ИСПЫТАТЕЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к пожарно-измерительной техники, в частности к испытательно-измерительному комплексу оценки интенсивности охлаждения насосно-рукавной системы при эксплуатации в условиях пониженных температур окружающей среды.
Очень часто, при воздействии низких температур окружающей среды, возникают проблемы с насосом, водопенными коммуникациями пожарных автомобилей. Даже при временном прекращении подачи воды и остановке рабочего насоса, в его полости происходит замерзание оставшейся воды.
При длительной подаче воды по рукавным линиям в условиях низких температур происходит замерзание воды внутри пожарных рукавов. Скорость формирования льда зависит от диаметра рукавов, скорости движения воды, ее температуры, а также температуры окружающей среды, что сильно затрудняет тушение пожара.
Известен «Мобильный испытательный комплекс» (патент РФ №2297531, кл. E21B 47/00 пуьл. 20.04.2007).Мобильный испытательный комплекс содержит линию приема газожидкостной смеси, сепаратор, фильтр, многофазный расходомер, счетчик газа, электронный блок в составе датчиков температуры, давления, емкости, проводимости и газа, функционального преобразователя в составе пяти аналого-цифровых преобразователей и постоянного запоминающего устройства, персональный компьютер, монитор, клавиатуру, печатающее устройство, систему связи в составе спутникового телефона с антенной. Основная аппаратура и оборудование размещены в кузове - фургоне на шасси автомобиля повышенной проходимости.
К причинам, препятствующим использование известного комплекса относится сложное техническое оснащение и отсутствие адаптированности к пожарной технике.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков к предлагаемой полезной модели является патент №2297531, который и выбран в качестве прототипа.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в том, чтобы создать испытательный комплекс, позволяющий заранее определить оптимальные условия для обеспечения работоспособности насосно-рукавных систем пожарного автомобиля в условиях низких температур воздуха.
Использование испытательно-измерительного комплекса позволит заранее произвести оценку обеспечения работоспособности напорной рукавной линии пожарного автомобиля при тушении крупных пожаров при низких температурах окружающей среды, а именно определить:
- критические длины рукавных линий до начала ледообразования;
- температуру охлаждения огнетушащих веществ в напорных рукавных линиях по их длине;
- температуру подогрева воды в напорных пожарных рукавах при использовании различных пожарно-технических средств.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что испытательно-измерительный комплекс, включающий транспортное средство, линию приема жидкости и измерительные приборы в виде расходомера и датчиков температуры, отличающийся тем, что в качестве линии приема жидкости используют всасывающую линию, выполненную с возможностью ее подключения с одной стороны к водоисточнику, а с другой стороны через центробежный насос к транспортному средству в виде пожарного автомобиля, выполненного с возможностью его последовательного соединения через магистральную напорную линию с пожарным стволом, в качестве датчиков температуры используют регистраторы для измерения температуры, установленные в начале и в конце всасывающей линии и магистральной линии, расходомер установлен в магистральной линии, при этом дополнительно для характеристики окружающей среды используют термометр электронный цифровой и анемометр с функцией расчета температуры охлаждения.
Для предохранения от давления, создаваемого в насосно-рукавной системе, используют регистраторы в защитных капсулах.
Для оперативности и повышения точности расчетов устройство может быть выполнено с возможностью передачи и обработки показателей приборов на ПК.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом.
На фиг.1 схематично представлен испытательно-измерительный комплекс, который включает:
1 - пожарный автомобиль;
2 - всасывающая линия;
3 - водоисточник;
4 - центробежный насос;
5 - магистральная напорная линия;
6 - пожарный ствол;
7 - регистратор для измерения температуры;
8 - расходомер для определения подачи огнетушащих веществ;
9 - анемометр с функцией расчета температуры охлаждения;
10 - термометр электронный цифровой.
Всасывающая линия (2) подключена с одной стороны к водоисточнику (3), а с другой стороны через центробежный насос (4) к пожарной машине (1). Пожарная машина (1) последовательно соединена через магистральную напорную линию (5) с пожарным стволом (6).
Регистраторы (7) для измерения температуры установлены в начале и в конце всасывающей линии (2) и магистральной линии (5).
Регистраторы (7) помещают в защитные капсулы для предохранения от давления, создаваемого в насосно-рукавной системе.
Расходомер(8) устанавливают в магистральнойнапорной линии (5).
В качестве регистраторов температуры (7), решено применять миниатюрные термографы High Capacity Temperature Loggersi Button. с корпоративным обозначением DS1922L-F5, которые являются контактными регистраторами температуры, относящимся к семейству IBDL (Button Data Loggers). Data Loggers (одноканальные электронные самописцы) являются полностью автономными приборами, имеющими в составе конструкции собственный источник энергии, микропроцессорное устройство управления с большим объемом энергонезависимой памяти для хранения накапливаемых данных, узел часов реального времени, и встроенный первичный преобразователь измеряемой величины. Поскольку такие устройства используются в жестких промышленных условиях, они отличаются высокой степенью защиты от пыли, влаги и других внешних воздействий, а также предназначены для эксплуатации в широком диапазоне температур окружающей среды.
Применение регистраторов DS1922L-F5 обеспечивает замер температуры в различных измерительных диапазонах с привязкой к реальному времени.
Измерение гидравлических характеристик насосно-рукавной системы осуществляется при помощи расходомера «Flowmaster 250» (8) который подсоединяется в магистральную линию (5). Данный прибор позволяет определять как мгновенный, так и суммарный расход воды за определенное время.
Важным параметром влияющим на интенсивность охлаждения воды в рукавной линии является скорость ветра. Она фиксируется электронным цифровым анемометром с функцией расчета температуры охлаждения SkywatchMeteos (9) (предел измерения до 40 м/с).
Контрольное измерение температуры окружающего воздуха производится электронным цифровым термометром Wendox 2040.(10)
Замер времени осуществляется электронным секундомером.
Порядок работы.
Задают параметры измерения температуры для регистраторов DS1922L-F5. Интервалы температур при этом находятся в диапазоне от минус 41 град.C до плюс 85 град.С. Устанавливаютвремя для измерения температуры от 10 сек до 10 минут. Минимальная чувствительность составляет 0,125 град.С. Пожарный автомобиль, снабженный центробежным пожарным насосом, устанавливают на водоисточник и прокладывают магистральную линию длиной 100 м, на конце которой монтируется пожарный ствол с регулируемым расходом.
Через 20 метров магистральной линии (один пожарный напорный рукав) устанавливают расходомер, который предназначен для измерения давления и расхода (потока, водоотдачи) воды в пожарных рукавах (гидрантах, насосах).
В комплексе использовался расходомер Flowmaster 250 с функцией определения расхода до 40 л/с. Но могут использоваться и другие расходомеры в зависимости от диаметра рукавной линии и требуемой величины расхода. Расходомер обязательно использовать, так как при разных расходах будет наблюдаться различная интенсивность охлаждения воды внутри пожарных рукавов. Прибор позволяет определять как мгновенный, так и суммарный расход воды за определенное время.
Помещают регистраторы в защитные капсулы и закрепляют внутри рукавной линии в местах указанных на схеме.
На улице устанавливают анемометр с функцией расчета температуры охлаждения и электронный цифровой термометр. Показания с этих приборов снимают с интервалом 10 минут.
Водитель пожарного автомобиля по команде руководителя испытаний запускает пожарный насос и производит подачу с различным напором от 60 м до 90 м, а ствольщик меняет расходы на пожарном стволе. Руководитель испытаний снимает показания с расходомера, а также показания с термометра и анемометра, фиксирует напор и время. Подача воды на каждом из расходов осуществляется не менее 10 минут.
После подачи воды на разных расходах и напоре пожарный насос останавливают. Производят разбор напорной рукавной линии и оборудования. Показания с датчиков можно вводить в ПК. Результаты испытаний представлены в таблице. 1
н
Проведенные испытания и полученные данные позволили определить, что изменение температуры воды в насосе Δt фактически не зависит от температуры окружающей среды. Это объясняется тем, что температура воздуха мало влияет на гидродинамические процессы внутри насоса. Кроме того, удалось уяснить как температура воды изменяется по длине рукавной линии при различных расходах воды и скорости ветра.
Используя значения величин Δt, полученных в результате проведения экспериментов с использованием данного измерительного комплекса позволяют используя формулу 1 определить критическую длину линии Lкр(температура воды достигает 0°С):
0
Где: t - температура воды при входе в насос, °С;
н
Δt - изменение температуры воды на насосе, °С;
Δt - снижение температуры воды на 100 м рукавной линии, °С.
Используя данный измерительный комплекс можно будет заранее прогнозировать работоспособность любой рукавной линии при различных температурах воздуха, что позволит дать дополнительные рекомендации при тушении пожаров, а также при проверять эффективность создаваемых пожарно-технических средств для подогрева воды в напорных линиях.
Пример расчета.*
Для расчета используем данные полученные при проведении испытаний при температуре окружающего воздуха минус 40 град. С и скорости ветра 5 м/с.
1. Для определения критической длины необходимо найти значение изменения температуры по длине рукавной линии Δt. Для нахождения используем следующую формулу:
Где:
ж
t - средняя температура жидкости внутри рукава °С;
в
t- температура воздуха °С.
Чтобы найти γ необходимо использовать следующую формулу:
Где:
рж
C - теплоемкость жидкости, Дж/кг.град;
ж
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
- средняя скорость потока, м/с;
1
d - внутренний диаметр пожарного рукава, м;
ж
Nuf - критерий Нусельта для воды;
ж
λ - коэф. теплопроводности воды, Вт/м.град;
в
λ - коэф. теплопроводности воды, Вт/м.град;
ст
λ коэф. теплопроводности материала рукава, Вт/м.град;
ст
δ - толщина слоя рукава, м.
2. Производит расчет согласно формул 2 и 3 для заданных климатических условий (температуре окружающего воздуха минус 40 град.C и скорости ветра 5 м/с).
Далее находим Δt, температуру воздуха учитываем со скоростью ветра. Получаем -47°С:
3. Определим критическую длину линии (Lкр) для данных климатических условий, при которой будет сохранятся работоспособность линии для нужд тушения пожара. Для расчета используем формулу 1. И данные из таблицы:
.
Итак, мы получили критическую длину линии для тушения пожара равную 625 метра при расходе 10 л/с, температуре окружающего воздуха минус 40 град.С и скорости ветра 5 м/с. используя данные из таблицы значения, полученные в ходе испытаний с использованием данного испытательно-измерительного комплекса. После длины линии более 625 метров будет происходить замерзание воды внутри пожарных рукавов, что создаст неблагоприятные условия для тушения пожаров.
Проведем еще один расчет по формулам (2) и (3) при тех же метеорологических условиях, но при расходе на пожарном стволе равном 6 л/с. Это позволит определить влияние расхода на критическую длину линий. Производим расчет:
1.
2.
3. .
Как видим, значения расхода воды, при одинаковых метеорологических условиях, также влияет на критическую длину рукавных линий. Чем больше будет расход воды на пожарном стволе при тушении пожаров при низких температурах окружающей среды, тем длиннее рукавную линию мы сможем проложить.
Аналогично определим значения Δt и γ для температуры воздуха минус 16°С и скорости ветра 2 м/с. и расходе 10 л/с.
1. Находим γ:
2. Находим Δt:
3. Находим Lкр
.
Делаем вывод, что температура воздуха также сильно влияет на критическую длину пожарных напорных линий при тушении пожаров. Если при минус 16°C длина составляет 1593 метра, то при минус 40°С она равна 625 м.
Используя данные испытаний из таблицы 1. заранее можно определить критические длины для прокладки линий в различных метеорологических условиях с учетом расходов воды, что необходимо знать пожарным подразделениям (Столбец 9, Табл.1).
Таким образом предлагаемая полезная модель направлена на решение поставленной задачи и соответствует всем критериям охраноспособности по действующему законодательству.
Таблица 1.
Результаты испытаний с использованием измерительного комплекса
Тем-ра воздуха °C
Скорость ветра V м/с
Расход воды на пожарном стволе Q л/с
Начальная температура воды в естественном водоисточнике (озеро) t<sub>0</sub>
Значения температуры воды °C полученные с регистраторов
Приращение температуры воды в пожарном насосе (на выходе из напорного патрубка) Δtн
Изменения температуры по длине рукавной линии Δt
Критические длины рукавных линий Lкр, м
изменение тем-ры в насосе
на пожарном стволе через 100 метров
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-31
5
2
5
5,5
5,13
0,5
0,37
216
4
5,4
5,12
0,4
0,28
415
6
5,4
5,05
0,4
0,5
617
8
5,2
4,91
0,2
0,29
818
10
5,1
4,87
0,1
0,23
1020
-16
2
2
5
5,6
5,20
0,6
0,4
582
4
5,4
5,12
0,4
0,28
1145
6
5,4
5,05
0,4
0,25
1707
8
5,2
4,98
0,2
0,22
2118
10
5,1
4,93
0,1
0,17
2643
-40
5
2
4,5
5,0
3,58
0,5
1,42
150
4
4,9
3,7
0,4
1,2
292
6
4,85
3,82
0,5
1,03
434
8
4,7
3,86
0,4
0,84
576
10*
4,6*
3,89*
0,5
0,8*
625