Расчет гидроудар: Гидравлический удар — Википедия – Как посчитать величину гидравлического удара?

Расчет гидравлического удара — Мегаобучалка

 

Необходимо произвести расчет гидравлического удара в сечении перед запорным устройством. Расчет гидроудара производится по методике Н.Е. Жуковского.

 

Формула Жуковского:

 

С – скорость распространения ударной волны, рассчитывается по формуле:

– скорость звука в жидкости, для керосина считается 1215

– объемный модуль упругости жидкости, для керосина ТС-1 равен 1275 Мпа

– модуль упругости стенок трубы, для 12Х18Н10Т равен Мпа

δ – толщина стенок трубы, равна 0.02 м

Скачок давления при гидроударе равен 12.17 ат. Таким образом максимальное давление, которое может быть в данном трубопроводе равно

 

 

Построение диаграммы Бернулли.

Диаграмма Бернулли для последовательно соединенного трубопровода.

 

Уравнение Бернулли для первой и последней точек последовательно соединенного трубопровода будет выглядеть следующим образом:

 

Отсюда:

 

Расчет гидростатического давления в каждом сечении

Таблица 5

 

Погрешность вычислений:

 

 

 

 

 

Приложение.

 

1. Диаграмма Никурадзе

 

Режим
Ламинарный   lg Re < 3.365 (Re < 2320 )	Турбулентный Зона сопротивления
I	II	III	IV
Зона перехода турбулентного движения в ламинарное	Зона гидравлически гладких труб	Зона смешанного трения или гидравлически шероховатых труб	Зона квадратичного сопротивления (вполне шероховатого трения)

 

2. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления от числа Рейнольдса и эквивалентной шероховатости труб

 

 

Список используемых источников.

 

1. Некрасов Б.Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. М.; Машиностроение, 1967.

 

2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.; Машиностроение, 1992.

 

3. Воинов Е.М. О гидравлическом ударе. «Квант» № 7, 1984.

 

4. Альтшуль А.Д., Киселев Н.П. Гидравлика и аэродинамика. М.; Стройиздат, 1975.

 

3. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. М.-Л.; ГИТТЛ, 1949.

 

 

Проектирование: Гидроудар

Гидравлический удар (гидроудар)

Под гидравлическим ударом понимается повышенное давление, отмечаемое в трубопроводе при любом изменении скорости жидкости, циркулирующей по трубам, (при открытии или закрытии клапана, запуске или остановке насоса и т.д), в результате которого происходит изменение кинетической энергии движущейся жидкости.

При остановке насоса гидравлический удар проявляется вначале появлением разрежения, за которым следует резкое повышение давления.

Время остановки Т равняется времени, прошедшему с момента прекращения подачи энергии, открытия или закрытия клапана и до момента прекращения циркуляции жидкости. Формула Mendiluce позволяет нам рассчитать время остановки с достаточно высокой степенью точности:

                  

Где:
L — протяженность трубопровода (m).

V — Скорость жидкости (м/сек).
g — скорость свободного падения (м/сек2).
Hm — Манометрическая высота (mca).

Для плоскостей с углом наклона более 50% следует применять особые меры предосторожности при вычисления силы гидравлического удара; рекомендуется применять только формулу Allievi, так как в подобных случаях остановка происходит слишком резко.
Не забудьте, что манометрическая высота при расчете Т замеряется непосредственно за насосом и, следовательно, надо учитывать глубину уровня зеркала воды в скважине, когда речь идет о погружных насосах. L. Allievi  пришел к выводу, что гидравлический удар вызывает колебания, которые распространяются по всей длине трубопровода со скоростью, равной:

 

Где:
a — скорость распространения (м/сек)
D — диаметр труб (мм.)
e — толщина стенок труб (мм).

Коэффициент К представляет в основном эффект инерции в движущихся частях   насоса и его величины варьируются в зависимости от длины линии нагнетания.	Коэффициент С выведен опытным путем и зависит от наклона (НглД)

Подсчет K1:

 

Где
E — коэффициент эластичности труб (кг/м2).
Практические значения K1 для труб из разных
материалов:
Сталь                   0,5
Чугун                      1
Цемент                    5
Фиброцемент       5,5
Полиэстер             6,6
ПВХ                   33,3

В работах по гидравлике рекомендуется для расчета сверхдавления использовать следующие формулы:
Для      (короткая линия нагнетания),
формула Michaud
Для   (длинная линия нагнетания )
формула Allievi

Для любого трубопровода нагнетания, даже для того, для которого верно   и, следовательно, необходимо применять формулу Allievi, если круговое перемещение воды продолжается, всегда есть промежуточная точка, для которой будет верно 
(критическая длина)
а, исходя из этого мы получаем  и к этой зоне следует применить формулу Michaud.

Максимальное давление будет равно сумме статического давления или геометрической высоты
и максимального превышения давления + Δ H.
H max = Hg + Δ H
Минимальное давление будет равно разнице между статическим давлением или геометрической высотой
и минимальным превышением давления — Δ H.
H min = Hg — Δ H
Как при длинных, так и при коротких линиях нагнетания гидравлический удар может достичь значений, превышающих статическое давление и, следовательно, в трубопроводе происходит разрежение и давление падает ниже атмосферного, что может привести к разрыву трубы. Следует упомянуть, что обычно трубопровод рассчитан с таким запасом прочности, чтобы выдерживать разрежение около 1 кг/cм2, то есть много выше, чем это бывает на практике.

Защита от гидравлического удара
Гидравлический удар можно ослабить или избежать,
применив специальные устройства, такие как,
например:
Инерционные круги
Уравновешивающие отводы
Воздушные баки
Жидкостные амортизаторы
Предохранительный клапан
Вантузы
Обратные клапаны
Обратные клапаны с переходниками
Обратные клапаны противовихревые

В какой-то степени устранить удар помогают статические пускатели, которые меняют скорость потока

 

что это такое и как с этим бороться?

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/м³;
• 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;

Рис. 1. Зависимость повышения давления в следствие гидроудара от различных параметров.

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.

Рис. 2. Пример установки клапана быстрого сброса давления.

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.

Рис. 3. Пример установки клапана для предотвращения гидроудара.

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.

Рис. 4. Клапан для управления насосами «Гранрег» КАТ10/11 (слева) и клапан для управления глубинными насосами «Гранрег» КАТ10/12 (справа).

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.

Рис. 5. Клапан воздушный кинетический
с устройством защиты от гидроудара.

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.

Расчет нестационарных процессов в сложных трубопроводных гидросистемах.

Гидроудар

Назначение

Цель расчета – выявления участков и узлов сети, подвергающихся за время переходного процесса воздействию недопустимо высокого или низкого давления. В качестве событий, порождающих переходные процессы, предполагается включение или выключение насосов, либо открытие или закрытие задвижек, а также разрыв трубы. Интенсивные процессы приводят к мгновенным разрушениям (гидравлический удар), менее интенсивные вызывают преждевременный износ элементов сети, возможен подсос грунтовых вод в систему водоснабжения и эффекты, связанные с кавитацией.

Минимизация негативных влияний переходных процессов

• Выяснить причины и место возникновения интенсивных переходных процессов
• Спланировать мероприятия по защите сети, например, установка защитных устройств, замена труб
• Оценить результативность планируемых мер

Результаты расчета переходных процессов в гидравлических сетях

Для моделирования сети предлагаются модели защитных устройств, учитываются такие явления, как наличие воздушного включения в трубе и разрыв трубы.

Во время процедуры расчета пользователь наблюдает распространение бегущих волн давления и скорости вдоль маршрута. По результатам расчета строятся графики:

• давлений в каждой точке вдоль этого маршрута
• изменения давления в зависимости от времени для ряда выбранных точек наблюдения

В базы данных заносятся значения давлений для каждого участка и узла сети с указанием времени возникновения этих давлений, а для участка указывается и соответствующее место.

В процессе расчета выдаются сообщения:

• о срыве всасывания жидкости насосом
• о достижении максимально допустимого давления в некоторой точке сети

C применением запросов ZuluGIS в базе находятся «опасные» участки и узлы и на основании этой информации добавляются другие точки наблюдения и настраивается маршрут построения графиков.

Интерфейс

Программа предоставляет пользователю дружественный интерфейс и выполнение расчетов для больших сетей.

• ввод сети
• построение и печать графиков
• расчет начальных условий
• контроль параметров

Пример

Часть результатов расчета переходных процессов для сети водоснабжения, которая включает, помимо труб: резервуар, насосную станцию, много колодцев с задвижками и много потребителей.

В начальный момент времени скорости течения воды не превышали одного метра в секунду. Переходные процессы порождаются закрытием дисковой задвижки, что приводит к скачкам давления.

На верхнем графике можно наблюдать распространение волн давления вдоль выделенного маршрута, проходящего через закрывающуюся задвижку, а на нижнем изменение давлния в сечениях до и после нее.

Схема водопроводной сети для расчета

---

См. также: Коммутационные задачи

Гидроудар в трубе — причины, защита, компенсаторы

Защита от гидроудара

Чтобы защитить трубопровод от гидравлических ударов, нужно:

• Плавно открывать/закрывать запорные элементы

При плавном закрывании крана давление в трубопроводе будет постепенно выравниваться. При этом ударная волна будет иметь незначительную силу, а следовательно, мощность гидравлического удара будет минимальной. Но не во всех случаях возможно обеспечить плавное закрывание крана. Далеко не у всех моделей вентильная конструкция, многие современные краны имеют шаровую систему – достаточно одного неосторожного резкого поворота и кран придёт в положение «закрыто».

• Использовать трубы большого диаметра

В трубопроводах большого диаметра рабочая среда движется с меньшей скоростью, чем в системах с более маленьким диаметром. А чем скорость перемещения потока жидкости меньше, тем слабее сила гидроудара. Однако данный способ гораздо затратнее. Расходы увеличиваются за счёт более высокой стоимости труб и теплоизоляции.

• Установить амортизирующее устройство

Данное устройство располагается по направлению движения рабочей жидкости. В качестве амортизатора используется отрезок трубы из эластичного пластик либо каучука, которым заменяется часть жёсткой трубы перед термостатом. При возникновении гидравлического удара происходит растяжение эластичного отрезка и частичное гашение силы удара.

• Использовать компенсаторное оборудование

Для сбрасывания лишней жидкости до момента нормализации давления в трубопроводе используется гидравлический аккумулятор. Данное оборудование выполнено в виде герметичного бака, оснащённого мембраной и воздушным клапаном. Мембрана изготавливается из эластичного материала, бак – из стали.

• Использовать автоматику насосов

Одной из причин появления гидравлических ударов в трубопроводе является насосное оборудование. Движение рабочей среды зависит от того, насколько быстро вращаются насосные валы. Следовательно, плавное снижение/увеличение скорости вращения позволяет уменьшить силу воздействия и снизить риск появления гидроударов.

На производствах для управления насосным оборудованием используются специальные регуляторы, частотные преобразователи и прочие подобные приборы. Данное оборудование также подходит для использования в бытовых условиях.

Гидравлические удары в коммуникациях появляются при остановке насосного оборудования, например, при исчезновении сети питания. На производствах и в сфере коммунального хозяйства резервные источники используются давно и не раз доказали свою эффективность. Предупреждение аварийных ситуаций и сокращение расходов на ремонтные работы приводят к существенной экономии средств. Включение домашнего насосного оборудования через устройство защиты от гидроударов (стабилизаторы и источники резервного питания) поможет обезопасить внутренние коммуникационные системы.

• Использовать байпас

Байпас представляет собой дополнительный участок трубопровода, который используется в качестве обходного канала и служит для регулирования пропускной способности сети отопления. Такие устройства можно монтировать, как в новые системы, так и в уже существующие.

• Гаситель гидроударов

Это простое, но эффективное изобретение, работающее по принципу расширительного бака отопительных коммуникаций. При резком перепаде давления жидкость перемещается в мембранный гаситель. После того, как давление в трубопроводе упадёт до рабочей величины, произойдёт выталкивание жидкости обратно в систему. Возвращение воды обеспечивается благодаря избыточному давлению воздуха, находящегося с противоположной стороны мембраны.

• Защитный клапан

Клапан защиты от гидроудара располагается в трубопроводной системе рядом с наносом. Он реагирует на скачки давления, принимая обратную волну и предотвращая гидравлические удары. Клапан оснащён специальным регулятором, который при перепаде давления плавно открывает его. Таким образом, когда обратный поток рабочей среды доходит до насосного агрегата, клапан уже находится в открытом состоянии. В результате этого происходит сбрасывание воды, а следовательно, снижение давления до допустимой величины. После нормализации давления регулятор закрывает клапан, чтобы предотвратить опустошение системы.

Гидравлический удар в трубах.

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



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. 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.

Смотреть видео

Последствия гидроударов в трубопроводах большого диаметра в черте города, могут быть также весьма плачевными. Кроме возможных травм, которые могут получить пешеходы, находящиеся рядом с местом аварии, значительное истечение жидкости очень часто приводит к парализации участка автодороги, особенно в том случае, когда на данном участке осуществляется перевозка пассажиров транспортом работающем на электрической тяге.

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.

Смотреть видео

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.

Смотреть видео

Данная формула имеет следующий вид:

где:

• Dp – увеличение давления в Н/м2;
• р – плотность жидкость кг/м3.
• u0 и u1  – среднее значение скорости жидкости в трубопроводе до и после закрытия крана.

Учёный доказал, что скорость распространения ударной волны зависит прежде всего от диаметра и материала трубы. Также этот показатель зависит от степени сжимаемости жидкости.

Расчёт обязательно следует проводить только после того, как будет экспериментально установлена плотность воды, которая в зависимости от количества растворённый в ней солей может существенно различаться. Скорость распространения гидроудара всегда рассчитывается по следующей формуле:

где:

• с – скорость ударной волны;
• L – длина трубопровода;
• T – время.

Подставляя значения в данную формулу можно точно определить скорость распространения гидравлического удара. Гидравлический удар представляет собой волну, которая имеет колебания с определённой частотой.

Вычислить, при необходимости, количество колебаний в единицу времени также не составит большого труда. Достаточно воспользоваться следующей формулой:

где:

• М – продолжительность цикла колебаний;
• L – длина трубопровода;
• а – скорость волны (м/с).

Для упрощения вычислений ниже будут приведены показатели скорости ударной волны при гидравлическом ударе для труб из следующих материалов:

• Сталь – 900 – 1300 м/с;
• Чугун – 1000 – 1200 м/с;
• Пластик – 300 – 500 м/с.

Подставляя эти значения в формулу можно точно рассчитать частоту колебаний гидроудара на участке водопровода определённой длины.

Такова теория гидравлического удара в самых кратких математических описаниях. При проектировании современных инженерных систем, для выполнения подобных расчётов, применяются мощные вычислительные машины, поэтому прибегать к ручному вычислению скорости и силы гидроудара нет никакой необходимости.

Заключение

Гидроудар в водопроводе может стать причиной серьёзных аварий в сфере ЖКХ. Особенно неприятными такие происшествия бывают в зимнее время года. Разрушение трубопровода отопления, может привести к переохлаждению и заболеванию людей, особенно когда без тепла остаются маленькие дети и пожилые граждане.

Смотреть видео

Поэтому чтобы максимально обезопасить себя от такого грозного явления, необходимо применять на практике все советы изложенные в данной статье.