GAŁAJ Jerzy 1 SARAMAŃSKI Sebastian 2

GAŁAJ Jerzy 1 SARAMAŃSKI Sebastian 2 Badanie wpływu położenia kątowego i ciśnienia zasilania na wielkość powierzchni i intensywność zraszania przez prąd zwarty wytwarzany przez prądownicę PWT 52 TURBOSUPON WSTĘP Ludzie od czasów starożytnych wskutek występowania licznych pożarów coraz większą uwagę zaczęli poświęcać sposobom, które umożliwiały jak najszybsze jego ugaszenie. Wraz z rozwojem cywilizacji prąd zwarty wody znalazł również zastosowanie w ochronie przeciwpożarowej. Dziś znajdują one powszechne zastosowanie niemal we wszystkich dziedzinach gospodarki, takich jak energetyka, przemysł maszynowy, ochrona środowiska, gospodarka rolna, leśna i inne. Wykorzystuje się je głównie w działaniach ratowniczo gaśniczych prowadzonych przez jednostki Państwowej Straży Pożarnej. Jak powszechnie wiadomo woda jest podstawowym oraz najczęściej stosowanym środkiem gaśniczym. Wiąże się to z jej właściwościami fizyko-chemicznymi takimi jak wysokie ciepło właściwe oraz największe ciepło parowania spośród wszystkich cieczy. Poza tym woda jest ogólnie dostępna, a jej używanie nie powoduje żadnego zagrożenia dla środowiska naturalnego. O efektywności wody jako środka gaśniczego zależy między innymi sposób jej podania do źródła pożaru. Liczne badania oraz doświadczenia wykazały, iż prąd zwarty wody ma ogromny wpływ na skuteczność prowadzonych działań, a niekiedy nawet może być czynnikiem decydującym o lokalizacji pożaru [1,2,4]. Celem pracy było przeanalizowanie wpływu położenia kątowego oraz ciśnienia zasilania często stosowanej w PSP prądownicy PWT 52 TURBOSUPON na parametry, które decydują o skuteczności gaśniczej prądu zwartego takie jak: lokalizacja, wielkość powierzchni oraz intensywność zraszania. Dwie ostatnio wymienione wielkości są istotne z tego względu, że prąd zwarty wskutek oddziaływań aerodynamicznych podczas lotu w powietrzu rozpada się na krople, które padając na ziemię pokrywają pewien obszar z określoną intensywnością zraszania. Położenie kątowe prądownicy i ciśnienie zasilania mają z całą pewnością znaczący wpływ na te parametry. Otrzymane wyniki pozwolą na opracowanie zaleceń dotyczących użytkowania badanej prądownicy podczas akcji, które miałyby na celu uzyskanie maksymalnej efektywności gaśniczej. Omówione w pracy badania były prowadzone w Polsce po raz pierwszy i stanowiły jeden z elementów szerszych badań niezbędnych do weryfikacji opracowywanych aktualnie komputerowych modeli gaszenia przy pomocy prądów zwartych i rozproszonych podawanych przez prądownice wodne lub działka. 1. OPIS BADAŃ Przedmiotem badań była prądownica PWT 52 TURBOSUPON stanowiąca zakończenie gaśniczych linii wężowych wodnych i wodno-pianowych zasilanych przy pomocy autopomp lub motopomp [3,5,11]. Konstrukcja prądownicy umożliwia regulację wydajności w zakresie od 100 dm 3 /min do 500 dm 3 /min. Przeznaczona jest ona do wytwarzania zarówno strumieni zwartych jak i rozproszonych z płynną regulacją kąta bryłowego. Posiada ona wymiary 290/128/256 i waży 1,9 kg. Widok prądownicy pokazano na rysunku 1. Badania wykonano na terenie Jednostki Ratowniczo- Gaśniczej nr 1 w Kielcach. Sprzęt wykorzystany do przeprowadzenia badań w znacznej części został skompletowany w oparciu o wyposażenie znajdujące się na terenie jednostki. W jego skład wchodziły następujące elementy: 1 Szkoła Główna Służby Pożarniczej, Wydział Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego, 01-629 Warszawa, ul. Słowackiego 52/54, Tel: +48 22 5617570, Fax. +48 22 8330724, jgalaj@op.pl, galaj@sgsp.edu.pl 2 JRG-1 PSP 25-324 Kielce, ul. Sandomierska 81, Tel. (041) 3693011, seba104@wp.pl 471

1. Prądownica PWT 52 TURBOSUPON. 2. Przenośne działko wodno pianowe. 3. Pasy mocujące za pomocą których stabilnie przymocowano prądownice do działka wodno pianowego. 4. Samochód ratowniczo gaśniczy z autopompą GCBA 8,6/60. 5. Wąż pożarniczy W75. 6. Dwa węże pożarnicze W52. 7. Rozdzielacz. 8. 5 pojemników wykonanych z tworzywa sztucznego o wymiarach 160 x 160 mm. 9. Pachołki ostrzegawcze. 10. Narzędzia pomiarowe - stoper, miarka metrowa, pojemnik ze skalą, poziomica kątowa za pomocą której ustawiano kąt pochylenia prądownicy względem podłoża. Rys. 1. Widok uniwersalnej prądownicy wodnej PWT 52 TURBOSUPON [9] Schemat stanowiska pomiarowego pokazano na rysunku 2, natomiast widok badanej prądownicy podającej prąd zwarty podczas testów pokazano na rysunku 3. Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego [9] Przedmiotowe badania polegały na podaniu prądu zwartego przy trzech różnych ciśnieniach zasilania: minimalnym 0,6 MPa, nominalnym 0,8 MPa oraz maksymalnym 1,2 MPa i czterech różnych położeniach kątowych prądownicy względem poziomu (30, 35, 40, 45 ). Zostały one przeprowadzone w warunkach naturalnych. Ponieważ powierzchnia zraszania prądu zwartego kształtem przypominała elipsę, do jej wyznaczenia wykorzystano podany poniżej wzór na pole powierzchni elipsy: P = (1) gdzie: a, b półosie elipsy 472

Rys. 3. Widok prądownicy zamontowanej działka podającej prąd zwarty podczas testów [9] Schemat rozstawienia pojemników podczas badań pokazano na rysunku 4. Jeden z nich umieszczono w środku a cztery na obwodzie położone na osiach długiej i krótkiej elipsy. Rys. 4. Schemat rozstawienia pojemników podczas badań wraz z ich numeracją [9] Intensywność zraszania była obliczana wg następującego wzoru: 60 1000 V F t [] (2) gdzie: F powierzchnia naczynia, m 2 V objętość cieczy w naczyniu pomiarowym, m 3 t czas pomiaru, s. 473

Poniżej podano opis procedury pomiarowej: 1. Sprawienie linii głównej składającej się z jednego odcinka węża W75 podłączonej do rozdzielacza kulowego oraz linii gaśniczej z dwóch odcinków węża W52 zakończonej prądownicą PWT 52 TURBOSUPON. 2. Zamocowanie prądownicy na statywie (w tym celu wykorzystano działko wodno pianowe). 3. Ustawienie kąta położenia (30, 35, 40 lub 45 ) prądownicy względem podłoża za pomocą poziomicy kątowej. 4. Ustawienie głowicy prądownicy w położeniu odpowiadającym prądowi zwartemu. 5. Ustawienie odpowiedniego ciśnienia na autopompie (0,6 MPa, 0,8 MPa lub 1,2 MPa). 6. Podanie wody z autopompy przy określonym ciśnieniu. 7. Otworzenie zaworu kulowego prądownicy. 8. Zaznaczenie miejsca maksymalnego zasięgu prądownicy L max [6] 9. Zaznaczenie osi elipsy, 10. Zatrzymanie podawania prądu zwartego poprzez zamknięcie zaworu kulowego. 11. Pomiar odległości maksymalnego zasięgu rzutu za pomocą miarki metrowej oraz zapisanie pomiaru. 12. Pomiar osi elipsy 2a oraz 2b za pomocą miarki metrowej oraz zapisanie pomiaru. 13. Ustawienie pojemników pomiarowych w wyznaczonych punktach powierzchni zraszania pokazanych na rysunku 4. 14. Otworzenie zaworu kulkowego prądownicy wraz z jednoczesnym włączeniem stopera mierzącego czas wykonywania pomiaru. 15. Po czasie równym 45 sekund zakończenie podawania prądu zwartego poprzez zamknięcie zaworu kulowego oraz zatrzymanie stopera. 16. Przelanie wody znajdującej się w pojemnikach 1, 2, 3, 4, oraz 5 do wiaderka pomiarowego w celu odczytania objętości jego napełnienia. 17. Zapisanie wyników pomiaru. 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Otrzymane wartości zasięgu, powierzchni oraz intensywności zraszania prądu zwartego przy ciśnieniach zasilania 0,6/0,8/1,2 MPa oraz kącie ustawienia prądownicy 30 zestawiono w tabeli 1 oraz na wykresie pokazanym na rysunku 5. Tab. 1. Wyniki badań dla prądu zwartego podawanego pod kątem 30 [9] Ciśnienie Zasięg Powierzchnia zraszania w pkt. 1 w pkt. 2 w pkt. 3 w pkt. 4 w pkt. 5 MPa m m 2 0,6 24,0 2,638 46,875 50,000 41,667 43,750 50,000 0,8 27,0 3,250 52,083 41,667 52,083 50,00 46,875 1,2 30,5 3,925 58,333 54,688 57,292 54,688 55,729 474

70 60 50 40 30 20 10 Ciśnienie 0,6 MPa Ciśnienie 0,8 MPa Ciśnienie 1,2 MPa 0 Intens. Zr. w pkt. 1 [] Intens. Zr. w pkt. 2 [] Intens. Zr. w pkt. 3 [] Intens. Zr. w pkt. 4 [] Intens. Zr. w pkt. 5 [] Rys. 5. Wartości intensywność zraszania w pięciu punktach pomiarowych w dla prądu zwartego podawanego pod kątem 30 [9] Analogiczne wartości tych samych wielkości dla kąta pochylenia prądownicy 35 zestawiono w tabeli 2 i na rysunku 6, dla kąta pochylenia 40 w tabeli 3 i na rysunku 7 oraz dla kąta pochylenia 45 w tabeli 4 i na rysunku 8. Tabela 2. Wyniki badań dla prądu zwartego podawanego pod kątem 35 [9] Ciśnienie Zasięg Powierzchnia zraszania w pkt. 1 w pkt. 2 w pkt. 3 w pkt. 4 w pkt. 5 MPa m m 2 0,6 25,5 3,033 54,688 59,896 52,083 60,938 59,896 0,8 28,5 4,004 57,292 57,292 59,896 57,292 62,500 1,2 32,0 4,409 62,500 59,896 62,500 62,500 62,500 70 60 50 40 30 20 Ciśnienie 0,6 MPa Ciśnienie 0,8 MPa Ciśnienie 1,2 MPa 10 0 Intens. Zr. w pkt. 1 [] Intens. Zr. w pkt. 2 [] Intens. Zr. w pkt. 3 [] Intens. Zr. w pkt. 4 [] Intens. Zr. w pkt. 5 [] Rys. 6. Wartości intensywność zraszania w pięciu punktach pomiarowych w dla prądu zwartego podawanego pod kątem 35 [9] 475

Tab. 3. Wyniki badań dla prądu zwartego podawanego pod kątem 40 [9] Ciśnienie Zasięg Powierzchnia zraszania w pkt. 1 w pkt. 2 w pkt. 3 w pkt. 4 w pkt. 5 MPa m m 2 0,6 26,0 4,409 78,125 82,031 83,333 79,167 82,292 0,8 29,0 4,792 91,146 93,750 93,750 94,792 95,833 1,2 32,5 5,500 96,354 98,958 101,563 104,167 98,958 Tab. 4. Wyniki badań dla prądu zwartego podawanego pod kątem 45 [9] Ciśnienie Zasięg Powierzchnia zraszania w pkt. 1 w pkt. 2 w pkt. 3 w pkt. 4 w pkt. 5 MPa m m 2 0,6 28 4,836 88,542 92,448 93,75 91,146 88,021 0,8 34 5,417 96,354 98,958 101,563 98,438 100 1,2 42 6,594 109,375 114,583 115,625 109,375 117,188 120 100 80 60 40 20 0 Ciśnienie 0,6 MPa Ciśnienie 0,8 MPa Ciśnienie 1,2 MPa Rys. 7. Wartości intensywność zraszania w pięciu punktach pomiarowych w dla prądu zwartego podawanego pod kątem 40 [9] 140 120 100 80 60 40 20 0 Ciśnienie 0,6 MPa Ciśnienie 0,8 MPa Ciśnienie 1,2 MPa Rys. 8. Wartości intensywność zraszania w pięciu punktach pomiarowych w dla prądu zwartego podawanego pod kątem 45 [9] 476

W tabeli 5, 6 i 7 zestawiono odpowiednio średnie, maksymalne i minimalne wartości intensywności zraszania uzyskane dla różnych ciśnień zasilania i katów ustawienia prądownicy PWT 52 TURBOSUPON względem poziomu. Tab. 5. Średnie wartości intensywności zraszania w dla różnych ciśnień i kątów ustawienia prądownicy PWT 52 TURBOSUPON względem poziomu [9] Kąt w stop. 30 35 40 45 Ciśnienie w MPa 0,6 46,46 57,50 80,99 90,78 0,8 48,54 58,85 93,85 99,06 1,2 56,15 61,98 100,00 113,23 Tab. 6. Maksymalne wartości intensywności zraszania w dla różnych ciśnień i kątów ustawienia prądownicy PWT 52 TURBOSUPON względem poziomu [9] Kąt w stop. 30 35 40 45 Ciśnienie w MPa 0,6 50,00 60,94 83,33 93,75 0,8 52,08 62,5 95,83 101,56 1,2 56,15 62,5 104,17 117,19 Tab. 7. Minimalne wartości intensywności zraszania w dla różnych ciśnień i kątów ustawienia prądownicy PWT 52 TURBOSUPON względem poziomu [9] Kąt w stop. 30 35 40 45 Ciśnienie w MPa 0,6 41,67 52,08 78,12 88,02 0,8 41,67 57,29 91,15 96,35 1,2 54,69 59,90 96,35 109,37 Średnia intensywność zraszania prądownicy PWT 52 TURBOSUPON rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia od 0,6 MPa do 1,2 MPa dla wszystkich badanych kątów pochylenia prądownicy (tabela 5). Najmniejsze wartości intensywności zraszania zanotowano przy ciśnieniu 0,6 MPa (tabela 7) a największe przy ciśnieniu 1,2 MPa (tabela 6). Przy tym samym ciśnieniu wraz ze wzrostem kąta pochylenia prądownicy względem poziomu można zaobserwować wzrost średniej wartości intensywności zraszania. Największą średnią wartość intensywności zraszania dla tej prądownicy uzyskano, gdy prądownica ta ustawiona była pod kątem 45 i była zasilana ciśnieniem 1,2 MPa. Była ona równa 113,23. Różnice pomiędzy wartościami intensywności zraszania w poszczególnych punktach pomiarowych nie były zbyt duże i nie przekraczały 10%. Natomiast 477

różnice pomiędzy średnimi wartościami intensywności przy tym samym ciśnieniu dla kąta najmniejszego i największego dochodziły nawet do 100%, podczas gdy różnice przy tym samym kącie i skrajnych ciśnieniach nie przekraczały 50%. Uzyskane zasięgi rzutów strumienia zwartego przy różnych kątach pochylenia i ciśnieniach zasilania zestawiono w tabeli 8. Tab. 8. Zasięgi rzutu w m dla różnych ciśnień i kątów ustawienia prądownicy względem poziomu [9] Kąt w stop. 30 35 40 45 Ciśnienie w MPa 0,6 24,0 25,5 26,0 28,0 0,8 27,0 28,5 29,0 34,0 1,2 30,5 32,0 32,5 42,0 Największy zasięg rzutu prądu zwartego równy 42 m otrzymano przy ciśnieniu 1,2 MPa, gdy prądownica była ustawiona pod kątem 45. Gdy prądownica była ustawiona pod kątem 30, zmiana ciśnienia od 0,6 MPa do 1,2 MPa spowodowała zmianę zasięgu z 24 m na 30,5 m (wzrost o 6,5 m). Gdy położenie prądownicy względem podłoża zmieniono na 35 lub 40, również zmiana ciśnienia spowodowała zwiększenie się zasięgu w przybliżeniu o 6,5 m. Największy przyrost zasięgu miał miejsce, gdy prądownica była ustawiona pod katem 45. Wyniósł on wtedy aż 14 m (przy 0,6 MPa 28 m, a przy 1,2 MPa 42 m). Uzyskane powierzchnie zraszania przy pomocy strumienia zwartego przy różnych kątach pochylenia i ciśnieniach zasilania zestawiono w tabeli 9. Tab. 9. Powierzchnie zraszania w m 2 dla różnych ciśnień i kątów ustawienia prądownicy względem poziomu [9] Kąt w stop. 30 35 40 45 Ciśnienie w MPa 0,6 2,64 3,03 4,41 4,84 0,8 3,25 4,00 4,79 5,42 1,2 3,92 4,41 5,50 6,59 Największą powierzchnię zraszania (6,59 m 2 ) uzyskano dla prądownicy ustawionej pod katem 45 przy ciśnieniu zasilania 1,2 MPa, natomiast najmniejszą (2,638 m 2 ) przy ciśnieniu 0,6 MPa i kącie pochylenia prądownicy 30. Najmniejsze powierzchnie zraszania dla każdego z ciśnień uzyskano, gdy prądownica była ustawiona pod kątem 30. Powierzchnie te wynosiły odpowiednio dla ciśnienia 0,6 MPa - 2,638 m 2, 0,8 MPa - 3,25 m 2 oraz dla 1,2 MPa - 3,925 m 2. Przy ciśnieniu 0,6 MPa powierzchnia zraszania zwiększa się o około 0,4 m 2 przy każdej kolejnej zmianie kąta pochylenia prądownicy. Dla ciśnienia 0,8 MPa zmiana kąta od 30 do 45 spowodowała wzrost powierzchni zraszania o około 0,7 m 2. Porównując wyniki dla ciśnienia 1,2 MPa wzrost powierzchni zraszania przy zmianie kąta pochylenia z 30 na 35 wyniósł ok. 0,5 m 2. Przy kolejnych zmianach kąta o 5 powierzchnia zraszania zwiększała się już o ok. 1,1 m 2. 478

3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Na podstawie otrzymanych wyników eksperymentalnych można sformułować następujące wnioski: 1. Zmiana ciśnienia zasilania prądownicy powoduje wzrost takich parametrów jak intensywność zraszania, zasięg oraz powierzchnia zraszania. 2. Gdy ciśnienie zasilania prądownicy nie zmienia się a zmianie ulega jedynie kąt pochylenia prądownicy względem poziomu, wartości intensywności zraszania, zasięgu oraz powierzchni zraszania wzrastają wraz ze wzrostem tego kąta. 3. Najlepsze parametry z punktu widzenia skuteczności gaśniczej uzyskano przy najwyższym ciśnieniu zasilania 1,2 MPa i kącie nachylenia prądownicy 45 (zasięg - 42 m, powierzchnia zraszania - 6,59 m 2, średnia intensywność zraszania 113,23 ). Należy jednak pamiętać, że czym większe ciśnienie na prądownicy, tym trudniej ją operować (reakcja hydrauliczna). 4. Najgorsze parametry z punktu widzenia skuteczności gaśniczej uzyskano przy najniższym ciśnieniu zasilania 0,6 MPa i kącie pochylenia prądownicy 30 (zasięg 24 m, powierzchnia zraszania 2,64 m 2, średnia intensywność zraszania 46,46 ). 5. Ewentualne błędy w uzyskanych wynikach mogą być spowodowane przez: a). nieprecyzyjne ustawienie prądownicy względem podłoża, b). niesprzyjające warunki atmosferyczne występujące podczas badań w szczególności wiatr, c). błędy w ustawieniu naczyń pomiarowych, d). błędy w odczycie objętości wody branej do obliczeń intensywności zraszania, e). błędy w odczycie czasu, f). błędy w pomiarze dwóch osi elipsy branej do obliczeń powierzchni zraszania. Reasumując można stwierdzić, że trajektoria rzutu prądu zwartego wody podawanej z prądownic znacznie różni się od ciała swobodnie rzuconego w rzucie poziomym. Otrzymane wartości zasięgu intensywności i powierzchni zraszania w dużej mierze zależą od sposobu zaprojektowania prądownicy, a także jej prawidłowego użytkowania. Jednym z ważniejszych parametrów jest zasięg, gdyż w przypadku dużo rozwiniętego intensywnego pożaru, w którym niemożliwe jest bliskie podejście prądownika do strefy pożaru, ratownicy zmuszeni są używać prądu zwartego. Podając go zależy im, aby posiadał on jak największy zasięg i miał jak najlepsze właściwości chłodzące. Ponadto prądem zwartym można również zbijać płomienie palącego się materiału. Dlatego bardzo ważną rzeczą jest badanie tych prądów i projektowanie prądownic wodnych, tak aby ich użytkowanie zapewniało jak największy komfort oraz bezpieczeństwo ratownikom. Streszczenie W artykule zaprezentowano badania wpływu wybranych parametrów eksploatacyjnych prądownicy takich jak ciśnienia zasilania i kąt ustawienia względem poziomu na wybrane parametry istotne z punktu widzenia skuteczności gaśniczej takie jak: zasięg rzutu prądu zwartego, powierzchnia oraz intensywność zraszania. Przedmiotem badań była stosunkowo często stosowana w PSP uniwersalna prądownica wodna PWT 52 TURBOSUPON. W pracy omówiono przebieg badań i podano sposób wyznaczania powierzchni i intensywności zraszania. W postaci tabelarycznej i graficznej przedstawiono otrzymane wyniki w postaci zasięgów rzutu, powierzchni i intensywności zraszania dla trzech różnych ciśnień zasilania 0,6, 0,8 i 1,2 MPa oraz czterech różnych kątów pochylenia prądownicy 30, 35, 40 i 45. Przeprowadzono analizę wyników i sformułowano wnioski, mające wymiar praktyczny w sensie wskazówek dla strażaków operujących zwartymi prądami wodnymi. Najistotniejszy z nich jest taki, że największą skuteczność gaśniczą badana prądownica osiągała przy następujących parametrach: ciśnienia zasilania 1,2 MPa, kąt pochylenia prądownicy - 45. 479

Study on influence of inclination angle and pressure on sprinkling area and intensity with the solid jet formed by the nozzle PWT 52 TURBOSUPON Abstract Investigations of the influence of some operational parameters of the nozzle such as: pressure and inclination angle on selected quantities significant from extinguishing effectiveness point of view like: solid jet range as well as area and intensity of sprinkling are presented in this paper. Object of the study was universal water nozzle PWT 52 TURBOSUPON commonly used in PSP. Research stand and experiments procedure are described. Methods of determination of area and intensity of sprinkling are given. Results obtained during experiments at three different pressures: 0.6, 0.8 and 1.2 MPa and four inclination angles: 30, 35, 40 and 45 grades are presented either in tabular or graphical form. Analysis of the results was performed and practical conclusions were formulated. The most crucial is as follows: a greatest extinguishing effectiveness at following parameters: supply 1.2 MPa and inclination angle 30 deg. was observed. BIBLIOGRAFIA 1. Bielecki P., Podstawy taktyki gaszenia pożarów, Kraków 1996. 2. Derecki T.: Sprzęt pożarniczy do podawania wody i pian gaśniczych, Warszawa 1999. 3. Gil D., Sprzęt gaśniczy, Bydgoszcz 2004. 4. Orzechowski Z., Prywer J.., Wytwarzanie i zastosowanie rozpylonej cieczy, Warszawa 2008. 5. Placek P., Sprzęt i armatura wodna, Warszawa 2011. 6. Polska Norma PN EN 671 1 Stałe urządzenia gaśnicze, hydranty wewnętrzne, hydranty wewnętrzne z wężem półsztywnym ). 7. Polska Norma PN-EN-2:1998/A1:2006 Podział pożarów. 8. Polska Norma PN-EN 15182-1+A1:2010 Prądownice dla straży pożarnej Część 1: Wymagania ogólne. 9. Saramański S., Badanie wpływu położenia kątowego i ciśnienia zasilania na wielkość i intensywność powierzchni zraszania przy pomocy prądu zwartego wytwarzanego przez prądownice PWT 52 TURBOSUPON oraz PW/R 52 SUPON, Praca magisterska SGSP, Warszawa 2014. 10. www.kgpsp.gov.pl. 11. www.kadimex.pl. 480