Графические расчеты гидравлического удара в водоводах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Рост городов и развитие промышленности постоянно требуют решения вопроса об отводе и очистке стоков, образующихся в процессе производства и жизнедеятельности людей. Водоотводящие сети имеют большую протяженность и обычно устраиваются самотечными. Но отвести стоки к очистным сооружениям, обеспечить их подачу на требуемую высоту, большие расстояния или выпуск в водоем самотеком в системах водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий удается не всегда. Поэтому часто возникает необходимость перекачки сточных вод насосными станциями, которые по напорным линиям транспортируют стоки в заданные места и на требуемые высоты.

Таким образом, напорные трубопроводы являются важным рабочим звеном в обеспечении эффективной работы всей водоотводящей системы. От надежного функционирования этих линейных участков во многом зависит состояние окружающей среды, развитие промышленности и инфраструктуры населенных пунктов.

Резкие повышения давления в таких системах могут приводить к авариям, которые усугубляются возможностью загрязнения окружающей среды сточными водами. Чтобы обеспечить надежную работу данных сооружений, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации необходимо проведение соответствующих расчетов трубопровода на гидравлический удар. От точности проведения таких расчетов во многом зависит выбор наиболее эффективных средств противоударной защиты и материала труб.

В настоящее время нашими и зарубежными исследователями накоплен большой объем знаний по расчету гидравлического удара и методам защиты от него напорных трубопроводных систем водоснабжения, гидроэнергетики, мелиорации, горнодобывающей промышленности, для систем транспортирования нефти, различных гидросмесей, для трубопроводов химической промышленности. Однако исследования гидравлических ударов в напорных потоках сточных вод по нашим данным до сего времени вообще не проводились, поскольку полагалось, что процессы, происходящие в сточной жидкости, аналогичны тем, что возникают в обычной водопроводной воде. Между тем защита напорных систем водоотведения от гидравлических ударов имеет ряд особенностей, а расчет систем водоотведения особенно промышленных стоков существенно отличается от аналогичных расчетов при перекачке обычной чистой воды. Поэтому исследование гидродинамических параметров напорного потока сточных вод при возникновении в трубопроводе нестационарных режимов, а также выработка рекомендаций по защите таких систем от гидравлических ударов являются достаточно актуальными.

В связи с этим целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование явления гидравлического удара в сточных водах, разработка методики расчета параметров такого потока при возникновении нестационарных режимов течения, а также выработка основных рекомендаций по противоударной защите рассматриваемых напорных систем.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

* Проанализировать накопленный объем знаний по расчету гидравлического удара и методам защиты от него для различных трубопроводных систем.

* Выявить и описать особенности напорных систем водоотведения, которые могут влиять на величину колебания давления при гидравлическом ударе.

* Предложить методику и разработать алгоритм расчета параметров неустановившегося напорного течения сточной жидкости по напорным трубопроводам с учетом особенностей рассматриваемых напорных систем.

* Дать рекомендации по выбору и использованию противоударных мер и средств для защиты напорных трубопроводных систем водоотведения от гидравлических ударов.

Решение указанных задач в работе осуществлялось путем теоретического исследования явления гидравлического удара в загрязненных жидкостях, опираясь на обширный теоретический и экспериментальный материал, накопленный по данному вопросу для других напорных трубопроводных систем. В процессе исследования аналитическими методами проводилось сравнение, где это было возможно, полученных результатов расчета с опытными данными, приводимыми в материалах экспериментальных исследований.

Научная новизна работы состоит в том, что в виду отсутствия исследований нестационарных режимов течения сточной жидкости в данной работе изложены основные принципы расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения с учетом особенностей как самих трубопроводных систем, так и характеристик транспортируемой по ним жидкости.

На основе проведенных исследований в работе даны рекомендации по организации противоударной защиты напорных трубопроводов водоотведения, а также предложена конструкция гасителя гидравлического удара, адаптированная к условиям работы на загрязненных жидкостях.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Предлагаемая методика расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения позволяет определять гидродинамические параметры потока сточных вод с учетом его неонородности и особенностей продольного профиля магистрали, что в свою очередь дает возможность более правильно подбирать и рассчитывать противоударные устройства для таких систем, а, следовательно, способствует предупреждению случаев возникновения нестационарных режимов течения в трубопроводах и тем самым увеличивает надежность их работы.

1. Общие понятия о гидравлическом ударе в трубопроводах

гидравлический удар трубопроводный водоотведение

Гидравлическим ударом называется внезапное повышение или снижение давления жидкости внутри трубопровода, вызванное любым резким изменением скорости её течения. Гидравлические удары возникают при пуске и остановке насосов при открытой задвижке на напорной линии, а также при быстром открытии или закрытии регулирующих органов на водоводах и от других причин.

Особенно опасны в этом отношении маломощные насосы с небольшой инерцией движущихся масс, широко распространённыё в небольших системах водоснабжения.

При гидравлических ударах давление в трубах скачкообразно возрастает до больших величин, в ряде случаев образуется вакуум, резко колеблется давление, возникает кавитация. Эти явления нарушают герметичность стыков, вызывают разрывы труб, повреждение рабочих колёс насосов, контрольно-измерительных приборов, арматуры, нежелательную вибрацию оборудования и т.д.

Наблюдения показали, что на напорных линиях, подверженных даже незначительным колебаниям давления, обусловленных гидравлическими ударами, утечки растут из года в год.

По СНиПу [1] повышение давления при гидравлическом ударе определяется расчётом, на основании которого принимаются меры защиты от гидравлического удара. Для защиты водоводов от гидравлических ударов разработаны достаточно надёжные противоударные приборы.

После установки этих противоударных приборов аварии на водоводах прекращаются.

Впервые научная теория гидравлического удара в трубах разработана выдающимся русским учёным Н.Е. Жуковским. В дальнейшем изучению этого явления посвятили свои труды многие отечественные и зарубежные исследователи.

Величина гидравлического удара определяется многими факторами: характеристикой насоса или запорного органа, материалом труб, их диаметром, длиной трубопровода, режимом работы водовода, наличием в воде нерастворённых газов, профилем укладки трубопровода и т.д.

Классическая формула для определения напора при так называемом прямом гидравлическом ударе, выведенная Н. Е. Жуковским, имеет вид:

Н=Н0+?Н=Н0+с?х/g, м, (2.1)

где Н0 - статический напор, т.е. напор в данной точке водовода после прекращения течения жидкости, м;

?Н добавочный напор, обусловленный гидравлическим ударом, м;

с - скорость распространения ударной волны, м/с;

?х - величина изменения скорости течения в водоводе, в результате действия которой изменился напор, м/с:

?х=х0 - х;

х0 - первоначальная скорость установившегося течения жидкости, м/с;

х - оставшаяся скорость течения жидкости, м/с;

При полном прекращении течения, когда х=0, ?х=х0 и, следовательно,

Н= Н0+сх0 /g, м. (2.2)

Если скорость течения не замедляется, а, наоборот, ускоряется например, вследствие резкого открытия крана, то в формулах (2.1) и (2.2) перед вторым членом должен стоять знак “минус”.

Насколько сильно действует гидравлический удар в водоводе, можно видеть из следующего примера. Допустим, в конце водовода быстро закрывается задвижка, в результате чего возникает прямой удар. Скорость течения до её закрытия х=1,5 м/с, Н0=50м, трубы чугунные, скорость распространения ударной волны в данном случае с=1100 м/с. Тогда по формуле

Н=50+1100.1,5 / 9,81 = 220 м,

т.е. давление при ударе достигает p=2,15 МПа. В действительности это давление вследствие потерь энергии и других факторов будет несколько меньше, но всё равно останется довольно высоким, способным в ряде случаев разрушить даже чугунные трубы или нарушить герметичность стыков.

Гидравлический удар в трубопроводах носит волновой характер. Это означает, что возникший в какой-либо точке трубопровода импульс изменения скорости и давления перемещается вдоль всего трубопровода со скоростью c в виде волны изменения скорости и повышения или понижения давления.

Волны отражаются от открытого конца трубопровода, от тупика, резервуара и других характерных мест в трубопроводе и перемещаются в обратную сторону. Волны давления от резервуаров со свободной поверхностью жидкости или открытых концов труб отражаются с переменой знака, а от закрытых концов трубопровода - с тем же знаком, что и подошедшие.

Волновой характер гидравлического удара хорошо виден на осциллограммах, записанных датчиками на трубопроводе у крана при быстром его закрытии и у центробежного насоса при его выключении (рис 2.1, б). Вторая осциллограмма отличается от первой тем, что здесь гидравлический удар начинается со снижения напора вследствие оттока воды по инерции от насоса после его остановки.

Рис. 1.1 Осциллограммы гидравлического удара без разрыва сплошности потока

Расстояния между соседними вершиной и впадиной на осциллограммах ф0, т.е. полупериод, в теории гидравлического удара принято называть фазой колебаний гидравлического удара. При прямом ударе, которому соответствуют зависимости (2.1) и (2.2), продолжительность изменения скорости течения ts, т.е. время закрытия (открытия) затвора, или время пуска и остановки насоса, должно быть равно или меньше фазы гидравлического удара, т.е. ts<ф0.

В противном случае, т.е. при ts>ф0, гидравлический удар называется непрямым. Из теории гидравлического удара известно, что

ф0=2й /c, с,

где й - длина трубопровода, м.

При непрямом ударе величина изменения напора ?Н получается меньше, чем по формуле Н.Е. Жуковского (2.1). Это объясняется тем, что при значительной продолжительности времени ts к месту возникновения гидравлического удара начинают подходить отражённые от свободного конца трубы или от резервуара волны противоположного знака в тот момент, когда процесс нарастания (или падения) давления здесь ещё не закончился. В результате взаимодействия прямых и отраженных волн суммарный напор получается меньше, чем по формуле. Определение максимального напора при непрямом ударе связано с громоздкими вычислениями, поэтому его рекомендуется выполнять на ЭВМ.

Особым и наиболее сложным случаем гидравлического удара является удар с разрывом сплошности потока в трубопроводе. Разрыв потока возникает, когда при гидравлическом ударе дополнительное снижение напора

?Н= с?х0/g

оказывается больше первоначального напора Нр в данной точке трубопровода. При этом давление в трубах падает ниже атмосферного уровня, поток разрывается - образуются пустоты, заполненные парами воды.

На диаграмме рассмотрены случаи изменения напора при остановке насоса в точке 3. Этот насос при нормальной работе подаёт воду в резервуар на противоположном конце трубопровода. Гидравлический удар начинается с понижения напора. В зависимости от величины изменения скорости ?х и характера профиля водовода могут встретиться следующие случаи:

1. При понижении напора в начале водовода на величину ?Н разрыва сплошности по всей длине водовода не происходит (рис 2.2, а), т.к

?Н=с?х/g ?Н0+Нвм (2.4)

где Нвм - максимально возможный вакуум в трубах, м; теоретически не более 7 - 8 м.

Таким образом, зависимость (2.4) выражает условие, при котором разрыв сплошности в трубопроводе отсутствует.

2. При значительных изменениях скорости ?х и больших величинах ?Н напор в водоводе на части его длины (рис. 2.2, б и 2.2, в) или на всем протяжении (рис 2.2,г) снижается до абсолютного нуля, т.е. на величину Нвм ниже атмосферного уровня. При этом вследствие перемещения воды под действием инерции в водоводе возникают разрывы сплошности (пустоты).

Рис.1.2 Методы расчёта гидравлического удара

2. Расчёт трубопровода на гидравлический удар при регулировании потока жидкости задвижкой

Применяемые на водоводах задвижки сконструированы таким образом, чтобы сравнительно медленно перекрывать сечение трубопровода. Однако при определённых условиях время регулирования бывает недостаточно для безударного закрытия. Поэтому при низконапорных трубах (асбоцементных, пластмассовых, чугунных класса ЛА) рекомендуется выполнить расчёт на допустимость закрытия задвижки за заданный промежуток времени tз. Время закрытия tз для электрифицированных задвижек указывается в их паспортах и в справочниках. Например, для параллельных электрифицированных задвижек с условными проходами от 100 до 1200 мм время закрытия в зависимости от диаметра равно от 0,8 до 4,6 мин, для аналогичных клиновых задвижек - от 0,7 до 5,3 мин. Для параллельных задвижек с ручным управлением при диаметрах до 300 мм время tз (на основании опытных данных) составляет от 20 до 70 с, или в среднем около 45 с.

На рис. 2.1 дана расчётная схема для определения напора, возникающего при закрытии задвижки в любой точке водовода. В начале водовода расположен резервуар (или насос), развивающий напор Н0. В конце участка в точке В установлена задвижка, время закрытия которой tз. Свободный напор над задвижкой при установившемся режиме h0; потери напора

hп = Н0 - h0.

Рис. 2.1 Расчётная схема трубопровода: 1 - условная напорная линия; 2 - действительная напорная линия

Для упрощения расчётов предполагается, что все эти потери напора сосредоточены в конце трубопровода в условной диафрагме Dн и в задвижке в точке В, а по всей длине водовода рабочее давление

Нр = Н0.

Расчёт на гидравлический удар по предложению Л.Ф. Мошнина выполняется в такой последовательности:

1. Определяется скорость распространения ударной волны с.

2. Вычисляется длительность фазы ф0 = 2l / c и сравнивается с временем закрытия задвижки tз. Если ф0 ? фз, происходит прямой удар - максимальный напор следует определять по формуле.При ф0 < фз, удар непрямой, поэтому напор вычисляют пофазно.

3. Рассчитывается число фаз колебаний напора в процессе закрытия задвижки при непрямом ударе:

nф = tз / ф0.

4/Для определения напора пофазно при непрямом ударе совместно решаются следующие три уравнения:

х, м/c, (4.2)

, (4.3)

, (4.4)

где - коэффициент потерь напора в трубопроводе и задвижке;

х - скорость течения жидкости, которая в течение рассматриваемой

фазы принимается постоянной, м/с;

=?Н - модуль гидравлического удара, м: =сх0/g;

, c2/м;

- коэффициент потерь напора в трубопроводе, c2/м; предполагается равенство коэффициентов гидравлического сопротивления при установившемся и неустановившемся движении жидкости. Тогда

, c2/м;

- коэффициент гидравлических потерь напора в задвижке при

3. Предотвращение гидравлического удара

Методы предотвращения негативных явлений гидравлического удара и его использование

Резкое увеличение давления, сопровождающее гидравлический удар - явление крайне негативное, т.к. гидравлический удар может разрушить трубопровод или какие-либо элементы гидравлических машин, испытывающие эффекты гидравлического удара. По этой причине разрабатываются методы предотвращения гидравлических ударов или уменьшить его негативное влияние. Поскольку мощность гидравлического удара напрямую зависит от массы движущийся жидкости, то для предотвращения гидравлического удара следует максимально уменьшить массу жидкости, которая будет участвовать в гидравлическом ударе. Для этого необходимо запорную арматуру монтировать в непосредственной близости к резервуару. В качестве меры уменьшения негативных последствий гидравлического удара используют замену прямого гидравлического удара на непрямой. Для этого достаточно запорную арматуру на напорных трубопроводах сделать медленно закрывающейся, что позволит уменьшить силу удара. Другой мерой борьбы с явлением гидравлического удара является установка на напорных линиях, работающих в условиях циклической нагрузки специальных компенсаторов с воздушной подушкой, которая принимает на себя удар.

Общие сведения о противоударных устройствах

Для предупреждения гидравлических ударов и защиты от них разработаны надёжные противоударные приспособления, а для водоводов большого диаметра - комплекс противоударных мероприятий. Этот комплекс включает также воздушные клапаны для впуска воздуха или воды в местах возможных разрывов сплошности потока, обратные клапаны на наклонных участках для расчленения потока и устройства для пропуска воды через насос в обратном направлении после его выключения.

На водоводах коммунального хозяйства и крупных промышленных и сельскохозяйственных объектах применяются гасители гидравлических ударов системы УкрВОДГЕО, воздушно-гидравлические колпаки и другие приборы.

Наряду с эффективными противоударными мероприятиями в технической литературе до сих пор встречаютя рекомендации по использованию в качестве противоударных приборов пружинных и рычажно-грузовых клапанов. Эти клапаны хорошо работают на паровых котлах, где давление поднимается медленно, но на водоводах они работают неудовлетворительно. Это объясняется высокой инерционностью рычажно-грузовых клапанов и необходимостью точного расчёта на заданное давление пружинных клапанов. При изменении давления последние или протекают, или не гасят гидравлические удары.

Анализ различных противоударных устройств и мероприятий с точки зрения применимости их для напорных водоводов небольших и средних систем водоснабжения показал, что наиболее целесообразны воздушно-гидравлические колпаки с устройствами для сохранения в них воздуха, а также противоударные клапаны-гасители систем ЛИИЖТа (Ленинградский институт инженеров железнодорожного транспорта), разрывные мембраны.

Воздушно-гидравлические колпаки

Воздушно-гидравлические колпаки - старейшее средство для предохранения от гидравлических ударов. Колпаки успешно гасят гидравлические удары, возникающие от любых причин, и не допускают вакуума в месте образования возмущения потока.

Колпаки или котлы состоят из стальных цилиндрических сосудов, заполненных в верхней части воздухом (примерно на высоты при статическом давлении). Колпаки устанавливаются вертикально на патрубок трубопровода. При гидравлическом ударе и повышении давления в линии часть воды поступает из трубопровода в колпак и сжимает находящийся там воздух, при этом сила удара ослабевает за счёт амортизирующих свойств воздуха. При понижении давления в трубопроводе воздух расширяется и часть воды из колпака вытекает в трубопровод, заполняя возможные разрывы сплошности и тем самым снижая величину последующего повышения давления. Таким образом, воздух в колпаке служит упругим элементом, компенсирующим изменение объёма жидкости в трубопроводе при гидравлическом ударе.

4. Использование гидравлического удара

Однако в ряде случаев явление гидравлического удара успешно используется. К таким случаям использования гидравлического удара относятся производственные процессы по разрушению материалов и др. Известна специальная конструкция водоподъёмника, базирующаяся на использовании гидравлического удара.

Заключение

1. На сегодняшний день, как показал анализ литературных источников, практически отсутствуют работы, посвященные исследованию явления гидравлического удара и методам защиты напорных трубопроводов, перекачивающих сточные воды, в то время как в системах водоотведения напорное транспортирование находит широкое применение для перекачивания бытовых, производственных, поверхностных стоков, а также осадков, образующихся на очистных сооружениях.

2. Параметры напорных трубопроводных систем водоотведения во многом отличны от аналогичных для систем, транспортирующих чистую воду, при этом сточные воды являются гетерогенной и многофазной средой, что необходимо учитывать при описании нестационарных режимов течения, а также при выборе средств противоударной защиты рассматриваемых систем.

3. Для расчета скорости распространения волны ударного импульса, являющейся одной из основных характеристик, определяющих величину изменения давления при гидравлических ударах, в работе получена соответствующая формула, которая позволяет определять данную величину с учетом как многофазности, так и многокомпонентности напорного потока сточных вод. В результате проведенных аналитических исследований установлено, что скорость распространения волны гидравлического удара в системах водоотведения зависит не только от наличия и концентрации газовой составляющей потока, но и от количества загрязняющих компонентов и их упругих свойств. При наличии загрязнений, упругие характеристики которых меньше аналогичных для чистой воды, скорость распространения ударной волны так же может значительно уменьшаться с увеличением концентрации указанных загрязнений.

4. Предлагаемая методика расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения позволяет определять гидродинамические параметры потока сточных вод с учетом особенностей как самих напорных систем водоотведения, так и транспортируемой по ним жидкости, что в свою очередь дает возможность более правильно подбирать и рассчитывать противоударные устройства. Проведенные расчеты показали, что для напорных трубопроводов, транспортирующих сточные воды с большим содержанием нерастворенных минеральных загрязнений и очень малых газосодержаниях, величина ударного давления в системе может быть больше, чем это наблюдалось бы для потока чистой воды. Увеличение концентрации загрязнений, упругие характеристики которых меньше аналогичных характеристик воды, может способствовать уменьшению величины ударного давления.

5. Для защиты систем водоотведения от гидравлических ударов и тем самым снижения вероятности возникновения аварий рекомендуется использовать предложенный в работе комплекс противоударных мер и средств, выбор которых необходимо проводить на основе технико-экономических расчетов. При этом для рассматриваемых систем должно отдаваться предпочтение использованию таких способов, которые не требуют установки специальных устройств, имеющих быстро засоряемые элементы, а также при срабатывании которых не происходит выпуск сточных вод за пределы трубопроводной системы.

6. Для снижения резких колебаний давления при гидравлических ударах, начинающихся как с волны повышения, так и понижения давления, в напорных системах, транспортирующих неоднородные жидкости, рекомендуется применять описанный в работе усовершенствованный гаситель гидравлических ударов, на который получен патент РФ на полезную модель.

7. Экономические расчеты показывают, что затраты, связанные с использованием отмеченных в работе средств для защиты от резких повышений давления напорных водоотводящих систем, несоизмеримо меньше, чем средства необходимые на восстановление работы трубопроводной магистрали и возмещение ущерба от загрязнения окружающей среды при авариях.

Список использованных источников

1. Алышев В.М. Методика определения скорости распространения волны гидравлического удара в многофазных потоках // Гидравлика, использование водной энергии: Труды МГМИ. 1979. -- т.61. -- с.52-57.

2. Алышев В.М. Неустановившееся напорное движение реальной жидкости в трубопроводных системах: Автореф. дис... докт. техн. наук. -- М: МГМИ, 1987.- 44 с.

3. Андреева JI.E. Упругие элементы приборов. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- М: Машиностроение, 1981.-392 с.

4. Андрияшев М.И. Графические расчеты гидравлического удара в водоводах. М.:Стройиздат, 1969. - 65 с.

5. Аронович Г.В., Картвелишвили H.A., Любимцев Я.К. Гидравлический удар и уравнительные резервуары / Под ред. Картвелишвили H.A. -М.:Наука,1968. 247 с.

6. Асатур К.Г. О решении дифференциальных уравнений гидравлического удара Н.Е.Жуковским // Изв. АН АрмССР. Сер.физ.-мат.науки. -- 1950. №2.

Размещено на Allbest.ru