Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройства для стабилизации колебаний давления и расхода в тепловых сетях

К.т.н. А.Б. Роскин, ведущий специалист НПК «Вектор» (продолжение, начало в № 2, 2004 г.)

Стабилизаторы давления с упругими камерами

давление колебание тепловой сеть

Простейшая схема такого стабилизатора представляет собой часть трубопровода, выполненного из упругого материала, обеспечивающего податливость стенок данного элемента трубопровода, и соединенного с магистралью фланцами. При возникновении пульсаций давления в трубопроводе происходит демпфирование колебаний, обусловленное упругой деформацией стенок упругого элемента. Однако нарушение геометрической формы трубопровода может отрицательно сказаться на характеристиках гидросистемы в целом. Кроме того, из-за ограниченной податливости такого стабилизатора не представляется возможным в достаточной степени снизить уровень колебательных процессов в гидромагистрали.

Схема стабилизатора, лишенного указанных недостатков, приведена на рис. 11 [6]. Стабилизатор представляет собой центральный трубопровод 1 цилиндрического поперечного сечения, связанный через распределенную перфорацию 4 с коаксиальной упругой камерой эллиптического поперечного сечения, выполненной из пружинной стали. Центральный трубопровод соединен с гидромагистралью с помощью фланцев 2. Длина коаксиального эллиптического участка выбирается в зависимости от требуемой степени коррекции динамических процессов гидросистемы.

Выбором параметров коаксиальной камеры и распределенной перфорации можно добиться необходимого уменьшения амплитуды колебаний давления и изменения собственной частоты системы.

На рис. приведена схема стабилизатора, податливость которого можно регулировать с помощью изменения параметров упругих камер [6]. Стабилизатор предназначен для обеспечения нормальной работоспособности установок в процессе их включения, остановки и регулирования, для предотвращения аварийных ситуаций при резонансных частотах, вызванных колебаниями давления жидкости в трубопроводах.

Стабилизатор представляет собой участок трубопровода 1 с закрепленными на нем упругими элементами 2, выполненными в виде герметичных цельнометаллических камер из пружинной стали, соединенных с трубопроводом посредством перфорации 3. В нерабочем положении (давление в трубопроводе отсутствует) упругие элементы имеют форму I. В квазистатическом режиме жидкость, протекающая по трубопроводу через перфорацию, поступает в упругие камеры, которые при этом принимают форму II. Под действием волн давления, возникающих в трубопроводе, происходит перемещение упругих стенок цельнометаллических камер, которые принимают форму III. В случае понижения давления в трубопроводе часть жидкости через перфорацию поступает обратно в трубопровод, и упругие камеры принимают форму I.

Процессы деформации упругих стенок характеризуются малыми постоянными времени, поэтому вследствие податливости происходит гашение колебаний давления. Изменяя геометрические параметры упругих камер и суммарную площадь перфораций, можно добиться максимального уменьшения уровня колебаний давления и «увода» собственной частоты системы из резонансной области.

Весьма перспективным является стабилизатор с разветвленной системой эллиптических трубок, применяемых в качестве упругих элементов, показанный на рис. 13 [6].

Стабилизатор состоит из участка трубопровода 1 с перфорацией 5, равномерно распределенной по длине стабилизатора и соединяющей магистраль через предкамеру 4 цилиндрической или эллиптической формы и коллекторы 2 с упругими демпфирующими элементами 3 эллиптического поперечного сечения. Демпфирующие элементы, симметрично и равномерно расположенные вокруг корпуса предкамеры, выполнены из пружинной стали и для обеспечения возможности разборки и переналадки на другой режим стабилизатора закреплены между коллекторами посредством уплотнительных втулок с резиновыми уплотнительными кольцами 6. Количество демпфирующих элементов и их геометрические параметры определяют на основе конкретных требований к динамике трубопровода и режимам работы нагнетательных установок.

Для обеспечения равномерной и симметричной податливости упругих стенок демпфирующих трубок их устанавливают так, чтобы большие оси эллипсов были параллельны между собой. Чтобы исключить влияние на податливость упругих стенок трубок собственной массы жидкости, находящейся в них, эти оси должны быть перпендикулярны горизонтальной оси трубопровода.

Корпус предкамеры расположен соосно с участком перфорированного трубопровода и образует с ним камеру для сообщения полости трубопровода через распределенную перфорацию и коллекторы с полостями упругих трубок.

Устройство работает следующим образом. Когда давление в трубопроводе отсутствует, демпфирующие трубки имеют форму I. При квазистатическом режиме жидкость, протекающая по трубопроводу, через перфорацию, камеру и коллекторы поступает в демпфирующие трубки, которые принимают рабочую форму II. В случае возникновения колебаний давления в трубопроводе происходит линейное перемещение упругих стенок, которые в зависимости от увеличения или уменьшения динамической составляющей давления могут принимать формы III или IV соответственно. Максимальные линейные перемещения стенок упругих трубок происходят в момент действия гидравлических ударов. При большой суммарной податливости упругих трубок и оптимальном варианте суммарной площади перфорации можно добиться максимального уменьшения уровня колебаний давления при гидроударах и вынужденных колебаниях, а следовательно, перемещения собственных частот колебаний системы из резонансной области.

Для стабилизации колебаний давления в трубопроводных системах высокого давления предложен стабилизатор, в котором упругие камеры помещены в демпфирующую среду. На рис. 14 [6] изображен общий вид стабилизатора и варианты заполнения замкнутых полостей жидкостью и упругими резиновыми шариками. Стабилизатор содержит перфорированный трубопровод 1 с распределенной по его длине перфорацией 2, предкамеру 3, коллекторы 4, упругие камеры 5 эллиптического поперечного сечения, охваченные жесткими цилиндрическими оболочками 6 и запорные элементы 7. Пространство между упругой и жесткой оболочкой заполняется жидкостью 8, с объемом, равным свободному объему деформации упругих элементов или упругими резиновыми шариками 9. Стабилизатор работает следующим образом. Жидкость, протекающая по магистральному трубопроводу, поступает в перфорированный трубопровод 1, а далее через распределенную перфорацию 2 в предкамеру 3, имеющую цилиндрическую форму и коллекторы 4 с упругими демпфирующими камерами 5.

При возникновении колебаний давления в трубопроводах возмущение жидкости гасится вследствие диссипации энергии колебаний на отверстиях перфорации 2, потерь при внезапном расширении потока и механической деформации эллиптических упругих камер 5. Наиболее опасным для стабилизатора является гашение гидравлического удара, при котором деформация упругих камер 5 максимальна, т.к. это может привести к их повреждению. Для исключения разрыва или повреждения камер 5 они охвачены жесткими оболочками 6 с образованием замкнутой полости с демпфирующей средой, что повышает надежность работы стабилизатора.

Стабилизатор с упругой камерой, работающей от внешнего давления, показан на рис. 15 [6]. Он состоит из корпуса 4, центрального трубопровода 2 с распределенной по длине стабилизатора перфорацией 1. Демпфирующие элементы 3, выполненные из многослойных оболочек эллиптического поперечного сечения, закреплены концами на стенках 5 корпуса 4. Пространство между оболочками заполнено жидкостью 6 с объемом, равным суммарному свободному объему упругих деформаций камер 3.

Устройство работает следующим образом. Жидкость, протекающая по магистральному трубопроводу от входа к выходу через перфорацию в трубе 2, заполняет полость корпуса 4, и давление жидкости воздействует на демпфирующие элементы 3. При возникновении колебаний давления демпфирующие элементы деформируются. При этом гашение колебаний давления происходит вследствие диссипации энергии на распределенной по длине устройства перфорации, расширения потока жидкости в объеме камеры и демпфирования в упругих элементах. При резком увеличении рабочего давления жидкости происходит последовательное нагружение упругих оболочек демпфирующего элемента, заключенных внутри корпуса 4 (начиная с внешней оболочки). При этом несжимаемое рабочее тело, частично заполняющее внутренние полости упругих оболочек, ограничивает перемещение стенок в пределах упругих деформаций.

Стабилизатор, изображенный на рис. 16 [6], состоит из корпуса 5, центрального трубопровода 2 с заглушками на концах, а также переднего 3, промежуточных 6 и заднего днищ 7. По периметру центральной трубы 2 на днищах расположены шесть упругих камер 4, состоящих из трех секций. Внутри упругих камер 4 установлены перфорированные трубы 1 с распределенной по длине перфорацией. Все три секции с помощью стержней 9 стянуты по длине. Стабилизатор в собранном виде устанавливают в корпус 5 и герметизируют по периметру уплотнительными кольцами 8.

Стабилизатор работает следующим образом. При квазистатическом режиме течения жидкость через трубы с распределенной перфорацией 1 поступает в упругие камеры 4. Упругая камера представляет собой тонкостенную трубу из стали типа ЗОХГСА, центральная часть которой имеет эллиптическое поперечное сечение.

При возникновении колебаний давления в магистрали происходит линейное перемещение стенок упругого элемента стабилизатора.

Гашение колебаний давления осуществляется вследствие расширения и распределения потока жидкости на несколько камер, диссипации энергии колебаний на распределенной по длине перфорации и демпфирования подлине упругой камеры.

На рис. 17 [6, 13] показан общий вид устройства для гашения колебаний давления в магистральных трубопроводах большого диаметра.

Устройство содержит центральный трубопровод 1, включающий перфорированные участки 2, 7 и глухую часть 4. Снаружи центрального трубопровода 1 закреплен герметичный цилиндрический корпус 5. Внутри корпуса 5 установлены две перфорированные перегородки 3 и 6, которые разделяют его на три камеры: две крайние 8 и 12 и центральную 9. В центральной камере 9 расположен упругий элемент, выполненный в виде пакета отработанных автомобильных шин 10, установленных на глухой части 4 центрального трубопровода 1 с радиальным зазором относительно боковой стенки цилиндрического корпуса 5. Автомобильные шины 10 наполнены микропористой резиной. В качестве наполнителя (в зависимости от физических свойств жидкой среды в трубопроводе 1- температуры и рабочего давления) могут также применяться следующие материалы: обрезки резинового или полиэтиленового шланга, пустые полиэтиленовые баллончики, слоистая прессованная пластмасса, металлическое волокно, алюминиевая вата.

Устройство устанавливают в магистральном трубопроводе большого диаметра в зоне, прилегающей к насосной станции, или вблизи задвижек, расположенных в разветвленной части трубопровода.

При пуске и остановке насосной станции, а также при открытии и закрытии задвижек в разветвленных участках трубопровода возникают колебания давления жидкости, причем в случае возникновения гидравлического удара амплитуда колебаний давления жидкости в трубопроводе, как правило, в несколько раз превышает величину рабочего давления. Колебания давления жидкости в трубопроводе приводят к разрушению стенок трубопровода и нарушению герметизации его соединений.

Устройство гашения работает следующим образом. При возникновении колебаний давления в трубопроводе волна давления, распространяясь, поступает через перфорации 2 и 7 в камеры 5 и 12. При этом часть энергии колебаний теряется вследствие диссипации на распределенной перфорации 2 и 7. Из камер 8 и 12 жидкость через перфорации 3 и 6 поступает в камеру 9 и воздействует на упругий элемент, выполненный в виде пакета автомобильных шин 10, заполненных микропористой резиной 11. Пакет 10 благодаря своей податливости деформируется, смещаясь по глухой части 4 трубопровода 1, и гасит колебания давления в магистрали. Здесь следует отметить, что работа устройства одинакова как для прямой, так и для отраженной волны давления.

Для трубопроводов с наружным диаметром 330 мм можно применять отработанные шины легковых автомобилей; при наружном диаметре трубопровода 508 мм подходят шины для ЗИЛ-131 или УРАЛ-375Д; шины для КрАЗ-255Б можно использовать в трубопроводах с наружным диаметром 533 мм, а шины для различных марок автомобилей БелАЗ - в трубопроводах, наружный диаметр которых изменяется от 635 до 1244 мм.

Из приведенных данных следует, что это устройство может найти широкое применение в магистральных трубопроводах с различным диапазоном наружных диаметров.

На рис. 18 [6] представлен еще один вариант конструкции стабилизатора давления с упругими элементами, выполненными в виде пакета автомобильных шин, заполненных микропористой резиной.

Данный стабилизатор давления предназначен для магистральных трубопроводов с внутренним диаметром 600 мм и более, он по существу представляет собой модификацию варианта стабилизатора давления для трубопровода с внутренним диаметром 300 мм (см. рис. 17). Особенность стабилизатора заключается в следующем. Поток жидкости в основном трубопроводе диаметром 600 мм распределяется на несколько потоков, при этом необходимо соблюдение условия, где F, f -- площадь поперечного сечения гидромагистрали большого и малого диаметра соответственно, n -число ответвлений.

На рис. 19 [14] представлена схема стабилизатора давления и расхода жидкости с упругими элементами в нескольких камерах.

Стабилизатор давления состоит из цилиндрического корпуса 1, охватывающего с образованием кольцевой расширительной предкамеры центральный трубопровод 2, на котором выполнены перфорационные отверстия 3. Вокруг центрального трубопровода 2, параллельно ему, на его осевой горизонтальной плоскости и выше нее расположены демпфирующие камеры 4 в количестве не менее трех. Каждая демпфирующая камера 4 представляет собой цилиндрическую трубу 5 из эластичного материала (для использования стабилизатора в трубопроводных системах с агрессивными рабочими средами для изготовления трубки 5 применяется маслостойкая резина), помещенную в жесткий кожух 6 с образованием кольцевого зазора, который заполнен упруго-демпфирующим материалом 7. Внутри трубки 5 по ее продольной оси коаксиально установлен трубопровод 8 с перфорационными отверстиями 9. Для фиксации торцов трубки 5 и трубопровода 8 могут применяться различные конструктивные элементы, например, кольца 10, установленные на наружной поверхности трубопровода 8, и кольца 11, установленные на внутренней поверхности кожуха 6. Кольца 10 и 11 имеют конические поверхности, между которыми обжаты торцевые концы трубки 5 с помощью зажимных винтов 12. Для предотвращения утечек рабочей жидкости в окружающую среду демпфирующая камера 4 герметизируется с помощью муфт 13 и прокладок 14. Демпфирующая камера 4 сообщается с пространством между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью центрального трубопровода 2 с помощью патрубков 15 и присоединительных фланцев 16. Для подключения стабилизатора к трубопроводной системе используются присоединительные фланцы 17.

Стабилизатор давления работает следующим образом. В исходном состоянии при поступлении рабочей среды из напорной магистрали в центральный трубопровод 1 она через перфорационные отверстия 3 заполняет расширительную кольцевую предкамеру, заключенную между стенками корпуса 1 и центрального трубопровода 2. Далее через патрубки 15, перфорацию 9 трубопровода 8 рабочая среда заполняет полость трубки 5. При возникновении пульсаций давления (положительная волна) происходит дополнительное перетекание рабочей среды через отверстия 3 в расширительную предкамеру, а затем через патрубки 15 в перфорационный трубопровод 8 и через отверстия 9 в полость трубки 5. При этом происходит гашение колебаний давления за счет диссипации энергии на перфорационных отверстиях 3 и 9, а также вследствие податливости упругой трубки 5 и упругодемпфирующего материала 7.

Регулирование диапазона гасимых частот и степени снижения амплитуды колебаний достигается варьированием таких параметров, как количество демпфирующих камер 4, размеры и количество перфорационных отверстий 3 и 9, длина трубки 5 и модуль упругости материалов, используемых для изготовления трубки 5 и упругодемпфирующей набивки 7.

Размещено на Allbest.ur