, м³/с (9)

Где q_с — расход воды на одну струю пожарного рукава, л/с;

n_пр — число струй (приложение 1, табл. 3).

Спринкерное оборудование предназначено для автоматической подачи сигнала о пожаре и его тушении. Оборудование состоит из труб, расположенных внутри помещения под потолком. На трубах установлены спринкеры, которые автоматически открываются при повышении температуры в помещении до заданного предела и подают в очаг горения воду в виде капельных водяных струй. Расход воды на спринкерное оборудование Q_спр представлении в таблице 2.

Таблица 2

Расход воды на спринкерное оборудование

Дренчерное оборудование предназначено для автоматического или ручного тушения пожара в помещении путем орошения капельными водяными струями на расчетной площади здания. Дренчерное оборудование используют также для создания водяных завес в проемах дверей и окон. Такое оборудование применяют для пожароопасных объектов (легковоспламеняемых веществ и жидкостей). Расход воды на дренчерное оборудование Q_др также представлен в таблице 2.

2. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ВОДОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ При движении воды по трубопроводам и пожарным рукавам происходит потеря энергии на преодоление гидравлических сопротивлений. Он слагается из следующих видов:

1) на преодоление сопротивления на подъем воды в напорную башню или на высоту рассматриваемого объекта, называемых геометрической высотой подъема воды;

2) на преодоление сопротивлений, вызываемых трением жидкости при движении по трубопроводам и пожарным рукавам, называемых потерями энергии по длине;

3) на преодоление сопротивлений на местных участках трубопровода и пожарных рукавов, (задвижка, вентиль, поворот, внезапное расширение или сужение трубы и т. п), назывемых потерями энергии на местные сопротивления.

Согласно общей схемы водопроводов (рис. 1, 2) мы имеем два этапа передачи воды: первый этап — передача воды от источника забора до водонапорной башни; второй этап — от башни до производственных, жилых помещений и пожарных гидрантов.

Общая величина потерь энергии H составляет сумму всех потерь энергии по длине отдельных участков трубопровода, всех местных потерь энергии и геометрической высоты подъема воды H_г:

H = + + H_г (10)

2.1 Потери энергии по длине трубопровода При установившемся движении жидкости потери энергии зависят от физических свойств движущейся жидкости, средней скорости течения, размеров трубопровода и характера шероховатости стенок трубы. Эта зависимость может быть выражена формулой Дарси — Вейсбаха:

м.*Н₂О (11)

где л — коэффициент гидравлического трения;

l — длина трубы, м;

d — диаметр трубы, м;

U — скорость движения воды, м/с;

g — ускорение силы тяжести, 9,81 м/с².

Для всех областей сопротивления л можно определить по формуле Альтшуля:

(12)

где? — абсолютная шероховатость, м, определяется по таблице 5 (приложение)

Re — коэффициент Рейнольдса, определяемый из выражения:

2.2 Гидравлический расчет водопроводной сети Важнейшей задачей любого расчета сводится к определению гидравлических машин по специальным таблицам.

Большинство применяемых в технике пожаротушения используют стационарные насосы, устанавливаемые на насосных станциях, так и насосы пожарных автомобилей.

Данные насосов по принципу действия делятся на следующие основные группы:

1. Поршневые насосы, принцип действия которых основан на вытеснении жидкости из цилиндра с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное движение.

2. Роторные насосы, движение жидкости которых осуществляется вращением ротора, имеющего вытеснители.

3. Струйные насосы, подсос перекачиваемой жидкости в которых осуществляется благодаря разрежению, создаваемому струей рабочей жидкости, газа или пара.

4. Центробежные и осевые насосы, работа которых основана на силовом взаимодействии перекачиваемой жидкости с вращающимся рабочим колесом насоса.

При организации пожарного водоснабжения преимущественное распространение получили центробежные насосы.

Подачей (расходом) насоса Q называется объем жидкости, перекачиваемой в единицу времени, м³/с (л/с).

Напором насоса H называется разность полных удельных энергий потока у выхода и входа в насос, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Мощность насоса N представляет собой работу, совершаемую насосом в единицу времени

N = =, Вт (кВт)(13)

2.2.1 Гидравлический расчет первого этапа водопроводной сети (от водозабора до напорной башни согласно рисунку 1)

Полный напор H для данного этапа, согласно представленной схемы (рис. 1) состоит из следующих составляющих:

H_I = H_Г + h_тр + h_песч.ф + h_пол.ф, м*Н₂о, (14)

Где а) H_Г — гидравлическая высота подъема воды в напорную башню представлена в исходных данных, м. вод. ст.

б)

h_тр = (1 +) (15)

— коэффициент сопротивления на длине водопровода.

— коэффициент сопротивления на длине водопровода.

— скорость воды в водопроводе, м/с в) — потери энергии в песчаных фильтрах

(16)

где

— коэффициент сопротивления фильтра

; (17)

Ф=0,8 — фактор формы частиц песка.

U₀ — скорость фильтрации, м/с

d₂ -диаметр частиц песчаного гравия, м;

е=0,40 — порозность при свободной засыпки песка.

г)

— мощность насоса, необходимое для подачи воды от водозабора до напорной башни, Вт (кВт) где

?? = полный КПД насоса,

= 0,8 гидравлический КПД, учитывающий гидравлические потери мощности в результате снижения напора при движении воды в корпусе насоса;

= 0,9 механический КПД, учитывающий механические потери мощности на трение в сальниках и подшипниках насоса;

= 0,9 объемный КПД, учитывающий потери мощности в результате циркуляции воды через щелевые зазоры между рабочим колесом и корпусом насоса.

2.2.2 Гидравлический расчет второго этапа водопроводной сети (от напорной башни до населенного пункта и промышленных объектов) Потери энергии в водопроводе при передачи воды от напорной башни до гидрантов населенных пунктов и промышленных объектов определяются по формуле:

H = h_тр, м.вод.ст.

h_тр =

= + n_вент + n_пов + - потери энергии на местные сопротивления;

n_вент = 3 — количество вентилей на линии водопровода второго этапа;

n_пов = 4 — количество плавных поворотов на 120⁰ на линии водопровода второго этапа.

3. Насосно-рукавные системы противопожарный водоснабжение гидравлический насос Практические задачи по подаче воды к месту пожара решаются с учетом совместной работы водопроводной сети, насосов и рукавных систем. При подаче воды для пожаротушения используют как стационарные насосы, устанавливаемые на насосных станциях, так и насосы пожарных автомобилей и мотопомп.

3.1 Классификация насосов и их применение в пожарном деле Большинство применяемых в технике насосов можно разделить по принципу действия на следующие основные группы:

1. Поршневые насосы, принцип действия основан на вытеснении жидкости из цилиндра с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное движение.

2. Роторные насосы, движение жидкости в которых осуществляется вращением ротора, имеющего вытеснители.

3. Струйные насосы, подсос перекачиваемой жидкости в которых осуществляется благодаря разряжению, создаваемому струей рабочей жидкости, газа или пара.

4. Центробежные и осевые насосы, работа которых основана на силовом взаимодействии перекачиваемой жидкости с вращающимся рабочим колесом насоса.

При организации пожарного водоснабжения преимущественное распространение получили центробежные насосы. Основными достоинствами центробежных насосов являются простота и компактность конструкции, относительно небольшая масса, удобство их соединения с электродвигателями и двигателями внутреннего сгорания, способность перекачивать сильно загрязненные жидкости, высокая производительность и способность к «саморегулированию». Последнее свойство проявляется в том, что при изменении расхода воды или прекращении ее подачи центробежный насос продолжает работать, не выходя из строя.

3.2 Классификация, устройство и принцип действия центробежных насосов Центробежные насосы принято классифицировать по создаваемому напору, числу рабочих колес, способу подвода жидкости в рабочее колесо и отвода ее, расположению вала насоса, коэффициенту быстроходности и другим признакам.

По создаваемому напору различают насосы низкого давления, развивающие напор до 20 м, среднего давления — от 20 до 60 м и высокого давления — свыше 60 м.

По числу рабочих колес насосы делятся на одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Жидкость в них проходит через последовательно соединенные колеса, постепенно увеличивая напор до заданного предела. Производительность многоступенчатого насоса равна производительности одного рабочего колеса.

По коэффициенту быстроходности n_s рабочие колеса центробежных насосов подразделяют на три группы: тихоходные n_s = 40 — 80, нормальные n_s =80 — 120, быстроходные n_s = 120 — 200. Коэффициент быстроходности характеризует конструктивные особенности серии подобных насосов и представляет собой частоту вращения эталонного рабочего колеса, которое, будучи геометрически подобно заданному колесу насоса при мощности N = 0,736 кВт, напоре H = 1 м, обеспечивает подачу Q = 0,075 м³/c .

Коэффициент быстроходности определяют по формуле:

n_S = 3,65

Где Q — подача насоса, м³/c

H — напор, развиваемый насосом, м

n — частота вращения рабочего колеса, в 1 мин.

Из формулы, следует, что при заданной частоте вращения коэффициент быстроходности n_s увеличивается с ростом подачи и с уменьшением напора. Поэтому тихоходные колеса служат для создания больших напоров при малой подачи, а быстроходные дают большую подачу при сравнительно незначительных напорах. Центробежные насосы с тихоходными и нормальными колесами наиболее часто применяют в пожарной техники.

3.3 Основные рабочие параметры насосов Насосы характеризуются следующими основными параметрами:

Подачей (расходом) Q, напором H, мощностью N, полным КПД: ?? и высотой всасывания H_вс.

Подачей (расходом) насоса — объем жидкости, перекачиваемый в единицу времени. Подача насоса измеряется в м³/ч, м³/мин, л/с.

Напором насоса называют, разность полных удельных энергий потока у выхода и входа в насос, вычисленную в метрах столба перекачиваемой жидкости.

Рис. 3. Схема насосной установки:

1 — напорный резервуар; 2 — расходомер; 3 — задвижки; 4 — обратный клапан;5 — манометр; 6 — напорный трубопровод; 7 — насос; 8 — вакуумметр; 9 — всасывающий трубопровод; 10 — всасывающая сетка; 11 — водоем Для пояснения сущности напора, развиваемого насосом, рассмотрим схему его работы при перекачивании жидкости из одного резервуара в другой. (Рис. 3)

Установим величину удельной энергии жидкости сечения II — II, т. е до насоса, и в сечении III — III после насоса относительно плоскости сравнения, совмещенной со свободной поверхностью жидкости в водоеме, из которого перекачивается жидкость:

e₂ = H_вс + p_вс/х + U²_вс/(2g)

e₃ = H_вс + H₀ + p_H/х + U²_H/(2g)

Где H_вс — высота всасывания насоса

H₀ — расстояние по вертикали между точками установки вакуумметра и манометра

p_вс и p_n — абсолютные давления во всасывающем и напорном трубопроводах

U_вс и U_в — средние скорости жидкости во всасывающем и напорном трубопроводах.

Удельная энергия жидкости e₃ после насоса всегда больше удельной энергии e₂ до него. Разность этих величин есть напор, развиваемый насосом:

Н = e₃ — e₂ = H₀ + (p_H — p_вс)/х + (U²_H — U²_вс)/(2g)

Зная давление в насосной установки, т. е имея показания манометра и вакуумметра, можно определить p_H и p_вс. Действительно, манометр, установленный на напорном трубопроводе, показывает избыточное давление в сечении III — III:

p_M = p_H — p_ат, откуда p_H = p_M + p_ат

Вакуумметр, установленный в сечении II — II, показывает разность между атмосферным и абсолютными давлениями в этом сечении:

р_вак = р_ат — р_вс, откуда р_вс = р_ат — р_вак

После подстановки в выражение значений p_H и p_вс получим формулу для определения напора насоса по показаниям манометра и вакуумметра:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/х + (U²_H — U²_вс)/(2g)

Таким образом, полный напор H, развиваемый насосом, определяется высотой столба перекачиваемой жидкости. H₀ между манометром и вакуумметром, суммой показаний этих приборов и разностью кинетической энергии жидкости за и пред насосом. Величина H₀ в зависимости от условий монтажа установки может принимать различные значения, в том числе и отрицательные, если манометр будет расположен ниже вакуумметра.

В случае равенства диаметров всасывающего и напорного патрубков, получим формулу для определения напора:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/х Если насос питается от водопровода, обеспечивающего напор на выходе, то во всасывающем патрубке насоса будет не вакуум, а избыточное давление p_вх, и значит p_вс = p_ат + p_вх. Используя это выражение при подстановки в уравнение значений p_Н и p_вс, получим следующую формулу для определения полного напора:

Н = Н₀ + (р_вак + р_М)/х + (V²_H — V²_вс)/(2g)

Уравнение используют для определения напора работающего насоса при его испытании. В практических расчетах насосно-рукавных систем часто за напор, развиваемый насосом, принимают показания манометра, выраженные в м, т. е H = p_M/х.

Для определения напора по элементам насосной установки (2 способ определения напора) составим уравнения Бернулли для сечений I-I и II-II, III-III и IV-IV:

z₁ + p₁/х + V²₁/(2g) = z₂ + p₂/х + V²₂/(2g) + h_вс

z₃ + p₃/х + V²₃/(2g) = z₄ + p₄/х + V²₄/(2g) + h_H

Приняв за плоскость сравнения плоскость I-I, выясним значение величин, входящих в уравнения:

z₁ = 0; z₂ = H_вс; z₃ = Н_вс + Н₀; z₄ = Н_вс + Н₀ + Н_н;

р₁ = р_ат; р₂ = р_вс р₃ = р_н р₄ = р₀

V₁ = 0; V₂ = V_вс V₃ = V_H V₄ = 0

Тогда с учетом следующих замечаний будем иметь:

p_вс/х = p₄/х — H_вс — V²_вс/(2g) — h_вс

p_Н/х = p₀/х — H_Н — V²_Н/(2g) + h_Н

После подстановки значений p_вс/х и p_H/х в уравнение получим:

H = p₀/х — р_ат/х + H_вс + Н₀ + Н_Н + h_вс + h_Н

Если учесть, что Н_вс + Н₀ + Н_Н = Н_Г

(Н_Г — геометрическая высота подъема жидкости), и положить

(p₀ — p_ат)/х = H_св

(здесь Н_св — свободный напор), то формула для определения напора насоса по элементам насосной установки примет вид:

H = H_Г + h_вс + h_Н + Н_св

Это выражение используется в практике для определения необходимого напора. Из формулы следует, что напор, создаваемый насосом, расходуется на подъем жидкости, преодоление сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах и на создание свободного напора в конце линии.

Мощность насоса представляет собой работу, совершаемую насосом в ед. времени. Мощность определяют следующим образом:

Насос перекачивает х Q, кг/c жидкости и поднимает ее на высоту, соответствующую напору Н. Следовательно, хQH представляет собой секундную работу или мощность. В данном случае затрачиваемая мощность расходуется только на полезную работу, связанную с перекачиванием жидкости, поэтому она называется эффективной мощностью:

N_э = х Q H

По системе СИ мощность определяют в Вт или кВт.

В действительности мощность, потребляемая насосом, больше эффективной, так как во время работы часть мощности теряется.

Эффективность работы насоса оценивается полным КПД от ?? насоса, который равен отношению эффективной (полезной) мощности N_э насоса к потребляемой им мощности двигателя N:

?? = N_э/N

Потребляемая мощность N кВт, может быть посчитана по формуле:

N = Mn/975

Полный КПД насоса ?? определяют из выражения

?? = ??_Г ??_М ??₀

Величина полного КПД центробежных насосов зависит от их конструкции и изменяется в пределах 0,6−0,9.

Высота всасывания и явление кавитации. Необходимо различать вакуумметрическую высоту всасывания Н_вак, характеризующую степень разряжения, возникающего у входа в насос, и геометрическую высоту всасывания Н_вс, которое определяет высоту установки оси насоса над уровнем жидкости.

Вакуумметрическая всасывания зависит от атмосферного давления, температуры и удельного веса перекачиваемой жидкости, величины потерь напора во всасывающей линии насоса, конструктивных особенностей и др. обычно допускаемая Н_вак указано в каталогах насосов.

Связь между вакуумметрической и геометрической высотами всасывания может быть установлена из уравнения Бернулли, составленного для сечений I-I и II-II относительно плоскости сравнения I-I.

Считая, что давление по поверхности жидкости равно атмосферному, а скорость течения в водоеме равна 0, получим:

р_ат/х = Н_вс + р_вс/х + U²_вс/(2g) + h_вс

Так как

p_ат — p_вс = p_вак и p_вак/х = H_вак,

формулу можно записать таким образом:

Н_вс = (p_ат — p_вс)/х — U²_вс/(2g) — h_вс

Н_вс = H_вак — U²_вс/(2g) — h_вс

Из формулы следует, что геометрическая высота всасывания меньше вакуумметрической на величину скоростного напора и потерь напора во всасывающем трубопроводе. С увеличением подачи насоса мах допустимая высота всасывания уменьшается. Определяя высоту всасывания, необходимо иметь в виду, что при понижении давления p_вс во всасывающем трубопроводе может происходить парообразование и нормальная работа насоса будет нарушена. Поэтому мин. давление в насосе должно быть выше давления парообразования жидкости, причем давление паров воды сильно увеличивается с повышением ее температуры.

Чем выше температура воды, тем меньше высота всасывания, и практически при t>70⁰C забор воды становится невозможен. Обычно геометрическая высота всасывания для центробежных насосов составляет не более 5 — 7 м и лишь для некоторых типов насосов она доходит до 7,5−8 м.

Кавитация в насосе возникает из-за чрезмерного падения давления во всасывающей части насоса. Понижение давления происходит по ряду причин, основными из которых являются:

Чрезмерная высота всасывания Высокая t перекачиваемой жидкости Низкое атмосферное давление.

Явление кавитации заключается в том, что выделяющиеся из жидкости пузырьки пара увлекаются потоком и, попадая в область повышенного давления, мгновенно конденсируются, в результате чего происходит местное повышение давлении. Кавитация сопровождается характерным шумом и треском, понижением напора и КПД насоса, иногда наблюдается вибрация насоса. Особенно быстро при этом разрушается чугун, более стойкими металлами являются бронза и нержавеющая сталь. Поэтому кавитация при работе насосов недопустимо, а высота всасывания должна быть такой при которой возникновение кавитации не возможна.

3.4 Работа насоса на сеть Необходимо, чтобы насос по своей характеристики соответствовал характеристики трубопровода, при этом мах. отклонение КПД работающего насоса не должно превышать 5−7% оптимального значения КПД.

Ранее была получена формула для определения требуемого напора насоса с учетом сопротивлений во всасывающем и напорном трубопроводах:

H = H_Г +h_вс + h_н + H_св

Из гидравлики известно, что потери напора в трубах могут быть выражены таким образом:

h = h_вс + h_н = sQ²

Следовательно полный напор насоса может быть представлен как:

H = H_Г + H_св + sQ²

Так как для заданных условий H_Г и H_св известны, то формула может быть записана:

H = z + S Q²

Выражение является характеристикой насосной установки. Если характеристику трубопровода

H = z + S Q²

предоставит на одном графике с рабочей характеристикой насоса

H = a — b Q²,

то точка пересечения характеристик будет рабочей точкой насоса. Если рабочая точка отвечает оптимальному режиму работы насоса, то он подобран правильно.

Рис. 5. Определение рабочей точки насоса Если пропускная способность трубопровода Q_в меньше подачи насоса Q_a, то энергия двигателя заканчивается на создании излишнего напора

?Н = Н_в — Н_в,

который вхолостую гасится задвижками. Если пропускная способность трубопровода Q_c, больше подачи насоса Q_a, то подача жидкости в трубопровод в необходимом количестве невозможно. В этом случае для получения рабочей точки С необходимо: применить насос с другой характеристикой; или увеличить число оборотов насоса; или уменьшить потери напора в сети.

3.5 Расчет рукавных систем Вода к месту пожара подается по рукавным системам от передвижных пожарных насосов.

На практике пожаротушения используются различные виды насосно-рукавных систем, выбор которых зависит от характеристики водопровода (водоподачи, удаленность гидранта от очага пожара.)

Когда источник приема воды находится на большом расстоянии, прокладывают линию из последовательно соединенных рукавов.

Если имеются несколько очагов пожара, а водопровод один, то используют параллельные разветвления.

Гидравлические расчеты рукавных систем сводятся к решению трех основных задач:

1. Определение напора у насоса, если заданы расчетный расход воды, напор перед пожарным стволом, вид рукавной системы, а также длина и диаметр рукавов;

2. Определение расхода воды из стволов при заданном напоре у насоса и системе подачи;

3. Определение предельной длины рукавной системы по расчетному расходу воды и напору у насоса.

Определение напора у насоса

В практических расчетах насосно-рукавных систем, обычно определяют напор, фиксируемый манометром, который устанавливают на напорном патрубке насоса. Величина этого напора зависит от преодоления сопротивлений в рукавной системе h_c, подъема жидкости на высоту H_г и создания свободного напора у ствола H_св для подачи струи, т. е

H = h_c + H_г + H_св

а) Свободный напор у ствола определяют по формуле:

Н_св = sQ²

б) Определение потерь энергии при движении жидкости в рукавной системе.

;;; ;

Определение потерь напора в рукавных линиях при последовательном соединении Определение потерь напора в рукавных линиях при параллельном соединении Определение потерь напора в рукавных линиях при смешанном соединении

4. Пример расчета пожарных струй

4.1 Расчет сплошной струи

м, где Н =- напор воды у пожарного ствола, (табл.1, прил. 5);

И= - угол наклона ствола к горизонту, (табл.1, прил. 5);

К= - коэффициент сопротивления трению в воздухе; (табл.1, прил. 5);

d= - диаметр пожарного ствола. (табл.1, прил.5).

4.2 Расчет вертикальной струи

4.3 Расчет наклонных струй Расчет наклонных струй ведут по отношению к данным полученным для вертикальных струй.

R_p = в· Н_вм где R_p— радиус действия раздробленной струи, в — коэффициент, учитывающий радиус действия наклонной струи

5. Пример расчета наружных и внутренних противопожарных систем

5.1 Определение необходимого напора в наружной водопроводной сети у расчетного гидранта низкого давления

H_C=H_св+h_ГК+Z,

Где

h_ГК=S_ГКQ²=;

S_ГК=- (табл.8, прил. 1);

Z=м — высота здания (табл.1, прил.6);

H_св=м — напор в гидранте на уровне поверхности земли

5.2 Определение необходимого напора в наружной водопроводной сети у расчетного гидранта высокого давления

H_св=Н_нас+h_рук.л+Z_зд — свободный напор у гидранта, м Где Н_нас=0,212*4² =3,4 м;

S_нас= f (d_нас=25мм) = 0,212 (табл. 14 приложение1);

h_рук.л = S_1рукnQ² = 0,03•6•4²=2,88 м;

S_1рук=0,03 -сопротивление одного непрорезиненного рукава (табл.13,прил. 1);

n=6 — число рукавов;

отсюда Н_св=3,4+2,88+36=42,28 м

5.3 Определение напора у внутренних пожарных кранов Использую таблицу 7 (прил. 1) определяем напор у пожарного крана при следующих данных (табл.2, прил. 6)

l_рук=10м; d_укр=50мм; d_ств=13мм и R_{комн.струи}(высота здания)=16 Н_крана=31,6 м; Q_{п/струи}=3,2 л/c

5.4 Расчет числа автонасосов, необходимых для перекачки где а=125; b=0,075 — параметры, характеризующие тип насоса (табл.11, прил. 1);

S=0,015 при d_{рук прорез .}= 77 (табл.13, прил. 1);

Q=34л/с — расход воды на наружное пожаротушение (табл. 1, прил. 6)

Список использованных источников

1. Г. И. Николаев, Б. В. Бадмацыренов, Г. Ж. Ухеев, Э. Ю. Лубсанов Противопожарное водоснабжение: Учебно-методическое пособие. — Улан-Удэ, Издательство ВСГУТУ, 2011.