Способы 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

5.10. Способы борьбы с гидравлическим ударом

Для обеспечения водоснабжения и водоотведения используются насосные станции в соответствии с требованиями водопотребления. Насосы входят в состав оборудования насосных станций. При внезапной остановке насоса за счет разности напора остановившегося насоса и напора в трубопроводе жидкость начнет двигаться по нему в сторону насоса. В результате этого в трубопроводе возникнет гидравлический удар. Направление движения гидроудара будет идти от области повышенного давления (напорный водовод) к области пониженного давления (насос).

Повышение давления перед насосом может привести к выходу его из строя в результате деформации и разрушения его деталей. Для предотвращения отрицательного воздействия гидравлического удара на работу насоса перед ним устанавливают обратные клапаны или предохранительные клапаны. При резком повышении давления обратный клапан перекрывает сечение трубопровода и в результате гидравлического удара возможно разрушение корпуса клапана. Предохранительные клапаны автоматически отключаются при возникновении в трубопроводе избыточного давления, соответствующего настройке клапана, и через клапан произойдет истечение жидкости. После снижения давления в трубопроводе клапан закрывается.

Для полного обеспечения безаварийной и надежной работы трубопровода при возможном возникновении прямого гидравлического удара проводятся специальные противоударные технические мероприятия. Во-первых, при непрямом ударе ударное повышение давления меньше, чем при прямом, поэтому необходимо увеличивать время срабатывания задвижек и других запорных устройств в сравнении со временем фазы гидравлического удара. Во-вторых, применяются предохранительные клапаны и гасители гидравлического удара различного типа [3, 6]. На характер гидравлического удара большое влияние может оказывать наличие воздуха в повышенных сечениях профиля водовода. Для выпуска воздуха, защемленного в повышенных сечениях профиля трассы водовода, в этих сечениях устанавливаются воздушные колпаки (вантузы).

По чугунному трубопроводу диаметром мм подается вода расходомл/с. Толщина стенки трубымм. Начальное, избыточное давление у затвора трубопроводаатм. Определить значение повышения давления у затвора при внезапном его закрытии.

Средняя скорость в трубопроводе до закрытия затвора

м/с.

Соотношение модулей упругости воды и чугунной трубы согласно табл. 5.7

.

Принимаем модуль упругости воды Н/м и плотность водыкг/м 3 .

Скорость распространения ударной волны согласно (5.59)

м/с.

Повышение давления определяем по формуле Н. Жуковского:

ПаМПа.

Давление у затвора

МПа.

Определить силу давления на запорный диск задвижки, установленный на конце стального трубопровода диаметром мм, и напряжение в стенках трубы.

Длина трубопровода м, толщина трубымм, время закрытия задвижкис при расходе водым 3 /с.

Средняя скорость в трубопроводе до закрытия задвижки

м/с.

Скорость распространения ударной волны

м/с;

Н/м 2 ; кг/м 3 ; (см. табл. 5.7).

Фаза гидравлического удара

с.

Так как , то имеет место непрямой гидравлический удар. Повышение давления при непрямом ударе по формуле (5.56)

;

Па.

Сила давления на запорный диск

H.

Напряжение на стенках определяем по котельной формуле

; ;

ПаМПа.

Допустимое напряжение стали МПа.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

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