Способы снижения давления при гидравлическом ударе

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

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

Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия

Кран с питьевой водой в каждом доме — это не роскошь, а достижение прогресса, но лишиться такого приятного удобства можно в один миг, если образовался гидроудар в трубопроводе. Гидравлический удар может стать причиной не только отсутствия воды, но и привести к затоплению квартиры.

О том, каким образом возникает такое опасное явление и как его избежать, будет подробно рассказано в данной статье.

Природа гидравлического удара в трубопроводах

Гидроудар — это ударная волна, которая распространяется по поверхности водопровода, а также по элементам арматуры. При повышении давления – положительный, при падении – отрицательный. Проявляется при заполнении пустого водопровода или резком закрытии крана. Разрушительное действие такого явления связано, прежде всего, с невозможностью жидкости сжиматься.

Если воду можно было, например, как газ сжать в несколько раз, то трубы не разрывались бы от резкого увеличения давления. Чрезмерное давление возникает в том случае, когда движение жидкости резко останавливается, но вызвать гидроудар могут и другие явления в системе водоснабжения .

Причины

Наиболее часто гидравлический удар происходит при резком закрытии запорной арматуры. Когда вода течёт по трубам и выливается из крана, то в системе водопровода сохраняется постоянное значение давления, но в момент резкого перекрытия арматуры, это значение может увеличиться в несколько раз, в результате чего, стенки трубы не выдерживают напора и лопаются.

Причиной гидроудара могут также стать:

• Резкое включение или выключение мощного насоса.
• Воздушные пробки имеющиеся в контуре водопровода или отопления.

Включение и отключение насоса может быть спровоцировано нестабильным электроснабжением объекта, на котором находятся мощные насосные станции для перекачки воды. Воздушные пробки также занимают не последнее место в возникновении такого опасного явления, поэтому прежде чем эксплуатировать замкнутые системы с жидкостью, следует убедиться в полном отсутствии воздуха в них.

Последствия

При многократном воздействии высокого давления, которое возникает в результате гидравлического удара, даже очень надёжные системы могут потерять герметичность. Разрыв трубопровода может произойти и от однократного, но сильного гидравлического удара.

В результате такого воздействия водоснабжение объектов, к которым подведена водопроводная труба, полностью прекращается. К сожалению, последствия такого явления не ограничиваются только отсутствием воды в кране.

Если разрыв трубы произошёл в многоквартирном доме, то после разрыва трубы и попадания жидкости в жилое помещение будет повреждено имущество владельцев квартиры, а также соседей этажом ниже.

Если разрывается магистральная труба водопровода, по которой снабжается водой целый район города, то авария уже может расцениваться как ЧП.

В результате такого происшествия жильцы десятков многоквартирных домов останутся не только без питьевой воды, но и без канализации, так как все бачки унитазов запитываются от трубы холодного водоснабжения. Воспользоваться душем, даже при неповреждённом трубопроводе с горячей водой, также вряд ли получится.

Если в результате гидравлического удара повреждается труба с горячей водой, то такое происшествие, кроме материального ущерба, может привести к серьёзным ожогам. Особенно опасна может быть разгерметизация системы отопления, в которой теплоноситель всегда находится под значительным давлением, а температура жидкости составляет более +70 градусов.

Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу, поэтому так важно научиться предотвращать появление резкого усиления давления в трубопроводах.

Способы защиты

Соблюдение правил монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций позволяет свести к минимуму вероятность возникновения такого опасного явления, как гидравлический удар, но полностью исключить его только правильно спроектированными системами не получится. Для избегания такой неприятной ситуации необходим комплексный подход и соблюдение правил безопасности и технических инструкций.

Значительно снизить вероятность возникновения гидравлического удара, можно если следовать следующим правилам при проведении монтажа водопроводов и их эксплуатации.

• При запуске водопровода или отопления в эксплуатацию, запорные элементы арматуры должны открываться очень медленно. Перекрытие подачи жидкости, также должно осуществляться очень плавно. Плавное закрытие и открытие запорной арматуры должно осуществляться не только на промышленных объектах, но и при запуске водоснабжения и отопления в частном доме. Чрезмерное давление при возникновении гидравлического удара способно легко повредить домашние коммуникации, поэтому не стоит пренебрегать правилами технической безопасности, в случае когда вода в частном доме подаётся со значительным давлением.
• Если в системе водопровода или отопления установить автоматические устройства плавного открытия и закрытия запорной арматуры, то можно полностью исключить человеческий фактор при возникновении гидравлического удара. Конечно, при использовании электроники, водопроводные системы становятся зависимыми от электрического тока, но, чтобы полностью исключить вероятность выхода из строя по причине установленных автоматов, необходимо оборудовать такие механизмы резервным источником электроэнергии. Такая подстраховка абсолютно необходима, как на крупном предприятии, так и для нормального функционирования коммуникаций расположенных в частном доме. Автоматической регулировкой рекомендуется оснастить и насосные станции. В этом случае, также можно избежать гидроудара от резкого перепада давления в результате включения или отключения мощного насосного оборудования.
• Применение гидроаккумуляторов и демпферных устройств, также позволяет свести к минимуму последствия резкого увеличения давления в водопроводной сети. Такие устройства обычно состоят из металлического корпуса с расположенной внутри мембраной. При возникновении гидроудара, мембрана перемещается, что позволяет вместить излишек жидкости. Когда угроза разрыва трубопровода
  минует и давление уменьшится мембрана будет возвращена в исходное положение за счёт воздуха расположенного с обратной стороны.
• Для уменьшения давления в водопроводных сетях может быть использован предохранительный клапан, который открывается при достижении жидкости определённого значения. Такие устройства также способны предохранить трубопровод от разрушения, но для организации такого вида защиты, потребуется сделать дополнительную отводку от клапана к канализационной системе
• Для защиты от гидроудара в частном доме или квартире можно использовать очень простой способ, в котором компенсация чрезмерного давления осуществляется за счёт растяжения стенок трубопровода. Совсем необязательно производить монтаж отопления или водоснабжения с применением таких материалов, но участок трубопровода выполненный с использованием термостойкого каучука, способен полностью принять на себя гидроудар в небольшой системе.
• Шунтирование термостата, является эффективной мерой борьбы с гидроударом небольшой силы, поэтому такое «улучшение» автономного отопления может быть произведено только в частной системе отопления. Как правило, достаточно сделать отверстие диаметром 0,5 мм в основном клапане, чтобы при возникновении высокого давления излишек жидкости свободно перемещался в контур с холодной водой.
• Термостат с защитой установленный в систему отопления, также позволяет избежать такого опасного явления, как гидроудар. Принцип работы такого устройства заключается в том, что в основном клапане термостата располагается дополнительный небольшой механизм, который открывается вне зависимости от температуры жидкости. Такой внутренний клапан начнёт пропускать жидкость, когда давление теплоносителя приблизится к максимально допустимому значению, тем самым предохраняя трубы от разрыва.

Как защитить от гидравлического удара коммуникации в квартире

Разгерметизация водопровода в квартире может привести к очень серьёзным последствиям, особенно в том случае, когда вследствие прорыва, был причинён ущерб соседям, квартира которых расположена этажом ниже, где произошла авария.

На участке водопровода находящегося в квартире, могут быть установлены старые металлические трубы, которые со временем ржавеют и могут разрушаться в процессе эксплуатации, не говоря уже об убийственной» силе гидроудара.

ВАЖНО! Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения протечки, рекомендуется установить краны вентильного типа, которые в силу конструктивной особенности не способны мгновенно перекрыть воду. Шаровые рычажные краны, которые так удобны не только на кухне, но и душе, могут стать причиной серьёзной аварии.

Несмотря на то что гидроаккумуляторы наиболее часто используются в частных домах, водоснабжение которых осуществляется посредством насоса находящегося в глубокой скважине, такие изделия помогут защитить и водопровод находящийся в квартире от гидроудара.

Кроме этого, накопленная жидкость в таких устройствах, можно будет использовать в случае временного отключения водоснабжения. Защитить водопровода от гидроудара можно также с помощью специальных гасителей, которые устанавливаются в трубу холодного или горячего водоснабжения.

Самовольно устанавливать какие-либо приборы в системе централизованного отопления категорически запрещается. Чтобы защитить жилплощадь от возникновения гидроудара, следует допустить специалиста управляющей компании во время тестового запуска отопления.

Если все воздушные пробки будут вовремя удалены из радиаторов и трубопроводов, то можно будет не опасаться гидроудара, по причине соблюдения всех необходимых мер для предотвращения такого явления в котельной и на пути доставки теплоносителя в квартиру.

Чтобы уменьшить риск разгерметизации систем горячего водоснабжения, рекомендуется также заменить краны на винтовые конструкции, а трубопровод сделать из современных материалов, которые позволяют максимально эффективно справляться с избыточным давлением в трубопроводе.

Несколько слов о теории гидроудара

Возникновение гидравлического удара возможно только по той причине, что жидкость не сжимается настолько, чтобы произошла компенсация резкого скачка давления. При увеличении давления в одном месте его сила распространяется на весь участок трубопровода, и найдя «слабое звено» приводит к деформации либо разрушению материала.

Такой эффект возникающий в трубопроводах высокого давления был впервые обнаружен российским учёным Н. Е. Жуковским в конце XIX века. Жуковским также была выведена формула, по которой можно рассчитать минимальное время необходимое для закрытия крана, чтобы избежать опасного повышения давления в замкнутой системе водопровода.

Источник