Гидравлический удар

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

Гидравлический удар и его механизм

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Достаточно большое количество аварий на предприятиях происходит вследствие гидравлического удара. Это физическое явление наносит огромный ущерб как деталям машин и техническим устройствам, так и целым системам.

Практически определить причиной аварии гидравлический удар на 100% невозможно, но предупредить его реально. Для этого в данной работе рассмотрим сначала механизм возникновения гидравлического удара, а затем и методы его предотвращения.

Гидравлический удар и его механизм

Гидравлический удар - резкое изменение давления, распространяющееся с большой скоростью по трубопроводу.

Гидравлический удар характерен колебаниями давления с высокой амплитудой, в десятки, а иногда и в сотни раз превышающей нормальное рабочее давление. Гидравлический удар может грозить разрушением трубопровода, агрегатов, элементов СЭУ.

Вызывающие гидравлический удар силы инерции и соответствующие им локальные ускорения настолько велики, что развивающееся под их действием давление оказывает заметное влияние на изменение плотности и сжимаемость жидкости. Примером гидравлического удара может быть движение жидкости в простом трубопроводе (рис. 1).

Рисунок 1. Движение жидкости в простом трубопроводе

гидравлический удар жидкость трубопровод

При рабочем положении I задвижка полностью открыта и жидкость под действием напора Н движется по трубопроводу со скоростью х, обеспечивая в сечении I-I у задвижки рабочее давление Рраб. Будем упрощенно считать, что время закрытия задвижки (tз = 0), после чего она занимает положение II.

При закрытии задвижки ближайший к ней слой жидкости (слева по рисунку), натолкнувшись на преграду, остановится, его скорость упадет до нуля.

За время Дt процесс остановки жидкости распространится вверх по трубопроводу на длину Дs.

На левой границе отсека 1-2 (в сечении 2-2) сохранятся нормальные рабочие условия: скорость х и давление Р2 = Рраб. В сечении 1-1 скорость равна нулю х = 0, а давление за счет действия сил инерции повысится на значение ударного давления Руд и будет равно Р1 = Рраб + Руд.

Обычно давление Руд достигает десятков мегапаскалей. Повышенное давление вызовет деформацию жидкости в отсеке 1-2 и стенок трубы: жидкость окажется сжатой (сечение 2-2 переместится в положение 2'-2'); диаметр трубопровода увеличится (на рис. 1 показано штриховой линией).

В большинстве случаев стенки трубопроводов настолько жестки, а сжимаемость жидкости настолько мала, что в решении ряда задач можно не учитывать изменений площади живого сечения щ и длины отсека Дs.

Отношение c = Дs/Дt показывает скорость распространения процесса вдоль трубопровода и называется скоростью ударной волны. Она равна скорости распространения звука в данной среде.

Точное исследование задачи о гидравлическом ударе было впервые выполнено Н.Е. Жуковским (в 1898 г.). В качестве исходного он принял положение, что при гидравлическом ударе вся кинетическая энергия остановившейся жидкости идет на работу по ее сжатию и на работу по растяжению стенок трубы.

Ударное давление можно определить по формуле Жуковского.

При мгновенном закрытии затвора повышение давления в трубопроводе определяется по формуле Жуковского:

ДРуд = ссх, (1)

где с - плотность жидкости, кг/м3;

х - средняя скорость движения в трубопроводе до закрытия затвора, м/с;

с - скорость распространения ударной волны, определяемая по формуле

(2)

где K - модуль упругости жидкости;

E - модуль упругости материала стенок трубопровода;

D - внутренний диаметр, мм;

е - толщина стенок трубопровода, мм.

Для воды в нормальных условиях:

с = 102 кг*с2/м4 = 1 000 кг/м3;

K = 2,07 · 108 кг/м2 = 2,03 · 106 кН/м2.

Поэтому скорость распространения ударной волны в воде будет:

м/с (3)

Значения величин K/Е и Е для различных жидкостей и материалов приводятся в справочной литературе.

Скорость ударной волны увеличивается с уменьшением демпфирующего эффекта от сжатия самой жидкости и с увеличением жесткости стенок трубы, т.е. чем меньше сжимаемость жидкости, тем больше скорость с.

В общем случае фигурирующую в выражении ударного давления скорость х следует понимать как ее изменение при резком торможении или ускорении жидкости. При этом необязательно, чтобы скорость падала до нуля.

Гидравлический удар, но меньшей силы, наблюдается и при резком торможении потока до какой-либо конечной скорости. Волна, движущаяся против течения и сопровождающаяся повышением давления вдоль трубопровода, называется прямой.

В резервуаре у входа в трубу давление практически постоянно Р = гН, а в начале трубопровода при подходе прямой волны - значительно выше за счет ударного давления. Имеющееся в рассматриваемый момент состояние покоя неустойчиво. Ближайший к выходу отсек жидкости от перепада давлений в трубопроводе (высокого) и в резервуаре (низкого) будет вытолкнут обратно в напорный бак.

Сжатая в трубопроводе давлением Руд жидкость сможет начать расширение под действием сил упругости - возникнет обратная волна понижения давления.

Теоретически понижение имеет то же значение, но с обратным знаком - Руд (рис. 2а). Время прохождения и прямой, и обратной волнами расстояния l будет равно l/с.

Следовательно, продолжительность повышения давления у задвижки, называемая фазой гидравлического удара, равна ф0 = 2 l/с.

Рисунок 2.

У задвижки волна снова отражается, начинается очередное повышение давления. В реальных условиях описанный процесс осложняется потерями энергии на трение, на деформацию жидкости и стенок трубы. Давление достигает максимума на первом пике, как показывает запись на индикаторе давления (рис. 2б), а сам процесс гидравлического удара постепенно затухает во времени.

Если вернуться к схеме на рис. 1 и рассмотреть участок трубопровода ниже задвижки, то единственным отличием будет то, что здесь внезапное перекрытие трубопровода вначале вызовет отрицательную волну понижения давления. Такой процесс характерен для напорной линии насосных установок при резкой остановке насоса.

Причины возникновения гидравлического удара и методы его предотвращения

В судовых энергетических установках (СЭУ) явление гидравлического удара может встречаться в основных элементах СЭУ: в системе охлаждения, в топливно-масляной системе, ЦПГ.

В парогенераторе в избежание гидравлических ударов в паровых подогревателях, установленных в резервуарах, перед пуском в них пара они должны освобождаться от воды (конденсата). Пуск пара должен производиться путем постепенного и плавного открытия задвижек. В зимнее время до начала интенсивного подогрева подогреватели следует предварительно прогреть, пропуская через них небольшие порции пара.

Во избежание гидравлических ударов все участки паропроводов, которые могут быть отключены запорными органами, снабжаются дренажными устройствами для удаления конденсата.

Во избежание гидравлических ударов сток конденсата обеспечивается прокладкой паропровода с уклоном в сторону движения пара. В местах возможного скопления конденсата устанавливают автоматически действующие водоотделители.

В системе охлаждения гидравлические удары могут быть вызваны поступлением в цилиндр компрессора жидкого хладагента, паров повышенного влагосодержания (при их сжатии в цилиндрах влажный пар превращается в жидкость или смеси масла с хладагентом). Чаще всего это происходит из-за несовершенства охлаждающих систем, а также из-за нарушения режимов эксплуатации.

Чтобы исключить подобные явления, необходимо осуществлять плавный переход от одного давления к другому, а потребителей холода подключать постепенно или останавливать компрессоры при включении или выключении потребителей холода. Гидравлические удары могут возникать в компрессоре при поступлении в него жидкости через нагнетательный трубопровод. Это может произойти при конденсации пара в нагнетательном трубопроводе во время стоянки компрессора - при охлаждении его наружным воздухом, температура которого ниже температуры конденсации (если нагнетательный трубопровод имеет уклон в сторону компрессора).

Чтобы предотвратить эти явления, необходимо нагнетательный трубопровод устанавливать с наклоном в сторону от компрессора к конденсатору. Если конденсатор расположен выше компрессора, то надо устанавливать дополнительный сборник жидкого аммиака, в сторону которого должен быть уклон нагнетательного трубопровода от компрессора. Из этого сборника жидкий аммиак следует своевременно удалять.

В топливной системе для предохранения топливных, масляных и гидравлических систем от гидравлического удара применяются перепускные клапаны, демпферы, дроссели и гидравлические аккумуляторы

В форсунках и главном двигателе мгновенное перекрытие подачи топлива в форсунках дизельного двигателя приводит к появлению колебаний давления в жидкости. Вторичные повышения давления настолько велики, что происходит вторичный впрыск лишних порций топлива в цилиндры двигателя. Циклические повышения давления особенно заметны в протяженных трубопроводах и в двигателе, при большой протяженности трубопроводов высокого давления, приходится устанавливать специальные насосные форсунки взамен одного насоса высокого давления.

Демпфер гидравлического удара

Авторы патента:

Голованчиков А.Б.

Ильин А.В.

Липатов А.А.

Калинин П.В.

Использование: в трубопроводах (ТП) при движении по ним с переменной скоростью жидких сред. Сущность изобретения: внутри трубы расположена оболочка из эластичного материала. Демпфер выполнен в виде модуля, присоединенного к основному ТП и представляющего собой отрезок трубы, радиус к-рой больше радиуса основного ТП на толщину эластичного материала, осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности отрезка трубы. В качестве эластичного материала используют мягкие вспененные полимеры типа пенополиуретана или губчатой резины. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для уменьшения ударного давления в трубопроводах при движении по ним с переменной скоростью жидких сред: растворов, эмульсий, суспензий и нефтепродуктов и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, автотранспортной, горнодобывающей и других отраслях промышленности, а также при решении экологических проблем транспортировки по трубопроводам бытовых и промышленных сточных вод.

Известны гасители гидравлического удара, представляющие собой эластичные демпфирующие элементы в виде внутренней и наружной оболочки, установленные в трубопроводе [1 и 2] К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известных устройств, является то, что они требуют установки герметичных оболочек внутри трубопровода. Это усложняет и удорожает конструкцию. Кроме того, нарушение герметичности оболочек в процессе эксплуатации может привести к разрушению трубопровода при гидроударе.

Наиболее близким устройством того же назначения к предлагаемому объекту по совокупности признаков является демпфер гидравлического удара, содержащий полую герметичную оболочку в виде тела вращения, закрепленную по периметру торца с большим диаметром сечения внутри участка трубопровода соосно с последним, при этом оболочка выполнена из эластичного материала с образующей боковой поверхностью экспоненциальной формы [2] принятым за прототип.

К причинам, препятствующим широкому внедрению в промышленность известного устройства, является сложность конструкции, требующей создания герметичной полой оболочки из эластичного материала с боковой поверхностью специальной формы. Кроме того, этот демпфер обладает значительным гидравлическим сопротивлением, так как изменяет проходное сечение трубопровода.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Для гашения гидроудара перед запорными устройствами задвижками, кранами, вентилями в отводах трубопроводов, в том числе тупиковых, устанавливается модуль, присоединенный к основному трубопроводу и представляющий собой отрезок трубы, радиус которой больше радиуса основного трубопровода на толщину эластичного материала осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности отрезка трубы, а в качестве эластичного материала использованы мягкие вспененные полимеры типа пенополиуретана или губчатой резины.

Задачей изобретения является создание демпфера гидравлического удара простого по конструкции и в эксплуатации и не вызывающего дополнительного гидравлического сопротивления потоку жидкости.

Техническим результатом при осуществлении изобретения является упрощение конструкции, надежность в эксплуатации и снижение энергозатрат при течение жидкости по трубопроводу.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что демпфер гидравлического удара выполнен в виде отдельного модуля, представляющего собой отрезок трубы, который устанавливается на основном трубопроводе перед источником гидравлического удара: краном, вентилем, заслонкой, задвижкой, отводом трубопровода, в том числе тупиковым. Отрезок трубы этого модуля имеет радиус больший радиуса основной трубы на толщину эластичного материала, который осесимметрично закреплен на внутренней поверхности отрезка трубы. Эластичный материал выполнен из мягкого вспененного полимера типа пенополиуретана или губчатой резины.

Выполнение демпфера гидравлического удара в виде отдельного модуля позволяет быстро его присоединять на действующих или вновь прокладываемых трубопроводах в местах возможного гидравлического удара. Выполнение модуля в виде отрезка трубы, радиус которой больше радиуса основного трубопровода на толщину эластичного материала, осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности отрезка трубы, позволяет создать проходное сечение модуля, равное проходному сечению основного трубопровода, и предотвратить увеличение гидравлического сопротивления в месте установки демпфера гидравлического удара. Использование в качестве эластичного материала мягкого вспененного полимера типа пенополиуретана или губчатой резины позволяет упростить конструкцию демпфера гидравлического удара, так как отпадает необходимость в герметичной эластичной оболочке или мембраны и придания ей сложной формы и точных размеров. Кроме того, увеличивается надежность при эксплуатации, так как предотвращается опасность нарушения герметичности эластичной оболочки и отказа в работе демпфера гидравлического удара.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что изобретение не следует для специалиста явным образцом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижения технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже представлена схема демпфера гидравлического удара.

Демпфер гидравлического удара представляет собой модуль, состоящий из отрезка трубы 1 радиусом R, который больше радиуса r основного трубопровода 2 на толщину эластичного материала 3 осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности трубы 1. Модуль присоединен к основному трубопроводу 2 перед источником гидроудара 4 с помощью фланцевых соединений 5 и 6.

Демпфер гидравлического удара работает следующим образом.

При возникновении гидроудара пузырьки воздуха или газа, находящиеся в порах эластичного материала пенополиуретана или губчатой резины, сжимаются, принимая на себя избыток давления, а затем после прохождения фронта ударной волны снова расширяются, тем самым принимая на себя все колебания давления в трубопроводе. В стационарном процессе течения жидкости модуль ведет себя как отрезок обычного трубопровода 2 и не является дополнительным местным сопротивлением, как известные демпферы гидроудара.

Пример. Необходимо установить демпфер гидроудара на трубопроводе радиусом r 100 мм перед заслонкой (краном, вентилем). Объем воздуха, рассчитанный по справочному пособию (Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М. Машгиз, 1963, 696 с.) в демпфере гидроудара составляет 10 л или 0,01 м3. Принимаем радиус отрезка трубы модуля R 150 мм, т.е. толщина эластичного материала должна составлять 50 мм. В качестве эластичного материала выбираем пенополиуретан кажущейся плотности 50 кг/м3. Истинная плотность исходного пенополиуретана 1000 кг/м3. Пористость (для объема воздуха в общем объеме пенополиуретана) 0,95, т.е. 95% объема пенополиуретана составляет воздух. Общий объем эластичного материала, в котором находит- ся 10 л воздуха должен составлять V V 10,5 л Тогда длина отрезка трубы 1 модуля должна быть l l 0,3 м Таким образом, в проектируемом трубопроводе радиуса 100 мм перед каждым источником гидроудара необходимо установить модуль демпфера гидроудара, представляющий собой отрезок трубы длиной 0,6 м радиусом 150 мм с осесимметричным закреплением внутри этого отрезка на его внутренней поверхности эластичного материала пенополиуретана марки 50 толщиной 50 мм.

Если в другом месте по расчету объем воздуха в демпфере гидроудара должен составлять до 20 л необходимо поставить последовательно 2 модуля и т.д.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в химической, нефтехимической, машиностроительной, автотранспортной, горнодобывающей и других отраслях; для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов; средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.

Следовательно, изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. ДЕМПФЕР ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА, содержащий оболочку из эластичного материала, расположенную внутри трубы, отличающийся тем, что демпфер выполнен в виде модуля, присоединенного к основному трубопроводу и представляющего собой отрезок трубы, радиус которой больше радиуса основного трубопровода на толщину эластичного материала, осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности отрезка трубы.

2. Демпфер по п. 1, отличающийся тем, что в качестве эластичного материала используют мягкие вспененные полимеры типа пенополиуретана или губчатой резины.

Заключение

Проанализировав факторы, определяющие величину повышения давления можно дать целый ряд рекомендаций:

плавное закрытие задвижки с постепенным уменьшением скорости;

варьируя толщину стенки и диаметр трубы также можно снизить последствия гидравлического удара;

замена материала трубы (например, стальной трубы на резиновый шланг) приведет к изменению величины ударного давления;

использование уплотнительных материалов, набивок и смазок;

установка перед участками, где возможно возникновение гидравлического удара разнообразных аккумуляторов, воздушных колпаков, предохранительных клапанов и т.д.;

повышение прочности слабых элементов гидравлической системы.

Список использованной литературы

1. Калицун В.И., Дроздов Е.В., Комаров А.С., Чижик К. И, «Основы гидравлики и аэродинамики», «Стройиздат», 2002 г.

2. Жуковский Н.Е., «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», М - Л., 1949 г.

3. Мостков М.А., Башкирова А.А., «Расчеты гидравлического удара», М - Л., 1952 г.

4. http://mylearn.ru

5. http://www.krugosvet.ru

6. http://apeshnik.narod.ru/Gidravlika 7.http://www.findpatent.ru/patent/205/2059918.html

7. FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2015

Размещено на Allbest.ru