Способ борьбы с гидравлическим ударом

Гидравлический удар

Изучение и расчет движения реальных жидкостей весьма сложен, т.к. на характер движения и протекающие процессы влияет множество факторов. В условиях конкретной задачи влияние одних факторов может быть велико

Гидравлический удар — это колебательный быстротечный процесс, возникающий в упругом трубопроводе с капельной жидкостью, характеризующийся чередованием резких повышений и понижений давления.

Гидравлический удар возникает при резком изменении проходного сечения трубопровода, например при резком закрытии крана, или переключении гидрораспределителя в длинных трубопроводах.

Вычислить изменение давления при прямом гидравлическом ударе можно используя формулу Н.Е Жуковсокго.

Как протекает гидроудар?

Рассмотрим гидравлическую систему, состоящую из резервуара, наполненного жидкостью, трубопоровода длиной L и диаметром d, и шарового крана.

При резком перекрытии проходного сечения трубопровода частицы жидкости внезапно останавливаются преградой, их кинетическая энергия переходит в работу деформации жидкости и растяжению стенок трубы, жидкость уплотняется, а давление возрастает на величину ΔP.

На остановленные частицы наталкиваются следующие, их кинетическая энергии также переходит в деформацию. Таким образом образуется фронт возмущения, который со скоростью (a) движется по трубопроводу в направлении от крана.

К моменту времени t=L/a жидкость в во всей трубе становится заторможенной, а давление повышенным на величину ΔP. Начинается отток жидкость в резервуар, где давление теперь ниже.

Волна повышенного давления ΔP давления, отражается от резервуара волной противоположного знака -ΔP, начинается двигаться по направлению к крану.

К моменту t=2L/a в трубе установиться первоначальное давление, но это состояние неустойчивое.

Из-за инерционности среды у крана кинестетическая энергия будет в работу деформации, давление при этом упадет на величину ΔP, стенки трубы сузятся. Волна понижения давления на величину ΔP со скоростью a будет двигаться в направлении от крана. За фронтом волны скорость жидкости будет равна 0, а давление P₀-ΔP.

Волна -ΔP доходит до резервуара.

Волна отразится от резервуара волной противоположного знака +ΔP и со скоростью a будет двигаться к крану.

К моменту t=4L/a волна дойдет до задвижки, и будет наблюдаться ситуация имевшая место при закрытии крана. Получается, что 1 цикл гидравлического удара закончится.

Как отражается волна при гидроударе?

Получается, что при гироударе волна давления отражается от резервуара волной противоположного знака, а от глухой преграды — волной того же знака.

Способы борьбы с гидравлическим ударом

1. Уход от прямого удара (увеличение времени регулирования, снижение длины трубопровода), т.е: t_рег >> 2L/a
   • где t_рег — время регулирования;
   • L — длина трубопровода.
2. Уменьшение скорости течения жидкости в трубопроводе;
3. Упрочнение трубопровода;
4. Установка в системе гасителя — гидроаккумулятора.

— других пренебрежимо мало. Ответить на вопрос о важности тех или иных сил помогает гидродинамическая теория подобия.

Гидродинамическое подобие несжимаемой жидкости разделено на три составляющих: геометрическое, кинематическое и динамическое подобие.

Геометрическое подобие представляет собой пропорциональность сходственных размеров и равенство соответствующих углов.

Кинематическое подобие означает пропорциональность скоростей в сходственных точках и равенство углов, характеризующих направление этих скоростей.

Динамическое подобие — это пропорциональность сил, действующих на сходственные объемы в кинематически подобных потоках и равенство углов, характеризующих направление этих сил.

В гидравлике на поток жидкости, как правило, действует множество факторов и сил — силы инерции, трения, давления тяжести. Полное подобие систем на практике получить невозможно, поэтому обычно говорят о частичном подобии. при котором соблюдается пропорциональность лишь главных сил.

Условия подобия гидродинамических процессов можно найти из уравнения Новье-Стокса.

Критерии подобия

Критерии, позволяющие оценить влияние тех или иных сил на систему называют критериями подобия.

Важнейшими критериями подобия в гидравлике считаютсячисло Рейнольдса, число Фруда, число Эйлера, число Прандтля, число Пекле.

Наиболее часто в инженерных гидравлических расчетах используется критерий Рейнольдса.

Число (критерий) Рейнольдса отражает отношение сил инерции к силам вязкого трения. В инженерных расчетах число Рейнольдса позволяет определить режим течения жидкости, что в свою очередь непроходимо для расчета гидравлических потерь.

Число Маха

При рассмотрении течения газа важным критерием является число Маха — отношение скорости течения газа U к скорости звука a.

Чем выше число Маха тем в большей степени проявляется сжимаемость среды.

Число Вебера

В тех случаях, когда течение жидкости происходит со свободной поверхности важно число Вебера.

Число Нуссельта

Если течение жидкости сопровождается теплообменом используется число Нуссельта, зависящее от коэффициента теплоотдачи α.

Источник

Гидроудар: как с ним бороться?

Экология потребления. Усадьба: Перепады давления в системах поставки воды и отопления считаются одной из основных эксплуатационных проблем. Как следствие такого перепада может возникать гидроудар, что очень опасно для трубопроводов и грозит выходом их из строя.

Перепады давления в системах поставки воды и отопления считаются одной из основных эксплуатационных проблем. Как следствие такого перепада может возникать гидроудар, что очень опасно для трубопроводов и грозит выходом их из строя. Негативные последствия можно предупредить, если знать причины возникновения неприятного явления и способы борьбы с ними. Поговорим об этом подробнее.

Гидроударом называется резкий скачок давления в заполненной жидкостью системе. Он длится очень короткое время, но последствия его могут быть весьма неприятными. Причиной появления гидроудара становится столкновение водяного потока с неожиданно возникшим препятствием. Это может быть внезапная остановка насосного оборудования, резкое закрытие запорной арматуры и т.п.

После того, как поток наталкивается на преграду, он по инерции продолжает двигаться вперед. Скорость его при этом не изменяется. Однако движение не может быть продолжено, вследствие чего жидкость начинает уплотняться. Давление стремительно растет до тех пор, пока жидкость не найдет путь сброса чрезмерного напряжения. Если в трубопроводе есть микротрещины или другие «слабые звенья», в этот момент может случиться разрыв, появится трещина или раскол. Возможны даже повреждения сантехнического оборудования.

Негативные последствия гидроудара обычно очень неприятны. Может пострадать оборудование, когда вследствие скачка давления разрушаются трубы или отопительные приборы. Вытекающая из неисправного трубопровода вода портит имущество, может затопить расположенные ниже этажами квартиры. В худшем случае, если произошел разрыв отопительного контура, от горячего теплоносителя могут пострадать люди, которые получат термические ожоги.

По статистике большинство аварий в системах, связанных с транспортировкой жидкостей, случаются по причине гидроудара. Специалисты выделяют несколько основных причин возникновения резкого увеличения давления в системе. К ним относятся:
— быстрое закрытие запорного крана;
— поломка насосного оборудования или неполадки в его работе;
— перебои с электричеством при условии энергозависимости системы;
— наличие воздуха внутри замкнутого контура.

Для предотвращения гидроудара можно использовать несколько простых рекомендаций. Прежде всего, по возможности стоит установить в системе вентили, а не шаровые краны. Дело в том, что последние физически невозможно перекрыть плавно. Их конструкция это не предусматривает. В результате возникает скачок давления. Винтовые краны будут безопасны, поскольку букса раскручивается/закручивается поэтапно, не провоцируя при этом гидроудар.

Для обустройства системы важно выбирать только трубы, адаптированные под водные сети. Их выбор осуществляется исходя из предназначения трубопровода, но в любом случае следует отдавать предпочтение сертифицированным деталям, соответствующим требованиям ГОСТа.

Кроме того, на этапе модернизации системы или во время сборки новой конструкции рекомендуется устанавливать специальное оборудование, нейтрализующее чрезмерное давление. Это может быть гаситель. Он представляет собой гидроаккумулятор, объем колбы которого может доходить до 30 л. Внутри резервуара помещаются две секции, разделенные между собой эластичной мембраной. Любой скачок давления в контуре «сбрасывается» в гаситель. При увеличении давления мембрана изгибается в направлении камеры, наполненной воздухом. Так создается эффект удлинения контура, что снижает давление. Гасители монтируют, ориентируя в направлении движения жидкости. Выбирают участки, где вероятны гидроудары.

Для снижения давления в контурах можно использоваться амортизаторы. Так называются трубы, изготовленные из эластичной пластмассы или армированного термостойкого каучука. Обычно хватает элемента длиной 0,2-0,3 м, его встраивают в систему на «опасном» участке. Если протяженность контура велика, длину амортизатора рекомендуется увеличить на 0,1 м.

Еще одно устройство, призванное бороться с гидроударом, это диафрагменный защитный клапан. Элемент монтируется на небольшом отводе от основного трубопровода возле насосного оборудования. При появившемся избыточном давлении узел начинает работать и выпускает определенное количество жидкости. Производители выпускают различные модификации таких клапанов. В зависимости от модели они запускаются в работу по-разному. Их активирует пилотный прибор быстрого действия либо контроллер, следящий за состоянием системы.

Хорошо зарекомендовал себя и метод шунтирования для терморегулирующего клапана. Его суть заключается в том, что в узел по направлению движения воды вставляется шунт, представляющий собой трубку малого диаметра. Он составляет всего 0,2-0,4 см. При появлении избыточного давления в контуре оно будет постепенно сбрасываться через шунт. Важное замечание: использовать метод шунтирования можно только в системах, где не используются подверженные коррозии трубы. Кусочки ржавчины сводят эффективность использования шунта к нулю.

Для предотвращения аварий от гидроудара следует строго соблюдать правила грамотной эксплуатации трубопроводов и всегда следить за их исправностью. Надо понимать, что все протекающие в системе процессы взаимосвязаны, гидроудар становится лишь последней «каплей», выявляющей все ранее возникшие проблемы. опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Источник

Гидравлический удар: что это такое и как с этим бороться?

22 ноября 2018

Гидравлический удар представляет собой явление повышения давления жидкости в системе, вызванное крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Чаще всего причинами возникновения гидроудара являются быстрое закрытие или открытие трубопроводной арматуры, а также остановка, пуск или изменение режима работы насосов. Есть и другие причины, но они не столь часты.

Возникновение в трубопроводе гидравлического удара влечет за собой разрушение трубопроводов, арматуры, насосов и оборудования, образование усталостных трещин и загрязнение окружающей среды.

Для вычисления повышения давления при гидроударе используется формула Н.Е. Жуковского:

• ρ — плотность жидкости, кг/м 3 ;
• с — скорость фронта ударной волны м/с;
• ∆v — изменение скорости жидкости при гидравлическом ударе, м/с.

Скорость фронта ударной волны:

• Е_с — модуль упругости жидкости, кгс /см²;
• Е_т — модуль упругости трубопровода, кгс/см²;
• t — толщина стенок трубопровода, м;
• DN — условный диаметр трубопровода, м;

В качестве примера произведем расчет гидроудара. Исходные данные: вода движется со скоростью 2 м/c по стальному трубопроводу с условным диаметром 500 мм с толщиной стенки 12 мм и длиной 3500 м.

Скорость фронта ударной волны

Увеличение давления при гидроударе

Максимально допустимое время реакции клапана

Таким образом, из расчетов можно сделать вывод, что из-за резкого закрытия задвижки возникает гидроудар, в результате которого развивается ударная волна, движущаяся со скоростью почти 1200 м/с, давление в трубопроводе возрастает на 23,7 бар — и все это происходит почти за 2 с.

Для предотвращения гидроудара применяют ряд методов:

• обеспечение плавного открытия или закрытия запорной арматуры;
• увеличение диаметра трубопровода;
• снижение скорости потока среды;
• обеспечение плавного пуска и остановки насосов;
• использование системы защиты от гидравлических ударов;
• удаление газов из трубопроводов.

Указанные методы активно используются производителями оборудования для систем гашения гидроударов.

Наиболее часто возникающая неисправность в системах перекачивания жидкости — включение насоса при закрытой магистральной задвижке. В этом случае давление очень быстро повышается и происходит разрушение или выход из строя составляющих элементов трубопровода. Для предотвращения аварии используется предохранительный клапан на воду, выполняющий аварийный сброс давления, модели «Гранрег» КАТ10/04, КАТ11/04, «Прегран» КПП. Такие клапаны предотвращают повышение давления, которое происходит при запуске насоса, быстром закрытии крана или задвижки или других действиях, приводящих к резкому скачку давления. Клапаны монтируются на отводе от трубопровода, сбрасывая излишнее давление в атмосферу или резервуар. Когда давление превышает безопасный уровень, клапан открывается сразу же. При нормализации давления запорный орган в клапане медленно закрывается.

Вторая частая причина аварий — резкий, незапланированный стоп работающего насоса. При этом в системе сначала возникает разрежение, затем возникает обратный гидроудар. В данном случае помогает установка клапана модели «Гранрег» КАТ10/13 или КАТ11/13. Управление выполняется двумя регуляторами, на которых выставляется нижний и верхний порог срабатывания. Клапан приводится в действие давлением воды в линии. Устанавливается на отводе от трубопровода, после обратного клапана, рядом с насосами. Регулятор срабатывает немедленно, когда давление в трубопроводе падает ниже статического уровня. Когда обратный поток достигает насоса, регулятор уже полностью открыт, поток сбрасывается через него, и всплеск давления ограничивается до безопасной величины. После этого регулятор медленно закрывается, предотвращая опорожнение трубопровода. Клапан также немедленно полностью открывается, когда давление превышает безопасный уровень, и медленно закрывается при падении давления в сети до нормального уровня.

Использование предохранительных клапанов позволяет увеличить сроки безаварийной работы трубопроводов за счет исключения возникновения гидроударов и сброса давления в системе при его повышении до критических значений. Использование коррозионностойких материалов для изготовления корпуса, запорного элемента и уплотнений также способствует увеличению срока службы.

Из характерных достоинств, которыми отличаются предохранительные клапана можно отметить:

• простую и надежную конструкцию;
• простоту монтажа и обслуживания оборудования;
• низкие значения местных сопротивлений;
• высокую пропускную способность.

Для обеспечения плавного пуска и остановки насосов в современных системах используются специальные клапаны с пилотным управлением для управления насосами — «Гранрег» КАТ10/11, 10/12, 11/11, 11/12. Принцип действия таких клапанов достаточно прост. Управление работой подобного оборудования осуществляется при помощи электрических сигналов.

При пуске насоса клапан плавно приоткрывается. Останов вызывает плавное закрытие.

Существуют специальные опции для подобных клапанов, которые позволяют увеличить время открытия/закрытия клапана, обеспечивая таким образом плавное регулирование внутрисетевого давления.

Еще одной из причин возникновения гидроударов в трубопроводе могут служить воздушные пробки. Для удаления газов из трубопроводов используются воздушные клапаны (воздухоотводчики). Воздушные клапаны эффективны и важны для предотвращения возникновения давления ниже атмосферного в трубопроводах. Стандартный автоматический воздушный клапан отводит газы из системы, образующиеся в процессе ее работы. Кроме того, следует понимать, что если у потока воды при движении по трубопроводу не возникает никаких преград, то скорость потока достигает большого значения. И если воздушный клапан неожиданно закроется, это приведет к мгновенной остановке водного потока. Внезапная остановка водяного потока превратит кинетическую энергию в энергетическое давление, что может вызвать гидроудар.

Воздушный клапан с функцией защиты от гидроудара серии «Гранрег» КАТ50–53 позволит предотвратить данный эффект.

Благодаря ограничению скорости потока воздуха, между потоком воды и непосредственно воздушным клапаном будет создаваться воздушная подушка, которая замедлит поток воды и предотвратит развитие гидроудара.

Способы борьбы с гидроударами не ограничиваются применением оборудования, рассматриваемого в данной статье. Для того, чтобы корректно подобрать оборудование, смодулировать систему и определить, в каких точках может возникнуть гидроудар, необходимо тщательно проанализировать состав системы, а так же режимы ее работы. В случае возникновения вопросов по подбору регулирующей арматуры просьба обращаться к инженерам отдела регулирующей арматуры компании АДЛ.

Источник