Гидравлический удар в трубах

Гидравлическим ударом называется резкое изменение давления в трубопроводе вследствие резкого изменения скорости движения в нем. Гидравлический удар может наблюдаться, например, при быстром закрывании запорных устройств, при внезапной остановке насоса и т.п. При этом различают положительный удар, когда происходит повышение давления вследствие уменьшения скорости, и отрицательный удар, когда давление падает вследствие увеличения скорости.

 

 

Рис. 7.17

 

Пусть в напорном трубопроводе с рабочим давлением жидкости p₀ будет внезапно закрыта задвижка А (рис. 7.17). Тогда в результате остановки жидкости произойдет резкое повышение давления в нем вследствие перехода кинетической энергии остановившихся слоев жидкости в потенциальную энергию - энергию давления. Остановка жидкости не происходит мгновенно, а в течение весьма малого отрезка времени Dt. В течение этого времени в часть объема wDx поступают продолжающие движение предыдущие слои жидкости.

Пользуясь теоремой об изменении количества движения, найдем увеличение давления Dp при гидравлическом ударе (рис. 7.18). Изменение количества движения за время Dt будет

rwDxu,

где rwDx - масса жидкости; w - площадь сечения трубы, u –скорость движения жидкости до закрытия задвижки А (рис. 7.17).

Это изменение количества движения должно равняться импульсу силы

.

Отсюда

,

где – скорость, с которой распространяется повышение давления (скоростное распространение ударной волны). Отсюда получаем формулу для определения повышения давления

,

которая называется формулой Жуковского.

Величина скорости распространения ударов волны зависит от рода жидкости, материала и размеров трубы и определяется по формуле

,

где K - модуль упругости жидкости; r - плотность жидкости; E - модуль упругости материала трубы; d – диаметр трубы; d - толщина стенки трубы.

Повышение давления будет распространяться от задвижки к резервуару со скоростью с. После того как остановится последний слой жидкости у резервуара, вся жидкость в трубопроводе будет сжата. Но так как в этот момент давление в резервуаре будет меньше давления у задвижки, то жидкость придет в движение по направлению к резервуару. При этом давление жидкости, начиная от резервуара, будет понижаться. Это понижение будет распространяться со скоростью с в направлении к задвижке и будет называться обратной волной. Время пробега прямой и обратной ударных волн составляет длительность фазы гидравлического удара. Благодаря инерции массы жидкости, находящейся в трубопроводе, она продолжает двигаться по направлению к резервуару и после того, как движение у задвижки снизится до давления p₀ (рабочее давление при открытой задвижке А). Поэтому давление у задвижки продолжает снижаться и дальше до некоторого давления p_min
(см. рис. 7.17). Так как p_min меньше, чем давление в резервуаре, то вновь начнется движение жидкости к задвижке, и снова произойдет гидравлический удар, но уже меньшей силы ввиду того, что часть энергии жидкости будет потеряна на гидравлических сопротивлениях. Таким образом, при гидравлическом ударе будут совершаться затухающие колебания давления.

Для предотвращения гидравлического удара следует:

1. Увеличивать время закрытия и открытия запорных устройств.

2. Устанавливать воздушные колпаки, играющие роль буфера, смягчающего повышение давления.

3. Устанавливать специальный предохранительный клапан К (см. рис.7.17), который сбрасывает часть жидкости из трубопровода, уменьшая тем самым уровень давления при гидравлическом ударе.

Предохранительный клапан при давлении p₀ находится в закрытом состоянии и открывается лишь при значительном возрастании давления в магистрали.

Кавитация

Кавитацией называется возникновение в движущейся жидкости областей, заполненных газом (паром). Причиной их образования является падение давления в жидкости до величин, меньших величин давления насыщения при данной температуре. При дальнейшем повышении давления может происходить конденсация с исчезновением (схлопыванием) пузырьков пара. При этом поверхности оборудования, вблизи которых находятся пузырьки пара, испытывают удар, что может приводить к ее эрозии (выбивание материала поверхности), к повышенной вибрации оборудования, а также к его разрушению.

 

Рис. 7.19

 

Кавитационные явления могут возникать в тех местных сопротивлениях, где наблюдается значительное увеличение скорости из-за сужения потока с последующим его расширением, например в трубках Вентури, диффузорах, соплах и т.д.. (рис. 7.19).

В узкой части потока (сечение 2-2) происходит падение давления и создаются условия для возникновения кавитации. При дальнейшем расширении потока (сечение 3-3) происходит возрастание давления (так как уменьшается скорость) и может происходить схлопывание пузырьков.

Расчет кавитации сводится к определению минимального давления p₂ в узком сечении, равного давлению насыщения, при котором возникает кавитация. Для определения p₂ запишем уравнение Бернулли применительно к сечениям 1-1 и 2-2 (рис. 7.19), разместив плоскость сравнения по центру канала, т.е. z₁= z₂= 0

.

Отсюда

или

.

Кавитационные явления приводят к увеличению коэффициентов местных сопротивлений и, следовательно, местных потерь напора. В качестве безразмерного критерия, определяющего кавитационные свойства местных сопротивлений, используют так называемое число кавитации s

,

где p₁, u₁ – давление и скорость перед местным сопротивлением;

p_кp – минимальное давление, при котором возникает кавитация (обычно оно равно давлению насыщения).

Величину давления парообразования p_кр для различных жидкостей можно найти в физических справочниках. Величина p_кр для воды приведена в таблице.

 

t, oC
pкр мм рт. ст.			55, 3

 

Из приведенных данных следует, что при вода закипает при давлении 17 мм рт.ст.

Кавитация возникает не только при движении жидкости в трубах и каналах, но и при внешнем обтекании тел, например, на лопатках гидромашин,

гребных винтов и т.п. При больших скоростях их вращения скорости течения среды могут быть настолько большими, что в некоторых областях давление падает до давления парообразования. Как следствие, возникает кавитация, которая приводит к увеличению сопротивления (потерь энергии), появлению вибрации и кавитационных шумов и, возможно, к разрушению конструкции. В связи с этим при проектировании гидромашин необходимо стремиться к обеспечению такого кавитационного числа s, при котором кавитационные явления должны быть исключены.

 

Задача 1 Построить характеристики двух последовательно соединенных трубопроводов и найти их суммарную характеристику при следующих исходных данных (рис. 7.20): ; ; ; ; ; , где - эквивалентная шероховатость. Потери напора в местных сопротивлениях не учитывать.

Решение. Потеря напора определяется по формуле

, (а)

где

; .

Рис. 7.20

Задаваясь рядом значений , по формуле (а) находится потеря напора . По этим результатам строятся характеристики первого и второго трубопроводов (1 и 2) (рис. 7.21). Затем находится их суммарная характеристика 1+2 путем сложения потерь напора при неизменном расходе.

Рис. 7.21

 

Глава 8

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A. между органами государственного управления и коммерческими организациями
2. II. Основные принципы и правила служебного поведения государственных служащих
3. III. Правила этики государственных служащих Томской области
4. V1: Общая теория права и государства
5. VI. Отношения нотариуса с органами государственной власти и органами местного самоуправления
6. VIII. «Я НЕ МОГУ ОТДАТЬ ЦЕРКОВЬ В АРЕНДУ ГОСУДАРСТВУ»
7. Административная этика – профессиональная мораль государственной и муниципальной службы
8. Административно-правовой статус государственных служащих
9. Административно-правовые основы прохождения государственной гражданской службы.
10. Административное право - публичное право. Административное право как отрасль права и система правового регулирования государственного управления.
11. Акт, обеспечивающий земельными участками тех лиц, которые действительно селятся нагосударственных землях и обрабатывают их.
12. Анализ нарушений рыночного равновесия в результате государственного регулирования.