Гидравлический удар в трубопроводах

Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давленияв какой-либо системе, заполненнойжидкостью, вызванный крайне быстрым изменениемскоростипотока этой жидкости за очень малый промежуток времени.

Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещинвтрубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементытрубопровода. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаютсяобратные клапаны.

Явление гидравлического удара открыл в 1897-1899г.Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с еготеориейпо формуле:,

где D_p — увеличение давления в Н/м²,ρ — плотностьжидкости вкг/м³,v₀ и v₁ — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки(запорного клапана) вм/с,с — скорость распространения ударной волнывдоль трубопровода.

Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформациистенок трубопровода, определяемоймодулем упругостиматериалаE, из которого он выполнен, а также от диаметратрубопровода.

Следовательно, гидравлический удар не может возникнуть в трубопроводе, содержащем газ, так как газ легко сжимаем.

Зависимость между скоростью ударной волны c, её длиной и временем распространения (L и τ соответственно) выражается следующей формулой:

Виды гидравлических ударов

В зависимости от времени распространения ударной волны τ и времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры)t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:

• Полный (прямой) гидравлический удар, если t < τ

• Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t > τ

При полном гидроударе фронтвозникшей ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в трубопроводе. Его дальнейшее направление движения зависит от элементов трубопровода, расположенных до закрытой задвижки. Возможно и повторное неоднократное прохождения фронта волны в прямом и обратном направлениях.

При неполном гидроударе фронт ударной волны не только меняет направление своего движения на противоположное, но и частично проходит далее сквозь не до конца закрытую задвижку.

Расчет гидравлического удара

Прямой гидравлический удар бывает тогда когда время закрытия задвижки t3 меньше фазы удара T, определяемой по формуле:

Здесь l – длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, Cu – скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:

где E – модуль объемной упругости жидкости, p – плотность жидкости, – скорость распространения звука в жидкости,Etr – модуль упругости материала стенок трубы, D – диаметр трубы, h – толщина стенок трубы.

Для воды отношение

зависит от материала труб и может быть принято; для стальных – 0.01; чугунных – 0.02; ж/б – 0.1-0.14; асбестоцементных – 0.11; полиэтиленовых – 1-1.45

Коэффициент k для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б

,

коэффициент армирования кольцевой арматурой (f – площадь сечения кольцевой арматуры на 1м длины стенки трубы). Обычно a = 0.015 − 0.05 Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле:

P = pCuVo

где Vo – скорость движения воды в трубопроводе до закрытия задвижки.

Если время закрытия задвижки больше фазы удара (t3>Т), такой удар называется непрямым. В этом случае дополнительное давление может быть определено по формуле:

Результат действия удара выражают также величиной повышения напора H, которая равна:

при прямом ударе

при непрямом

Способы предотвращения возникновения гидравлических ударов

• Исходя из формулы Жуковского (определяющей увеличение давления при гидроударе) и величин, от которых зависит скорость распространения ударной волны, для ослабления силы этого явления или его полного предотвращения можно уменьшить скорость движения жидкости в трубопроводе, увеличив его диаметр.

• Для ослабления силы этого явления следует увеличивать время закрытия затвора

• Установка демпфирующих устройств

Пример

Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напороми установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрытазадвижкаили закрытклапан.

Источник: StudFiles.net

Возможные причины возникновения

Существует несколько основных причин гидроудара в трубопроводе:

1. В процессе заполнения системы водой, находящийся в ней воздух обычно спускают через открытый вентиль. Если сечение вентиля меньше, чем у основной трубы, его пропускная способность не позволяет справиться сразу со всем потоком воды. В таком случае создается повышенное давление в месте задержки, и возникает гидроудар.
2. В системах, где вода циркулирует с постоянным давлением, при некоторых обстоятельствах могут перекрывать запорные устройства. Тогда несжимаемая до этого жидкость начинает оказывать повышенное давление на стенки трубы, вследствие чего происходит гидроудар.

Различают два типа гидроудара в трубопроводе: отрицательный – происходит снижение напора из-за выключения насоса или открытия задвижки; положительный – давление в системе резко поднимается в результате перекрытия задвижек или включения подкачки.

Стоит отметить, что наиболее опасным для безопасной эксплуатации системы отопления и водоснабжения является положительный гидравлический удар в трубопроводах. Из-за резкого подъема давления, запорные арматурные элементы, со временем, теряют свою непроницаемость, на них могут образовываться трещины, расколы, так что может пострадать вся система в целом.

Для того чтобы рассчитать мощность гидроудара в трубах, теоретиком Н. Е. Жуковским был разработан целый ряд формул. Он не только подробно расписал, что такое гидроудар в трубопроводе, но и определил, как можно вычислить степень роста давления в системе в той или иной ситуации.

Какие последствия гидроудара могут быть для системы отопления

Довольно часто после запуска системы отопления с приходом холодов в трубах можно услышать периодические щелчки и стук. Обратите внимание, что если подобные явления возникают слишком часто, это может привести к необходимости проведения срочного ремонта системы отопления. Связана такая необходимость может быть с тем, что гидроудар в трубах иногда приводит к прорыву теплоносителя, неисправности отопительного оборудования или повреждениям расширительного бачка.

Поскольку самостоятельно определить возможные результаты воздействия ударной волны на систему довольно сложно, обычно для этих целей приглашают специалистов, чьи услуги стоят достаточно дорого. Поэтому настоятельно рекомендуем перед началом отопительного сезона провести диагностику отопительного контура и выявить все возможные недостатки.

Наиболее распространенной причиной гидроударов в отопительном контуре является различное сечение используемых труб. Поскольку на участке трубопровода с меньшим диаметром создается постоянное повышенное трение, оно мешает теплоносителю свободно двигаться по системе. Следовательно, в трубах постоянно слышится гудение, шипение или щелчки из-за повышенного давления.

Если в вашей системе отопления присутствует такая проблема, ее придется переделывать. В противном случае, по прошествии времени неприятности с ней возникнут снова.

Способы предотвращения гидроударов

Сразу после проведения установки или капитального ремонта системы отопления следует позаботиться о недопущении гидроударов. Добиться этого можно с помощью корректной настройки работы контура. Если все сделать правильно, вы минимизируете последствия ошибок монтажа или планировки всей системы.

Если вы планируете провести обновление и усовершенствование отопления в доме, для этих целей стоит выбирать прочные и износостойкие комплектующие и расходные материалы. При этом нужно обращать внимание на эксплуатационные характеристики деталей.

Чтобы не допустить резкого роста давления в трубах, следует дополнить отопительный контур компенсаторными устройствами – гидроаккумуляторами. Они поглощают излишний объем воды, предотвращая образование пробок и гидроударов.

Кроме того, удобным устройством, контролирующим уровень давления внутри системы, является электрический насос. Он позволяет подавать воду в трубопровод постепенно, регулируя напор в случае малейших колебаний давления.

Итак, мы рассказали об основных причинах и последствиях гидравлических ударов в трубопроводах. Надеемся, что данная информация позволит вам избежать возможных проблем и материальных затрат.

Источник: trubaspec.com

Гидравлический удар

Гидравлическим ударом (гидроударом) называется резкое повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся жидкости.
Скачок давления вызывает внезапная преграда на пути потока жидкости, и последствия этого явления зависят от энергии, которой обладает поток. Несмотря на то, что по представлению обывателя жидкостью невозможно "ударить", подобное явление может нанести настолько внушительный погром в русле (например, в трубопроводе), которого не всегда удается достигнуть увесистой кувалдой.

Гидравлический удар может иметь место при быстром закрывании различных запорных устройств (задвижек, кранов), при внезапной остановке насоса перекачивающего жидкость, и т.д.
Подобное нередко приводит к разрушению трубопроводов, арматуры и гидромашин, поскольку массивы подвижной жидкости, перемещающиеся в напорном режиме, могут нести в себе значительную кинетическую энергию.

Чтобы понять суть процессов, сопровождающих явление гидравлического удара, рассмотрим трубопровод, по которому движется жидкость со скоростью v (рис.1). При этом кинетическая энергия потока прямо пропорциональна квадрату его скорости и массе перемещающейся по трубопроводу жидкости. Если принять условие неразрывности потока, то в длинных трубопроводах массивы движущейся жидкости могут достигать значительной величины, что в совокупности с высокой скоростью придает жидкости колоссальную энергию движения (кинетическую энергию).

Если быстро закрыть установленный на трубопроводе кран, то слой жидкости, находящийся непосредственно у крана, останавливается. При этом кинетическая энергия частиц жидкости превращается в потенциальную и давление быстро возрастает. В результате происходят сжатие ближнего к крану слоя жидкости и деформация трубопровода.
В следующий момент остановится соседний слой, затем последующий и так по всей длине трубопровода.
Таким образом, жидкость в трубе останавливается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени, который определяется соотношением:

Δt = L/C,

где L – длина трубопровода, C – скорость распространения ударной волны.

В момент остановки последнего слоя жидкости (в точке А) или в момент достижения ударной волны входного сечения трубопровода вся жидкость в трубопроводе окажется сжатой, скорости частиц жидкости равны нулю, а давление имеет максимальное значение. При этом через время Δt_в точке А давление жидкости слева меньше, чем справа.
В этих условиях равновесие жидкости нарушается, и она начинает перемещаться из трубопровода в резервуар, при этом давление в трубопроводе понижается.
Через время Δt давление в трубопроводе станет меньше, чем было до закрытия крана, и жидкость из резервуара снова начнет перемещаться в трубопровод. Вследствие действия внутренних сопротивлений колебания давления в трубопроводе будут затухающими.
Давление жидкости при гидравлическом ударе определяется по формуле Н.Е. Жуковского:

Δp = Cρv,        (1)

где ρ – плотность жидкости.
Для чугунных и стальных водопроводных труб скорость распространения ударной волны принимается 1000…1400 м/с.

Из формулы Жуковского следует, что при скорости воды (имеющей плотность ρ ≈ 1000 кг/м³) в трубе v = 1 м/с, в момент резкого перекрытия трубы давление в ней возрастет на величину, равную 100…140 кПа.
Гидравлический удар особенно опасен для длинных трубопроводов, в которых движутся значительные массы жидкости с большими скоростями, и внезапное уменьшение скорости (или резкая остановка) этой массы приводит к деформации трубопроводов и их разрушению.

Для предотвращения разрушения гидравлических систем применяются различные конструктивные устройства. Основными из них являются винтовые запорные устройства, предохранительные клапаны и воздушные колпаки (рис. 2).

а – винтовые запорные устройства; б – предохранительные клапаны; в – воздушные колпаки

Винтовые запорные устройства просты, широко распространены для защиты трубопроводов от гидравлических ударов и обеспечивают достаточно продолжительное время перекрытия проходного сечения трубопровода.
Если необходимо быстро перекрыть трубопровод, применяются специальные устройства – предохранительные клапаны, воздушные колпаки и др.

***

Использование гидравлического удара в технике

Резкое повышение давления при гидравлическом ударе часто бывает весьма опасно. Однако человеческая мысль нашла применение и этому явлению. В 1796 г. была изобретена водоподъемная машина – гидравлический таран.
Гидравлический таран – весьма простое устройство, позволяющее подавать воду с некоторого горизонтального уровня h₁на более высокую отметку H₂, используя эффект гидравлического удара.

Устройство состоит (рис. 3) из: рабочей камеры 1 с двумя клапанами – ударным 8 и нагнетательным 2, воздушного колпака 5, питательной трубы 3, соединяющей таран с водоемом 4, нагнетательной трубы 6, соединяющей таран с бассейном 7, расположенным выше водоема.

Принцип работы гидравлического тарана

Для упрощения будем считать, что в начальный момент оба клапана тарана закрыты, избыточное давление в воздушном колпаке p_r = ρgH, вода в водоеме неподвижна.

Рис. 3. Схема гидравлического тарана

Для запуска гидротарана необходимо открыть ударный клапан 8. Вода начнет вытекать через этот клапан, а скорость течения воды в питательной трубе 3 будет постепенно увеличиваться от нуля до некоторой предельной величины v_пр, которая должна соответствовать напору H и гидравлическим сопротивлениям в системе питательная труба – ударный клапан.

Одновременно со скоростным напором v²/2g будет расти и гидродинамическое давление, действующее на ударный клапан снизу. Когда значение этого давления создаст усилие, превышающее вес клапана, последний закроется и произойдет гидравлический удар.
Давление в питательной трубе резко возрастет, в результате откроется нагнетательный клапан 2.
Вода начнет поступать в воздушный колпак 5, сжимая в нем воздух, а из воздушного колпака по нагнетательному трубопроводу – в приемный бассейн.

В момент закрытия ударного клапана в питательной трубе 3 начнется волновой процесс, который приведет к уменьшению скорости и понижению давления в этой трубе. Поэтому спустя некоторое время после закрытия ударного клапана давление в питательной трубе уменьшится настолько, что нагнетательный клапан 2 закроется, а ударный клапан 8 автоматически откроется, и начнется новый цикл.

Таран работает автоматически, подавая воду порциями, а воздушный колпак сглаживает пульсацию воды в нагнетательной трубе, обеспечивая сравнительно равномерную подачу Q₂ ее в верхний бассейн 7. Однако большая часть воды Q₁, поступающей из водоема Q = Q₁ + Q₂, сбрасывается через ударный клапан.
Отметим, что:
Q₁ – расход воды через ударный клапан 8;
Q₂ – расход воды через нагнетательную трубу 6;
Q = Q₁ + Q₂ – расход воды через питательную трубу 3.

Запишем выражения для следующих мощностей (без учета потерь в соответствующих трубопроводах):

мощность, затрачиваемая на приведение тарана в действие:
          N_затр = ρgQH₁;

полезная мощность тарана:
          N_пол = ρgQ₂H₂,
где H₂ – полезная высота нагнетания.

Выразим КПД гидравлического тарана. Очевидно, что

h = N_пол / N_затр = Q₂H₂ / QH₁,       (2)

где Q = Q₁ + Q₂.

Проанализируем выражение (2).
Для данной конструкции тарана величины Q₁ и Q₂ будут определенными и постоянными, т.е.
Q₂ = соnst    и   Q₁ = const.
Таким образом, формулу (2) можно представить в виде:

h= CH₂/H₁.

Можно сделать вывод, что значения КПД тарана зависят от отношения H₂/H₁.
При H₂ = 0, h = 0;    при H₁ → ∞, h → 0;    при H₂ = H₁, h = С = Q₂/Q.
Из анализа полученных результатов следует, что максимальное значение КПД тарана можно определить по формуле:

h_max = С = Q₂/Q = Q₂/(Q₁ + Q₂).

***

Истечение жидкости из отверстий в тонкой стенке

Источник: k-a-t.ru