Способы борьбы с гидроударами

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

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

Способы борьбы с гидравлическим ударом. Стабилизаторы давления

Поскольку причиной гидравлического удара является быстрая остановка движения жидкости, то самым эффективным способом его предотвращения является медленное закрытие крана, замена шаровых кранов на винтовые задвижки или вентили.

Но кроме этого, применяют демпфирующие устройства (гасители гидравлического удара), воздушные колпаки, разрушаемые мембраны, обратные клапаны, а также стабилизаторы давления.

Гидродинамические процессы являются источником 70% всех аварий и инцидентов на трубопроводах.

Гидродинамические процессы сопровождаются высокоскоростным распространением волн повышенного давления, носящим характер гидравлического удара. В результате подобного удара возникают порывы в наиболее ослабленных местах трубопроводной системы, которая, вследствие износа, не способна выдержать ударной динамические нагрузки.

Технология волновой стабилизации давления реализуется за счёт диссипативного и упругодемпфирующего воздействия на поток перекачиваемой среды с помощью специально разработанных технических устройств — стабилизаторов давления.

СД предназначены для использования в трубопроводных системах диаметром от 10 до 1200 мм и с рабочим давлением до 25 МПа.

Использование СД в качестве средств противоаварийной защиты обеспечивает полное гашение или снижение до безопасного уровня амплитуд гидроударов, колебаний давления и связанных с ними вибраций трубопроводов, при этом полностью устраняются аварийные ситуации с разрывами труб от внутрисистемных возмущений транспортируемой среды, а общая аварийность трубопроводов и оборудования снижается на 85%.

СД обладают минимальными массогабаритными характеристиками. Они технологичны в изготовлении, энергонезависимы, обладают мгновенным быстродействием, не создают дополнительного гидросопротивления и не требуют технического обслуживания в процессе эксплуатации, легко монтируются в трубопровод. Отличительной особенностью стабилизаторов давления является то, что данные устройства одинаково эффективно гасят гидроудары, волновые и вибрационные процессы как в аварийном, так и в штатном режиме работы гидросистемы, реагируя как на провалы давления, так и на гидравлические удары.

Стабилизатор давления состоит из корпуса, имеющего перфорированный по длине и периметру участок трубопровода, и демпфирующих камер, гидравлические полости которых соединены посредством патрубков с корпусом.

Стабилизатор давления работает следующим образом. При возникновении в основном трубопроводе волновых процессов (гидроудары, вынужденные колебания давления и т.д.) происходит перетекание жидкости через отверстия перфорации центрального трубопровода в кольцевую предкамеру, образованную внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью центрального перфорированного трубопровода, или наоборот, в результате чего изменяется давление в гидравлической полости демпфирующей камеры, что вызывает сжатие упруго-демпфирующих элементов (РТИ или металлические элементы с заданными техническими характеристиками) и приводит к изменению объёма жидкости в демпфирующей камере.

Такое последовательное взаимодействие жидкости с демпфирующими камерами позволяет обеспечить высокую эффективность гашения колебаний избыточного давления (гидроударов) за счёт высокой податливости демпфирующих элементов в динамическом режиме, и диссипации энергии колебаний на отверстиях распределённой перфорации, что приводит к её невосполнимым потерям, создавая условия препятствующие дальнейшему волновому распространению, компенсируя провалы давления.

Для анализа волновых процессов в гидросистеме рассмотрим схему, приведенную на рисунке ниже.

Она состоит из следующих элементов: насоса- 1, трубопровода- 5, клапанов– 2 и 3 (обратного)и стабилизатора давления- 4.

Стабилизатор давления (СД) устанавливается в непосредственной близости от обратного клапана.

Направим координатную ось ОХ вдоль продольной оси расходной магистрали против течения рабочей среды. При анализе динамических процессов будем считать среду однородной.

При рассмотрении динамических процессов будем считать, что давление в ней изменяется по линейному закону. Процесс включения и выключения насосного агрегата сопровождается интенсивными гидравлически­ми ударами, распространяющимися по всему трубопроводу.

Следует определить начальные условия для сис­темы волновых уравнений, описывающей неустановив­шееся движение жидкости в трубопроводе. В момент времени t=0

P(0,0)=0, V(0,0)=0.

Начиная с t=0, в сечении х=l (где установлены насос и стабилизатор давления) расход изменяется по закону Q=Q(t).

Начальные условия имеют вид:

t=0; р(х,0)=δp(x,0)/δt=0 . (39)

Граничные условия в конце трубопровода принимаем:

при х=0 p(0,t)=0 . (40)

Значение скорости на выходе из стабилизатора давления (x=l) будет определяться выражением:

Читайте также:  Способы защиты металла при сварке

, (41)

где Q₀ — начальный массовый расход в момент t=0, Q(t) — изменение расхода, вызванное изменением режи­ма работы центробежного насоса, Q_СТ(t) — изменение расхода через отверстия перфорации стабилизатора, ρ — плотность жидкости.

Система волновых уравнений решается без учета сил трения методом Даламбера в виде суммы прямой и обратной волн:

p(x) = — c [ f₁ (t– )+ f₂ (t– )] , (42)

где f₁ и f₂ функции, определяемые из граничных условий (40) и (41).

Если промежуток времени τ_из, течение которого происходит изменение режима работы насоса, незначителен по сравнению с продолжительностью двойного пробега волны давления по трубопроводу τ₀=0 будет наблюдаться прямой гидроудар, максимальное давление при котором (при отсутствии стабилизатора) определяется по формуле Жуковского (11):

p_sh = r ×C× DV .

где × DV — изменение скорости потока вследствие из­менения режима работы насоса, а

DV = ,(43)

где ΔQ_n — изменение расхода.

Для системы теплоснабжения, длина которой со­ставляет несколько десятков километров, значение τ₀ значительно превосходит продолжительность остановки или выхода насоса на режим. Поэтому при выключении насоса в трубопроводе происходят провал давления p_sh, а затем через τ₀ такое же по значению повышение давления над рабочим уровнем (гидроудар).

Пуск насоса осуществляется при закрытой задвижке, по­этому волновые процессы в трубопроводе будут определяться динамикой изменения расхода при открытии задвижки.

Дифференциальное уравнение движения жидко­сти в СД в первом приближении можно записать в виде:

+ P(t) = L , (44)

где ρ – плотность жидкости, P(t), G(t) — давление и расход жидкости в сечении х магистрали в момент времени t соответственно, П_сд — податливость стабили­затора, характеризующая изменение массы жидкости в полости стабилизатора при изменении давления, L=l/(gF)=Zt — параметр, характеризующий инерционность потока жидкости в трубе, Z=c/(gF) — волновое сопротивление магистрали, с — скорость распространения волн давления, F — площадь проход­ного сечения трубопровода, t — время пробега волной давления длины магистрали, w₀ — частота основного тона колебаний в магистрали без стабилизатора давления, G_l(t)=G₀–G_k(t) — секундный расход в трубопроводе, создаваемый насосом.

Граничные условия для системы (44) запишутся следующим образом:

где R₁ — коэффициент, характеризующий местные по­тери давления на начальном участке гидромагистрали; ΔG(0,t) — вариация расхода жидкости в сечении x=0.

В концевом сечении:

G_сд(t) = g П_сд = g П_сд , (47)

где l — общая длина трубопровода, x₁ — координата установки СД.

Для линейно изменяющегося закона изменения расхода через обратный клапан в интервале времени 0 ≤ t ≤ t_{1 ,} где t₁ — время закрытия, можно записать:

= const = – , (48)

Здесь G₀ — секундный расход жидкости, создаваемый насосом.

ω_д = , (49)

Величина ω_д является частотой основного тона колебаний в трубопроводе со стабилизатором. Уравнение (44) перепишем следующим образом:

+ ω_д 2 P(t) = ω_д 2 L , (50)

Введем переменную: `P(t) = P(t) – L , тогда уравнение (50) примет вид:

+ ω_д 2 `P(t) = 0 , (51)

При начальных условиях:

t = 0, = 0,`P(t) = L

его решение имеет вид:

`P(t) = – L cos(ω_д) t , (52)

P(t) = L (1 – cos(ω_д) t) = 2 L sin 2 (ω_д) . (53)

При отсутствии стабилизатора:

ΔP_пров = 2 L sin 2 (ω₀) = 2 L sin( ). (54)

Если время t₁ ≤ 2τ то величина ГУ:

ΔP = – L . (55)

Коэффициент снижения величины гидроудара при установке СД находится как:

K_сд = = ,(56)

где ΔР и ΔР_cд — величина гидроудара до и после установки СД.

Из выражения (56)можно определить необходи­мую массовую податливость стабилизатора для обес­печения требуемого уровня снижения провала давле­ния в гидросистеме:

= arcsin . (57)

Задаваясь требуемой степенью снижения амплитуды давления гидроудара из зависи­мости (57) можно определить величину ω_д— частоту основного тона колебаний со стабилизатором.

Таким образом, изменяя такие основные конструктивные характеристики стабилизатора давления, как массовая податливость и гидросопротивление отверстий перфорации, можно достигнуть необходимой степени снижения амплитуды давления гидроудара.

Далее (Рис.7) представлены типовые диаграммы динамического давления, иллюстрирующие эффективность работы СД:

Анализ экспериментальных данных позволяет отметить следующее:

— остро выраженные пики свидетельствуют о резонансных явлениях в гидросистеме, т.е. собственные частотны колебаний жидкости в гидросистеме близки к частотам вынужденных силовых воздействий со стороны насосной установки;

— наиболее интенсивные колебания давления наблюдаются на частотах от 2 до 6 Гц в зависимости от режима работы насосной установки;

— после установки стабилизатора амплитуда колебаний давления на выходе уменьшается в 5-8 раз в зависимости от количества одновременно работающих насосов.

Источник