Потери на трение в пожарном рукаве: причины, расчеты и способы их уменьшения

Что такое потери на трение в пожарных рукавах и почему это проблема безопасности жизни

Потери на трение в пожарный шланг Это снижение давления воды, которое происходит при прохождении воды по длине шланга и вызвано сопротивлением между движущейся водой и внутренними стенками шланга. Это не незначительное эксплуатационное неудобство — это фундаментальное гидравлическое ограничение, которое определяет, обеспечивает ли форсунка адекватный поток и давление в точке атаки, или же экипаж прибудет к месту пожара с недостаточным количеством воды для его тушения.

Каждый фут проложенного шланга, каждая подсоединенная муфта, каждое изменение высоты и каждое увеличение расхода увеличивают общие потери на трение, которые должен преодолеть оператор насоса. В худшем случае неучтенные потери на трение привели к гибели людей на пожарах. — проникновение бригад в конструкции с расположением шлангов приводит к гораздо большим потерям на трение, чем компенсирует насос, что приводит к недостаточному давлению в сопле, когда оно больше всего необходимо. Таким образом, понимание, расчет и управление потерями на трение не являются академическими — они имеют решающее значение для работы каждой пожарной организации.

Физика потерь на трение: что на самом деле их вызывает

Потери на трение возникают в результате трех взаимодействующих физических явлений, когда вода движется по пожарному шлангу под давлением.

Взаимодействие жидкости со стенкой (вязкое трение)

Молекулы воды, находящиеся в непосредственном контакте с внутренней стенкой шланга, замедляются силами адгезии. Это создает градиент скорости по поперечному сечению шланга — вода в центре течет быстрее всего; вода у стены практически неподвижна. Энергия, необходимая для поддержания этого профиля скорости, извлекается из давления в шланге. Более шероховатые внутренние поверхности увеличивают потери энергии. ; гладкоствольные синтетические футеровки шлангов минимизируют его по сравнению со старыми конструкциями с резиновой или тканевой облицовкой.

Турбулентность (инерционные потери)

При скоростях потока, типичных для работы с пожарными рукавами, поток воды почти всегда является турбулентным, а не ламинарным. Турбулентный поток заставляет молекулы воды беспорядочно сталкиваться, преобразуя кинетическую энергию (давление) в тепло за счет внутреннего трения. Степень турбулентности, количественно выражаемая безразмерным числом Рейнольдса, увеличивается с увеличением скорости и отношения диаметра шланга к шероховатости. В практическом плане, турбулентность означает, что потери на трение увеличиваются примерно пропорционально квадрату скорости потока. : удвоение скорости потока увеличивает потери на трение в четыре раза при прочих равных условиях.

Незначительные потери на фитингах и изгибах

Муфты, переходники, тройники, устройства главного потока и резкие изгибы шлангов создают дополнительные потери давления, превышающие потери на трение в прямом шланге. Эти «незначительные потери» выражаются в эквивалентных длинах прямого шланга — например, стандартная 2½-дюймовая закрытая тройка имеет эквивалентное сопротивление примерно 25 футов шланга диаметром 2½ дюйма при типичных потоках. В сложных схемах расположения шлангов с несколькими устройствами незначительные потери могут составлять значительную часть общих потерь в системе.

Ключевые переменные, определяющие величину потерь на трение

Пять переменных определяют, насколько велики потери на трение при любой укладке шланга. Понимание того, как каждый из них влияет на результат, является основой практических гидравлических расчетов на месте пожара.

1. Диаметр шланга

Диаметр шланга является наиболее значимой переменной, влияющей на потери на трение. Потери на трение уменьшаются примерно по мере пятая степень диаметра — это означает, что увеличение диаметра шланга вдвое снижает потери на трение примерно в 32 раза при той же скорости потока. Это соотношение объясняет, почему шланг большого диаметра (лDH) диаметром 4 или 5 дюймов используется для линий подачи: прохождение 1000 галлонов в минуту через 4-дюймовый шланг создает часть потерь на трение, которые тот же поток мог бы создать через 2½-дюймовый шланг.

2. Расход (галлон в минуту)

Как отмечалось выше, потери на трение увеличиваются примерно пропорционально квадрату скорости потока в условиях турбулентного потока. Схема шланга, которая создает потери на трение 10 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов при 100 галлонах в минуту, будет генерировать примерно 40 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов при 200 галлонах в минуту, а не 20 фунтов на квадратный дюйм. Эта нелинейная зависимость означает, что Увеличение скорости потока оказывает непропорционально большое влияние на потери на трение. , и операторы насосов должны учитывать это, когда бригады увеличивают расход сопла в середине работы.

3. Длина шланга

Потери на трение прямо пропорциональны длине шланга: увеличение длины вдвое удваивает потери на трение при постоянной скорости потока и диаметре. Стандартные укладки пожарных рукавов измеряются с шагом 50 или 100 футов, а таблицы потерь на трение обычно выражаются на 100 футов шланга для упрощения расчетов. Каждая дополнительная секция шланга, добавленная к укладке, требует соответствующего увеличения давления нагнетания насоса для поддержания давления в сопле.

4. Шероховатость и состояние внутренней части шланга.

Новый шланг с гладкой внутренней облицовкой вызывает меньшие потери на трение, чем старый шланг с изношенными облицовками, изломами или смятыми секциями. Коэффициенты потерь на трение, указанные в стандартных таблицах, предполагают, что шланг находится в хорошем рабочем состоянии. Излом шланга может привести к локальным потерям на трение, в несколько раз превышающим значения при прямой прокладке. в точке перегиба — значительная эксплуатационная опасность, когда бригады полагаются на расчетное давление насоса.

5. Изменение высоты

Хотя изменение высоты технически является отдельным явлением от потерь на трение (это изменение гидростатического давления, а не эффект трения), его необходимо учитывать при расчете общего давления насоса наряду с потерями на трение. Каждый 1 фут подъема требует примерно 0,434 фунтов на квадратный дюйм дополнительного давления насоса. ; 10-этажное здание с интервалом между этажами примерно 10 футов требует примерно 43 фунтов на квадратный дюйм дополнительного давления на этаж над уровнем улицы, плюс все потери на трение при прокладке шлангов.

Формулы потерь на трение: математика, которую используют операторы насосов

В гидравлике пожарных служб используется несколько формул потерь на трение. Двумя наиболее широко применяемыми в пожарных службах Северной Америки являются Формула андеррайтеров (также называемый ручным методом или формулой 2вопрос² вопрос) и более точным Уравнение Хейзена-Вильямса . Оба дают результаты в фунтах на квадратный дюйм на 100 футов шланга.

Формула андеррайтеров (сокращенная Q)

Наиболее распространенная формула для расчета потерь на трение о землю в шланге диаметром 2½ дюйма:

ФЛ = 2Q² Q

Где Q = расход в сотнях галлонов в минуту (т. е. 250 галлонов в минуту = Q = 2,5), и Флорида = потери на трение в фунтах на квадратный дюйм на 100 футов шланга диаметром 2½ дюйма.

Пример: при расходе 250 галлонов в минуту через шланг диаметром 2½ дюйма — Q = 2,5 — Флорида = 2 (2,5²) 2,5 = 2 (6,25) 2,5 = 12,5 2,5 = 15 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов .

Эта формула разработана специально для шлангов диаметром 2½ дюйма и не применима напрямую к шлангам других диаметров. Для шлангов других размеров используются поправочные коэффициенты или отдельные таблицы.

Формула коэффициента (для шлангов разных размеров)

Более общая формула потерь на трение, применимая к шлангам любого диаметра:

Флорида = C × Q² × L

Где C = коэффициент потерь на трение для конкретного диаметра шланга (из опубликованных таблиц), Q = расход в сотнях галлонов в минуту, и L = длина шланга в сотнях футов.

Коэффициент C значительно варьируется в зависимости от диаметра шланга, что свидетельствует о значительном влиянии диаметра на потери на трение. Значения стандартных коэффициентов, используемые в справочниках по гидравлике IFSTA и NFPA, составляют приблизительно:

• Шланг диаметром 1¾ дюйма: С ≈ 15,5
• 2-дюймовый шланг: С ≈ 8,0
• Шланг диаметром 2½ дюйма: С ≈ 2,0
• 3-дюймовый шланг: С ≈ 0,8
• 4-дюймовый ЛДГ: С ≈ 0,2
• 5-дюймовый ЛДГ: С ≈ 0,08

Огромная разница между 1¾-дюймовым (C = 15,5) и 5-дюймовым (C = 0,08) шлангом наглядно иллюстрирует, почему линии подачи большого диаметра используются для подачи больших объемов воды — физика делает любой другой подход гидравлически непрактичным в больших масштабах.

Справочная таблица потерь на трение: распространенные размеры шлангов и скорости потока

Эти значения ясно иллюстрируют, почему атакующий шланг диаметром 1¾ дюйма, генерирующий потери на трение более 60 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов при скорости 200 галлонов в минуту, ограничивает практическую длину укладки до 200–300 футов, прежде чем давление насоса достигнет рабочего предела. Напротив, 5-дюймовый подающий шланг может подавать 1000 галлонов в минуту на протяжении мили с управляемыми общими потерями на трение.

Расчет общего давления в двигателе: все вместе

Цель оператора насоса — определить необходимое давление двигателя (EP) — также называемое давлением нагнетания насоса (PDP) — для обеспечения правильного давления в форсунке (НП) в конце любой схемы расположения шлангов. Основное уравнение:

EP = NP FL ЭЛЬ ± БП

Где: NP = необходимое давление в форсунках (обычно 100 фунтов на квадратный дюйм для гладкоствольных ручных шлангов, 75 фунтов на квадратный дюйм для комбинированных форсунок диаметром 1¾ дюйма при настройках низкого давления, 100–200 фунтов на квадратный дюйм для основных потоков); Флорида = общие потери на трение во всех секциях шланга; EL = потеря высоты (0,434 фунтов на квадратный дюйм на фут набора высоты, вычтенная для спуска); BP = противодавление со стороны приборов.

Рабочий пример: стандартная линия атаки на жилой дом

Сценарий: 200 футов 1¾-дюймового атакующего шланга, пропускающего 150 галлонов в минуту через комбинированное сопло при давлении в сопле 75 фунтов на квадратный дюйм. Никакого изменения высоты.

1. Давление сопла: 75 фунтов на квадратный дюйм
2. Потери на трение: Шланг диаметром 1¾ дюйма при расходе 150 галлонов в минуту = примерно 34,9 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов × 2 секции = 69,8 фунтов на квадратный дюйм
3. Высота: 0 фунтов на квадратный дюйм
4. Требуемое давление двигателя: 75 69,8 = примерно 145 фунтов на квадратный дюйм

Рабочий пример: эксплуатация высотного стояка

Сценарий: 150 футов 2½-дюймового шланга, пропускающего 250 галлонов в минуту от стояка на 10-м этаже (высота примерно 90 футов) через гладкоствольное сопло, требующее давление в сопле 50 фунтов на квадратный дюйм.

1. Давление сопла: 50 фунтов на квадратный дюйм
2. Потери на трение в 2½-inch hose at 250 GPM: примерно 15 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов × 1,5 секции = 22,5 фунтов на квадратный дюйм
3. Давление на высоте: 90 футов × 0,434 фунтов на квадратный дюйм/фут = 39,1 фунтов на квадратный дюйм
4. Остаточное давление в стояке, необходимое при подключении: 50 22,5 39,1 = примерно 112 фунтов на квадратный дюйм

Это иллюстрирует, почему для работы на высотных стояках требуются пожарные насосы для увеличения давления в системе здания - большинство систем стояков рассчитаны на подачу 100 фунтов на квадратный дюйм на самом высоком выходе, чего недостаточно для преодоления потерь на подъем и трение в атакующем шланге без дополнительной накачки.

Потери на трение в различных конфигурациях шлангов

Реальные схемы расположения шлангов для пожаротушения редко включают в себя одну шлангопровод постоянного диаметра. Операторы насосов должны рассчитывать потери на трение для параллельных прокладок, звездообразной прокладки и сиамских линий подачи, каждый из которых требует своего подхода к расчету.

Одинарный шлангопровод (серийная компоновка)

Самая простая схема — общие потери на трение представляют собой сумму потерь на трение по каждому сечению шланга. Если секции имеют разные диаметры (например, 3-дюймовая линия подачи уменьшена до 1¾-дюймового атакующего шланга через закрытую звезду), рассчитайте потери на трение отдельно для каждой секции при фактическом расходе через эту секцию.

Линии атаки Уайед (параллельная компоновка)

Когда одна линия снабжения разделяется с помощью устройства «звезда» на две линии атаки, общий поток делится между двумя ветвями . Если обе ветви идентичны и текут одинаково, каждая несет половину общего потока. Потери на трение рассчитываются для каждой ветви при этом уменьшенном расходе, а не при общем расходе. Распространенной ошибкой является расчет потерь на трение при общем расходе насоса через линии атаки, что значительно завышает фактические потери на трение и заставляет оператора насоса создавать недостаточное давление в линиях.

Пример: всего 300 галлонов в минуту через звезду на две равные линии атаки по 1¾ дюйма. Каждая линия несет 150 галлонов в минуту, а не 300 галлонов в минуту. Потери на трение на линию рассчитываются при 150 галлонах в минуту, что дает примерно 34,9 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов, а не 139,5 фунтов на квадратный дюйм на 100 футов, которые можно было бы получить при 300 галлонах в минуту.

Сиамские линии снабжения (параллельные поставки)

Две линии подачи, соединенные вместе в один приемный насос, эффективно удваивают пропускную способность подачи при тех же потерях на трение. Когда две линии одинакового диаметра переносят равные потоки в сиамскую кошку, каждая несет половину общего потока, поэтому потери на трение в каждой линии рассчитываются как половина общего потока доставки. Это позволяет обеспечить значительно более высокий общий расход в пределах номинального давления питающего шланга.

Как уменьшить потери на трение на месте пожара

Когда потери на трение ограничивают эффективную подачу потока, некоторые тактические изменения и корректировки оборудования могут уменьшить их — некоторые из них доступны сразу на месте происшествия, другие встроены в SOG отдела и планирование до инцидента.

Увеличьте диаметр шланга

Наиболее эффективное одиночное вмешательство. Там, где позволяют требования SOG, использование 2½-дюймового атакующего шланга вместо 1¾-дюймового для операций с высоким расходом значительно снижает потери на трение — примерно в 7–8 раз при той же скорости потока. Многие подразделения, перешедшие на 2½-дюймовые или 3-дюймовые линии атаки для коммерческих и промышленных операций, добились значительно более высокого эффективного потока из сопел при том же давлении насоса.

Уменьшите длину укладки шланга

Размещение устройства ближе к пожарному зданию пропорционально уменьшает длину укладки шланга и, следовательно, общие потери на трение. Уменьшение длины укладки на 100 футов на линии диаметром 1¾ дюйма при скорости 150 галлонов в минуту экономит примерно 35 фунтов на квадратный дюйм потерь на трение, что позволяет использовать более высокие давления в форсунках или скорости потока при том же давлении нагнетания насоса.

Уменьшите скорость потока

Где the hydraulic system is operating at its limit, reducing nozzle flow rate reduces friction loss as the square of the flow reduction. Reducing flow from 200 GPM to 150 GPM cuts friction loss by approximately 44% — potentially the difference between an effective and an ineffective attack. This is a tactical decision requiring command authority, but pump operators should communicate hydraulic limitations that affect nozzle performance to incident command.

Используйте параллельные линии поставок

Прокладка двух параллельных линий подачи от гидранта к насосу, скрещенных на впуске, удваивает пропускную способность и снижает потери на трение в каждой линии до одной четверти от того, что будет испытывать одна линия при том же общем расходе (поскольку каждая линия несет половину потока, а потери на трение масштабируются как квадрат потока: (½)² = ¼). Для длительных поставок или операций с высоким спросом двойные линии подачи являются стандартным решением ограничения потерь на трение.

Поддерживайте шланг в хорошем состоянии

Шланги с поврежденными вкладышами, хроническими перегибами, секциями, разрушенными в результате раздавливания или корродированными муфтами, приводят к более высоким потерям на трение, чем предсказывают опубликованные коэффициенты. Регулярные испытания шлангов в соответствии с NFPA 1962 — ежегодные сервисные испытания при давлении 250 фунтов на квадратный дюйм для атакующего шланга и 200 фунтов на квадратный дюйм для шланга подачи — выявляют шланг, который изношен до такой степени, что это влияет как на гидравлические характеристики, так и на эксплуатационную безопасность. Шланг, который не прошел эксплуатационные испытания, следует немедленно вывести из эксплуатации.

Устраните ненужные приборы и переходники

Каждое устройство в шланговой схеме добавляет потери на трение, эквивалентные десяткам футов дополнительного шланга. Пересмотр стандартных конфигураций нагрузки на шланги с целью устранения ненужных переходников, дополнительных муфт и устройств, которые обычно входят в комплект поставки, но не требуются для эксплуатации, может существенно снизить общие потери на трение в системе без каких-либо изменений в скорости потока или диаметре шланга.

Потери на трение и стандарты на шланги: требования NFPA и ISO

Характеристики потерь на трение в пожарных рукавах напрямую регулируются стандартами производства и испытаний, которые определяют эксплуатационные характеристики пожарных рукавов во всем мире.

NFPA 1961: Стандарт на пожарные рукава

NFPA 1961 устанавливает требования к характеристикам пожарных рукавов, продаваемых в США, включая максимально допустимое падение давления (потери на трение) на каждые 100 футов при заданной скорости потока при испытаниях. Стандарт определяет, что атакующий шланг не должен превышать определенные пределы потерь на трение при номинальном расходе, гарантируя, что шланг, соответствующий NFPA 1961, будет работать в пределах гидравлических допущений стандартных расчетов давления насоса. Шланг, который не соответствует этим ограничениям — новый или находящийся в эксплуатации — не может надежно поддерживать расчетное давление насоса, от которого зависит безопасность экипажа.

NFPA 1962: Стандарт по уходу, использованию, проверке, эксплуатационным испытаниям и замене пожарных шлангов, муфт, насадок и устройств для пожарных шлангов.

NFPA 1962 регулирует техническое обслуживание и испытания шлангов в процессе эксплуатации. Ежегодные сервисные испытания при номинальном давлении позволяют выявить шланг, износ которого достиг точки риска для безопасности или ухудшения гидравлических характеристик. Шланг, который подвергался давлению, сильно перегибался, подвергался воздействию химикатов или хранился неправильно, может иметь поврежденную внутреннюю обшивку, что увеличивает потери на трение выше расчетных значений — состояние, невидимое при внешнем осмотре, но обнаруживаемое с помощью испытаний под давлением и измерения расхода.

ISO 14557: Рукава пожаротушения. Резиновые и пластиковые всасывающие шланги и шланговые сборки.

Международный стандарт характеристик пожарных рукавов, широко используемый за пределами Северной Америки. ISO 14557 определяет требования к потерям давления (потерям на трение) в стандартизированных условиях испытаний, обеспечивая международно признанный эталон гидравлических характеристик шлангов, который подтверждает расчеты потерь на трение, используемые пожарными службами во всем мире.

Планирование до инцидента: учет потерь от трения в тактических решениях

Наиболее эффективное управление потерями на трение происходит до происшествия — во время предварительного планирования целевых опасностей, когда разрабатываются конфигурации нагрузки на шланги и когда SOG отдела устанавливают стандартные рабочие давления насоса для обычных схем расположения шлангов.

• Разработайте стандартные таблицы давления насоса. — Предварительно рассчитайте давление в двигателе для стандартных нагрузок на шланги отделения при типичных расходах и стандартных конфигурациях сопел. Ламинированные карточки с краткой справкой на панели насоса устраняют необходимость расчетов на месте в условиях стресса.
• Гидранты для проверки расхода при обследовании перед происшествием — Данные о статическом и остаточном давлении в гидранте позволяют точно рассчитать доступный запас воды и потери на трение, которые будут существовать в линиях подачи при ожидаемых скоростях потока.
• Заранее определите сценарии высотной и расширенной застройки — Здания, требующие релейной или тандемной откачки для преодоления потерь на подъем и трение, должны быть идентифицированы в ходе обследований, предшествовавших происшествию, с предварительно рассчитанными необходимыми давлениями насосов и расположением оборудования.
• Регулярно обучайте операторов насосов гидравлическим расчетам. — Расчет потерь на трение — скоропортящийся навык. Регулярные сценарии обучения, требующие от операторов расчета давления насоса для нестандартных схем расположения шлангов, позволяют поддерживать навыки в ситуациях, когда предварительно рассчитанные таблицы не охватывают фактическое развертывание.
• Проверьте фактическое давление с помощью манометров для форсунок. — Линейные манометры на сопле обеспечивают в режиме реального времени проверку того, что расчетное давление насоса действительно обеспечивает расчетное давление сопла, — и немедленно предупреждают бригады, когда потери на трение превышают ожидаемые из-за перегибов, повреждения шланга или неучтенных приборов в прокладке.

Потери на трение в fire hose is an immutable physical reality — it cannot be eliminated, only understood and managed. Departments that embed hydraulic literacy into their training culture, standardize their hose loads around realistic friction loss calculations, and equip their pump operators with the knowledge to adapt in non-standard situations consistently deliver more effective and safer fireground water supply than those that treat hydraulics as a theoretical exercise. Адекватное давление в сопле начинается с точного учета потерь на трение.