Steklotorgnn.ru

Строительный журнал
17 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Гидравлический удар в трубопроводах

Как посчитать величину гидравлического удара?

Гидравлический удар – явление, связанное с резким изменением (повышением или понижением) давления в напорном трубопроводе при быстром изменении (торможении или ускорении) скорости движения жидкости в нем.

При торможении потока – положительный гидроудар.

При ускорении потока – отрицательный гидроудар.

К возникновению гидравлического удара могут привести мгновенное закрытие или открытие запорных устройств, внезапная остановка и пуск насоса и т.д.

На рисунке справа представлен график возрастания давления при гидравлическом ударе в трубопроводе при резком закрытии задвижки. Давление указано в кгс/см 2 (килограмм-сила на сантиметр квадратный, 1 кгс/см 2 = 10 м.вод.ст ([метры водяного столба]). На рисунке видно, что давление перед задвижкой составляло 2,5 кгс/см 2 , и достигло 11 кгс/см 2 при гидроударе, то есть выросло более чем в четыре раза.

Результат гидравлического удара

При повышении давления в трубопроводе выше критического (давления, на которое рассчитан материал трубопровода или арматуры) происходит повреждение наиболее уязвимого элемента трубопроводной системы

На рисунках ниже представлены фотографии разрыва трубопроводов в результате гидроудара, а также повреждения трубопроводной арматуры.

Прорыв трубопроводов в результате гидравлического удара Повреждение арматуры в результате гидроудара
А) Разрыв фланцевого соединения; Б) Разрыв стенки задвижки; В) и Г) Разрушение обратного клапана

Описание явления гидроудара

Рассмотрим явление гидравлического удара на примере простого трубопровода, соединенного с резервуаром. По трубопроводу протекает вода со скоростью υ. На расстоянии L от входного сечения находится задвижка, которую можно мгновенно закрывать и открывать.

При мгновенном закрытии задвижки мгновенно остановятся те частицы жидкости, которые соприкасаются с поверхностью задвижки. Затем остановится ближайший к ним слой жидкости. Произойдет мгновенное сжатие этого слоя и, как следствие, повышение давления, которое называется ударным давлением ∆р.

В результате сжатия частицы жидкости в трубопроводе будут обладать большей энергией, чем частицы жидкости, находящиеся в резервуаре, и начнут перемещаться в сторону резервуара. Затем под действием давления жидкости в резервуаре начнется движение жидкости от резервуара к задвижке, т.е. пройдет новая волна сжатия. Таким образом, жидкость в трубопроводе будет совершать затухающее (вследствие трения, упругости стенок трубопровода и т. д.) колебательное движение.

Предотвращение гидроудара

Предотвратить гидравлический удар можно в первую очередь за счет медленного открытия и закрытия запорной арматуры. Это актуально как для больших трубопроводов (при диаметре более 400 мм обязательной является установка электропривода для открытия задвижки), так и для трубопроводов малых диаметров. Т.е. и смеситель у нас дома открывать и закрывать необходимо медленно.

Расчет величины гидравлического удара

Повышение давления, Па, при гидравлическом ударе (ударное давление) определяется по формуле:

Для конкретной жидкости величина скорости распространения ударной волны зависит от внутреннего диаметра трубы, толщины ее стенок и коэффициента упругости материала трубы

Скорость распространения ударной волны может быть найдена по формуле:

Пример расчета величины гидравлического удара

ЗАДАЧА: Определить величину давления на единицу площади внутренней поверхности чугунной водопроводной трубы диаметром 100 мм при быстром закрытии задвижки. Проанализировать, выдержит ли труба этот гидроудар. Скорость течения воды в трубе 1 м/с, толщина стенок трубы 8,5 мм. Гидростатическое давление в трубе, когда задвижка открыта, равно 4 атм (напор перед задвижкой – 40 м).

  1. Найдем скорость распространения ударной волны:

2. Определим повышение давления при гидравлическом ударе

3. Определим напряжение, испытываемое стенками трубы:

3.1 От гидростатического давления до удара

3.2 Непосредственно от самого гидравлического удара

3.3 Полное напряжение, возникающее в материале при гидравлическом ударе:

Это меньше, чем обычно допускаемое для чугуна напряжение в 250 кгс/см 2 . Гидравлический удар при такой скорости течения жидкости (1 м/с) не угрожает целостности трубы.

Историческая справка: изучение гидравлического удара

Николай Егорович Жуковский по инициативе руководства московского водопровода, возглавил проведение в 1897–1898 гг. большого комплекса научных исследований вопроса гидравлического удара на базе Алексеевской водокачки.

Исследования проводились на чугунных трубах диаметром 2, 4 и 6 дюймов (50, 100 и 150 мм), проложенных по поверхности земли на территории водокачки. Они соединялись с трубой главного водовода диаметром 24 дюйма (600 мм), транспортирующего воду в Москву. При этом с помощью манометров и самописцев изучались давление и гидродинамика в трубах, распределение давления вдоль труб во время быстрого перекрывания трубопроводов заслонкой в конце. Выяснилось, что явление гидравлического удара объясняется возникновением и распространением вдоль труб ударных волн, вызванных сжатием воды и деформацией стенок труб. Благодаря исследованиям, выполненным инженерами Алексеевской водокачки: К.П. Карельских, В.В. Ольденбергером и И.Н. Березовским под руководством Н.Е. Жуковского, удалось создать довольно четкую теорию гидравлического удара и найти средства борьбы с этим явлением (использование воздушных колпаков и пружинных клапанов-гасителей давления).

Что такое гидроудар и как он может навредить системам водоснабжения и отопления

Одной из наиболее распространенных причин повреждения трубопроводов в системах отопления и водоснабжения является гидроудар. Гидроударом нарывается резкое увеличение давления воды в трубопроводах и сосудах. Гидроудар характеризуется появлением стуков, щелчков в трубопроводах, вибрацией трубопроводов. Сильные гидроудары могут привести к разрушению трубопроводов и сосудов.

Классификация и причины

Гидроудары подразделяются на 2 категории: положительные и отрицательные. Отрицательные образуются в результате поступления воды с высоким давлением в участок трубопровода с пониженным давлением. Положительные гидроудары появляются из-за быстрого увеличения скорости движения или резкого ее останова. Они представляют большую угрозу для трубопроводов по сравнению с отрицательными.

Причины возникновения положительных гидроударов:

  • резкое открытие или закрытие трубопроводной арматуры;
  • воздушные пробки;
  • включение или отключение насосов (в том числе, из-за перепадов напряжения в сети);
  • наличие в системе труб разного диаметра.

Вероятность возникновения гидроударов прямо пропорциональна длине участка трубопровода от одной задвижки (или вентиля) до другой. Это объясняется тем, что, чем больший объем жидкости может собраться перед запорной арматурой, тем более вероятно возникновение гидроудара.

Наличие в системе шар-кранов (или пробковых кранов) также способствует возникновению гидравлических ударов. Такой вид арматуры можно открыть в течение короткого промежутка времени. В результате в участок трубопровода, находящийся за шар-краном, быстро поступает большое количество жидкости. Причиной появления гидроударов также может быть соприкосновение жидкостей с разной температурой.

Последствия и профилактика

Гидравлические удары могут являться причиной нарушения герметичности и разрушения трубопроводов и сосудов системы отопления и водоснабжения. Также может пострадать имущество, находящееся рядом с трубопроводами. Особую опасность представляют гидроудары в системах горячего водоснабжения и отопления (из-за высокой температуры воды).

В результате гидроударов может произойти затопление помещений, разрушение конструкций зданий и сооружений (особенно в холодное время года). Может произойти прекращения электроснабжение и, как следствие, выйти из строя насосное оборудование (а это, в свою очередь, повлечет за собой прекращение подачи воды). Гидроудары даже могут стать причиной пожаров (из-за короткого замыкания в системе электроснабжения).

Для предотвращения возникновения гидравлических гидроударов необходимо избегать резкого поступления жидкости с большим давлением в участок трубопровода с меньшим давлением. Также нужно избегать быстрого смешивания жидкостей с разной температурой в системах водоснабжения и отопления. Для этого необходимо открывать водопроводную арматуру плавно, чтобы вода в участок трубопровода, находящийся за задвижкой или вентилем, поступала медленно.

2 причины и методы борьбы с гидроударом в системе водоснабжения

Трубопровод в случае со снабжение водопровода, и в качестве отопительного элемента дома или квартиры — прочная конструкция, способная выдерживать большие нагрузки и работать десятки лет. Касательно давления, металлические, пластиковые и полипропиленовые трубопроводы спокойно выдерживают внутреннее давление в 4 атмосферы, и даже если это значение по каким-либо причинам кратковременно превышается на 1-2 единицы, ничего страшного не случится.

  • Природа гидроудара
  • Возможные причины
  • Неприятные последствия и методы защиты от гидроудара

Однако существует такое понятие, как гидравлический удар в трубопроводах, при котором внутреннее давление резко возрастает до 10-20 атмосфер и появляется серьезный риск прорыва труб горячего или холодного снабжения.

Читать еще:  Смеситель из полипропилена своими руками

Природа гидроудара

Охарактеризовать или описать гидроудар в системе водоснабжения несложно, рабочее воображение и минимальный багаж знаний по физики помогут в этом. Представьте, как по трубопроводу течет вода, она движется с определенной скоростью и оказывает на стенки труб давление в 2-3 атмосферы.

  • Завоздушенность — воздушная пробка, возникающая вследствие неправильной эксплуатации водопровода, его неграмотной конструкции и т.д. (все знают, что нужно открывать клапаны в системах водопровода, чтобы спускать воздух перед подачей воды, обычно речь идет о системах отопления).
  • Запорная арматура — элемент крана, вентильного или шарового, перекрывающий трубу с целью остановки воды и препятствования ее дальнейшему течению по системе водоснабжения. Каждая система теплоснабжения и другие водопроводы оснащены такими кранами на определенных участках.

Сталкиваясь с подобным препятствием, водяной поток не может мгновенно снизить свою скорость, а это значит, что при той же скорости на определенном участке возникает попытка увеличения объема жидкости, то есть резкий скачок давления. Труба в такой ситуации испытывается на прочность колоссальным поднятием атмосфер и может не выдержать.

Отсюда вытекает вывод, что гидроудар в трубопроводе — частая причина его разрушения и чем дольше служит система водоснабжения, тем уязвимее она становится, особенно в случае с металлическими трубами, подверженными коррозии.

Возможные причины

Проблема состоит в том, что причин этому феномену может быть много, но распространенными считаются три:

  1. Резкое включение или остановка насоса, работающего на высоких оборотах, а также его поломка или экстренное отключение;
  2. Экстренная остановка жидкости, текущей по трубам, путем перекрытия запорной арматуры;
  3. Препятствие на пути потока жидкости в идее воздушной пробки.

Случай с работой или неисправностями насоса — наименее вероятным из этого списка. Прорыв канализации или водопровода из-за гидроудара по этой причине происходит реже других пунктов. Объясняется это тем, что у многих насос не установлен вовсе, а если он все же имеется, такое оборудования оснащается защитными системами.

Гидроудар из-за образования в системах отопления и подачи воды воздушной пробки более частое явление. Этот случай опасен тем, что при соприкосновении потока воды с завоздушенностью, скорость жидкости не снижается, а давлению и воздуху в закрытой среде некуда деться, что грозит сильным повышением атмосферного давления. Если 1–2 раза трубопровод выдержит, частые инциденты приведут к тотальным последствиям и прорыв труб неизбежен.

Наиболее частой причиной гидроудара по статистике становится именно резкое закрытие запорной арматуры. Этот фактор сильно усугубился, когда широкое распространение получил шаровый кран. Дело в том, что при вентильном кране, поток воды перекрывался постепенно, путем поэтапного закручивания вентиля и давление в трубах оставалось в допустимых пределах. Но технология шарового крана действует в разы быстрее и движущаяся жидкость внутри трубопроводов врезается в препятствие резко, не сбрасывая скорость, что приводит к сильному износу оборудования из-за повышающихся нагрузок и повышает риск гидроударов. В таких ситуациях даже компенсаторы для трубопроводов спасают не всегда.

Гидравлический удар

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 P-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.

Гидроудар в системе водоснабжения: отчего возникает и как избежать

Самая частая причина прорыва труб – гидроудар

Если вы часто слышите какие-то щелчки и удары в водопроводных трубах, это, скорее всего, возникающие при закрытии кранов гидроудары в системе водоснабжения. Явление очень распространенное, и часто приводящее к частичному или полному выходу системы из строя.

Остаться на какое-то время без воды – это ещё не самая большая проблема. Хуже, если прорыв случается в отсутствие хозяев, вызывая потоп в вашей, и нижерасположенных квартирах. Поэтому знать, почему возникает гидроудар, что это такое и как его предотвратить, должен каждый собственник жилья.

Природа возникновения гидроудара

Для начала, давайте разберемся, что такое гидравлический удар. Все просто: это резкий скачок давления воды в трубах в ту или иную сторону.

  • Когда давление резко повышается при включении насоса или перекрытии крана, сначала возникает положительный гидроудар, так как вода по инерции продолжает течь с прежней скоростью, но встречает на своем пути внезапно возникшее препятствие. При этом в области непосредственно около препятствия (например, запорной арматуры (см. Арматура для водоснабжения: виды, назначение, нюансы подбора)), образуется избыточное давление на стенки трубы. Воде деваться некуда, сжимается она плохо, поэтому стенки трубы растягиваются.

Расширение трубы при гидроударе

  • Столкнувшись с преградой, водяной поток отбрасывается назад и сталкивается с волной, все ещё текущей навстречу. Опять-таки, при этом оказывается давление на стенки герметичного трубопровода.
  • При резком оттоке водяной массы от преграды, рядом с ней образуется область пониженного давления, в которой стенки трубы теперь уже сжимаются. Это отрицательный гидроудар.

Движение потока в разных условиях

Ударная волна затихает не сразу, она накатывает и отступает несколько раз с уменьшающейся силой и амплитудой. Все это происходит за доли секунды, в течение которых трубы испытывают попеременно то положительную, то отрицательную нагрузку.

Есть и другие причины, вызывающие гидроудар. Это воздушные пробки в трубопроводе, резкие повороты или сопряжения труб разных диаметров, резкие включения насоса. Любая преграда на пути скоростного потока жидкости, изменяет её объем и, как следствие – давление.

Последствия и способы предотвращения гидроударов

Теперь давайте посмотрим, к чему могут привести частые гидравлические удары в домашней системе водопровода, как определить, что они есть, и как их устранить.

К чему может привести резкое повышение давления в трубах

Начнем с того, что первым признаком возникновения гидроударов является шум в системе: стук, щелчки, глухие удары. Определить их можно и по визуальным признакам. Это, в первую очередь, текущие краны и смесители, а также обжимные фитинги-соединители с резиновыми прокладками.

Читать еще:  Водопровод в загородном доме

Когда на водоснабжение дома гидроудары воздействуют с достаточной силой, эти прокладки и уплотнители выдавливаются первыми. Герметичность системы нарушается.

Для справки. Скачки давления могут вывести из строя и счетчики воды, манометры и другие контрольно-измерительные приборы.

Но самое неприятное — это разрыв трубопровода. Слабые толчки ему не страшны, а вот регулярное воздействие мощных ударов, может привести к разгерметизации даже нового водопровода.

Одним словом, подобные явления серьезно влияют на целостность трубопроводов и срок их безаварийной службы. Подчас мы своими руками создаем себе проблемы, доверяя монтаж водопровода неквалифицированным специалистам, или занимаясь им самостоятельно без знаний и опыта.

Обратите внимание! Результатом могут стать затопление квартиры, порча мебели и бытовой техники, серьезные затраты на восстановление системы водоснабжения. А иногда и серьезные травмы и ожоги, если происходит прорыв трубы отопления или подачи горячей воды.

Что делать, чтобы исключить гидроудары и их последствия

Защита от гидроудара в системе водоснабжения квартиры, может производиться разными способами. Но первое, что нужно сделать, это провести ревизию всей системы на предмет обнаружения протечек, слабых мест и вообще — возраста и пригодности трубопровода к эксплуатации.

Старые трубы лучше полностью заменить на новые пластиковые, со сварными соединениями. Это самый надежный и долговечный вариант.

Совет. Если смонтировать систему из труб большего диаметра, чем прежде, это значительно ослабит силу гидроударов за счет снижения скорости потока.

Надежность системы зависит от качества материалов и монтажа

Теперь предлагаем изучить несколько способов, как убрать это явление или ослабить его воздействие на вашу водопроводную систему. Одни из них пригодятся в квартирах, другие в загородных домах с автономным снабжением. Но большинство – универсальны.

  • Замена кранов. Большинство смесителей в наших домах имеют шаровую конструкцию, которая позволяет перекрывать воду одним движением. Это очень удобно для потребителя, но не очень хорошо для системы, потому что именно резкое возникновение препятствия на пути потока приводит к скачку давления. Если заменить шаровые краны вентильными, давление в трубопроводе при их закрытии будет меняться постепенно, и более растянуто во времени.

Смеситель вентильного типа

  • Установка амортизаторов. Это может быть специальная резиновая вибровставка, либо эластичный шланг из пластика или каучука, врезанный в трубопровод на одном из участков. При возникновении ударной волны, амортизаторы растягиваются или сжимаются в зависимости от того, повысилось давление в системе или понизилось, и моментально гасят её. Их эластичные стенки при этом не деформируются — в отличие от жестких стенок труб.

Эластичный участок трубопровода

Специальная резиновая вибровставка

  • Установка компенсаторов. Это вкручиваемые в трубопровод пружинные детали, принимающие избыточное давление на себя, и уменьшающие вибрацию и шум. Расположенная внутри воздушной камеры стальная пружина, соединена с пластиковым диском. Когда давление в трубе повышается, диск давит на пружину, заставляя её сжиматься и освобождать место для погашения ударной волны.

На устройстве таких компенсаторов и правилах их монтажа, стоит остановиться подробнее.

На следующей картинке можно увидеть устройство детали в разрезе, где:

  • 1 – крышка корпуса;
  • 2 – пружина;
  • 3 – уплотнительное кольцо;
  • 4 – пластиковый диск;
  • 5 – нижняя часть корпуса;
  • 6 – зажимное кольцо;
  • 7 – уплотнение.

На приведенных выше схемах, показаны примеры правильной установки компенсаторов. Они могут монтироваться горизонтально или вертикально, на коллекторах холодной и горячей воды, либо на любом участке трубопровода, ведущего к конечной точке потребления воды.

Главное – не допускать застоя воды у входа в компенсатор, иначе в системе могут начать размножаться бактерии. По этой причине, инструкция не допускает его установку в верхней части стояка.

Такой способ монтажа недопустим

Что касается технических характеристик, то у данного конкретного устройства они следующие:

Номинальное давление10 бар
Максимальное давление50 бар
Размер присоединения1/2″ (16 мм)
Максимальная температура100 0 С

Это те параметры, по которым подбирается устройство. Они могут отличаться.

Если ваше жилище снабжается водой из автономного источника с помощью насосного оборудования, для предотвращения гидравлических ударов можно использовать следующие методы:

  • Установка гидроаккумулятора (см. Гидроаккумуляторы для водоснабжения: обзор разновидностей, нюансы подбора и настройки). Он входит в состав насосных станций и представляет собой бак с резиновой мембраной, делящей его на две камеры – воздушную и водяную. При гидроударе избыток воды будет сбрасываться в этот бак, пока давление в системе не нормализуется.

  • Использование насоса с частотным преобразователем, автоматически регулирующим его работу и обеспечивающим плавный пуск и остановку. При этом резкое повышение давления, которое и приводит к гидроудару, исключается.

Насос с частотным преобразователем

Это самые распространенные методы, позволяющие надежно защитить внутридомовую систему водоснабжения от деформации и разрушения.

Заключение

Согласно статистике, больше половины аварий на трубопроводах возникает не из-за коррозии или усталости материалов. Их причиной становятся гидроудары в системе водоснабжения. Но, как вы уже убедились, их вполне можно избежать, если сразу монтировать систему по всем правилам, и оснащать её специальными устройствами, гасящими ударную волну.

Что может произойти, если этого не сделать, смотрите на видео в этой статье.

Гидравлический удар в трубопроводах

Гидравлическим ударом в трубах называется резкое увеличение давления при очень быстром (практически мгновенном) уменьшении скорости движения жидкости (например, при очень быстром закрытии пробкового крана). Всестороннее изучение гидравлического удара началось в связи с частыми авариями на новых линиях Московского водопровода, построенных в конце XIX века. Причины аварии исследовал выдающийся русский ученый Н.Е. Жуковский, которой впервые разработал теорию гидроудара.

Основная схема физического процесса явления гидравлического удара по теории Н.Е. Жуковского заключается в следующем (рисунок 3.36).

Рисунок 3.36 — Схема физического процесса явления гидравлического удара

Будем считать жидкость не вязкой, а сжимаемой и подчиняю­щейся закону Гука, а трубопровод абсолютно жестким. Физический процесс, протекающий при гидравлическом ударе, представляет собой четыре фазы преобразования энергии движущейся жидкости.

Первая фаза. При внезапном и полном закрытии задвижки в конце трубопровода вся движущаяся в нем жидкость должна ос­тановиться. Реальная жидкость, обладающая свойством упругости, останавливается постепенно, сжимаясь от слоя к слою, начиная от конца трубопровода. Фронт остановившейся жидкости (сечение nn) будет перемещаться от задвижки к резервуару. В остановившемся объеме между задвижкой и сечением nn возникает дополнительное давление Dр. Скорость перемещения этого фронта называется скоростью распространения ударной волны и обозначается символом

,

где l и Т – соответственно длина трубы и длительность первой фазы.

Таким образом, упругая деформация сжатия и повышения дав­ления распространяется вверх по течению и за время T достигает кон­ца трубы. При этом освободившееся пространство на расстоянии Dl заполняется жидкостью из резервуара.

В конце первой фазы вся жидкость в трубе неподвижна ( = 0) и находится под давлением р + Dр.

Вторая фаза. Начало второй фазы совпадает с концом первой. Жидкость в трубе сжата, но не уравновешена давлением в резервуаре, где давление p. Поэтому жидкость в трубе начинает расширяться в сторону резервуара. Сначала приобретают движение слои жидкости, близкие к резервуару, а затем фронт спада давления nn станет перемещаться от резервуара к задвижке со скоростью .

К концу второй фазы вся жидкость в трубе окажется в движении со скоростью в сторону резервуара и давление в трубе вос­становится до первоначального.

Третья фаза. (Фаза растяжения и остановки движения). В на­чальный момент вся жидкость движется в обратную сторону и стре­мится оторваться от задвижки.

Если отрыва не произойдет, то начнется растяжение жидкости с дальнейшим понижением давления до р² = р – Dр. В конце третьей фазы вся жидкость останавливается и находится под действием по­ниженного давления.

Читать еще:  Сантехнический разветвитель

Это состояние оказывается также неуравновешенным, т.к. дав­ление в резервуаре равно р, а в трубе р – Dр.

Четвертая фаза. (Фаза восстановления движения до состояния, имевшего место перед закрытием задвижки). В начале четвертой фазы жидкость из резервуара начнет втекать в трубку со скоростью и давление будет повышаться до р. Фронт первоначального давления nn будет перемещаться в сторону задвижки со скорость рас­пространения ударной волны . К концу четвертой фазы скоростью движения по всей длине трубы будет равна , а давление р.

Так как задвижка закрыта, то, начиная с конца четвертой фазы, процесс гидравлического удара будет повторяться.

В реальных условиях, когда существуют гидравлические сопро­тивления и упругие деформации стенок трубопровода, процесс гид­равлического удара будет более сложным и затухающим. При этом наиболее опасным является первое повышение давления (рисунок 3.37).

Время одного цикла, включающего повышение и понижение давления, называется фазой удара T. Считая скорость ударной волны при повышении и понижении давления одинаковой, определим фазу удара

.

Рисунок 3.37 – Колебания давления при гидравлическом ударе

Если время закрытия задвижки меньше или равно фазе удара (t3£T), то удар называется прямым.

При t3 ³ T не вся кинетическая энергия переходит в потенциаль­ную энергию давления и повышение давления при тех же условиях меньше, чем при прямом ударе. Такой удар называется непрямым.

Так как характеристики движения жидкости при гидравлическом ударе изменяются с течением времени, то такой процесс называется неустановившимся.

Рассмотрим гидравлический удар в трубопроводе при внезапном (мгновенном) закрытии задвижки в конце трубопровода с учетом реальных условий движения жидкости, а именно: жидкость сжимае­ма, а стенки трубопровода обладают упругими свойствами.

Рисунок 3.38 – Иллюстрация гидравлического удара

За бесконечно малый промежуток времени dt после закрытия задвижки движение жидкости прекращается на расстоянии от задвижки. На этом бесконечно малом участке трубопровода про­изойдет повышение давления на величину Dр (рисунок 3.38).

Определим величину Dр с помощью закона изменения количест­ва движения. До закрытия задвижки количество движения в рассматриваемом объеме было равно

,

где S – площадь сечения трубы;

r – плотность жидкости;

– скорость движения жидкости;

– скорость распространения ударной волны.

После закрытия задвижки скорость и количество движения уменьшились до нуля, т.е. в этом случае изменение количества дви­жения стало равно начальному количеству движения. Это изменение количества движения должно быть равно импульсу действующих сил.

Учитывая, что давление в сечении 1–1 равно р, а в сечении 2–2 повысилось до р + Dр, находим импульс действующих сил в виде

Запишем закон изменения количества движения с учетом выра­же­ний для количества движения и импульса действующих сил

.

Откуда следует формула для определения повышения давления при прямом гидравлическом ударе при известной скорости распространения ударной волны формула Н.Е. Жуковского

.

При абсолютно жестких стенках трубопровода скорость распро­странения ударной волны равна скорости распространения звука в воде ( = 1425 м/с).

Гидроудар в трубопроводе: основные причины, последствия и способы защиты

Часто ли вы обращаете внимание на всевозможные щелчки, скрежеты, простукивания и прочие посторонние звуки в трубопроводе? Думать, что это всего лишь временные и случайные явления, не таящие в себе ничего опасного, – крайне опрометчиво. На практике любые чужеродные шумы в коммуникационной системе могут свидетельствовать о гидроударе, который, в свою очередь, нередко влечет за собой целый ряд разрушений инженерной сети. Почему же возникает гидроудар в трубопроводе, каковы его последствия и можно ли его избежать – рассказываем и показываем видео далее.

Основные причины гидроудара

Гидроудар – кратковременный, но сильный и очень резкий перепад давления в трубопроводе. Его возникновение обусловлено внезапным изменением скорости движения воды в коммуникационной системе. В зависимости от характера этого изменения, гидроудар может быть отрицательным – при уменьшении скорости, и положительным – при ее увеличении. Главную опасность для инженерных сетей представляет второй вариант: с молниеносным увеличением скорости и напора рабочей жидкости соответственным образом повышается и ее давление, а это чревато разрывом труб.

Потенциальных причин гидравлического удара несколько:

  • резкая активация или деактивация насосного устройства;
  • деформация насоса;
  • нестравленный воздух в закрытом контуре;

Шумы в системе должны вызвать настороженность

  • проблемы с электропитанием, которые препятствуют нормальному функционированию насоса;
  • резкое открывание/закрывание арматурных деталей – задвижек, вентилей и всевозможных кранов.

Последняя причина сегодня особенно актуальна, так как старые трубопроводные задвижки начали массово менять на современные быстродействующие шаровые краны. Их потенциальная опасность объясняется следующим образом: если в системе находится определенный объем воздуха, то при резком открывании шарового крана он неизбежно столкнется с почти несжимаемой рабочей жидкостью, что приведет к скачку давления свыше 10 атм. В то же время винтовые краны – предшественники шаровых устройств – обеспечивают плавное открывание арматуры, тем самым исключая вероятность резкого столкновения воздуха и жидкости.

Последствия гидроудара для трубопровода

Повышение давления рабочей жидкости, вызванное гидроударом, может продолжаться почти до бесконечности. В ходе этого непрекращающегося негативного процесса абсолютно все компоненты коммуникационных сетей испытывают серьезные нагрузки, что провоцирует их деформацию. Заранее предугадать точные последствия гидроудара в тех или иных условиях довольно сложно, но чаще всего аварийные ситуации чреваты следующими негативными явлениями:

  • разрушение резьбовых соединений труб;
  • изменение свойств материала, из которого выполнены трубы;
  • нарушение герметичности трубопровода;
  • деформация отдельных участков трубопровода – вплоть до их разрыва.

Важно! В особо сложных ситуациях гидроудар может вызвать нарушения функционирования даже крупных отопительных и гидроагрегатов: котла, нагревателя, расширительного бака, насоса.

Все вышеперечисленное может привести не только к временной дисфункции инженерных систем, но и к затоплению жилища с последующей порчей имущества.

Разрыв водопроводной системы

Отдельно нужно отметить о последствиях гидроудара для теплых полов, как части длинной трубопроводной системы. Еще на этапе монтажа к ним, как правило, подсоединяют специальный термостатический клапан, который призван защищать «подпольное» оборудование от гидравлических неприятностей. Но здесь важен нюанс: термоклапан спасет только в случае его грамотного монтажа – в иной ситуации устройство создаст дополнительную угрозу возникновения разрушительных процессов в системе.

Способы защиты от гидроудара

Наиболее эффективный вариант защиты от гидроударов – модернизация трубопроводной системы. Здесь вам помогут следующие устройства:

  • Компенсатор – гидроаккумулятор или демпфер. Имеет вид герметичного бака с эластичной мембраной и воздушным клапаном. Отвечает сразу за три задачи: накапливает рабочую жидкость, уменьшает давление системы путем забора из нее лишней воды, гасит гидроудары любой мощности.

Для предупреждения гидроудара можно принять профилактические меры

  • Амортизатор – гибкая трубка из каучука или пластика. Ею заменяют часть жесткой трубы перед термостатическим прибором: в случае резкого повышения давления в системе эластичная амортизаторная трубка растягивается и гасит гидроудар без каких-либо негативных последствий для основного трубопровода.
  • Шунт – узкая трубка, устанавливаемая в термоклапан. Элемент диаметром не более 0,4 мм монтируется по направлению движения рабочей жидкости. Когда система функционирует без сбоев, шунт никак не дает о себе знать, но как только возникает гидроудар, он плавно уменьшает давление в трубопроводе.

Важно! Шунтирование может использоваться только в новых трубопроводах, выполненных из качественных материалов, так как ржавчина и многолетние осадки старых труб быстро засорят узкую трубку, что сведет ее эффективность к нулю.

Таким образом, гидроудар – опасное явление, которое может спровоцировать серьезные разрушения трубопровода. Чтобы не допустить дисфункции коммуникационных сетей, не пренебрегайте предложенными защитными мерами – они уберегут вас от аварийных ситуаций и непредвиденных затрат.

Амортизатор гидравлического удара: видео

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector