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.
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 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.
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
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
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 vпр, 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.
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:
полезная мощность тарана:
Nпол = ρgQ2H2,
где H2 — полезная высота нагнетания.
Выразим КПД гидравлического тарана. Очевидно, что
h = Nпол / Nзатр = 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:
hmax = С = Q2/Q = Q2/(Q1 + Q2).
***
Истечение жидкости из отверстий в тонкой стенке
Главная страница
Дистанционное образование
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
На чтение 5 мин.
Во время использования трубопроводных систем, будь то система отопления или система водоснабжения, одной из главных причин выхода их из строя являются большие и резкие колебания давления, иначе называемые гидроударами. В результате подобных перепадов система может полностью выйти из строя, если для предотвращения гидроударов не предпринять определённые шаги. В данной статье будут рассмотрены меры, которые могут быть предприняты для предотвращения аварийных ситуаций.
Гидроудар: определение и причины возникновения
Гидроударом называют большой и резкий перепад давления в замкнутой системе (трубопроводе). Причиной его возникновения становится внезапно возникшая преграда на пути тока жидкости.
К примеру такими препятствиями могут стать возникновение воздушных пробок, перекрытие кранов в системе, резкое выключение насосного оборудования.
В результате столкновения жидкости с препятствием возникает резкое повышение давления, которое (по физическим законам) стремится вернуться в исходное состояние, а для этого жидкость ищет наиболее уязвимое место в области возникновения гидроудара, чтобы его компенсировать. В результате на внутренней части водопровода возникают дефекты, которые впоследствии могут привести к аварии. Негативное влияние так же оказывается и на расположенное в системе оборудование. Аварийной ситуации может предшествовать появления посторонних звуков в системе («стук» и «щелчки»).
То, насколько серьёзны последствия гидроудара можно узнать, обратясь к статистике:
6 из 10 случаев аварий трубопроводных систем связаны с перепадами давления.
Наибольшей уязвимостью к гироударам обладают системы со следующими характеристиками:
- Старые металлические трубы, подверженные воздействию коррозии
- Трубопроводные системы большой протяжённости, к примеру, трубы «тёплого пола«
- Соединение труб существенно разных диаметров, без использования специальных переходников. Для решения проблемы в данной ситуации, необходимо использовать в системе особый клапан — термостат
- Гидроудары возникают в домах, где изначально были неграмотно оборудованы коммуникации. Внешне такую ситуацию можно выявить по щелчкам и стукам в трубопроводе
Для минимизации риска возникновения дефектов или разрыва трубопровода необходимо использовать специальные водные или газопроводные трубы без швов (ГОСТ 3262-75). Так же оптимальным вариантом станут трубы из металлопласта (ГОСТ 18599)
Факторами риска является следующее:
- Неравномерность работы системы, либо выход из строя насосного оборудования
- В схеме присутствует воздух
- Неравномерность подачи электроэнергии
- Резкое закрытие запорной арматуры. Например перекрытие шаровых кранов, конструкция которых не обеспечивает плавное перекрытие тока жидкости. В данном плане винтовые краны будут более оптимальным вариантом.
Как предотвратить гидроудар
Для того, чтобы избежать или уменьшить скачки давления в системе, существует ряд определённых мер, помогающих защитить трубопроводную сеть в целом, либо на определённом участке.
Плавное закрытие запорной арматуры
Одной из основных причин возникновения гидроударов является резкое перекрытие запорной арматуры.
Такое происходит в результате того, что период перекрытия крана очень краток по времени. В результате неизбежно возникновение резкого перепада давления в этом месте. Для того, чтобы избежать проблемы на данном этапе, нужно увеличить продолжительность перекрытия потока жидкости. Благодаря такому действию увеличение давления в данном месте будет происходить плавно без резкого скачка.
Именно поэтому на этапе монтажа водопроводной системе рекомендуется устанавливать запорную арматуру (краны, вентили) с более продолжительным временем своего перекрытия.
Использование автоматических средств в системе
Автоматические устройства встроенные в сеть призваны плавно «гасить» возрастающее давление. Из подобных средств можно отметить насосное оборудование, способное изменять число оборотов в автоматическом режиме, либо конструкции, оснащённые преобразователями частоты.
Варианты совершенствования всей системы в целом
Усовершенствование всей системы подразумевает монтаж устройств по полному устранению переизбытков давления.
Гаситель гидроудара и гидроаккумуляторы
Работа данных элементов включает в себя следующие действия: сбор воды с последующим удалением её излишков из системы и предотвращение гидроудара.
Гидроаккумулятор монтируется в наиболее вероятном месте перепадов давления по ходу движение воды в системе. Внешне данные устройства представляют колбы из стали, имеющие объём до 30 литров. Внутри конструкция поделена на две части при помощи мембраны из резины или каучука. Во время колебаний давления гидроудары «направляются» в бак, где за счёт гибкой мембраны происходит их компенсация. Так же для амортизации гидроударов применяют трубы изготовленные из эластичного пластика, либо армированного каучука. Причём достаточно применение участка такой амортизирующей трубы длиной всего около 0,2-0,3 метра. В случае, когда система более протяжённа, можно добавить ещё 0,1 м амортизатора.
Диафрагменный клапан
Монтаж этого элемента производиться вблизи насоса на отводе трубы. При увеличении давления с его помощью удаляется переизбыток жидкости. Клапан может приводиться в движение одним из двух способов:
- При помощи контроллёра
- При помощи пилотного устройства. В момент возникновения повышенного давления элемент целиком открывается. А в период нормализации постепенно закрывается.
Шунт для клапана терморегуляции
Конструкция устройства представлена трубкой диаметром 0,2 — 0,5 мм. Шунт монтируется по ходу движения жидкости в трубопроводе. Чаще всего шунт устанавливается в абсолютно новом трубопроводе, так ка различные отложения на внутренней поверхности давно используемых труб могут свести его работу на нет. При его установке в старый трубопровод обязательно применение фильтров для воды.
Термостат с супер защитой
Данный механизм отключает систему при достижении давлением максимально допустимой отметки. В конструкции элемента представлен пружинный механизм, который не позволит закрыться клапану при вероятности гидроудара.
Профилактика возникновения гидроудара
Помимо всех вышеперечисленных устройств и способов обязательно проведение профилактических работ с трубопроводом. Это сведёт вероятность возникновения аварии практически к нулю и в целом повысит производительность и эффективность системы.
Профилактика трубопровода заключается в следующих мерах:
- Осмотр предохранительного клапана, отводчика воздуха и манометра
- Измерение давления за мембраной в расширительном резервуаре и его исправление
- Проверка трубопровода и запорной арматуры на целостность и протекания
- Проверка и прочистка системы фильтрации
Проведение данных работ позволит понизить вероятность возникновения гидроудара и в целом увеличит продолжительность эксплуатации трубопровода. Гидроудар — весьма неприятное явление, устранение последствий которого может занять продолжительное время и немалые средства. Поэтому лучше всего провести комплексные мероприятия по установке защитных элементов в систему и её регулярный осмотр.
Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки. В первом случае гидроудар называют положительным, во втором — отрицательным. Опасен положительный гидроудар. При положительном гидроударе несжимаемую жидкость следует рассматривать как сжимаемую. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждению других элементов трубопровода. Также гидроудары чрезвычайно опасны и для другого оборудования, такого как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением. Для предотвращения гидроударов, вызванных резкой переменой направления потока рабочей среды, на трубопроводах устанавливаются обратные клапаны.
Гидроударом также ошибочно называют следствие заполнения надпоршневого пространства в поршневом двигателе водой, вследствие чего поршень, не дойдя до мёртвой точки, начинает сжимать жидкость, что приводит к внезапной остановке и поломке мотора (излому шатуна или штока, обрыву шпилек головки цилиндра, разрыву прокладки).
Общие сведения
Явление гидравлического удара открыл в 1897—1899 г. Н. Е. Жуковский. Увеличение давления при гидравлическом ударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:
,
где — увеличение давления в Н/м²,
- — плотность жидкости в кг/м³,
- и — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (запорного клапана) в м/с,
- с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.
Жуковский доказал, что скорость распространения ударной волны c находится в прямо пропорциональной зависимости от сжимаемости жидкости, величины деформации стенок трубопровода, определяемой модулем упругости материала E, из которого он выполнен, а также от диаметра трубопровода.
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 соответственно) выражается следующей формулой:
Виды гидравлических ударов
В зависимости от времени распространения ударной волны 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 <
- Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t >
При полном гидроударе фронт возникшей 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 — длина трубопровода от места удара до сечения, в котором поддерживается постоянное давление, — скорость распространения ударной волны в трубопроводе, определяется по формуле Н.Е. Жуковского, м/с:
где — модуль объемной упругости жидкости, — плотность жидкости, — скорость распространения звука в жидкости, — модуль упругости материала стенок трубы, — диаметр трубы, — 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 для тонкостенных трубопроводов применяется (стальные, чугунные, а/ц, полиэтиленовые) равным 1. Для ж/б
,
коэффициент армирования кольцевой арматурой ( — площадь сечения кольцевой арматуры на 1м длины стенки трубы). Обычно Повышение давления при прямом гидравлическом ударе определяется по формуле:
где — 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
Примеры
Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара является пример трубопровода с постоянным напором и установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрыта задвижка или закрыт клапан.
В скважинных системах водоснабжения гидроудар, как правило, возникает, когда ближайший к насосу обратный клапан расположен выше статического уровня воды более, чем на 9 метров, или ближайший к насосу обратный клапан имеет утечку, в то время как расположенный выше следующий обратный клапан держит давление.
В обоих случаях в стояке возникает частичное разрежение. При следующем пуске насоса вода, протекающая с очень большой скоростью, заполняет вакуум и соударяется в трубопроводе с закрытым обратным клапаном и столбом жидкости над ним, вызывая скачок давления и гидравлический удар. Такой гидравлический удар способен вызвать образование трещин в трубах, разрушить трубные соединения и повредить насос и/или электродвигатель.
Гидроудар может возникать в системах объёмного гидропривода, в которых используется золотниковый гидрораспределитель. В момент перекрытия золотником одного из каналов, по которым нагнетается жидкость, этот канал на короткое время оказывается перекрытым, что влечёт за собой возникновение явлений, описанных выше.
Источники
- «Основы гидравлики и аэродинамики», Калицун В. И., Дроздов Е. В., Комаров А. С., Чижик К. И., «Стройиздат», 2002 г.
- «Сборник задач по гидравлике», под ред. В.А. Большакова, 1979. 336с.
Ссылки
Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, 1899
См. также
Гидравлика | Гидравлический удар в трубах
Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке движущейся жидкости. Гидравлический удар может иметь место при быстром закрывании различных запорных устройств (задвижек, кранов), при внезапной остановке насоса перекачивающего жидкость, и т.д.
Явление гидравлического удара (рис.13.4) можно представить следующим образом. Рассмотрим трубопровод, по которому движется жидкость со скоростью v.
Рис.13.4. Явление гидравлического удара в трубах
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
Dt= 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 Dtв точке А давление жидкости слева меньше, чем справа. В этих условиях равновесие жидкости нарушается, и она начинает перемещаться из трубопровода в резервуар, а давление в трубопроводе понижается. Через время Dtдавление 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
Dp=Crv, (13.1)
где r-плотность жидкости.
Для чугунных и стальных водопроводных труб скорость распространения ударной волны принимается 1000-1400 м/с.
Из формулы (13.1) следует, что при скорости воды 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 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.13.5).
Рис. 13.5. Устройства, предохраняющие трубопровод от гидравлического удара
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.
Содержание статьи:
По статистике 60 процентов поломок в системах водоснабжения происходят по причине гидравлического удара. Он приводит к остановке водоподачи и даже к локальному наводнению в доме. Но при правильном монтаже и эксплуатации магистрали можно избежать проблем с ее работой и обращения в суд затопленных соседей снизу.
Понятие гидроудара в системе водоснабжения
Гидроудар возникает из-за резкого перепада давления в трубе
Гидроударом называется ударная волна, распространяющаяся по поверхности трубопровода, а также по элементам арматуры. Разрушительный эффект получается по причине резкого перепада напора в водопроводной системе и невозможности воды сжиматься.
Подобное явление происходит в сопровождении различных шумов внутри трубопровода, щелчков, постукиваний. Если не придавать значения звукам, это грозит серьезными последствиями. Гидравлический удар вызывает растрескивание и прорыв труб, приводит к поломке оборудования и запорной арматуры.
Как возникает гидроудар:
- Поток жидкости сталкивается с появившимся на его пути препятствием, например, с воздушной пробкой.
- За счет высокой скорости водные слои уплотняются, динамический напор возрастает.
- Вода не может никуда уйти, поскольку труба герметична. Повышение напора на стенки водопровода влечет за собой его повреждение.
Заметным проявление гидроудара становится при высоких скоростях водного потока в трубах, прочном трубопроводе большого сечения и резком перекрытии прохода на каком либо участке водопровода.
Причины возникновения
Риск гидроудара максимален при резком открытии либо закрытии перекрывающего элемента внутренней сети водоснабжения.
Другие причины повышенного давления в трубах:
- В замкнутом контуре сети возникла воздушная пробка.
- Барахлит или вышла из строя циркуляционная помпа.
- Насосная установка бесконтрольно включается и выключается по причине перебоев в энергосети.
- Вода поступает в магистраль сверх нормы.
Зачастую причиной возникновения динамического удара является использование шаровых кранов в домашнем водопроводе. В их конструкции не предусмотрено плавного хода, и перекрытие водного потока происходит очень быстро.
Опасные последствия
При неоднократном воздействии повышенного напора даже надежные системы способны разгерметизироваться. Прорыв водопровода может случиться и при одиночном, но сильном ударе. Водообеспечение объектов, к которым подведена магистраль, становится невыполнимым. Результаты подобного явления приводят не только к отсутствию воды в кране.
При аварийных ситуациях в результате гидравлического удара страдает:
- Оборудование – трубы станут негерметичными, повредятся запорные устройства.
- Имущество – потоком воды зальет помещение, что станет причиной испорченной мебели и покрытий – не только у вас в квартире, но и у соседей снизу.
- Люди – если прорыв появился в отопительном трубопроводе или системе горячего снабжения, появляется риск получения термических ожогов.
Разрыв водопроводной магистрали, которая обеспечивает водой весь городской район, считается чрезвычайным происшествием.
Степень повреждения по большей части зависит от участка препятствия. Если оно в начале водопровода, показатель высокого напора будет незначительным, если же в конце – намного больше.
Как избежать гидроударов
Защитный клапан от гидроудара
Без переустройства водного контура единственной защитой от гидравлического удара является плавное перекрытие запорного элемента. Если кран закрывается туго, допустимо передвигать рукоятку небольшими рывками. Такой способ можно применять к кранам в быту и на производстве.
Частично модернизировать домашний водопровод можно за счет подключения насосного оборудования с автоматизированным блоком управления. Плавной корректировки напора в сети добиваются монтажом приборов с автоматическим изменением количества оборотов или со встроенными частотными преобразователями.
Комплексная защита от гидроудара в системе водоснабжения квартиры осуществляется такими методами:
- Установка труб большого диаметра. Это способствует снижению вероятности гидроудара. Скорость продвижения воды в широких магистралях всегда ниже, в отличие от узких.
- Врезка амортизирующих эластичных вставок перед перекрывающим элементом, расширяющихся при повышении напора, отчасти снижая его. Чтобы достигнуть необходимого результата, вполне хватит амортизаторов длиной в 20–30 см. Если же водопровод тянется на большое расстояние, размер вставки увеличивается на 10 см.
- Монтаж защитного клапана диафрагменного типа. Его устанавливают на отводе водоснабжающей линии рядом с насосом, чтобы сбрасывать заданный объем жидкости при повышении давления.
Подобный компенсатор гидроударов во внутренних системах водоснабжения приводится в движение при помощи электрокоманды контроллера или посредством пилотного устройства быстрого реагирования. Защитный элемент срабатывает, когда напор увеличивается больше безопасного уровня, обеспечивая защиту насосному оборудованию при неожиданной остановке. В момент избыточного повышения давления происходит полное открытие регулятора, а при снижении напора до допустимого значения – клапан медленно закрывается.
Применение гидроаккумукляторов в качестве компенсаторов также способствует сведению последствий резкого повышения давления в водоснабжающей системе к минимуму. Конструкция установки представляет собой корпус из металла с расположенной внутри резиновой диафрагмой. При гидравлическом ударе, мембранная деталь смещается, благодаря чему гидробак принимает в себя избыток воды. Когда угроза прорыва водопровода пройдет, и напор снизится, диафрагма вернется в первоначальное положение за счет давления воздуха, находящегося с другой стороны.
Избежать мощного гидроудара в сети горячего водообеспечения либо отопления можно, оборудовав клапан терморегуляции шунтом – узкой трубкой с внутренним сечением от 0,2 до 0,4 мм, которую ставят в направлении перемещения теплоносителя.
Шунтирование используют при обустройстве независимых систем, в которых применялись лишь новые трубы. Ржавчина и осадок в старых трубопроводах сведет эффективность шунта к нулю. Поэтому когда трубка ставится на входе в систему, советуют выполнить монтаж эффективных водяных фильтрующих элементов.
Также в сетях, где циркулирует кипяток, устанавливают защитные термостаты. Они отслеживают напор в сети и не позволяют ей функционировать после достижения опасного значения. Агрегат оборудован пружинным механизмом, который размещается между термоголовкой и клапаном. Срабатывание пружинного механизма происходит при повышенном давлении, препятствуя полному закрытию клапана. Монтаж термостатов выполняется в строгом соответствии с указанным на корпусе направлением.
Чтобы избегать гидроударов, важно проводить регулярную проверку работоспособности всех узлов и элементов водоподающей магистрали, очищение и промывание фильтрационных устройств. Если перепад давления и повреждение сети произошло на участке, относящемся к общедомовому имуществу, ремонтные работы и компенсацию ущерба должна производить управляющая компания.
Прямой и непрямой гидравлические удары
Прямой и непрямой гидравлические удары, их характеристики. Методы борьбы с гидроударом. Гидротаран, конструкция, применение.
При резком изменении скорости движения жидкости в длинных трубопроводах имеет место изменение (нарастание или понижение) давления, которое называется гидравлическим ударом.
Явление гидроудара открыл в 1897-1899г Н.Е.Жуковский.
Увеличение давления при гидроударе определяется в соответствии с его теорией по формуле:
Причины возникновения: быстрое закрытие или открытие запорных и регулирующих устройств; внезапная остановка насоса, выпуск воздуха через гидранты на оросительной сети при заполнении трубопроводов водой; пуск насоса при открытом затворе на нагнетательной линии.
Гидроудар способен вызвать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждению других элементов трубопровода. Также гидроудары чрезвычайно опасны и для другого оборудования, такого как теплоообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением.
Различают прямой и непрямой гидравлические удары.
Прямой
(полный) гидроудар происходит при времени
закрытия задвижки 
,
где L
— расстояние до резервуара или водоема
, способного поддерживать постоянное
давление; с-скорость распространения
ударной волны в трубопроводе. В случае
прямого гидравлического удара создается
полная сила удара. При полном
гидроударе фронт возникшей 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.
Непрямой
гидроудар (неполный) получается при 
.
Такой удар характеризуется меньшей
силой. 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.
Способы борьбы с гидроударом.
Меры борьбы с гидроударом представляют собой мероприятия по недопущению опасных повышений или понижений давления в трубопроводах и меры по их защите, если опасные колебания давления возникнут. Меры борьбы зависят от условий подачи воды: подается ли вода насосами в возвышенный резервуар или идет самотеком из водоема вниз.
Если вода идет самотеком и задвижка находится в нижнем конце трубопровода, возможны следующие меры;
медленное закрытие задвижки;
устанавливаются уравнительные резервуары или башни;
применяются воздушные колпаки;
Если вода подается снизу насосами наверх в резервуар, гидравлический удар возникает от остановки насоса. Борьба с такого рода ударами может вестись несколькими путями:
установка сбросного устройства, которое при подходе ударной волны открывается и пропускает воду на излив.
удаление обратного клапана и пропуск воды в обратном направлении через насос.
Гидравлический таран.
Явление гидравлического удара может быть использовано для подъема воды специальным устройством, называемым гидравлическим тараном. Он состоит из подводящего трубопровода А, обычно имеющего небольшую длину, рабочей коробки В с двумя клапанами С и Д и воздушного колпака Е, с нагнетающим трубопроводом F, подающим воду в резервуар К. Ударный клапан С открывается под действием собственного веса. При его открытии через трубопровод А под небольшим напором Н1 начинает поступать вода, которая вытекает через открытый клапан С. Вследствие увеличения силы воздействия вытекающий с нарастающей скоростью воды на ударный клапан он закрывается и скорость потока в трубопроводе падает до нуля. В связи с внезапной остановкой потока в падающем трубопроводе и рабочей коробке произойдет гидроудар с резким повышением давления. Под влиянием этого давления открывается нагнетательный клапан и часть воды поступит в воздушный колпак Е, сжимая имеющийся там воздух, который вытеснит часть воды в напорной трубопровод F, подняв ее на высоту Н2 в резервуар К. осле ухода части воды в воздушный колпак давление в рабочей коробке уменьшится и ударный клапан С под действием собственного веса откроется. При этом вода снова начнет выливаться через клапан С, а нагнетательный клапан Д закроется под действием силы давления воздуха в воздушном клапане Е. Затем происходит повторение процесса.
Этот первый период работы тарана называется разгонным периодом. Второй период называется ударным, когда произойдет гидроудар и в рабочей коробке появится повышенное давление, соответствующее напору Н>Н1. Третий период называется рабочим . В течение этого периода вода из воздушного колпака будет поступать через напорный трубопровод в резервуар.
Напор Н1 обычно 1.5-5 м., а высота нагнетания Н2 от 15 до 40 м. При этом подача расхода Q2=(0,4…0,07)Q.
К-т
полезного действия гидротарана.
колеблется в пределах от 0,85 до 0,4, а расход Q=Q1+Q2.
При работе тарана весьма велики непроизводительные потери воды Q1.
Выпускаемые промышленностью тараны могут поднимать воду на высоту до 60 м с расходом до 20-22 л/мин. Известны мощные тараны, производительность которых достигает 150л/с.
Применение. Основная область его применения — мелиорация и орошение, в своё время он довольно широко использовался и пожарными.
Примеры
Пример 1.Определить расход и скорость истечения воды из круглого отверстия диаметром d = 0,01 м в боковой стенке резервуара больших размеров. Напор воды над центром отверстия Н = 1 м, температура водыt = 20С (= 110-6 м2/с).
Решение: Число Рейнольдса, характеризующее истечение:
.
По рис. 4.6 находим иприRe= 44300,= 0,62,= 0,95 и определяем скорость истечения воды через отверстия:
м/с.
Расход вытекающей жидкости через отверстие
м3/с.
Пример 2. Определить
диаметры: в начале и в конце водовыпуска,
имеющего форму конически расходящегося
насадка, работающего в затопленном
режиме (см. рис. 4.13), еслиQ = 0,5 м3/с,:= 0,5,z = 0,25 м, длина
насадка
= 4 м.
Решение: Расход через насадок
.
Отсюда
,
находим диаметр:
м.
Приняв угол конусности = 6, найдем диаметр входной части насадка (рис. 4.14)
Рис. 4.14
Контрольные вопросы
1. Что называется насадком и какие насадки вы знаете?
2. При каких условиях образуется сжатое сечение и на каком удалении от входа?
3. Почему в насадках
коэффициент сжатия струи 
принимается равным единице?
4. Чем отличаются коэффициенты идля отверстия?
5. Как учитывается влияние вязкости на коэффициенты и?
6. Что такое предельное (критическое) значение напора при истечении жидкости через насадки и почему действительное значение меньше критического?
7. Назовите область применения цилиндрических насадков и дайте им краткую характеристику.
8. Назовите область применения конических насадков и дайте им краткую характеристику.
5. Гидравлический удар в трубах
5.1. Физическая сущность гидравлического удара
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 (рис. 5.1).
Рис. 5.1
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 вконце 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 n–n)будет перемещаться от задвижки к резервуару. В остановившемся объеме между задвижкой и сечениемn–nвозникает дополнительное давление р. Скорость перемещения этого фронта называется скоростью распространения ударной волны и обозначается символом Сv:
,
где l иТ – | соответственно длина трубы и длительность первой фазы. |
Таким образом, упругая деформация сжатия и повышения давления распространяется вверх по течению и за время Tдостигает конца трубы. При этом освободившееся пространство на расстоянииlзаполняется жидкостью из резервуара.
В конце первой фазы вся жидкость в трубе неподвижна (v0 = 0) и находится под давлением:р +р.
Плотность жидкости при этом увеличивается до =+.
Вторая фаза. Начало второй фазы совпадает с концом первой. Жидкость в трубе сжата, но не уравновешена давлением в резервуаре, где давлениеp. Поэтому жидкость в трубе начинает расширяться в сторону резервуара. Сначала приобретают движение слои жидкости, близкие к резервуару, а затем фронт спада давленияn–nстанет перемещаться от резервуара к задвижке со скоростьюСv.
К концу второй фазы вся жидкость в трубе окажется в движении со скоростью vв 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 р=р –р. В конце третьей фазы вся жидкость останавливается и находится под действием пониженного давления.
Это состояние оказывается также неуравновешенным, т.к. давление в резервуаре равно р, а в трубер –р.
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
0и давление будет повышаться дор.
Фронт первоначального давленияn–nбудет перемещаться в сторону задвижки
со скорость распространения ударной
волныСv. К
концу четвертой фазы скоростью
движения по всей длине трубы будет равна
0,
а давлениер.
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 (рис. 5.2).
Рис. 5.2
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:
.
Если время закрытия задвижки меньше или равно фазе удара (t3T), то удар называется прямым.
При t3 Tне 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.
Гидравлический удар может возникнуть при внезапной остановке насоса, подающего воду по нагнетательному трубопроводу в резервуар (рис. 5.3).
Рис. 5.3
После выключения насоса
жидкость некоторое время будет двигаться
по инерции в сторону резервуара со
скоростью 
0и в трубопроводе образуется
пониженное давление. Затем начинается
обратное движение жидкости из
резервуара в область пониженного
давления. В трубопроводе и задвижке
давление повысится подобно тому, как
это имело место при прямом ударе.
Что такое гидравлический удар? Когда ночью что-то натыкается, это может быть вода, протекающая через ваши клапаны и трубы. Но когда вы слышите громкий стук от вашего водопровода или клапанов, это проблема, называемая гидравлическим ударом. Если вашему дому более десяти лет, вы, вероятно, можете засвидетельствовать, что слышите эту внезапную и часто тревожную какофонию. (Легкие спящие, вы слишком хорошо знаете, о чем мы говорим!) Но в любом случае, что за вызывает гидравлического удара? Наш эксперт по сантехническим работам по трещинам объясняет все, в том числе, как остановить этот безумный шум воды в первую очередь.
Что такое гидравлический удар и что вызывает проблемы с гидравлическим ударом в трубах?
Распространено заблуждение, что вода плавно течет по трубам, клапанам, туалетам и насосу. Фактически, вода взбалтывается и падает в вашей системе водоснабжения, когда она движется из резервуара, по трубам и, в конечном итоге, из клапанов и кранов.
Главным образом, все это движение воды вызывает устойчивый звук, который мы едва замечаем. Но иногда, когда вы внезапно закрываете клапан или воду, или когда происходит внезапное повышение давления, вода резко останавливается, вызывая знакомый звук гидравлического удара.Звук, или гидравлический удар, — это результат движения и соприкосновения поточных труб в вешалках.
Удары могут быть вызваны заболоченными воздушными камерами, забитыми камерами или избыточным давлением в вашей водопроводной системе. Это также может быть результатом засорения клапана или трубы, которое может издавать стуккатный стучащий звук.
Этот грохот встречается в основном в старых домах с трубами под углом 90 градусов, говорит Том Бигли , директор службы сантехники в Объединенной ассоциации.«Слышен шум, когда труба движется из-за ударных волн».
Новые дома с гибкими трубами, которые проходят сквозь стены, редко страдают от гидравлических ударов, говорит Бигли.
Да, это неприятно. Но что еще хуже, продолжительный шум гидравлического удара может привести к выходу из строя фитингов и клапанов, а также к разрыву труб. Правильно установленная сантехника содержит воздушные карманы или камеры, которые сжимаются при попадании на них ударной волны, приглушая звук воды. Но вода под давлением поглощает воздух и в конечном итоге разрушает воздушные подушки.Именно тогда начинается проблема гидравлического удара.
Как самостоятельно починить гидравлический удар
Если вы хотя бы немного уверены в своих сантехнических навыках (вы можете найти трубы и клапаны и узнать разницу между открытым и закрытым клапаном), вот несколько быстрых шагов по устранению Гидравлический удар, прежде чем вызвать профессиональный разрядник.
- Если вы слышите, откуда происходит гидравлический удар, например, в вашей ванной комнате, отключите подачу воды за шумной пропитанной камерой, откройте кран и дайте воде стечь.Когда скорость воды перестает капать, воздух снова заполнит трубы и восстановит воздушную подушку.
- Если гидравлический удар расположен глубоко внутри труб, вы можете отключить водяной клапан в доме и слить магистральные линии подачи воды, включив все смесители в доме, включая нагрудники шлангов, и пропустить поток воздуха. снова в трубы. Затем закройте все краны. Всегда проверяйте клапаны — иначе ваши трубы затопят дом!
- Снова включите водяной клапан. Не пугайтесь, если трубы выплевывают воздух при первом включении смесителей.Это нормально после закрытия клапана.
Когда вызывать водопроводчика для решения проблемы гидравлического удара
Если легкий гидравлический удар не помогает, ваши водопроводные трубы или клапаны могут быть забиты накоплением минеральных веществ и общим мусором. Это когда вам нужно вбросить полотенце (образно говоря) и вызвать сантехника.
Если камера закрыта крышкой, сантехник снимает крышку и вытаскивает остатки из ватерлинии и трубопроводов. Если в вашей системе нет встроенных воздушных камер, сантехник попытается уменьшить скачок давления, установив редукционный клапан в линии подачи (низкое давление обычно измеряется в дюймах водяного столба).Или, если это невозможно, так как давление воды будет слишком низким для хорошего душа, а также для работы посудомоечной машины или при стирке, необходимо установить воздушные камеры, чтобы остановить гидравлический удар. В любом случае, вы должны быть свободны от молотка и снова спать спокойно.
,Surge — Water Hammer
A Surge или « Water Hammer» в трубе или трубе — это скачок давления, вызванный внезапным изменением скорости потока.
Гидравлические удары могут быть созданы, если клапаны
- открываются или закрываются быстро.
- насосов внезапно останавливается или запускает
- частей трубопровода, разрывается
и энергия скорости преобразуется в энергию давления. Поскольку поток воды внутри трубы ограничен, ударная волна будет распространяться по несжимаемой воде в трубопроводе назад и обратно, отклоняя все на своем пути.
Поскольку жидкости имеют очень низкую сжимаемость, результирующая энергия давления может быть очень высокой. Если интенсивность в ударной волне высокая, может произойти физическое повреждение системы.
Пик давления гидравлического удара в трубопроводе, вызванный закрытием или открытием клапана, можно оценить как
Δ p = 0,070 Δv l / Δ t (1)
, где
Δ p = увеличение давления — скачок давления (psi)
Δ v = изменение скорости потока (фут / с)
Δ t = время закрытия клапана (с)
l = длина трубы на входе (футы)
- 1 фут (фут) = 0.3048 м
- 1 фут / с = 0,3048 м / с
- 1 фунт / кв.дюйм (фунт / дюйм 2 ) = 6894,8 Па (Н / м 2 )
Пример — Водяной молот, генерируемый при закрытие соленоидного клапана
Пик давления (гидравлический удар) в водяной трубе 100 футов , где скорость потока воды уменьшается с 6 футов / с до 0 фут / с , когда соленоидный клапан закрывается в 0,1 s — можно оценить как
Δ p = 0.070 ((6 футов / с) — (0 футов / с) ) (100 футов) / (0,1 с)
= 420 (фунтов на квадратный дюйм)
Со временем закрытия 1 с ( электромагнитный клапан с демпфером) — скачок давления (гидравлический удар) можно оценить как
Δ p = 0,070 ((6 футов / с) — (0 футов / с) ) (100 футов) / (1 s)
= 42 (фунт / кв. дюйм)
Примечание! — важно, чтобы
- медленно открывали и закрывали клапаны
- используют устройства плавного пуска для запуска / остановки насосов
, чтобы избежать гидравлических ударов , повреждающих системы трубопроводов.
Примечание. Гидравлические удары могут быть более разрушительными при применении под низким давлением.
Калькулятор гидравлического удара
Имперские единицы
Δ v — изменение скорости (фут / с)
т — время закрытия клапана (-ов)
л — длина трубы ( футы)
SI Единицы
Δ v — изменение скорости (м / с)
т — время закрытия клапана (-ов)
л — длина трубы (м)
.Гидромолотв трубопроводных системах, том 43
перейти к содержанию- О Elsevier
- О нас
- Elsevier Connect
- Карьера
- Продукты и решения
- R & D Solutions
- Клинические Решения