Studiu Privind Calculul Pierderilor de Presiune Printr Un Dispozitiv de Interventie (s.c. Xyz S.a.)
Capitolul 1
Stadiul actual pe plan internațional
al cercetărilor privind influența aditivilor polimerici la curgerea lichidelor prin conducte cilindrice cu secțiune transversală circulară
Scurt istoric privind cercetările efectuate în domeniul aditivării cu polimeri la lichide și unele rezultate obținute în acest sens
În contextul actualei crize energetice mondiale, reducerea consumului de energie constituie o problemă vitală pentru dezvoltarea economică și socială prezentă și în perspectivă. Acest fapt a condus la intensificarea rapidă și considerabilă a cercetărilor privind metodele de micșorare a consumului energetic, între care, introducerea aditivilor pentru reducerea pierderilor de presiune, la curgerea lichidelor reprezintă o preocupare tehnică remarcabilă în ultimele patru decenii.
Fenomenul fizic a fost descoperit de către englezul B.A. Toms [1], primele rezultate fiind publicate de acesta în anul 1948. Acest fenomen constă în reducerea eforturilor tangențiale de frecare la curgerea prin conducte a lichidelor, care conțin în cotă parte o anumită concentrație cu ordinul ppm de polimeri, având drept consecință micșorarea pierderilor de presiune.
Cercetări sistematice privind influența aditivilor asupra pierderilor de presiune au început practic după anul 1965.
Este de remarcat faptul că, referitor la efectul Toms, până în anul 1961 se cunoștea de existența a 33 de lucrări, în perioada 1962 – 1965 au fost cercetate, prelucrate și redactate un număr de 95 de lucrări. Până în anul 1976 se publicaseră peste 1000 de lucrări având un caracter teoretic, experimental sau aplicativ [2, 3]; în prezent se apreciază că numărul lucrărilor a depășit ordinul 104.
Prima lucrare care conține observații experimentale privind reducerea pierderilor de presiune la curgerea lichidelor prin conducte cilindrice a fost prezentată de Toms la primul Congres Internațional de Reologie, Olanda în anul 1948, care studiind degradarea mecanică a soluțiilor de polimeri, la curgerea prin conducte cilindrice, a determinat că acestea necesită un gradient de presiune mai mic decât solventul pur pentru a se obține aceeași viteză de curgere. Determinările experimentale ale acestuia datează din anul 1946.
Exemple particulare privind reducerea frecării la curgerea fluidelor prin conducte, generată de existența unor cantități mici din alte substanțe sunt întâlnite anterior. În anul 1883, s-a înregistrat o mărire a vitezei de curgere a apei, în râurile cu conținut de mâl. De asemenea, Hele-Shaw, studiind în anul 1897 frecarea de suprafață la animalele marine, a încercat să simuleze fenomenul de alunecare datorat secreției vâscoase, adăugând în apă secreție biliară cu un grad ridicat de prospețime, obținând astfel o reducere a rezistenței de curgere. În perioada celui de-al doilea război mondial, Mysels a observat că pierderile de presiune la curgerea prin conducte a benzinei, în care s-a adăugat napalm (substanță tensioactivă), sunt mult mai mici comparativ cu benzina neaditivată, procedeu care, a fost dealtfel, brevetat în anul 1949.
Până în anul 1961, când Savins a evidențiat implicațiile practice ale fenomenului, de reducere a pierderilor de presiune, cercetările au avut doar un caracter sporadic. După această perioadă au fost dezvoltate studii sistematice ce au cuprins aspectul teoretic, experimental și aplicativ, care s-au intensificat după 1965.
La început asemenea comunicări s-au făcut în cadrul congreselor sau simpozioanelor de reologie, mecanica fluidelor sau hidrodinamica navală. Utilizarea, într-o manifestare internațională, a termenului de reducere a pierderilor de presiune a avut loc prima dată la cel de-al V-lea simpozion de hidrodinamică navală, mișcare a navelor și reducere a pierderilor de presiune, care s-a ținut în 1964, în Norvegia.
Importanța și actualitatea problemei privind aditivarea cu polimeri în perioada 1960 – 1977 a fost cercetată și în primul laborator de reducere a pierderilor de presiune care a fost înființat, în 1970, la University of Cambrige, precum și la simpozionul organizat la Massachusetts în Atlanta 1971, simpozionul privind reducerea pierderilor de presiune în soluție de polimeri, din 1972, la St. Louis, S.U.A. precum și la Conferința Internațională de reducere a pierderilor de presiune, 1974 desfășurată la Cambrige, Anglia [4], urmată de cea din 1977 [5], care a marcat, o dată în plus, importanța și actualitatea problemei.
Astfel, fluidul cu aditiv necesită un gradient de presiune mai mic pentru a se deplasa cu o viteză dată printr-o conductă, comparativ cu același fluid fără aditiv. Reducerea pierderilor de presiune este diferită de scăderea factorului de frecare, observată de Dodge și Metzner, pentru fluidele pseudoplastice vâscoase în curgerea turbulentă la un număr Reynolds dat. Fenomenul este prezentat de către multe soluții newtoniene și pseudoplastice, geluri, suspensii și reprezintă abaterea de la comportarea vâscoasă, așa-zis normală, scăderea factorului de frecare pseudoplastică fiind considerată o comportare vâscoasă normală.
Aplicații practice ale fenomenului de reducere a frecării la curgerea lichidelor aditivate cu soluții diluate de polimeri
Rețele industriale de apă
Sistemele de conducte pentru apă, întâlnite în tehnică, se pot diferenția după destinație în: conducte de alimentare, cu apă industrială sau potabilă, rețele de canalizare, rețele de termoficare, sisteme de irigații etc., sau, după configurație în: rețele de circuit închis sau deschis.
Utilizarea de aditivi în astfel de sisteme are drept scop reducerea pierderilor de presiune, deci în consecință reducerea energiei de pompare.
Puterea necesară unei pompe se calculează cu relația [1.1]:
, (1.1)
în care:
puterea necesară pompei în W;
debitul de apă pompat în m3/s;
creșterea de presiune la pompă care se măsoară în Pa; (pentru apă = 9800 kg/m3);
k = constantă rezultantă din calcul;
creșterea de înălțime în pompă în metri coloană apă;
randamentul pompei.
Creșterea de presiune în pompă, , se obține prin însumarea algebrică, a trei componente, cu semnul plus:
, (1.2)
unde:
presiune manometrică și reprezintă diferența de presiune între regimul de refulare și presiunea de aspirație în pompă,
presiunea geodezică și reprezintă diferența de presiune față de axul pompei între coloana de lichid dintre refularea și aspirația pompei,
pierderea de presiune liniară,
pierderea de presiune locală.
Este cunoscut faptul că, aditivii polimerici pot acționa în mod semnificativ numai asupra unui termen din relația (1.2), respectiv asupra pierderilor liniare de presiune , ceilalți termeni nefiind, practic, modificați de prezența aditivilor. În acest fel, eficiența aditivului exprimată prin micșorarea puterii necesare de pompare, depinde direct de ponderea pe care o reprezintă în creșterea totală de presiune în pompă . Prin urmare, aditivii polimerici au contribuție maximă la reducerea energiei de pompare, în sistemele de conducte orizontale, cu aspirația și refularea în atmosferă și cu trasee preponderent liniare, la care . Existența celorlalți termeni din membrul drept al relației (1.2), care depind de destinația și configurația rețelei de conducte, micșorează efectul de aditivare asupra energiei de pompare.
Aditivii acționează asupra lui și ultima pierdere de presiune reprezentând max. 7% din efectul total datorat pierderilor de energie.
Dintre problemele asociate utilizării aditivilor polimerici în rețelele de apă se menționează : modificarea regimului hidraulic de funcționare a pompei și a rețelei, modul de introducere a aditivului în rețea, comportarea mecanică și chimică a aditivului, calculul economic al circuitelor deschise și închise pentru conducte de apă cu aditiv [6].
Pentru determinarea pierderilor liniare de presiune la curgerea apei cu aditivi polimerici se poate utiliza pentru calculul coeficientului de frecare liniară f, relația lui Altșul modificată în forma [11] :
, (1.3)
este rugozitatea relativă;
rugozitatea absolută;
diametrul interior al conductei;
concentrația aditivului;
funcție algebrică polinomială care depinde de natura și eficiența aditivului.
Măsurătorile experimentale efectuate, utilizând poliacrilamida, la conducte din diferite materiale metalice și nemetalice (oțel, cupru, policlorură de vinil, cauciuc etc.) au arătat că aditivul polimeric își păstrează eficiența în toate aceste cazuri. Măsurătorile pentru pierderile de presiune, executate pe conducte metalice cu diametre de 13, 19 și 25 mm, au pus în evidență majorarea cu aproximativ 2% a reducerii coeficientului de frecare liniară, în comparație cu apa neaditivată, pentru diverși aditivi și concentrații la creșterea treptată a diametrului conductei de la 13 mm la 19 mm, și în continuare de la 19 mm la 25 mm. Acest proces a fost denumit „efect de diametru”.
Fig. 1.1. Curbele caracteristice de funcționare a unui ansamblu pompă-rețea
Modificarea condițiilor de funcționare a ansamblului pompă – rețea este reprezentată în figura 1.1, unde :
H este înălțimea de refulare a pompei, în metri coloană de apă;
Q este debitul de lichid în m3/s;
curbele CP descriu caracteristicile H – Q ale pompei;
curbele CR descriu caracteristica H – Q a rețelei de conducte (curbele CR au alură parabolică, ordonata la origine fiind înălțimea geodezică a rețelei).
Punctul (1), aflat la intersecția curbelor () și (), reprezintă punctul de funcționare al ansamblului pompă- rețea în absența aditivului. La introducerea aditivului în sistemul de conducte, acesta micșorează astfel încât caracteristica () se deplasează către ().
În noul punct de funcționare (2), iar înălțimea de refulare . În acest caz, pentru aproximativ aceeași putere de pompare , introducerea aditivului având drept efect majorarea debitului de apă prin instalație. Revenirea la debitul necesar se poate face fie prin micșorarea turației pompei de la la , fie prin înlocuirea pompei, cu o altă pompă având caracteristica ().
Noul punct de funcționare (3) va avea debitul și înălțimea minimă de refulare . Această metodă este cea mai economică din punct de vedere energetic, întrucât reducerea puterii de pompare este maximă și proporțională cu produsul .
Cu privire la procedeele practice de dozare și injectare a aditivilor în rețelele de apă, se iau în considerare următoarele rezultate:
în circuitele deschise de conducte pentru transportul apei la distanță, soluția concentrată de aditiv polimeric poate fi introdusă prin injecție continuă sau discontinuă; pentru economia de aditiv se recomandă injecția discontinuă care are raportul dintre timpul de injecție a polimerului tP și timpul de trecere a debitului de apă cu ordinul (adică o injecție de aditiv cu durata de 1 s la fiecare 10 s de trecere a debitului de apă);
în circuitele închise de rețele de apă, cu condiția unei bune solubilități a aditivului, introducerea acestuia se poate face fie direct în bazinul colector al apei din circuit, fie cu ajutorul unei pompe dozatoare la aspirația pompei/pompelor de circulație a apei;
privitor la injecția propriu-zisă a soluției concentrate de aditiv în sistemul de conducte, aceasta se poate face fie în axa conductei, fie la perete în mai multe puncte dispuse pe circumferința interiorului conductei; este de preferat ultimul procedeu, deoarece polimerul acționând la nivelul stratului limită, eficiența sa este mai mare și se realizează mai rapid;
la utilizarea aditivilor polimerici în conductele de transport, dar mai ales în circuitele închise de rețele de conducte, este necesar să se țină seama de faptul că are loc degradarea mecanică a aditivului la trecerea, în special, prin pompe și datorită fenomenului de floculare (adsorbția macromoleculelor polimerului pe particule solide din apă, generându-se astfel legarea și aglomerarea prin punți de polimer); ambele fenomene au ca efect eficiența aditivului în micșorarea pierderilor liniare de presiune.
De asemenea, mai diferite materiale metalice și nemetalice (oțel, cupru, policlorură de vinil, cauciuc etc.) au arătat că aditivul polimeric își păstrează eficiența în toate aceste cazuri. Măsurătorile pentru pierderile de presiune, executate pe conducte metalice cu diametre de 13, 19 și 25 mm, au pus în evidență majorarea cu aproximativ 2% a reducerii coeficientului de frecare liniară, în comparație cu apa neaditivată, pentru diverși aditivi și concentrații la creșterea treptată a diametrului conductei de la 13 mm la 19 mm, și în continuare de la 19 mm la 25 mm. Acest proces a fost denumit „efect de diametru”.
Fig. 1.1. Curbele caracteristice de funcționare a unui ansamblu pompă-rețea
Modificarea condițiilor de funcționare a ansamblului pompă – rețea este reprezentată în figura 1.1, unde :
H este înălțimea de refulare a pompei, în metri coloană de apă;
Q este debitul de lichid în m3/s;
curbele CP descriu caracteristicile H – Q ale pompei;
curbele CR descriu caracteristica H – Q a rețelei de conducte (curbele CR au alură parabolică, ordonata la origine fiind înălțimea geodezică a rețelei).
Punctul (1), aflat la intersecția curbelor () și (), reprezintă punctul de funcționare al ansamblului pompă- rețea în absența aditivului. La introducerea aditivului în sistemul de conducte, acesta micșorează astfel încât caracteristica () se deplasează către ().
În noul punct de funcționare (2), iar înălțimea de refulare . În acest caz, pentru aproximativ aceeași putere de pompare , introducerea aditivului având drept efect majorarea debitului de apă prin instalație. Revenirea la debitul necesar se poate face fie prin micșorarea turației pompei de la la , fie prin înlocuirea pompei, cu o altă pompă având caracteristica ().
Noul punct de funcționare (3) va avea debitul și înălțimea minimă de refulare . Această metodă este cea mai economică din punct de vedere energetic, întrucât reducerea puterii de pompare este maximă și proporțională cu produsul .
Cu privire la procedeele practice de dozare și injectare a aditivilor în rețelele de apă, se iau în considerare următoarele rezultate:
în circuitele deschise de conducte pentru transportul apei la distanță, soluția concentrată de aditiv polimeric poate fi introdusă prin injecție continuă sau discontinuă; pentru economia de aditiv se recomandă injecția discontinuă care are raportul dintre timpul de injecție a polimerului tP și timpul de trecere a debitului de apă cu ordinul (adică o injecție de aditiv cu durata de 1 s la fiecare 10 s de trecere a debitului de apă);
în circuitele închise de rețele de apă, cu condiția unei bune solubilități a aditivului, introducerea acestuia se poate face fie direct în bazinul colector al apei din circuit, fie cu ajutorul unei pompe dozatoare la aspirația pompei/pompelor de circulație a apei;
privitor la injecția propriu-zisă a soluției concentrate de aditiv în sistemul de conducte, aceasta se poate face fie în axa conductei, fie la perete în mai multe puncte dispuse pe circumferința interiorului conductei; este de preferat ultimul procedeu, deoarece polimerul acționând la nivelul stratului limită, eficiența sa este mai mare și se realizează mai rapid;
la utilizarea aditivilor polimerici în conductele de transport, dar mai ales în circuitele închise de rețele de conducte, este necesar să se țină seama de faptul că are loc degradarea mecanică a aditivului la trecerea, în special, prin pompe și datorită fenomenului de floculare (adsorbția macromoleculelor polimerului pe particule solide din apă, generându-se astfel legarea și aglomerarea prin punți de polimer); ambele fenomene au ca efect eficiența aditivului în micșorarea pierderilor liniare de presiune.
De asemenea, mai trebuie menționate încercările efectuate la conductele cu apă, utilizând poliacrilamida ca aditiv, în prezența unor inhibitori de coroziune cu concentrația de 100 ppm. Comportarea aditivului polimeric a fost practic nealterată, cu o reducere a eficienței de aproximativ 5%, în comparație cu absența inhibitorului de coroziune.
Utilizarea practică a aditivilor se stabilește pe baza unor calcule comparative tehnico-economice pentru diversele variante care pot fi luate în considerare, în primul rând, cheltuielile cu energia de pompare și costul polimerului.
Creșterea ponderii înălțimii geodezice în înălțimea totală a pompei, ca și scumpirea aditivului, poate să reducă eficiența economică a utilizării acestuia.
Este necesar de subliniat că cel mai eficient aditiv s-a constatat a fi poliacrilamida.
Sisteme de canalizare
Sistemele de canalizare se referă la: rețelele de colectare, instalațiile de tratare, instalațiile de evacuare a apelor uzate (ape menajere, ape industriale uzate, din salubritate) și a celor meteorice (ape rezultate din precipitații, ape stagnante, ape din drenaje etc.).
Utilizarea aditivilor în acest domeniu, are importanță practică în rețelele urbane de canalizare, pentru mărirea capacității de transport a acestora, cu precădere în perioadele cu ploi torențiale, pentru eliminarea riscului de inundație prin acumularea apelor neevacuate.
Sunt de evidențiat, în acest sens, experimentele efectuate în anul 1969 în Dallas, Texas pe un canal cu diametrul de 610 mm și mai recent în anul 1978, în Bristol, Anglia [10].
Principiul de funcționare al instalației de dozare a polimerului, folosită la sistemul de canalizare din orașul Bristol, este prezentată în figura 1.2
Aditivul utilizat a fost polietilenoxidul (Polyox WSR 301), care este un polimer neionic, neafectat de prezența în apă a sărurilor dizolvate și a suspensiilor solide.
Polimerul sub formă de pudră a fost păstrat într-un rezervor cu capacitatea de 0,35 m3, în care s-au depozitat până la 170 kg de substanță. La un debit maxim considerat în canal de 510 m3/h și un timp de injecție de 10 ore, concentrația medie a polimerului în apa uzată fiind de aproximativ 33 ppm. Sistemul de dozare a aditivului poate funcționa automat sau manual, în primul caz creșterea nivelului apei în canalul colector, comanda instalației făcându-se în mod automatizat.
Fig. 1.2. Dispozitiv de dozare a aditivului introdus
în rețeaua de canalizare a orașului Bristol, Anglia.
Canalul colector pe care s-au făcut măsurătorile a avut diametrul de 300 mm și lungimea de 380 m, corespunzător unei zone urbane cu cca. 10000 locuitori. Aditivul a fost injectat discontinuu pe durata a (4…6) min, cu pauze de (7…8) min.
De asemenea, se remarcă faptul că se pot obține reduceri importante ale cheltuielilor totale pentru viteze mari de curgere a apei prin circuitul hidraulic, în timp ce pentru viteze reduse efectul economic al utilizării aditivilor scade simțitor. La aceste circuite, prin introducerea a 15 ppm aditiv, cheltuielile totale se pot reduce cu peste 28%. În cazul vitezelor mici cheltuielile totale se reduc cu cca. 10% la o concentrație a aditivului de 10 ppm și un cost de 50 cenți/kg.
Experimentele de la Dallas și Bristol au demonstrat posibilitatea obținerii unei creșteri cu (60 … 70)% a vitezei de curgere, pentru pantă hidraulică constantă, ceea ce corespunde unei reduceri cu (60 … 65)% a pierderilor de presiune la viteză constantă de curgere; concentrația aditivului a fost de 40 ppm. S-a constatat că, începerea și oprirea bruscă a injecției polimerului într-o conductă sau canal sunt însoțite de unde de presiune pozitive, respectiv negative în lungul traseului.
Referitor la investiții, au rezultat următoarele :
costul construcției unui nou canal colector pentru debitul majorat a fost estimat la cca. 90 000 £ (144 000) $, în timp ce costul instalației de dozare cu echipamentele anexe se ridică la aproximativ 10 000 £ (16 000) $, din care 17% partea de depozitare și alimentare cu polimer, 16% sistemul de măsură și control, iar 67% partea de proiectare, construcție, montaj și probe;
cheltuielile anuale de exploatare cu polimerul au fost apreciate la (200…800) £ adică (320…1280) $.
Folosirea aditivilor în sistemele de canalizare a atras atenția prin vastele posibilități de aplicare a acestora în acest domeniu.
Sistemele de canalizare utilizate sunt de două tipuri : gravitaționale și cu sistem de pompare.
În cazul sistemelor de canalizare dotate cu pompe, pentru a putea mări capacitatea de evacuare a canalului se folosesc aditivii polimerici injectați în timpul unor perioade foarte scurte de injecție. Este extrem de important de a fi studiată cantitatea de polimer injectată, deoarece capacitatea de descărcare a canalului dotat cu sistem de pompare este determinată de relațiile dintre caracteristicile canalului și caracteristicile de pompare așa cum este arătat în figura 1.3.
Fig. 1.3. Caracteristicele conductelor de pompare
pentru diferite tipuri de pompe și concentrații de polimer
Au fost realizate studii, care arată că folosirea aditivilor polimerici duce la reducerea coeficientului de frecare cu (40-70)%, specificându-se că pentru conducte de diametre mai mici sunt necesare concentrații mai mari de polimer.
Măsurători privind reducerea coeficientului de frecare pe o conductă lungă de 4 km, indică reduceri maxime de (40-45)% în conducte de 200 mm diametru. S-a observat în timpul experiențelor că prezența suspensiilor solide, dizolvate în canal poate afecta diferiți polimeri. Experiențele în care s-au prezentat rezultate de mai sus s-au efectuat cu Polyox WSR-301, care nu prezintă acest efect.
Calculul tehnico-economic comparativ (cu aditiv/fără aditiv) al unui circuit închis industrial pentru răcire, cu lungimea de 5 km, capacitatea de 2000 m3 de apă, debitul pompat de 1000 m3/h și înălțimea geodezică neglijabilă (zero), în ipoteza folosirii unui aditiv polimeric cu concentrația optimă de 3 ppm, indică o reducere a cheltuielilor anuale de pompare cu 27%, dacă prețul este de 50 cenți/kg, cu 25% dacă aditivul costă 1 $/kg și cu 23,5% pentru costul aditivului de 1,5 $/kg, în comparație cu cheltuielile anuale pentru apa neaditivată. În calcul a fost considerat și un consum de aditiv pentru compensarea degradării mecanice și a pierderilor de apă din circuit.
În cazul circuitelor deschise, utilizarea aditivilor se justifică, în special, pentru distanțe mari de transport. Astfel, pentru un traseu de 50 km, o concentrație de 10 ppm, cu un preț al aditivului de 50 cenți/kg și o înălțime neglijabilă, cheltuielile anuale pentru transportul apei aditivate se reduc cu 18%, în comparație cu cele pentru transportul apei neaditivate.
Cercetări efectuate au arătat că este posibil a se realiza o creștere a vitezei de (60-70)%, ceea ce corespunde unei reduceri de (60-65)% a coeficientului de frecare obținut pentru o viteză constantă de curgere. Procentul de polimer folosit în acest experiențe a fost de 40 ppm Polyox WSR-301. Aceste rezultate sunt puse în evidență în figura 1.4, care prezintă două serii de măsurători privind creșterea vitezei la curgerea prin canal, în funcție de concentrația polimerului.
Figura 1.5 prezintă creșterea debitului în procente obținute la stația Knowle construită la est în Bristol pentru diferite tipuri aditivi și diferite concentrații.
Fig. 1.4. Valoarea măsurată a creșterii vitezei de curgere în canal,
în funcție de concentrația polimerului.
Fig. 1.5. Creșterea debitului obținut
la stația Knowle, Bristol.
Rețele de termoficare
O consecință a alimentării centralizate cu căldură o constituie concentrarea producerii căldurii într-o centrală de termoficare și transportul acesteia sub formă de apă fierbinte prin rețelele de conducte pentru transport și distribuție la consumatorii industriali și urbani.
Distanțele de transport spre consumatori au valori cuprinse între (5 – 15) km și se estimează mărirea acestora la (40 – 50) km în viitor. În aceste condiții, consumul de energie pentru pompare reprezintă un factor economic deosebit de important.
În legătură cu utilizarea aditivilor în rețelele de termoficare, au fost efectuate în Suedia o serie de măsurători experimentale, care au pus în evidență următoarele [10] :
aditivul utilizat în timpul încercărilor a fost poliacrilamida, urmărindu-se efectul acesteia asupra pierderilor de presiune, randamentelor pompelor și transferului de căldură în aparatele schimbătoare de căldură;
în prezența polimerului, pierderile liniare de presiune au fost reduse cu 70%, efectul de reducere a pierderilor liniare de presiune scăzând în timp datorită procesului de degradare termică și mecanică la trecerea prin pompe; se apreciază că nivelul final la care se stabilizează procesul de degradare justifică utilizarea aditivilor polimerici în rețelele de termoficare;
aditivul polimeric precum și produsele de descompunere ale acestuia nu sunt corozive, prezența lor având efecte favorabile asupra prevenirii coroziunii și depunerii produselor de coroziune pe suprafețele de transfer de căldură, nediminuând, astfel, procesul de transfer al căldurii;
aditivul polimeric a avut un efect neglijabil asupra randamentului pompelor de rețea;
economia de energie care se poate obține prin utilizarea aditivilor, se poate realiza prin reglajul de turație al pompelor pentru circulație, folosit frecvent, ca metodă de reglaj a debitului în rețelele de termoficare;
coeficienții globali pentru schimbul de căldură s-au redus într-o anumită măsură, însă fără a modifica sensibil caracteristicile de funcționare ale aparatelor (schimbătoare de căldură etc.).
Sisteme hidroenergetice
Pe plan mondial, diverși cercetători au studiat posibilitatea aplicării aditivilor polimerici pentru reducerea coeficientului de frecare la curgerea prin conductele de evacuare, canalele de derivație, cât și prin galeriile de drenaj în cadrul sistemelor hidroenergetice. Aceste conducte sunt caracterizate printr-o lungime relativ scurtă l/d >100.
Cercetătorul englez Tullis a obținut reducerea până la 80% în conducte scurte cu diametrul de 305 mm, injecția de polimer făcându-se pe întreaga circumferință a diametrului conductei.
Moksimovici a studiat influența polimerilor asupra curgerii prin canale de derivație. Asemenea canale pot avea de la 2 până la 10 m diametru și de la 10 până la 100 m lungime.
În figura 1.6 se prezintă variația debitelor în canalul de derivație, cât și în conductele de derivație, cu și fără injecție polimer.
Moksimovici a dezvoltat aceste cercetări în legătură cu canalele de derivație, sugerând că un canal de derivație mic și ieftin poate fi construit cunoscând că se poate realiza o creștere de (20 – 30)% în capacitatea de descărcare, folosind injecția de polimer când este cazul.
În acest caz se produce o creștere a puterii disponibile a turbinelor, prezentând avantaje economice în perioadele scurte de vârf de sarcină.
De asemenea, s-a constatat că se poate îmbunătăți structura solului prin folosirea unor cantități mici de polimer.
Sisteme de irigații
Cunoscându-se faptul că aditivii polimerici cu greutate moleculară mare pot reduce coeficientul de frecare, în cazul mișcării turbulente, în mod apreciabil s-a gândit aplicarea procedeului de aditivare și în cazul sistemului de irigații.
Cercetări la scară industrială au fost efectuate în Cehoslovacia lângă orașul Brno, folosindu-se conducte de plastic cu diametrul d = 55 mm și lungimea de 250 m.
Din motive economice s-au folosit aditivi polimerici în perioadele de consum maxim.
S-au obținut următoarele rezultate (tabelul 1):
Tabelul 1
Pentru diferite tipuri de polimeri, rezultatele arată că reducerea coeficienților de frecare f în procente variază între (22 – 34)% funcție de cantitatea de polimer utilizat (0,4 – 25) kg/ha.
Fig. 1.6. Debitul canalelor de derivație și al galeriilor de drenaj
cu și fără injecție de polimer.
Instalații de stingere a incendiilor
Primele încercări de utilizare a aditivilor în domeniul stingerii incendiilor au fost făcute în anul 1969 de către brigada de pompieri din New York, în cadrul așa-numitelor experimente de utilizare a “apei fără frecare” ( slippery water) utilizând ca aditiv polietilenoxidul . Cu ajutorul unei autospeciale de stingere a incendiilor, echipată cu un rezervor suplimentar pentru soluția concentrată de aditiv, s-au obținut următoarele rezultate spectaculoase [7]:
debitul de apă la țeava de refulare crește cu 60%;
presiunea la pompă se reduce cu 20%;
distanța de acțiune (bătaia) și presiunea jetului crește cu 100%;
reacția în țeava de refulare crește cu 75 – 100%.
Încă de la început, s-a apreciat că utilizarea aditivilor poate conduce la micșorarea presiunii de pompare necesare, ceea ce ar permite ca, la aceeași presiune de refulare să se poată realiza un debit mai mare și o distanță de refulare mai mare. Pe de altă parte, la aceeași presiune de refulare se poate realiza un debit egal, utilizând o conductă de diametru mai mic, care poate fi mai ușor de utilizat. De asemenea, s-a considerat că utilizarea aditivilor are eficiență hidrodinamică, deoarece curgerea prin conducte, furtunuri și alte accesorii pentru stingerea incendiilor , este turbulentă (Re:4000 (10000)), iar pereții sunt netezi hidraulic (rugozitatea suprafeței interioare a conductei tubului este mai mică decât grosimea stratului limită, adică f = f(Re) sau k<δ).
O serie de determinări experimentale privind utilizarea aditivilor în domeniul stingerii incendiilor au fost executate la Zürich, în Elveția, iar rezultatele publicate în anul 1974. Au fost comparați 20 de polimeri în vederea utilizării acestora în instalații staționare pentru stingerea incendiilor (instalații speciale de drencere și sprinklere), la hidranți de incendiu, instalații mobile de stingere și autospeciale.
Măsurătorile au urmărit determinarea pierderii de presiune într-un furtun cu lungimea de 10 m și diametrul interior de 19 mm. Debitul de apă a fost de aproximativ 1 l/s, viteza de curgere prin furtun fiind de 4 m/s, iar numărul Reynolds de 6·104. Aditivii au fost introduși ca soluții apoase concentrate cu ajutorul aerului comprimat.
Într-o altă serie de experimente, s-a determinat creșterea debitului de apă prin furtun, la menținerea constantă a pierderilor de presiune, precum și creșterea distanței de acțiune a jetului (bătaia). La lungimi de acțiune a jetului de cca. 8 m s-a constatat că prin adăugarea de aditiv, dispersia jetului a putut fi, în mare parte, eliminată. Polimerii cei mai eficienți au fost, polietilenoxidul și poliacrilamida, având masele moleculare de ordinul 106.
În figura 1.7, sunt prezentate rezultatele măsurătorilor obținute pentru polietilenoxid.
Fig. 1.7. Rezultatele măsurătorilor pentru polietilenoxid.
Au rezultat valori maxime pentru reducerea pierderilor de presiune Δp și pentru creșterea debitului ΔQ de cca. 45% și o mărire a distanței (bătaia) jetului liber Δl de cca. 80%. Creșterea Δl rezultă, pe de o parte, din creșterea debitului după introducerea aditivului la menținerea constantă a presiunii, iar pe de altă parte, din reducerea tendinței de dispersie a jetului. Concentrația recomandată de polietilenoxid este (2 – 4) ppm. Rezultate asemănătoare au fost obținute și pentru poliacrilamidă, valorile maxime de mai sus realizându-se însă la concentrații mai mari, de (10 – 20) ppm.
Rezultă că, sub aspectul cantității de aditiv consumat pentru același efect, polietilenoxidul este mai eficient decât poliacrilamida.
Alte aspecte specifice utilizării aditivării în instalațiile de stingere a incendiilor sunt următoarele:
se apreciază că pentru polietilenoxid și pentru poliacrilamidă costurile de utilizare sunt suficient de scăzute pentru a justifica folosirea economică a aditivilor în domeniul stingerii incendiilor;
polietilenoxidul și poliacrilamida sunt produse netoxice ecologice pentru oameni, pești și alge; de asemenea, temperatura de descompunere a acestora este de (200- 300)C; acestea pot să ardă, parțial sau total pe parcursul stingerii incendiului, fără a ajunge în apa uzată rezultată;
cantitatea de depozitare a polietilenoxidului și poliacril-amidei sub formă de pulbere este practic nelimitată.; datele privind depozitarea soluțiilor sunt doar informative și trebuie completate cu încercări de lungă durată; raportat la datele existente, durata de depozitare poate atinge (1 – 2) ani cu o capacitate de depozitare practic nelimitată datorită cantităților reduse (inclusiv ca volum), nu prezintă argumente defavorabile folosirii acestora pentru stingerea incendiilor.
Reducerea pierderilor de presiune cu ajutorul aditivilor la alte lichide decât apa. Considerente privind descoperirea fenomenului de aditivare
Se cunoaște faptul că fenomenul de reducere a frecării la curgerea lichidelor a fost descoperit de către Toms la utilizarea monoclorbenzenului în care s-a dizolvat polimetacrilat de metil. Sfârșitul celui de-al doilea război mondial a constituit punctul de plecare în descoperirea fenomenului, când Mysels și colaboratorii săi au observat că benzina în care s-a introdus napalm, prezintă o pierdere de presiune mai mică decât benzina neaditivată la curgerea prin conducte. Napalmul urma să se recupereze apoi prin distilație; procedeul a fost brevetat în anul 1949.
Toms și-a continuat cercetările au continuat utilizându-se ca polimer tot polimetacrilatul de metil, iar ca solvenți: toluen, ciclohexanonă și acetat de n – butil.
Cercetările efectuate până în prezent cuprind utilizarea substanțelor tensioactive și a polimerilor, mai frecvent utilizați ca solvenți, fiind toluenul și benzenul, deoarece s-au utilizat substanțe pentru care aceste două lichide sunt solvenți buni. Câteva exemple ar fi : oleat de aluminiu-toluen, polimetacrilat de metil-toluen, poliizobutilenă-toluen, poliizobutilenă-benzen, poliizobutilenă-ciclohexan, polietilenoxid-benzen, polistiren-toluen, polistiren-benzen, poliizobutilenă-decalină, alchil-stireni, alchil-metacrilați-hidrocarburi, polistiren-toluen-izooctan, poliizobuti-lenă- xilen-benzen etc.
Astfel au fost studiate : efectul distribuției maselor moleculare asupra reducerii pierderilor de presiune și degradării, influenței masei moleculare și a conformației macromoleculelor asupra fenomenului, efectul naturii solventului asupra degradării mecanice a polimerilor în soluție, în funcție de numărul de treceri prin conductă, influența masei moleculare și a structurii polimerului asupra reducerii frecării în curgerea turbulentă, dependența masei moleculare limită, la care se degradează polimerul în funcție de diametrul conductei etc., stabilindu-se o serie de relații care, în cea mai mare parte, sunt valabile și pentru sistemele polimeri-apă. Diferențe de comportare se observă în cazul polimerilor ionici datorită fenomenului de creștere a dimensiunilor ghemului macromolecular la diluțiile mici utilizate, față de dimensiunile din soluțiile relativ concentrate utilizate pentru injectare.
Un domeniu tehnic de o deosebită importanță în care s-au aplicat aditivi polimerici pentru reducerea frecării la curgere este transportul produselor petroliere prin conducte. S-au executat experiențe la scară industrială, utilizând o conductă cu diametrul de 20,3 cm și o lungime de 45 km, pentru a vedea dacă rezultatele obținute în laborator rămân valabile și la această scară și dacă apar efecte secundare. Utilizând concentrații de 300, 600 și 1000 ppm s-au obținut, pentru țiței, reduceri de presiune de 16, 21 și respectiv 25% la viteze de 0,13 m/s.
S-a constatat că efectul aditivului scade odată cu scăderea vitezei. Utilizând o conductă cu diametrul de 30,5 cm și lungimea de 50 km, rezultatele obținute au fost similare. Plecând de la aceste rezultate s-a stabilit o formulă semiempirică care dă dependența coeficientului de frecare liniară în funcție de viteza medie în conductă și de concentrația polimerului. De asemenea a fost studiat efectul poliizobutilenei asupra curgerii în regim turbulent a țițeiului și a petrolului lampant.
Experiențele au arătat, deci, că atât la scară de laborator, cât și la cea industrială, fenomenul de reducere a frecării la curgere, în cazul altor lichide decât apa, este analog cu cel observat pentru apă. Valorile diferențelor parametrii variază, așa cum era de așteptat, în funcție de natura solventului și a polimerului.
Alte aplicații în tehnică
Ca alte direcții de utilizare practică a aditivilor, în scopul măririi debitului de lichid și/sau reducerii consumului energiei de pompare, se menționează următoarele [2], [4], [5] :
irigațiile reprezintă unul dintre cei mai importanți consumatori de energie; o serie de încercări au fost efectuate de către Union Carbide, S.U.A., folosind polietilenoxidul ca aditiv injectat într-un sistem tipic de pulverizare a apei pe un teren cultivat; s-a obținut o creștere cu 215% a densității plantelor cultivate;
în Cehoslovacia s-a încercat utilizarea poliacrilamidei în alimentarea cu apă a terenurilor agricole, constatându-se că polimerul în sine este un produs ecologic; de asemenea, măsurătorile făcute pe o conductă din polietilenă, cu diametrul interior de 55 mm și lungimea de 250 m au condus la o reducere cu 22,5% a presiunii de pompare necesară pentru o concentrație în apă de 48 ppm polimer;
numeroase lucrări efectuate în Anglia au cercetat folosirea aditivilor în vederea reducerii frecării, respectiv a rezistenței la înaintare a navelor; deoarece pentru injecția continuă în stratul limită al navei este necesară o mare cantitate de polimer, această aplicație apare ca neeconomică;
în transportul hidraulic al suspensiilor solid-lichid s-a arătat că, prezența aditivilor micșorează frecarea în conducte și prin urmare, puterea de pompare;
utilizarea agenților de reducere a frecării lichidelor poate îmbunătății performanțele mașinilor și echipamentelor hidraulice; s-a constatat că polietilenoxidul poate inhiba începutul cavitației, iar zgomotele specifice acestui fenomen pot fi mult diminuate. Un alt exemplu îl constituie studiul circuitului închis de răcire al unui compresor de aer, la care agentul de răcire (apa) a fost aditivat cu carboximetilceluloză și poliacrilamidă în concentrații de (0,07…0,3)%, a arătat că tipul și concentrația aditivului nu influențează capacitatea instalației, dar ameliorează în mod semnificativ consumul de putere și eficiență termică;
utilizări biomedicale prin utilizarea aditivilor în scopul ameliorării circulației sanguine.
Multe dintre aplicațiile enumerate mai sus, privind aditivarea apei, sunt condiționate de compatibilitatea aditivilor cu mediul ambiant.
Riscul (pericolul) unor toxicități reziduale sau alte efecte asupra apei din mediul înconjurător, au făcut necesare efectuarea unor studii privind influența polimerilor asupra activității și ciclurilor de viață ale microorganismelor și ale unor animale mari.
Experiențe pe câini și rozătoare a căror alimentație a inclus (2 – 5)% polietilenoxid, nu au evidențiat nici un efect de-a lungul unei perioade de studiu de 2 ani. Peștii păstrați într-un acvariu cu 250 ppm din același polimer, nu au arătat nici o diferență față de un grup similar păstrat în apă neaditivată. Aceleași rezultate au fost obținute pentru bacterii și alge.
Experiențele de lungă durată pe parcursul a 15 generații de creveți, nu au demonstrat existenței vreunui efect, iar polimerul marcat cu 14C, astfel utilizat, s-a dovedit a fi neabsorbit de către animalele testate, astfel încât s-a tras concluzia că polimerul nu intră în circuitul hranei marine.
Clase de soluții utilizate în cadrul experimentelor
Prin reducerea pierderilor de presiune în condiții de curgere turbulentă s-au obținut următoarele trei clase de soluții 3 , 7 :
diluate de polimeri;
de materiale și coloizi de asociație;
de particule libere (fibroase).
Soluții diluate de polimeri
Datorită posibilităților largi de aplicare practică, marea majoritate a lucrărilor publicate până în prezent se ocupă de efectul aditivilor polimerici. Pentru ca un polimer să fie eficient , atât în soluții apoase cât și neapoase, trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
să aibă catene liniare;
masele moleculare să fie de ordinul 10 6 sau mai mari;
macromoleculele să posede flexibilitate;
solubilitatea în lichidul utilizat să fie bună.
Experiențele cu acid poliacrilic și dezoxiribonucleic au arătat că polimerii cu structură elicoidală flexibilă reduc pierderile de presiune mai puternic decât polimerii liniari flexibili. Polimerii cu structură elicoidală rigidă, de tipul colagenului a cărui moleculă este constituită dintr-un helix triplu, reduc, de asemenea , pierderile de presiune, dar la concentrații mai mari ale acestora.
Pentru polimerii flexibili cu mase moleculare suficient de mari (de ordinul 10 6), se obțin reduceri măsurabile ale pierderilor de presiune la concentrații în greutate de ordinul 10−7ppm. Această valoare nu este suficient de semnificativă, datorită faptului că fracția de volum ocupată de asemenea molecule mari nu este neglijabilă. De aceea, în locul concentrației c, se recomandă să se utilizeze produsul dintre concentrație și vâscozitatea intrinsecă la viteză de forfecare zero.
Reducerea pierderilor de presiune devine măsurabilă când produsul c are valoarea 2 10−4. Eficiența mai mare a polimerilor cu structură elicoidală se poate datora vâscozității intrinseci mai ridicate, rezultată din expansiunea mai puternică a helixului, ceea ce conduce la o reducere mai puternică raportată la lungimea helixului. Definind concentrația cc drept concentrația la care moleculele, înlocuite prin sfere rigide ce circumscriu molecula (cu raza egală cu raza de girație a macromoleculei) sunt împachetate compact, considerarea produsului c este identică cu utilizarea raportatului c/cc. Pentru polimeri cu mase moleculare suficient de mari, reducerea pierderilor de presiune este aproximativ proporțională cu raportul c/cc și are valoarea 1 pentru c/cc 0,5 10−4. Mai recent, s-a arătat că eficiența diferiților aditivi polimerici poate fi compatibilă, dacă se consideră nu masa moleculară ci gradul de polimerizare.
Acest lucru se datorează faptului că lungimea macromoleculei este cea care determină eficiența. Masele unităților structurale fiind diferite, comparația eficienței aditivilor se poate face numai dacă se exprimă concentrația în mol/l (raportul dintre cantitatea în grame de polimer dintr-un litru de soluție și masa moleculară a unității structurale ) și nu procentual. Astfel reducerea pierderilor de presiune devine măsurabilă când concentrația polimerului este de ordinul 10-6 mol/l.
Reducerea pierderilor de presiune se poate pune în evidență fie reprezentând coeficientul de frecare liniară f în funcție de numărul Reynolds, fie reprezentând reducerea procentuală a pierderilor de presiune în funcție de concentrația polimerului.
Declanșarea fenomenului este redată în figura 1.8. Sub o anumită valoare critică a efortului tangențial la perete, redată în figură prin numărul Reynolds la care curgerea devine turbulentă, efectul nu este observabil. Dacă această valoare este depășită, panta curbei se modifică, coborând mult sub curba dată de solvent (newtoniană). Efortul tangențial critic depinde de tipul polimerului, masa sa moleculară și, posibil, de concentrația soluției, fiind independentă de diametrul conductei. Pentru polimerii cu structură helicoidală nu se observă un punct de declanșare a fenomenului.
În figura 1.9 este reprezentată reducerea procentuală a pierderilor de presiune în funcție de concentrația pentru diferiți polimeri naturali și sintetici studiați. La început se observă o creștere liniară bruscă a reducerii pierderilor de presiune cu concentrația, după care urmează o plafonare caracteristică pentru fiecare polimer. Peste o anumită concentrație limită, specifică, de asemenea, fiecărui polimer, reducerea nu mai are loc, din contră, apare o creștere a pierderilor de presiune. Acesta este așa numitul fenomen de saturare.
Dacă se reprezintă raportul dintre reducerea relativă a pierderilor de presiune și concentrație în funcție de concentrație, se observă că spre concentrații foarte mici raportul devine constant, panta dreptei căpătând valoarea zero (figura 1.10).
Acest lucru arată că interacțiunea dintre macromolecule nu aduce o contribuție semnificativă la fenomenul de reducere a pierderilor de presiune. Astfel spus, reducerea pierderilor de presiune există și la diluție infinită , când macromoleculele sânt izolate, deci există o reducere intrinsecă a pierderilor de presiune. Dacă interacțiunea macromoleculelor ar fi factorul determinant, ar însemna că dublarea concentrației (la concentrații mici), ar trebui să producă o micșorare a pierderilor de presiune mai mult decât dublă, adică curba de mai sus n-ar mai putea avea pantă nulă când concentrația tinde către zero.
Dependența coeficientului de frecare liniară de numărul Reynolds pentru diferite concentrații de polietilenoxid în apă este arătată în figura 1.11. Acest mod de reprezentare pune în evidență limita asimptotică spre care tinde reducerea maximă a pierderilor de presiune. La prima vedere, existența acestei limite asimtotice pare similară cu fenomenul de saturație. Din faptul că existența sa este independentă nu numai de concentrație, ci și de tipul de polimer și de diametrul conductei, deși sunt necesare concentrații diferite în conducte cu diverse diametre pentru a se obține aceeași limită, se vede clar că nu se confundă cu fenomenul de saturație. Indiferent de mărimea masei moleculare sau de alte caracteristici ale polimerului, limita de mai sus nu poate fi depășită.
Pentru dependența coeficientului de frecare liniară limită de numărul Reynolds s-au dat mai multe expresii care pot fi împărțite în două categorii :
– de forma :
, (1.4)
unde
, sau , sau ;
– de forma :
. (1.5)
Cei mai mulți dintre aditivii polimerici activi în reducerea pierderilor de presiune își micșorează eficiența dacă sunt supuși unei tensiuni tangențiale continue și/sau sau de valoare mare. Micșorarea eficienței se datorează ruperii permanente a lanțurilor macromoleculare lungi în altele mai scurte și mai puțin eficiente, fenomen denumit degradare mecanică. Acest lucru se întâmplă la trecerea repetată a aceleași soluții prin conductă, precum și la utilizarea circuitelor închise sau a celor foarte lungi. În figura 1.11 se prezintă rezultatele măsurătorilor reducerii pierderilor de presiune obținute atât la intrarea în conductă, cât și lângă ieșirea din conductă. Cu alte cuvinte, s-a măsurat eficiența polimerului inițial și a celui care a suferit degradare mecanică într-o anumită măsură. Pentru toate concentrațiile de polimer studiate se observă că valoarea coeficientului de frecare liniară este mai mică în primul caz decât în al doilea, ceea ce constituie o dovadă elocventă a degradării mecanice.
Kenis a comparat rezistența la degradare a aditivilor polimerici și a constatat că polietilenoxidul este cel mai puțin rezistent, iar guar-gum (polizaharid natural) cel mai rezistent. În schimb, guar-gum este degradat rapid de către lumina solară.
Viteza de degradare, determinată de reducerea eficienței de reducere a pierderilor de presiune, depinde de: tipul polimerului, concentrația, mărimea efortului tangențial și natura solventului – bun sau slab – arată dependența de conformația macromoleculei în soluție. Studii mai recente (1978) au arătat că, pentru un set dat de condiții de curgere, degradarea are loc până la o anumită valoare limită a masei moleculare, după care încetează. Într-un solvent slab valoarea limită a masei moleculare este mai mică decât într-un solvent bun.
Dacă condițiile se modifică, astfel încât degradarea să aibă loc atât în solventul bun cât și în solventul slab, polimerul se degradează mai rapid în solventul slab. În solvenții slabi viteza de degradare este aproximativ independentă de concentrația pentru soluții diluate.
Fig. 1.8. Dependența coeficientului de frecare liniară de
numărul Reynolds pentru soluția de 0.25% polimetacrilat
de metil în monoclor benzen
Fig. 1.9. Dependența eficienței polimerilor naturali și sintetici de concentrație
Fig. 1.10. Dependența raportului dintre reducerea relativă a pierderilor de presiune și concentrație în funcție de concentrație pentru soluții de polietilenoxid cu mase moleculare diferite în apă.
Forma profilelor vitezelor medii obținute pentru soluții diluate de polimeri în curgerea prin conducte a fost stabilită de numeroși cercetători. Multe dintre rezultatele mai recente au fost obținute utilizând metode care nu necesită introducerea unui dispozitiv în lichid , cum ar fi anemometrul cu raze laser sau diferitele tehnici de vizualizare a curgerii, utilizând coloranți. În condiții de reducere moderată a pierderilor de presiune, regiunea centrală este mai aplatizată decât cea a solventului, iar profilul lângă perete este mai puțin abrupt.
În figura 1.11 se reprezintă rezultatele tipice obținute pentru dependența raportului dintre viteza locală și viteza de frecare la perete, notată cu w + , în funcție de raportul dintre distanța la perete înmulțită cu viteza de frecare la perete și vâscozitatea cinematică, notată cu y +. Viteza de frecare la perete , unde p este efortul tangențial la perete iar – densitatea lichidului. Solvenții, masele moleculare și concentrațiile polimerilor pentru care s-au făcut determinările profilelor de viteză, precum și diametrele conductelor prin care a avut loc curgerea sunt redate în tabelul 2.
Profilele vitezelor soluțiilor de polimeri cu diferite concentrații sunt cuprinse, după cum se vede din figura 1.11, între așa numita lege newtoniană de perete, dată de relația [3]:
, (1.6)
Tabelul 2
Fig. 1.11. Profilul vitezei medii în timpul reducerii pierderii de presiune
Fig. 1.12. Profilele vitezelor soluțiilor de polimeri cu diferite concentrații
și profilul final dedus de Virk care corespunde reducerii maxime, obținute pe asimptotă:
. (1.7)
Într-o curgere newtoniană, în afara substratului vâscos, (laminar)- în care, datorită prezenței peretelui, mișcarea este generată de vâscozitate, profilul de viteză variind logaritmic. Această regiune logaritmică sau substrat inerțial rezultă din faptul că, mărimea viscozității este prea redusă și diametrul conductei prea mare pentru a putea influența mișcarea. În soluții de polimeri se observă, de asemenea, o regiune logaritmică, ceea ce indică menținerea acelorași relații între mărimile ce intervin. Deoarece profilul substratului vâscos rămâne modificat și panta substratului tampon este, de asemenea nemodificată cuprins între substratul vâscos și cel turbulent, profilul trebuie să fie deplasat în sus, spre profilul final (figura 1.12) dacă are loc o reducere a pierderilor de presiune. Această deplasare în sus este cauza așa numitei alunecări efective. Întregul fenomen de reducere a pierderilor de presiune se poate atribui, deci modificărilor din stratul tampon, cuprins între substratul vâscos și cel turbulent. Efectul este atribuit, adesea, îngroșării substratului vâscos. În acest sens, grosimea stratului vâscos este definită de intersecția profilelor straturilor vâscos și turbulent. Deoarece ultimul este deplasat în sus, punctul de intersecție trebuie să se deplaseze spre dreapta. Fenomenul de îngroșare se datorează stratului tampon (intermediar).
Grosimea substratului vâscos poate fi determinată, după Taylor, cu ajutorul criteriului de stabilitate reprezentat schematic, în secțiune, în figura 1.13. Dacă ne imaginăm o curgere turbulentă printr-un tub capilar, cu un strat vâscos la fiecare dintre pereți, și se mărește progresiv vâscozitatea, celelalte variabile fiind menținute constante, extinderea regiunii turbulente va fi redusă și grosimea substratului vâscos va crește. În final se ajunge la o stare în care o singură perturbare este suficientă pentru ca extracția de energie de la viteza medie să se mențină. Crescând în continuare puțin vâscozitatea are loc de asemenea o extindere a perturbării și curgerea va deveni laminară. În acest punct curgerea constă, în esență, din două substraturi vâscoase aflate față în față și grosimea substratului vâscos poate fi determinată din această problemă de stabilitate bine definită. Valorile astfel obținute sunt în concordanță foarte bună cu cele determinate pentru fluidele newtoniene.
Deoarece, într-un sens mai larg, reducerea frecării la curgere cu ajutorul polimerilor pare să fie asociată cu o creștere a grosimii substratului vâscos, apare întrebarea firească, dacă analiza lui Taylor se poate aplica soluțiilor de polimeri pentru a prevedea creșterea observată. Dacă se folosesc valorile corecte ale vâscozității în cazul soluțiilor care formează aglomerate, experiențele prevăd destabilizarea, în concordanță cu teoria..
Tendința apei de a forma vârtejuri, goluri de gaze sau vapori este inhibată prin adăugarea unor cantități mici de aditivi polimerici.
Ceea ce se poate concluziona din utilizarea celor 3 metode este că:
efectul de adiționare cu polimeri a fluidelor poate rezolva întârzierea în separarea stratului limită prin extinderea substratului limită laminar, deci prin întârzierea substratului laminar către stratul limită turbulent; o serie de tipuri de polimeri pot răspunde teoriei prin comportarea lor;
de asemenea, se poate trage concluzia că substratul vâscos și zonele vecine în apropierea unui perete rigid prezintă o structură diferită comparativ cu a solventului, observându-se o întârziere a declanșării fenomenului de desprindere a stratului limită.
Comportarea nenewtoniană a fluidelor aditivate cu polimeri
Fluidele care respectă legea lui Newton dată de:
, (1.21)
se numesc fluide newtoniene.
Fluidele nenewtoniene sunt cele care dezvoltă eforturi tangențiale care nu se mai supun legii lui Newton.
În figura 1.26 se prezintă o clasificare reologică a fluidelor la care efortul de frecare se definește ca fiind:
, (1.22)
în care este efortul tangențial de frecare, iar k este un coeficient specific curgerii nenewtoniene, adimensional, devenind egal cu vâscozitatea dinamică pentru n=1.
Pentru fluidele pseudoplastice n <1, iar pentru fluidele dilatante avem n >1.
Diagramele care prezintă proprietățile reologice ale fluidelor se numesc reograme.
În figura 1.27 se prezintă reograma soluției de polietilenoxid pentru concentrații de 10 ppm, 100 ppm la temperatura de aproximativ (250 0,1)C.
În figura 1.28 se prezintă variația efortului în funcție de gradientul de viteză pentru fluidele nenewtoniene.
Fig. 1.26. Clasificarea reologică a fluidelor.
Fig. 1.27. Reograma soluției concentrate de polietilenoxid.
Fig. 1.28. Comportarea nenewtoniană a lichidelor
Plasticitatea
Este cea mai simplă comportare dintre fluidele nenewtoniene. Una dintre relațiile simple utilizate pentru a descrie o asemenea curgere este cea stabilită de Bingham :
; (1.23)
unde reprezintă chiar panta funcției .
Pseudoplasticitatea
Majoritatea fluidelor care au comportare nenewtoniană intră în categoria fluidelor pseudoplastice.
Reograma fluidelor din această categorie este o curbă cu pantă asimilată unei vâscozități nenewtoniene numită vâscozitate diferențială:
. (1.24)
În această categorie intră soluțiile de polimeri, cauciucurile lichide, acetatul de celuloză, napalmul etc.
Fluidele pseudoplastice sunt considerate ca având la temperatură constantă o comportare independentă de timp.
Modele reologice pseudoplastice
Efectul aditivilor polimerici asupra curgerii turbulente a fluidelor
Efectul aditivilor polimerici la curgerea turbulentă a fluidelor prin diferite tipuri de conducte este prezentată în figura 1.29.
De asemenea, se prezintă în figura 1.30 natura coeficientului de frecare în funcție de numărul Reynolds la diferite concentrații de polimeri.
Un caz de curgere turbulentă al cărui studiu prezintă o mare importanță teoretică și practică îl constituie curgerea turbulentă în stratul de pe lângă peretele plan.
Din cercetările efectuate de diferiți autori au rezultat (figura 1.31) prin racordarea celor două curbe a) și b).
Profilul a) a fost acceptat de un mare număr de cercetători ca de exemplu: A.S. Manin, A.M. Iaglom, D. Coles, J.O. Hinze, J. Kestin, P.D. Richardson, profilul vitezei medii a curgerii turbulente fiind:
(1.25)
În cazul curgerii turbulente în conducte prin introducerea aditivilor polimerici cu diferite concentrații sunt cuprinse după cum se vede în figura 1.32 între așa numita lege nenewtoniană de perete dată de relația:
, (1.26)
și profilul de viteze dedus de Virk care corespunde reducerii maxime obținută pe asimptotă:
. (1.27)
Reducerea coeficientului de frecare la curgerea turbulentă a fluidelor prin conducte
Literatura de specialitate menționează cercetările lui Debrule și Sabersky care au determinat experimental pierderile de sarcină la curgerea lichidelor prin conducte netede și rugoase pentru diverse concentrații de aditivi polimerici și pentru un interval larg de valori ale numărului Reynolds.
Se prezintă în figurile 1.33, 1.34, rezultatele obținute în acest sens [8].
Debrule și Sabersky au arătat că, folosind concentrații mici de polimeri de până la 50 ppm, se obțin reduceri ale coeficientului de pierdere de sarcină de (2 – 3) ori în comparație cu lichidul pur în cazul curgerii apei prin conducte netede hidraulic, de (3 – 5) ori la curgerea apei prin conducte semirugoase hidraulic și de (3 – 5) ori la curgerea apei prin conducte rugoase hidraulic, experimentele fiind făcute pentru numere Reynolds cuprinse între 20000 și 30000.
.
Fig. 1.29. Efectul aditivilor polimerici
asupra curgerii turbulente a fluidelor
Anexă
ASPECTE TEORETICE PRIVIND UNELE
CARACTERISTICI ALE POMPELOR CENTRIFUGE
1. Caracteristica externă
Energia necesară transportului fluidului de la o cotă mai joasă la una mai ridicată se determină pe baza calculului înălțimii totale de pompare a rețelei Ht:
, (1)
în care Hs este înălțimea statică, iar Hd este înălțimea dinamică.
Înălțimea statică Hs se determină cu relația:
, [m] (2)
unde:
– Hman. este înălțimea piezometrică (manometrică);
– Hgeod. este înălțimea geodezică.
Înălțimea dinamică Hd se determină prin:
[m], (3)
unde reprezintă diferența dintre energia cinetică la ieșirea, respectiv intrarea în rețea, iar reprezintă pierderile de presiune în rețea.
În forma completă, înălțimea totală a rețelei de transport se determină cu relația:
[m].(4)
Deoarece:
, (5)
adică pierderile sunt proporționale cu pătratul vitezei, (viteza fiind direct proporțională cu debitul Q), avem că:
. [m] (6)
Relația (6) constituie caracteristica externă a instalației de pompare și este reprezentată în figura 1 (funcție de gradul 2, k4> 0).
Fig. 1. Caracteristica externă a rețelei de transport
2. Caracteristica internă a pompei
Aceste caracteristici sunt necesare pentru alegerea și exploatarea corectă a pompelor centrifuge, ele fiind, în general, indicate de constructorul pompei și se găsesc în cataloagele firmelor constructoare.
Caracteristica internă a pompei se definește ca fiind:
, k1 0, k2 0, k3 0.
Pentru reprezentarea grafică a acesteia facem următoarea discuție:
– dacă n = const., k1 0, k5 0, k6 0, rezultă fig. 2;
– din n const. , rezultă că avem o familie de parabole (vezi fig. 2), linie întreruptă.
Fig. 2 Caracteristica internă a instalației
3.1. Determinarea punctului de funcționare a instalației
Acest lucru se poate face analitic sau grafic.
Metoda analitică:
Determinarea analitică se poate face plecând de la egalitatea dintre înălțimea de pompare a instalației Hi și înălțimea totală a rețelei Hr.
Deoarece:
,
din egalitatea Hi = Hr avem:
sau
, (7)
iar soluțiile ecuației sunt:
,
de unde se acceptă doar soluția Q > 0 dată de :
. (8)
pentru care .
3.2. Metoda grafică:
Determinarea grafică rezultă din intersecția între curba caracteristicii interne Hi(Q) a instalației de pompare și cea a caracteristicii externe Hr(Q) a rețelei de pompare în care punctul F din figura 2 îndeplinește condiția Hi(Q) = Hr(Q).
Fig. 2 Determinarea punctului de funcționare a instalației
CAPITOLUL 2
Concluzii și rezultate obținute în urma
cercetărilor efectuate în România
2.1. Reologia aditivilor polimerici
Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate sintetic în reogramele care urmează. Au fost executate un mare număr de determinări, poliacrilamidele hidrolizate încercate fiind foarte diluate, solubile în apă, cu caracter anionic și cu mase moleculare mari de ordinul 106. Probele de poliacrilamide românești au fost produse de ICPAO-Mediaș.
Soluțiile studiate au avut o plajă largă de concentrații studiindu-se efectul concentrației și a temperaturii asupra tensiunii tangențiale . Toate aceste substanțe prezintă proprietați diverse în funcție de concentrație, de lungime, de structura lanțului polimeric și de masa moleculară. De asemenea aditivii polimerici au fost mult folosiți în industrie datorită proprietăților lor de solubilitate, coloidale, de emulsie etc.
Caracterul vâscoelastic al acestor soluții determinat experimental de cercetătorii care lucrează în domeniul reologiei, a fost confirmat și de rezultatele experimentale propii. Aceste rezultate experimentale, cât și datele furnizate de literatura de specialitate, au condus la alegerea ecuației constitutive de tip Maxwell specifică pentru tipul de fluide vâscoelastice necesare în stabilirea ecuațiilor de curgere.
Determinările s-au făcut în ipotezele de curgere permanentă, stabilă, comportarea fluidului fiind independentă de timp, regimul fiind laminar, fără să se considere comportamentul pe care îl au fluidele newtoniene în vecinătatea pereților solizi.
Printre parametrii studiați concentrația masică a soluției de polimer influențează foarte mult gradul de vâscoelasticitate al soluției deoarece procentul de macromolecule determină comportamentul reologic al fluidelor, acest procent variind în același sens cu concentrația. Plaja de concentrații folosite a variat între (5…30) ppm, pentru a putea obține soluții cu caracter newtonian evident. Deoarece soluțiile erau sub formă de gel, care prezintă predominant caracterul de plasiticitate pentru a obține efectul de reducere a pierderilor de presiune s-au folosit soluții foarte diluate. Concentrația maximă a fost aleasă în funcție de masa moleculară a produsului; cu cât masa moleculară a soluției a fost mai mare cu atât lanțurile macromoleculare sunt mai lungi și concentrația aleasă trebuie să fie mai mică.
Pentru o soluție dată la temperatură constatată s-a studiat variația concentrației asupra caracteristicilor reologice ale substanței.
În experiențele proprii s-a studiat influența temperaturii la o concentrație dată asupra proprietăților reologice ale soluțiilor de poliacrilamidă. S-a observat că pe măsură ce temperatura crește, scade , deci vâscozitatea intrinsecă. Acest lucru ne poate duce la concluzia că în condiții de temperatură ridicată există posibilitatea degradării polimerului, deci trebuie avută în vedere modificarea concentrației în timp cu temperatura și compensarea acestui efect, după caz.
Rezultatele studiului comportării reologice a soluțiilor de aditivi polimerici au confirmat caracterul vâscoelastic al acestora, fapt presupus anterior, precum și observațiile privind comportarea aditivilor polimerici la curgerea prin conducte în timpul măsurătorilor globale de pierderi de presiune.
2.2. Instalații de stins incendii-hidranți de incendiu exteriori și interiori
2.2.1. Introducere
Programul de cercetări experimentale pentru determinarea efectului cantitativ al introducerii aditivului asupra pierderilor de presiune a caracteristicilor jeturilor de la un hidrant de incendiu interior s-a efectuat pe o instalație experimentală realizată în cadrul laboratorului de Centrale electrice și termoficare (CET) din cadrul Institutului Politehnic București (actualmente Universitatea Politehnică București), Facultatea de Energetică, în perioada 1978 – 1983, de către un colectiv condus pe atunci de conf.dr.ing. Aureliu Leca [1], [2], [3].
Instalația utilizată a fost astfel concepută încât să satisfacă condițiile funcționale ale rețelelor de stins incendii, permițând reglarea principalilor parametrii într-un domeniu suficient de larg pentru obținerea unor regimuri de curgere variate. Măsurătorile au avut drept scop stabilirea influenței concentrației aditivilor și a regimului de curgere asupra pierderilor de presiune liniare precum și asupra debitului și a lungimii jetului de apă refulată prin țevi de refulare tip, standardizate utilizate la stingerea incendiilor (direct de la hidranți interiori, exteriori sau de la autospecialele de stins incendii).
2.2.2 Descrierea instalației experimentale
Instalația experimentală a fost alcătuită din accesorii specifice stingerii incendiilor este redată în figura 2.1 și cuprinde următoarele componente :
– un hidrant de incendiu (1) de la care se prelevează apă utilizată ca fluid de lucru ;
robinetul de închidere/deschidere (2) al hidrantului care folosește și ca organ de reglare a debitului în cursul măsurătorilor;
– un furtun de incendiu tip C cu lungimea de aproximativ 5 m lungime (3) folosit pentru racordarea instalației la hidrant;
– un debitmetru de tip TURBOQUANT alcătuit dintr-un traductor tahometric cu turbină (4) și un aparat electronic (5) de prelucrare a semnalelor și indicare a debitului;
– un tronson de conductă (6) de 2000 mm lungime la care se racordează sistemul de injecție controlată a aditivului precum și ștuțurile pentru manometrele de presiune relativă (18) și presiune diferențială (20);
– un furtun tip C de incendiu ( 1 53 mm ) cu lungimea de 83,5m, utilizat pentru măsurarea pierderii de presiune în cazul curgerii apei neaditivate/aditivate ;
– un tronson de conductă (21) de circa 1 m lungime, dispus la ieșirea din furtunul de măsură, la care se racordează un manometru diferențial și un manometru de presiune relativă (22);
– un furtun de incendiu tip C de circa 3 m lungime (23) utilizat pentru racordarea ajutajului de ieșire;
– ajutajul (24) (țeavă) de refulare a apei (26) montat pe un suport (25) la un unghi față de orizontală .
Sistemul de injecție controlată a aditivului cuprinde următoarele componente:
– regulatorul de presiune (13) pentru aerul comprimat necesar introducerii aditivului în instalație;
– rezervorul de aditiv (7) cu înălțimea de 1760 mm și diametrul interior di = 100 mm prevăzut cu o sticlă de nivel (12) și manometrul (8) pentru măsurarea presiunii aerului în rezervor; pentru introducerea aditivului s-a prevăzut o pâlnie (9) și un robinet de închidere (10);
– robinetul (11) necesar evaluării debitului de aditiv injectat în instalația experimentală; debitul de aditiv se reglează cu ajutorul robinetului (15), robinetul (14) fiind complet închis în timpul introducerii aditivului.
Injecția propriu zisă a aditivului se face prin patru conducte de diametre mici (17) racordate la un colector de distribuție (16).
Ștuțurile de injecție sunt sudate pe conducta (6) decalate la 90 0, pentru a permite o repartizare uniformă a aditivului în stratul limită de lângă peretele conductei.
Fig. 2.1. Instalație experimentală pentru determinarea pierderilor de presiune
Legendă : 1-Hidrant de incendiu; 2-Robinet hidrant; 3-Furtun de racordare; 4-Debitmetru cu turbină tip TURBOQUANT; 5-Indicator de debit; 6-Conductă de introducere a aditivului; 7-Rezervor de aditiv; 8, 18, 22-Manometre; 9-Pâlnie de introdus aditivul; 10, 14-Robinete de închidere; 11-Debitmetru rotametric; 12-Sticlă de nivel; 13-Regulator de presiune aer comprimat; 15-Robinet reglare aditiv; 16-Colector de distribuție; 17-Conducte de injecție a aditivului; 19-Furtun de incendiu de tip C (Ø 53 mm); 20-Manometru diferențial; 21-Conductă pentru prizele de presiune la ieșire; 23-Furtun de racordare a ajutajului; 24-Ajutaj; 25-Suport; 26-Jet de apă.
2.2.3 Aparate de măsură utilizate
Pentru măsurători au fost utilizate următoarele aparate de măsură :
– un manometru diferențial cu mercur (21) cu tub în formă de U pentru măsurarea căderii de presiune pe furtunul de măsură (18). Precizia de măsurare a fost de 1 mm col.;
– manometre de presiune relativă, cu element elastic, având clasa de precizie 0,6 pentru măsurarea presiunii apei la intrare (15) și la ieșire (20) din furtunul de măsură, precum și pentru măsurarea presiunii aerului din rezervorul de aditiv; domeniul de măsură al manometrelor a fost de (06)bar;
– debitmetru rotametric (7) pentru determinarea debitului de aditiv injectat; indicația rotametrului a fost corectată în funcție de temperatura și concentrația soluției de aditiv;
– sticlă de nivel (26) pentru determinarea nivelului de aditiv în rezervorul (6); precizia de citire a fost de 1 mm.
2.2.4 Tehnica măsurătorilor și relații de calcul
Măsurătorile experimentale s-au efectuat în două etape [5]:
– prima, în care agentul de lucru a fost apa curată (fără aditiv) și s-a urmărit determinarea legăturii dintre debit și căderea de presiune, pentru a exista o bază de referință;
– a doua, în care au fost introduși aditivi de diferite concentrații, urmărindu-se influența acestora asupra unor parametrii cum sunt: pierderea de presiune, debitul bătaia jetului etc.
În prima etapă a măsurătorilor experimentale, în care determinările s-au făcut cu apă curată (fără aditiv), s-au măsurat mărimile primare pentru 16 regimuri de curgere ; debitul de apă a fost reglat la diferite valori cuprinse între (3…10) m3/h, iar presiunea apei la intrare având valori (0,27 … 2,2) bar.
În a doua etapă a măsurătorilor experimentale, s-a introdus în instalație (apă) aditiv polimeric cu diferite concentrații a căror valori au fost (1,3…45,04) ppm, iar numărul de regimuri testate (treceri) a fost de 100.
Tehnica de lucru a urmărit efectuarea măsurătorilor în anumite condiții:
păstrarea constantă a debitului și modificarea concentrației de aditiv de la un regim la altul; acest lucru s-a realizat prin manevrarea robinetului (15) la reglare a debitului de aditiv injectat;
menținerea p=const. la intrarea în furtunul de măsură în timp ce concentrația aditivului a fost modificată de la un regim la altul.
Reglajele s-au efectuat cu ajutorul robinetului (15) și (2).
2.4.5 Rezultatele măsurătorilor
2.4.5.1 Introducere
Măsurătorile efectuate au urmărit determinarea reducerilor de pierderi pentru presiune în funcție de concentrația aditivului utilizat pentru variația debitului de apă, lungimea jetului și gradul de concentrare al jetului în funcție de concentrația aditivului [6].
2.2.5.2 Reducerea pierderilor de presiune
Figurile 2.2 și 2.3 , reprezintă reducerea pierderilor de presiune în funcție de concentrația aditivului pentru două valori ale numărului Reynolds corespunzătoare debitelor de 10,8 m3 /h și 6 m3 /h .Reducerea procentuală este calculată în raport cu pierderea de presiune totală pentru apă.
Din cele două diagrame rezultă că introducerea de aditivi conduce la micșorarea pierderilor de presiune la curgerea prin instalațiile, utilajele și accesoriile de stingere a incendiilor, utilizate în instalația experimentală.
Se observă că reducerea de presiune este mai mare cu cât turbulența (numărul Reynolds) este mai mare.
De asemenea a rezultat că la numere Reynolds mari există o concentrație la care reducerea de presiune este maximă și anume (1015) ppm , reducerea de presiune fiind de 40 față de apa neaditivată.
Variația coeficientului de frecare cu concentrația pentru diferite numere Reynolds este prezentată în figura 2.7.
Se observă că și în acest caz efectul de reducere este mai semnificativ la turbulență mai ridicată, situație ce concordă cu rezultatele din literatura de specialitate, reducerea maximă a coeficientului de frecare fiind de circa 40 .
2.2.5.3 Influența aditivilor asupra debitului de apă și asupra lungimii jetului
În figurile 2.4 și 2.8 se arată creșterea de debit reală și procentuală în cazul menținerii constante a pierderii de presiune, în funcție de concentrația de aditiv.
S-a obținut o creștere maximă de 27,5 a debitului de apă vehiculat în comparație cu apa neaditivată pentru aceeași pierdere de presiune .
De asemenea, ca urmare a introducerii aditivilor, lungimea jetului crește cu aproximativ 60 ca urmare a creșterii debitului și măririi vitezei de refulare ( figura 2.5 și 2.9 ).
Fig. 2.2. Pierderea de presiune pe traseul experimental
Fig. 2.3. Reducerea de presiune pe traseul experimental
în funcție de concentrația aditivului
Fig. 2.4. Creșterea absolută a debitului prin instalație
în funcție de concentrația aditivului
Fig. 2.5. Creșterea distanței de refulare
în funcție de concentrația aditivului
Fig. 2.6. Creșterea debitului și a distanței de refulare
în funcție de concentrația aditivului
Anexă
Proprietăți de stingere ale apei
Dintre toate lichidele din natură apa ocupă locul cel mai important, atât ca agent chimic cât și ca agent fizic. De asemenea este cel mai utilizat agent stingător. Pentru aceasta se vor descrie în continuare proprietățile apei ca mijloc de stingere a incendiilor.
Oricât de importante sunt progresele obținute în domeniul celor mai eficienți agenți stingători, apa este și poate va fi dintotdeauna mijlocul de stingere cel mai răspândit.
Aceasta se datorează faptului că ea oferă cele mai bune condiții de întrebuințare și anume ușor de procurat, preț redus, mare putere de răcire și este absolut nevătămătoare.
Se știe că procesul de ardere nu poate avea loc decât dacă există un material combustibil, oxigen și căldura necesară aprinderii combustibilului respectiv.
În cazul în care lipsește unul dintre aceste trei elemente arderea nu mai este posibilă.
Apei ca agent de stingere i se cere să elimine unul din cele trei elemente.
Efectul d estingere ce se obține prin întrebuinșarea apei se realizează prin:
-răcire;
-izolarea suprafeței incendiate de oxigenul din aer,
-acțiunea mecanică (în special în cazul folosirii apei sub formă de jet compact).
Efectul principal la stingerea cu apă constă în răcirea materialului care arde.
Pentru a coborî temperatura materialelor aprinse este necesar ca jetul de apă să absoarbă căldura care contribuie la dezvoltarea incendiului. Această căldură provine de la corpuri incandescente și de la flăcări.
Se știe că un kilogram de apă transformată în vapori absoarbe 639 kcal.
Ce se întâmplă dacă asupra focarului se aruncă un jet de apă compact? Într-un asemenea caz, jetul se fărâmițează în particule destul de mari și aproape 70% din cantitatea de apă rămâne nefolosită, scurgându-se în afara focarului.
De exemplu prin aruncarea unui litru de apă sub formă de jet compact asupra focarului se produc picături mari care au în total o suprafață superficială de 1 m2; la formarea unor picături cu diametrul de 1mm suprafața se mărește cu 6 m2.
Cu cât se obțin și se folosesc picături de dimensiuni mai mici, cu atât suprafața lor totală crește. Așa de exemplu, la diametrul picăturilor de 0,1 mm suprafața totală a picăturilor obținute dintr-un litru de apă ajunge la 600 m2.
Dimensiunile picăturilor de apă au o importanță practică. Pe timpul intervenșiilor la incendii este necesar ca o cât mai mare cantitate de apă să ajungă la focar, să rămână acola până la evaporare completă. Picăturile de apă posedă energie cinetică care le dă posibilitatea să se deplaseze cu o anumită viteză către focar.
Particulele de apă, ca să pătrundă în zona de ardere a materialului până la imediata apropiere a focarului, trebuie să aibe o viteză suficientă, capabilă să asigure străbaterea stratului de fum, de gaze calde și flăcări, pentru a se putea evacua cât mai aproape de obiectul care arde.
Capacitatea de pătrundere a apei în focarul incendiului depinde de dimensiunile picăturilor, de presiunea dinamică a jetului, de mișcarea curenților de aer și a produselor de ardere, de viteza de mișcare a picăturilor, dee gradul de evaporare a apei în zona flăcărilor, de capacitatea apei de a prelua căldura de la suprafața materialului care arde și de proprietățile materialelor combustibile aprinse.
Contactul apei cu materialul aprins constituie primul efect de stingere, iar saturarea spațiului înconjurător cu vapori de apă al doilea efect.
Dacă o picătură de apă traversează lent masa de fum și de abur se poate evapora chiar în întregime, urmând ca vaporii astfel obținuți să se îndepărteze împreună cu masa de fum emanată din focar, înainte de a avea o acțiune de răcire asupra materialului aprins.
Chiar dacă vaporii absorb o anumită cantitate de căldură de la fum, ei nu exercită vreo acțiune de răcire asupra focarului, fenomenul având loc în afara zonei de influență a acestuia.
De aceea este necesar ca picăturile de apă șă formeze o masă cu o viteză suficientă pentru a fi în stare să traverseze rapid zona de fum, de căldură, să ajungă la focar și să exercite acțiunea de răcire.
Efectul de stingere este cu atât mai puternic cu cât se evaporă mai multă apă.
Această afirmație se poate ilustra cu următorul exemplu: pentru a face să fiarbă un litru de apă, având temperatura inițială de 10C, este nevoie de 90 de kilocalorii, iar pentru evaporarea completă de alte 539 kilocalorii.
Deci un litru de apă la 10C are nevoie pentru evaporarea completă de 629 kilocalorii, formându-se circa1600-1700 l abur.
Dacă se intervine cu o țeavă tip C având un debit de 200 l/minut și dacă numai a treia parte din cantitatea de apă utilizată acțuionează cu eficacitate, atunci se produce o absorbție de căldură din focarul incendiului de 42000 kilocalorii pe minut.
Deci căldura luată corpului care arde se consumă pentru încălzirea apei și pentru teransformarea ei în vapori, urmarea fiind reducerea relativă a temperaturii în apropierea nemijlocită a focarului.
Apa transformată în vapori limitează accesul oxigenului din aerul înconjurător, care constituie elementul principal pentru întreținerea arderii.
Ca o concluzie, referitor la acțiunea de stingere a apei, se arată că efectul maxim de răcire se atinge atunci când apa se utilizează sub formă pulverizată sau sub formă de ceață, deoarece se creează posibilitatea transformării ei în vapori, aproape în întregime.
Un jet de apă pulverizată absoarbe mai multe calorii decât un jet compact.
Apa pulverizată provoacă mai puține pagube, în urma folosirii ei la stingere.
Apa naturală. Generalități. Proprietăți chimice
Apa, alături de materia primă și energie constituie un element esențial pentru amplasarea și dezvoltarea industriei.
Cantitatea totală de apă pe Pământ se apreciază la circa 1 640 * 106 km3. Din această cantitate circa 250 * 106 km3 se află în diferiți compuși ca apă de constituție, hidrați, etc. din restul, cea mai mare parte (97-98%) a hidrosferei (apă lichidă), este apă sărată iar restul este apă dulce.
Cea mai mare parte de apă dulce se găsește în Antarctica și Groenlanda. Apele de suprafață și apele de adâncime (până la 800 de m), care formează disponibilul de apă dulce este de 0,5*106 km3, respectiv 0,36% din apa lichidă.
În atmosferă se află 0,013 * 106 km3, care reprezintă o cotă parte esențială a rezervelor de apă.
În natură există un circuit al apei provocat de evaporarea apei datorită radiației solare. Se stabilește astfel în natură următorul bilanț al apei: P=E+S+(R-C) în care P prezintă participațiile, E = evaporarea, R = rezervă din anii cu participații bogate, în special iarna, D = consumul din această rezervă în perioadele de secetă.
Un bilanț pozitiv al gospodăririi apei trebuie să evite ca termenul E – C să ajungă negativ.
Datorită contactului cu gaze, lichide și solide în natură nu există apă pură; aceasta poate exista numai prin obținerea în instalații chimice speciale.
Vaporii condensați în căderea lor dizolvă gazele din atmosferă N2, O2, CO2. în sol continuă dizolvarea de substanțe ca de exemplu carbonații de calciu și de magneziu, ceea ce conferă apei duritatea acesteia.
În mod similar are loc și dizolvarea altor substanța ca: silice, fier, mangan, săruri de sodiu, substanțe organice.
Apele de suprafață mai preiau în curgerea lor și substanțe în suspensie. Apa din punct de vedere chimic poate fi pură (curată) și naturală.
Pentru stingerea incendiilor ne interesează ap naturală ca fluid în sine. Ca substanță compusă chimic, aceasta este folosită pentru stingerea incendiilor, fie direct fie combinat rezultând spume chimice. Ca proprietăți delimităm din punct de vedere chimic următoarele:
Temperatura
Aceasta este destul de variabilă în special, la cele de suprafață ca de exemplu: iarna – de la 0 (sau 1)C, până la 25C – vara.
Apele freatice au o temperatură ceva mai constantă (la 10 m adâncime avem circa 8…12C).
Culoarea
Aceasta lipsește apei pure în straturile subțiri pe când în straturile ceva mai adânci aceasta este albastră. În funcție de starea de dispersie a substanțelor care provoacă culoarea se pot deosebi următoarele culori după cum urmează:
– culoarea aparentă, car se poate îndepărta prin filtrare și se datorează unor substanțe aflate în suspensie;
– culoarea proprie, care se datorează substanțelor dizolvate respectiv în stare coloidală.
Culoarea apei se măsoară în grade, corespunzător scării platina – cobaltice. Pentru o apă incoloră se admite valoarea de maxim 15 grade.
Conductivitatea chimică
Indică gradul de mineralizare al apelor naturale în mod indirect. În altă ordine de idei aceasta se notează cu și se mai numește și conductivitate electrică specifică având unitatea de măsură în [-1], iar în Europa Centrală și în [s] (siemens).
Conductivitatea termică a apei este dependentă de temperatură, starea de agregare și componenți, alți componenți chimici din apă.
Turbiditatea și suspensiile din apă
Prin turbiditate se înțelege gradul de opacitate al apei, proprietate conferită acesteia de către substanțele în suspensie sau în stare coloidală. Aceasta se poate măsura folosind micșorarea intensității luminii care străbate un strat de apă cuantificată prin: , în care I = intensitatea luminii după trecerea prin apă;
N = numărul de particule;
d = diametrul mediu al acestor particule;
= lungimea de undă;
K = coeficient de proporție.
Se remarcă faptul că particulele sub 0,1 dispersează lumina, iar peste această valoare lumina este reflectată.
Recepția sau pH – ul apei
Aceasta se traduce prin concentrația ionilor de hidrogen, care este funcție de gradul de disociere a apei și de existența electrozilor dizolvați în ea. În determinarea pH – ului apelor naturale un rol important îl joacă conținutul de bicarbonați de calciu și magneziu, care compun duritatea temporară. Se redă mai jos pentru simplificare valori ale funcției pH = f(d) tabelate după cum urmează:
Exprimarea caracterului acid sau bazic al soluției apoase se face prin pH = – log [H+] care pentru starea neutră și la 20 C ia valoarea pH = – log 10-7 = -7. Pentru concentrația de ioni [H+] 10-7 soluția se consideră alcalină, iar pentru [H+] 10-7 ea este acidă
Duritatea apei
Aceasta se definește ca fiind conținutul de ioni de calciu și magneziu din apă; deosebim astfel:
– duritatea temporară constituită din bicarbonați în descompunere ca urmare a încălzirii;
– duritatea permanentă este formată de celelalte săruri de calciu și magneziu, sulfați, cloruri, etc.;
– duritatea totală, care reprezintă suma celor două durități;
Apa poate fi și pură însă, pentru a o obține ne sunt necesare transformări chimice în instalații specializate.
Aceasta este necesară în instalațiile în care nu trebuie să existe un grad mare de coroziune în timp în raport cu apa naturală.
În laborator și instalații de tratare a apei se utilizează balanța ionică care reprezintă forma tehnică de exprimare a compoziției unei ape. Formula chimică a apei este H2O.
Proprietăți specifice ale apei
La temperatura de 0C apa trece sub formă de gheață mărindu-și volumul cu aproape 10% și devenind mai ușoară prin micșorarea greutății specifice de la 9805 N / m3 la 898 N / m3. sub formă de gheață (stare solidă), apa își păstrează forma și volumul și poate fi supusă la eforturi de întindere, compresiune și de forfecare.
Apa, din punct de vedere chimic cristalizează în sistemul hexagonal. Când aceasta se află într-o stare total liniștită, temperatura de solidificare poate să ajungă la valoarea de -5C.
Fenomenul de îngheț se face de sus în jos și de la margini spre mijloc, fixarea făcându-se de margini. În unele cazuri, gheața are o acțiune distructivă asupra construcțiilor și instalațiilor hidrotehnice (conducte de apă, racorduri, armături, etc.), acestea fiind amplasate în apă însă, sub adâncimea de îngheț dar, pentru o protecție sigură de exemplu conductele, acestea pot fi izolate termic pentru evitarea înghețului.
În timpul iernii, apa cu densitate mai mică și temperatură maximă din râuri, lacuri și mări se ridică la suprafață, unde formează un strat protector pentru apele aflate la adâncimi din ce în ce mai mari cărora le corespund valori din ce în ce mai mari ale presiunii, temperaturii și care pot ajunge la temperaturi de până la 4C la adâncimi. În acest fel, apa de la adâncimi nu mai îngheață niciodată, asigurând astfel existența vieții acvatice și protecția instalațiilor la adâncime.
La temperatura de 100C și la presiunea de 760 mm col Hg, moleculele de la suprafața apei se desprind și trec în aer sub formă de vapori.
Tot din punct de vedere chimic apa este un dizolvant puternic și are acțiune agresivă asupra metalelor pe care le distruge prin acțiunea de coroziune, datorită acidității acesteia.
De asemenea, sărurile dizolvate și materialele, (particulele) aflate în suspensie în apă contribuie la micșorarea secțiunilor de trecere în conducte prin depuneri, sau pot să conducă la eroziunea pereților conductelor.
În comparație cu alte lichide, apa are căldura specifică foarte mare, iar datorită inerției termice foarte mari apa se încălzește greu.
Absorbind o mare cantitate de căldură în cazul utilizării ei la stingerea incendiilor, apa pulverizată sub formă de jet, se evaporă și răcește corpurile care ard.
Capitolul 3
Mișcarea laminară
într-o conductă circulară orizontală.
3.1 Problema Hagen-Poisseuille
Metoda I
Se consideră o conductă circulară, orizontală, și se separă din interiorul acesteia un element cilindric de fluid (figura 3.1), având raza r și lungimea generatoarei L. Asupra acestui element vor acționa forțe de presiune și forțe datorate vâscozității.
În cazul mișcării uniforme (), legea lui Newton
,
devine :
. (3.1)
În relația (3.1), este efortul tangențial determinat de fiecare dintre straturile fluidului vâscos (de vâscozitate dinamică ).
Fig. 3.1. Mișcarea laminară într-o conductă orizontală.
Relația (3.1) poate fi scrisă și sub forma :
, (3.2)
sau , (3.3)
care prin integrare devine : . (3.4)
Constanta de integrare c se determină din condiția ca viteza pentru . Se obține astfel :
. (3.5)
Din relația (3.4), cu expresia (3.5) a constantei de integrare rezultă repartiția vitezei în secțiunea conductei :
. (3.6)
Viteza este maximă în axa conductei () și are valoarea :
. (3.7)
Viteza se mai poate scrie și sub forma :
. (3.8)
Efortul tangențial variază liniar și admite expresia :
. (3.9)
În aceste condiții :
. (3.10)
Distribuția vitezei și efortului tangențial în conductă sunt redate în figurile 3.2 și 3.3.
Debitul Q prin conductă se obține prin însumarea debitelor elementare dQ :
. (3.11)
Prin integrare rezultă :
(3.12)
Fig. 3.2 Variația vitezei în secțiunea conductei.
Fig. 3.3 Distribuția efortului tangențial.
Viteza medie în conductă rezultă :
. (3.13)
Anexa 1
Coeficientul lui Darcy în cazul mișcării laminare
Dacă se scrie teorema lui Bernoulli între două secțiuni (1) și (2) ale conductei din figura 3.4, situate între ele la distanța L, se obține:
(3.14)
unde sunt vitezele medii în secțiunile (1) și (2), reprezintă cotele la care se află aceste puncte, – pierderea de sarcină, – greutatea specifică a lichidului, iar – accelerația gravitațională.
Relația (3.14) poate fi scrisă sub forma :
(3.15)
sau
. (3.16)
În relația (3.11) s-a utilizat notația:
, (3.17)
cunoscută ca relația lui Darcy-Weissbach.
În relația (3.17), este coeficientul pierderilor de sarcină liniare.
Deoarece pe baza relației (3.13) se poate scrie:
, (3.18)
prin egalarea relației (3.18) cu relația (3.16) se obține:
. (3.19)
Dacă se are în vedere că , din relația (3.19) rezultă :
. (3.20)
Fig. 3.4 Puncte de calcul într-o conductă.
Anexa 2
Coeficientul lui Coriolis în mișcarea laminară permanentă
Considerăm mișcarea permanentă a unui lichid într-o conductă de secțiune circulară orizontală, în care distribuția de viteze are expresia :
, (3.21)
Viteza medie este :
(3.22)
Coeficientul lui Coriolis are valoarea :
(3.23)
Anexa 3
Coeficientul lui Boussinesq în cazul mișcării laminare
Considerăm mișcarea laminară și permanentă într-o conductă de secțiune circulară.
Având : și (3.24)
rezultă: (3.25)
Capitolul 4
Mișcarea lichidelor la numere Reynolds
cuprinse între 2300 … 4000 (10000)
Trecerea din regimul de curgere laminar spre numere Reynolds cu valori determină riscul apariției regimului de curgere de tip turbulent.
Controlul procesului de curgere, în conducte orizontale de secțiune circulară se poate face pentru apă, dacă se are în vedere expresia numărului Reynolds :
, (4.1)
în care este vâscozitatea dinamică, =este greutatea specifică, sunt mărimi dependente de temperatură.
Pentru a se asigura un regim de curgere tranzitoriu într-o conductă cu diametrul d, este necesar și suficient ca numărul Reynolds să îndeplinească condiția :
, (4.2)
sau
. (4.3)
Practic, controlul vitezei în conducte poate fi realizat prin măsurarea diferenței citită la două manometre între două puncte ale unei conducte:
, (4.4)
în care L este distanța măsurată pe orizontală între punctele de măsurare a presiunilor.
Dacă se impune viteza maximă, este necesar și suficient să se îndeplinească condiția :
. (4.5)
Dacă se măsoară debitul Q de lichid tranzvazat, între 2 puncte ale unei conducte, condiția de curegere în regim laminar poate fi scrisă sub forma :
, (4.6)
unde S este aria secțiunii transversale a conductei cu diametrul d.
Fig. 4.1. Variația coeficientului cinematic de viscozitate în funcție de temperatură, la diferite lichide.
Caracteristica energetică. Considerente asupra corelației între mișcarea laminară și cea turbulentă
În cazul unui fluid perfect, care curge într-o conductă circulară orizontală, presiunea între două puncte (1) și (2), situate în axa conductei, rămâne constantă, curgerea producându-se fără disipații energetice.
Dacă fluidul este vâscos, energia fluidului este disipată de forțele de vâscozitate.
Caracteristica energetică. În cazul unui fluid perfect, care curge într-o conductă circulară orizontală, presiunea în două puncte, (1) și (2), situate în axa conductei rămâne constantă, curgerea se produce fără disipații energetice. Se constată experimental că pierderea de sarcină este mai mare în cazul mișcării turbulente decât în cazul mișcării laminare, datorită schimbului de cantitate de mișcare între straturile fluide vecine (amestec turbulent) care provoacă tensiuni tangențiale suplimentare (tensiuni de turbulență).
a) fluid perfect b) mișc. laminară c)mișc. turbulentă
Fig. 4.2 – Caracteristica energetică
Caracteristica optică.
Diferența dintre mișcarea laminară și cea turbulentă constă în faptul că la mișcarea laminară liniile de curent pot fi vizualizate, ceea ce la mișcarea turbulentă nu este posibil, datorită caracterului cinematic diferit al acesteia (fig. 4.3).
Fig. 4.3. – Caracteristica optică
Numărul lui Reynolds
Din punctul de vedere al fizicii mișcării fluidelor, studiile experimentale au pus în evidență următoarele regimuri de mișcare :
mișcarea laminară, având o structură ordonată, filiformă sau lamelară, în cadrul căreia particulele fluide își păstrează individualitatea; o linie trasoare marcată cu un colorant indică un schimb redus de substanță între straturile învecinate, schimb datorat numai transferului de molecule, fenomen numit difuzie moleculară; o mișcare de acest tip se întâlnește în lubrificație, în radiatoarele instalațiilor de încălzire etc;
mișcarea turbulentă, având o structură aparent dezordonată, la care transferul de masă și de cantitate de mișcare între straturi este datorat, în principal, difuziei turbulente, cauzată de pulsațiile aleatorii în timp ale vitezei locale în jurul unei valori medii locale ; difuzia turbulentă se suprapune difuziei moleculare, cu efecte considerabil mai mari, deoarece prin pulsațiile de viteză sunt deplasate microparticule de fluid cu o capacitate de transport mult mai mare decât moleculele acestuia. Pulsațiile vitezei locale, , au un caracter spațial, tridimensional, ceea ce constituie o caracteristică importantă a mișcării turbulente.
În natură, regimul de mișcare întâlnit în majoritatea cazurilor este cel turbulent – în conducte, râuri și canale, jeturi etc.
Practic, stabilirea regimului de mișcare nu se face, decât rareori experimental, în majoritatea cazurilor se face prin calcul, cu ajutorul numărului lui Reynolds (Re) :
, (4.7)
în care, pentru condițiile de mișcare precizate, este necesar să se cunoască numai lungimea caracteristică , a zonei de tranziție între regimuri și viteza , deoarece vâscozitatea dinamică și greutatea specifică sunt mărimi specifice acestuia (g este accelerația gravitațională). Relația (1) poate fi scrisă și în funcție de vâscozitatea cinematică, egală cu raportul dintre vâscozitatea dinamică și densitatea lichidului. În cazul conductelor circulare, lungimea caracteristică corespunde diametrului al conductei.
În stabilirea regimului de mișcare, numărul lui Reynolds se compară cu o valoare critică , stabilită experimental.
Dacă este îndeplinită condiția :
, (4.8)
curgerea este turbulentă, iar în cazul
, (4.9)
curgerea se realizează în regim laminar.
De menționat că valorile , pentru majoritatea cazurilor, sunt indicate în literatura de specialitate.
Trecerea de la regimul laminar la cel turbulent nu se face brusc, existând o zonă de tranziție de la un regim de curgere la altul și care nu poate fi neglijată.
Dacă se consideră criteriul de similitudine Reynolds ca raportul dintre forțele de antrenare și cele rezistente, se poate aprecia că în cazul în care forțele datorate vâscozității sunt suficient de mari, regimul este laminar. Pentru același fluid (), dacă forțele de antrenare sunt suficient de mari, apare turbulența. Astfel se poate considera că turbulența este o proprietate a mișcării și nu a fluidului în sine.
Capitolul 5
Teoria amestecului turbulent. Analogia lui Bahmetev.
Sub acțiunea pulsațiilor vitezelor, într-un curent permanent are loc un schimb permanent între particulele de fluid învecinate ceea ce generează amestecul în fluid.
Datorită acestui amestec, pe lângă eforturile unitare datorate proprietății de vâscozitate () iau naștere eforturi unitare suplimentare datorate prezenței pulsațiilor turbulente (), pierderile de energie fiind mai mari deoarece schimbul de particule fluide între straturile învecinate (amestecul) are loc cu consum de energie (apar disipații energetice).
Fie două straturi de particule care se deplasează simultan în paralel (vezi figura) și care conțin același număr de particule lichide (considerate ca având toate aceeași masă).
Din distribuția vitezei în conductă pentru mișcarea turbulentă , vitezele uB și uA sunt diferite uB uA
Fig. 1. Distribuția vitezelor în mișcarea turbulentă
Fig.2. Distribuția adimensională de viteze
într–o conductă circulară
Prin transferul de particule de la un stratul (A) la stratul (B), deși masa celor două straturi rămâne aceeași , vitezele se modifică uA crește și uB scade .
O particulă transferată (aruncată) din (B) în (A) are o viteză rezultantă . Componenta uB în direcția de deplasare a stratului (B) este mai mare decât uA și determină o accelerare a stratului de particule (A).
Particulele de masă m și viteză uB a înlocuit în stratul de particule (A) un set de particule cu masa m și viteză uA (uAuB) și prin urmare în intervalul de timp dt , în care are loc schimbul de particule, particulele aruncate din stratul (B) comunică stratului de particule (A), impulsul:
.
În intervalul dt, impulsul stratului a suferit o variație:
.
Conform legii a-II-a a dinamicii , apare o forță:
care acționează asupra stratului de particule (A), în sensul deplasării, deci în sensul accelerării mișcării.
În același timp dt, particulele de lichid aruncate din stratul (A) în stratul (B) duce la apariția unei forțe :
care acționează asupra stratului de particule (B), în sensul încetinirii mișcării.
Concluzia este aceea că, schimbul de impuls duce la uniformizarea mișcării celor două straturi de particule lichide.
Calculul efortului tangențial în mișcarea turbulentă
Considerăm două straturi paralele de fluid (A) și (B) (vezi figura 1), care se deplasează în sensul axei Ox, cu viteze diferite .
Fig.2. Transferul de impuls între straturi
Dacă ReRecr , mișcarea devine turbulentă și generează o întrepătrundere a particulelor de fluid din cele două straturi (amestec turbulent).
Datorită schimbului de impuls dintre straturi, sunt generate forțe tangențiale suplimentare , pe suprafața de separație a celor două straturi.
Fie m masa netă transportată dintr–un strat în celălalt datorită turbulenței, în care dm este masa unui cilindru de fluid elementar cu aria dS și volumul dV:
,
unde, uy este viteza particulelor, perpendiculară pe direcția de curgere a fluidului.
Atunci:
Forța suplimentară datorată fenomenului de turbulență este:
.
Efortul tangențial suplimentar datorat turbulenței va fi:
.
Ținând cont și de vâscozitatea fluidului, efortul unitar tangențial în direcția axei Ox va fi dat de Prandtl:
în care τv reprezintă efortul tangențial datorat vâscozității iar este efortul tangențial suplimentar (aparent)datorat pulsațiilor.
Caracteristicile mișcării turbulente
Descompunerea Reynolds
Mișcarea turbulentă a unui fluid prezintă o anumită dezordine, o neregularitate a variației în timp și spațiu a diferitelor mărimi: viteze, presiuni, etc.
Din punct de vedere optic, liniile de curent nu sunt paralele cu direcția de curgere, ca în cazul mișcării laminare ci se intersectează. În cazul mișcării fluidului în mișcare apar vârtejuri dispuse dezordonat față de direcția generală de curgere.
Mișcarea turbulentă poate lua naștere dintr-o mișcare în care există vârtejuri, generate de exemplu, prin desprinderea stratului limită sau dintr-o mișcare laminară instabilă.
Pentru fiecare mișcare se poate defini un număr Reynolds critic (minim), Recr, astfel încât dacă Re>Recr, vârtejurile transformă mișcarea cu vârtejuri în mișcare turbulentă, iar perturbațiile se pot anula, dacă sunt suficient de mici; astfel se amplifică și transformă mișcarea laminară în turbulentă.
Din punct de vedere energetic, pierderea de energie între două puncte ale unei conducte este cu mult mai mare decât în cazul mișcării laminare, ceea ce arată că în mișcarea turbulentă apar eforturi de frecare suplimentare.
Mișcarea turbulentă poate fi studiată cu ajutorul statisticii matematice prin definirea unor valori medii ale mărimilor ce o caracterizează.
Fie :
,
viteza dintr-un punct , iar T un timp de mediere .
Mărimile :
reprezintă valorile medii ale proiecțiilor vitezei în intervalul de timp [ t0, t0+T].
Se poate scrie prin:
unde ux,uy,uz reprezintă fluctuațiile ( pulsațiile ) proiecțiilor vitezei.
Din punct de vedere cinematic, viteza într-un punct al fluidului în mișcare turbulentă , nu este niciodată constantă ca mărime și direcție iar componentele vitezei oscilează în jurul unei valori medii.
Oricare ar fi intervalul ( t0,t0+T), valorile medii rămân constante, caz în care mișcarea, poartă numele de mișcare turbulentă cvasipermanentă sau staționară în medie, pentru care avem :
,
sau :
Mișcarea turbulentă se numește nepermanentă dacă valorile medii ale proiecțiilor vitezei sunt funcții de timp:
Spre exemplu, într-o mișcare turbulentă nepermanentă presiunea într-un punct oarecare, într-un fluid poate fi scrisă sub forma :
unde :
reprezintă presiunea medie, iar este fluctuația (pulsația) presiunii.
Într-o mișcare turbulentă cvasipermanentă .
Fig.7. Variația vitezei u în mișcarea turbulentă
Fig.8. Mișcarea medie turbulentă permanentă
Fig.9. Mișcarea medie turbulentă nepermanentă
Ecuațiile de mișcare ale fluidelor reale în mișcare turbulentă
( Ecuațiile lui Reynolds)
În sistemul de ecuații dat de Navier–Stokes materializat prin:
(ecuația de continuitate)
înlocuind valorile valorile ux, uy, uz, p cu:
corespunzătoare mișcării turbulente.
Dacă aplicăm ecuației de continuitate, descompunerea Reynolds obținem:
care se scrie ca fiind
.
Deoarece:
Rezultă că:
Avem pentru prima ecuație:
+ celelalte ecuații. Cum însă:
Rezultă:
+ celelalte ecuații
Observații:
Termenii care apar în plus față de ecuațiile Navier-Stokes conțin nouă necunoscute suplimentare , numite eforturi Reynolds sau eforturi turbulente care formează componentele unui tensor simetric de ordinul doi numit tensorul eforturilor turbulente și este dat de matricea:
Sistemul se mai poate scrie vectorial ca fiind:
Turbulența este omogenă dacă structura sa nu depinde de poziția punctului în interiorul fluidului.
Pentru rezolvarea sistemului de ecuații Reynolds sunt necesare încă 6 relații care să lege necunoscutele suplimentare: de restul necunoscutelor (deoarece ), care nu a putut fi rezolvată decât în cazuri particulare prin adoptarea unor ipoteze și a unor relații semiempirice.
Condițiile la limită pentru mărimile mediate temporal sunt aceleași ca și în cazul mișcării laminare, iar componentele pulsatorii se anulează lângă pereții solizi.
Observații:
– eforturile Reynolds datorate pulsațiilor de viteză modifică starea de tensiune într-un punct, care este dată de tensorul:
la care se adaugă tensorul TET( tensorul eforturilor turbulente) date de :
– deși proprietatea de simetrie a tensorului TET () pentru descompunerea sa într-un tensor sferic și un tensor deviator, în practică nu se folosește această reprezentare pentru a exprima efectul turbulenței prin eforturi normale , deoarece nu pare explicit efectul vitezei curentului de fluid în care există turbulență; de obicei se preferă definirea intensității turbulenței într-un punct (gradul de turbulență) prin expresia:
Capitolul 6
6.1. Evaluarea pierderilor de presiune în condiții specificate
6.1.1. Evaluarea pierderilor liniare de presiune
Ne propunem să determinăm pierderile liniare de presiune pentru diametre diferite ale unei conducte în următoarele ipoteze:
lungimile celor două trasee de conductă ;
coeficienții de frecare pe cele două trasee de conductă ;
debitele de apă vehiculate prin cele două trasee de conducte sunt egale ;
Pierderile de presiune liniare se definesc prin relația Darcy-Weisbach ca fiind:
. (6.1)
Debitul de apă vehiculat se definește ca fiind:
. (6.2)
În aceste condiții avem :
. (6.3)
În aceste condiții:
. (6.4)
Aplicație:
Spre exemplu pentru a determina pierderile de presiune pe o linie de furtun tip C ( dC=53 mm), respectiv pe o linie de furtun tip B ( dB= 76 mm); în aceste condiții avem:
,
rezultă că pierderile liniare de presiune pe o linie de furtun tip ˝C˝ sunt de aproximativ 6 ori mai mari decât pierderile liniare pe o linie de furtun tip ˝B˝ în ipotezele specificate.
6.1.2. Evaluarea pierderilor locale de presiune
Ne propunem să determinăm pierderile locale de presiune pentru diferite diametre ale unei configurații de conducte în următoarele ipoteze:
coeficienții ;
debitele vehiculate prin cele două trasee de conducte sunt: ;
lichidul vehiculat este apă cu densitățile .
Pierderile locale de presiune se definesc prin:
. (6.5)
Debitul de apă vehiculat se definește ca fiind :
. (6.6)
În aceste condiții avem:
. (6.7)
Atunci:
. (6.8)
Aplicație:
Ne propunem să determinăm pierderile locale de presiune pe o
linie de furtun tip C ( dC’=53 mm) respectiv pe o linie de furtun tip B ( dB= 76 mm) comparându-le apoi.
.
6.2. Considerații privind variația , Q și p într-o conductă circulară dreaptă
Considerăm două puncte de referință (1 ) și (2) de-a lungul unei conducte pentru care se fac ipotezele :
– regimul de curgere se consideră ca fiind permanent ;
– debitul de curgere între cele două puncte de referință se consideră constant (Q=const.) ;
– pierderile de sarcină liniare și locale se neglijează ( se consideră că traseul conductei este relativ mic) ;
– transvazarea se face la aceaași cotă z1=z2 .
Din ecuația de continuitate aplicată lichidului între cele două puncte de refrință avem :
, (6.9)
în care Qi ,i
= 1,2 sunt debitele și sunt vitezele medii în conductă. Pentru conducte cu secțiune circulară avem:
, (6.10)
unde d1 și d2 sunt diametrele traseului de secțiune circulară .
Din relația (2) rezultă faptul că pentru d2 d1 sau d2/d1 1
adică dacă diametrul crește , viteza de curgere scade și invers pentru același debit ( Q =const.) .
Din teorema lui Bernoulli scrisă sub forma :
, unde i= (6.11)
avem :
,
unde =greutatea apei iar cu z am notat cota punctului studiat.
În condițiile textului rezultă :
, (6.12)
Din relația (5) se observă că pentru se obține p2 p1 ceea ce arată că la reducerea vitezei , presiunea crește și invers pentru același debit.
Capitolul 7
Aplicație
În vederea verificării documentului întocmit pentru organizarea intervenției în obiectivul „SC Antilopa SA” s-a întocmit un pălan al organizării și desfășurării unei aplicații tactice, luându-se în considerare următoarele date despre obiectiv:
adresa: București, șoseaua Tudești Pantelimon nr. 44;
obiectivul este dispus la limita de est a municipiului București și se constituie ca un ansamblu de clădiri și construcții anexe pe o suprafață de aproximativ 73 000 m2.
Obiectivul are ca obiect de activitate producerea diferitelor articole de încălțăminte. Cuprinde două unități de producție precum și depozitele, magazinele, atelierele și alte construcții necesare desfășurării activității.
Căile de acces către și în incinta obiectivului sunt asfaltate, practicabile în tot timpul anului; nu sunt interdicții de gabarit.
Itinerarul de bază pentru deplasarea forțelor în caz de incendiu: stația 9 → Șoseaua ergului → Șoseaua Pantelimon → Șoseaua Dudești – Pntelimon.
Itinerarul de rezervă: stația 9 → Bulevardul Basarabia→Șoseaua Dudești – Pantelimon..
SC Antilopa SA se învecinează cu:
-la N cu șoseaua Gării Cățelu și parcul Pantelimon;
-la S cu SC Filan SA
-la E cu Baza Sportivă „Antilopa” și locuințe particulare;
-la V cu Șoseaua Dudești – Pantelimon și cu autogara Pantelimon
printre corpurile de clădire din componența SC”Antilopa” SA se află și Depozitul Central compus din trei centuri cu o suprafață de 1200 m2 și un volum de 4 000 m3, cu GRF I. În acest magazin este: încălțăminte, carton, materiale textile, lemn.
Obiectivul are următoarele surse de apă:
-20 de hidranți exteriori Φ 100 ( cu un debit de 600 l / minut)
-rezervor de apă cu capacitatea de 330 m3;
-rezervor de apă cu capacitatea de 150 m3;
-2 puțuri de apă de mare adâncime cu capacitatea de 400 m3;
-hidranți interiori cu nu debit de 360 l / min.
S-a extras din documentul întocmit pentru conducerea și desfășurarea intervenției ipoteza în care incendiul a izbucnit la Depozitul Central.
Incendiul a izbucnit datorită unui scurt circuit la o improvizație a instalației electrice, incendiul a cuprins o suprafață de 400m2 dintr-o încăpere la parterul depozitului central, cu o suprafață de 500m2, în care erau depozitate: încălțăminte, materiale textile, lemn și hârtie pentru ambalaje. Există pericolul de propagare prin ușile de comunicare la magazia de tălpi și magazia de produse pentru export.
Calculul de forțe și mijloace la
Depozitul Central
a)Debitul de apă necesar pentru stingere și protecție se determină cu ajutorul instalației.
[l/min]
în care:
t2 – coeficientul de corecție adimensional
t2=1
60 – numărul de secunde dintr-un minut
A – suprafața de stingere [m2]
is – intensitatea de stingere [e/sm2] [tab.nr.8]
is=/sm2
l/min
b) Determinarea numărului de capete de debitare a apei de incendiu (Nii)
în care:
qinec – debitul de apă necesar pentru stingere [l/min]
qinec=2400 l/min
qii – debit specific al capetelor de debitare [l/min] (tab.nr.9)
qii= capete de stingere
c) Stabilirea debitelor de refulare parțiale în funcție de debitul specific (Lii) al capetelor de același fel puse în funcțiune conform dispozitivului adoptat pentru stingere.
d) Stabilirea cantității de apă pentru stingere
în care:
Tf – durata operațiunii de stingere [minute](tab. Nr.10)
Tf=20 minute
l/min
Pentru limitarea propagării incendiului la magaziile alăturate vom folosii 2 țevi tip C cu ajutaj (p=3 atm).
Pentru limitarea propagării incendiului la etajul superior vom folosii o țeavă tip C cu ajutaj (p=3 atm).
Cantitatea de apă pentru protecție este Vihp=23 m3.
Cantitatea totală de apă pentru stingere și pentru protecție este:
Vih= Vihs +Vihp=49+23=72m3.
Această cantitate de apă necesară pentru stingere și protecție este ajutată de rezerva de incendiu a obiectivului prin cele două rezervoare, două puțuri de mare adâncime, rețeaua exterioară de hidranți.
PLANUL
organizării și desfășurării aplicației tactice cu trupe la
S.C. ANTILOPA S.A.
OBIECTIVUL: S.C. ANTILOPA S.A.
SCOPURILE APLICAȚIEI:
Scopuri generale
verificarea variantelor de acțiune stabilite în vederea întocmirii planului de intervenție
verificarea posibilităților de folosire a surselor de apă artificiale și naturale din apropierea obiectivului pentru alimentarea tehnicii de luptă
organizarea și menținerea cooperării pe timpul intervenției cu direcția generală a Poliției Capitalei, Serviciul de Salvare a Municipiului București
Pentru conducerea obiectivului
antrenarea conducerii obiectivului pentru organizarea și conducerea operațiunilor de salvare a persoanelor și limitarea distrugerilor provocate de incendiu
Pentru conducerea subunității
perfecționarea deprinderilor comandantului intervenției în conducerea acțiunilor de luptă, pentru stingerea unui incendiu izbucnit la un obiectiv din industria ușoară
perfecționarea deprinderilor comandantului intervenției în organizarea și conducerea operațiunilor pentru salvarea persoanelor și înlăturarea efectelor incendiilor
Pentru personalul de pe locul de muncă
cunoașterea modului de acțiune în cazul izbucnirii unui incendiu
folosirea cu maximă eficiență a mijloacelor de primă intervenție
antrenament în evacuarea persoanelor și a bunurilor materiale
transmiterea datelor necesare la Dispozitivul 981
Pentru șeful de garaj
antrenament în organizarea punctului de asistență tehnică
antrenament în organizarea alimentării autospecialelor cu apă și combustibil
antrenament în asigurarea materialelor pentru intervenție: butelii de aer comprimat, cartușe filtrante, ***, carburanți, lubrifianți etc.
Pentru conducătorii auto
cunoașterea variantelor de stingere din p.j.
cunoașterea căilor de acces către obiectiv și în interiorul acestuia
cunoașterea urselor de apă
antrenament în lucrul cu instalațiile speciale
Pentru șefii de echipaje
antrenament în executarea recunoașterii pe timpul intervenției
antrenament în transmiterea și urmărirea executării de realizare a dispozitivelor preliminare și de intervenție
Pentru militarii în termen
antrenament în executarea principalelor operațiuni privind desfășurarea intervenției
cunoașterea obiectivului, a scărilor de acces și a surselor de apă
cunoașterea atribuțiunilor pe postul pe care sunt încredințați
antrenament în folosirea mijloacelor de protecție
cunoașterea și aplicarea regulilor de securitate
Pentru radio-telefoniști
cunoașterea raionului de intervenție
antrenament în folosirea stațiilor radio
antrenament în transmiterea și recepția detaliată a datelor despre incendiu
PARTICIPANȚI
stația a IX-a cu:
2 ofițeri
1 maistru militar
5 conducători auto (subofițeri)
4 comandanți de echipaje
18 servanți
Serviciul Salvare al Municipiului București cu 2 autosalvări încadrați cu personal medical
Brigada de pompieri cu 2 echipaje
Data: 15,06.2001 ora 10.00.
ASIGURARE MATERIALĂ
materiale de marcare a locului incendiat
3 lumânări fumigene
5 stegulețe roșii, galbene, albastre
2 manechine
SITUAȚIA TACTICĂ GENERALĂ
În ziua de 15.06.2001 ora 10.00. stația de pompieri e alertată de dispeceratul despre izbucnirea unui incendiu la dispozitivul central din cadrul „S.C. ANTILOPA S.A.”, ordonându-se deplasarea la locul intervenției cu toate forțele.
După executarea unei recunoașteri operative, comandantul intervenției constată.
Incendiul cuprinsese o magazie cu o suprafață de 400m2 pe care se aflau depozitate materiale textile, lemn, cartoane, încălțăminte, existând pericolul propagării la depozitul de tălpi și la depozitul de produse finite pentru export.
Rezolvare :
Comandantul intervenției ordonă punerea în aplicare a variantei da intervenție din documentul întocmit; organizează intervenția pe sectoare după cum urmează:
sectorul nr.1, sub comanda comandantului aplicației cu trei țevi tip C de la APCA 1(2 țevi tip C, pentru localizarea și stingerea incendiului și o țeavă tip C pentru limitarea propagării incendiului prin ușa de comunicație dintre magazia incendiată și magazia de tălpi) și cu două țevi tip C de la motopompa S.S.P.C. al obiectivului prin două ferestre ale magaziei incendiate, dispuse spre magazia de granule. Servantul 1 mai are și misiunea de evacuare a bunurilor materiale prin intermediul echipelor constituite ale obiectivului, pentru intervenție folosindu-se utilajele societății. Bunurile ce nu pot fi evacuate vor fi protejate prin acoperire cu prelate ude.
Sectorul nr.2, sub comanda adjunctului comandantului aplicației cu 3 țevi tip C de la APCA2 (pentru localizarea și lichidarea incendiului prin intrarea dinspre Depozitul soluție-lubrifiant) și cu 1 țeavă tip C de la ATI pentru protecția ușii de comunicare dintre magazia incendiată și magazia de produse finite pentru export. Etajul superior va fi protejat cu o țeavă tip C de la ATI introdusă printr-o fereastră cu ajutorul AscM. Sectorul 2 are și misiunea de evacuare a fumului și gazelor fierbinți prin deschiderea ferestrelor magaziei incendiate dinspre gardul obiectivului.
Securitatea servanților se va asigura prin folosirea aparatelor de respirat; a cordițelor pentru asigurare și transmiterea de semne și semnale stabilite; echiparea cu costume anticalorice; servanții se vor amplasa la capătul rafturilor pentru a fi evitate accidentele datorate prăbușirii acestora.
Situația tactică nr.1
Text: În timpul desfășurării acțiunii de intervenție incendiul s-a propagat pe fațada clădirii la etajul superior
Rezolvare Analizând situația corect, comandantul intervenției hotărăște manevre de forțe și mijloace pe verticală, anunțarea la dispecerat pentru trimiterea de forțe și mijloace în sprijin.
Situația tactică nr.2
Text: pe timpul desfășurării acțiunilor de intervenție 2 servanți sunt surprinși în urma prăbușirii unor rafturi.
Rezolvare constituirea rapidă a echipei de salvare din echipajul autospecialei ApcA2 și scoaterea servanților din spațiul incendiat, trimiterea acestora cu mașina salvării la spital.
Capitolul 8
Calculul pierderilor de presiune printr-un dispozitiv de intervenție
Ne propunem să determinăm prin calcul presiunea la ieșirea din pompă (autospecială) plecând de la presiunea de la ieșirea din țeava de refulare unde urmează să se asigure presiunea p2=3 atm (3105 ).
În mod normal, calculele trebuie făcute de la punctul 5 spre punctul 2, însă nu cunoaștem viteza și nici presiunea la ieșirea din pompă (punctele 2 și 5 se identifică pe fig. 2)
De aceea cu o bună aproximare calculele se fac plecând de la presiunea de refulare la țeavă așa cum s-a mai spus anterior.
Considerăm efectuarea calculului pentru pierderile de presiune de la țeava de refulare având datele:
d1=55 mm, d2=16 mm, p2=3 Pa, Q2=qii=280 l/min==3,66 l/s =4,6610-3 m3/s [1]
Z1 Z2
fig 1. Țeavă de refulare tip C
Aplicând teorema lui Bernoulli între punctele (1) și (2);
i={1,2},
obținem:
Considerăm: Z1=Z2=Z, hț0 și avem:
(1)
Pe de altă parte ecuația de continuitate aplicată pentru punctele (1) și (2):
Qi=const., i={1,2}, avem:
=
,
în care am folosit:
Q2=
Din relația (1), avem că:
Pierderea de presiune între punctele (1) și (2) este:
(adică 60% dintr-o atmosferă)
8.1 Variantă de calcul
5 4 3 1
1 2 2
1
2B C
Fig. 2. Dispozitiv pentru intervenție
8.1.1 Calculul pierderilor liniare de presiune
Se consideră înălțimea asperităților furtunului h=0,0016 mm=1610-4 mm =1610-7 m.
Rugozitatea absolută este [2]:
Deoarece regimul de mișcare este dat de:
coeficientul f se calculează cu relația Blasios:
Mai sus s-a considerat faptul că la curgere
S-a utilizat coeficientul cinematic de viscozitate la 4 C pentru apă ca fiind m/s la 20 C [3]
Din calcul avem că la intrare în țeava de refulare tip C, presiunea este:
.
Pierderea de presiune pe o linie de furtun tip C (între peretele 3-1) se calculează cu relația Darcy – Weisboch:
Deoarece între punctele 3-1 avem trei furtune tip C, pierderile liniare au valoarea:
.
Pentru calculul pierderii de presiune pe tronsonul 5-3 considerăm că viteza de vehiculare a apei este (în realitate ea fiind mai mică)
Considerăm înălțimea asperităților furtunului dB=76 mm ca fiind h=1610-7.
Rugozitatea relativă este:
În acest caz, regimul de curgere se poate calcula cu
rezultă că putem calcula coeficientul f cu relația lui Blasios:
Pierderea de presiune între 5-3 se calculează cu relația Darcy – Weisboch:
8.1.2 Calculul pierderilor locale de presiune
– punctul 1 (s-d): este intrarea dintre furtunul tip C și racordul țevii de refulare tip C, pentru care am considerat .
– punctul 3 (s-d): deoarece avem un distribuitor cu ieșiri 1B și 2C, considerăm că avem pierderi numai prin trecerea de la furtunul de tip B la cele două furtune de tip C, pentru care avem contracție prin trecerea de la dB la dC.
dB dC
coeficientul se calculează cu relația lui Idelcih [2]:
În aceste condiții pierderea de presiune este:
– punctul 4 (s-d): considerăm același tip de furtun tip B
– punctul 5 (s-d): considerăm
8.1.3 Calculul pierderilor totale de presiune
Pierderea de presiune locală totală:
Pierderea de presiune liniară totală:
Pierderea totală de presiune pe traseu este:
În concluzie presiunea care trebuie să o genereze pompa este:
8.2 Reacția variației parametrului p în țeava de refulare
Expresia acestei reacții este dată de:
În concluzie forța cu care servantul pompier de la țeavă trebuie să acționeze asupra țevii de refulare este de aproximativ 100 N în ambele variante.
Bibliografie
[1] Col. Avram Valer, cpt. Sârbu Gheorghe, ing. Bolint Ionel. „Metodologia
calculului forțelor și mijloacelor necesare pentru stingerea incendiilor”. Ministerul de Interne. Comandamentul Pompierilor. Serviciul Editorial Cinematografic.
[2] Conf. dr. ing. Seteanu Ion, cercetător ing. Popa Radu, asistent ing. Grigoriu
Mircea. „Mecanica fluidelor și mașini hidropneumatice”. Culegerea de
Probleme, volumul I. Litografie. Institutul Politehnic București, 1984.
[3] Prof. dr. ing. Constantin Icuandi, șef lucrări ing. Virgil Petrescu. ”Mecanica
fluidelor”. Curs pentru subingineri. Editura Didactică și Pedagogică,
București, 1978
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiu Privind Calculul Pierderilor de Presiune Printr Un Dispozitiv de Interventie (s.c. Xyz S.a.) (ID: 161580)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.