Гидравлический удар | это… Что такое Гидравлический удар?
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).
Содержание
|
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
- Ударная волна
- Гидрофор
- Гидротаранный насос
- Гидравлический удар в трубах: и вред, и польза
Гидравлический удар | это… Что такое Гидравлический удар?
Гидравли́ческий уда́р (гидроудар) — скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени.
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).
Содержание
|
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
- Ударная волна
- Гидрофор
- Гидротаранный насос
- Гидравлический удар в трубах: и вред, и польза
Что такое гидроудар? — Практическая инженерия
Возможно, вы знаете, что большинство жидкостей несжимаемы (или, по крайней мере, едва сжимаемы), а это означает, что независимо от того, какое давление вы прикладываете, их объем не меняется.
Это может быть полезно, как в гидроцилиндрах, но отсутствие «упругости» также может привести к катастрофическому выходу из строя трубопроводных систем.
Легко забыть, насколько тяжела вода, поскольку мы почти никогда не переносим больше нескольких унций за раз. Но если вы добавите воду в трубопроводах вашего города или даже в трубах вашего дома, она составит довольно много массы. И когда вся эта вода движется по трубе, она имеет довольно большой импульс. Если вы внезапно остановите это движение — например, быстро закроете вентиль — весь этот импульс некуда будет деться. Поскольку вода не сжимаема и не упруга, она не может смягчить удар. С таким же успехом вы можете забивать бетоном заднюю часть клапана и стенки трубы. Вместо того, чтобы поглощаться, это внезапное изменение импульса создает всплеск давления, который распространяется по трубе в виде ударной волны. Иногда вы даже слышите, как эта ударная волна стучит в ваших стенах, когда вы закрываете кран или запускаете стиральную машину, отсюда и супергеройское прозвище «Водяной молот».
Стук труб внутри стен может звучать немного жутковато, но для трубопроводов большого диаметра, длина которых может достигать сотен километров, такой скачок давления из-за изменения импульса может привести к серьезным повреждениям. Давайте сделаем быстрый расчет: если у вас есть водопровод диаметром 1 метр и протяженностью 100 километров (труба довольно среднего размера), масса воды в трубе составляет около 80 миллионов килограммов. Это очень много килограммов. На самом деле это около 10 грузовых поездов. Представьте, что вы оператор в конце этого трубопровода, отвечающий за закрытие клапана. Если вы закроете его за короткий промежуток времени, вы фактически врежете эти поезда в кирпичную стену. А скачок давления, возникающий в результате такого резкого изменения импульса, может привести к разрыву трубы или серьезному повреждению других частей системы. На самом деле есть еще один термин для случая, когда большой скачок давления разрывает герметичный контейнер: бомба.
И гидроудар может быть не менее опасен. Итак, как инженеры проектируют системы трубопроводов, чтобы избежать этого состояния? Давайте построим модельный пайплайн и выясним. [Строительный монтаж].
Вот мои настройки. У меня есть около 100 футов (30 метров) трубы из ПВХ, соединенной с водой на одном конце и вентилем на другом. У меня также есть аналоговый и цифровой манометр, чтобы мы могли видеть, как меняется давление, и чистый участок трубы на случай, если там произойдет что-то интересное. Я имею в виду захватывающее гражданское строительство, а не настоящее захватывающее. Смотри, что происходит, когда я закрываю этот клапан. Со стороны выглядит не очень, но давайте посмотрим на данные с манометра. Давление подскакивает до более чем 2000 килопаскалей или 300 фунтов на квадратный дюйм. Это примерно в 5 раз больше статического давления воды. Недостаточно сломать трубу, но более чем достаточно, чтобы сломать этот манометр. Вы можете понять, почему проектирование трубопровода или сети трубопроводов может быть немного сложнее, чем кажется.
Эти скачки давления могут проходить через систему сложным образом. Но мы можем использовать эту простую демонстрацию, чтобы показать несколько способов, с помощью которых инженеры уменьшают потенциальный ущерб от гидравлического удара.
Это уравнение для профиля давления импульса гидравлического удара. Мы не собираемся проводить здесь какие-либо расчеты, но члены этого уравнения показывают параметры, которые можно отрегулировать, чтобы уменьшить эти разрушающие силы. И первое очевидно: это скорость, с которой жидкость движется по трубе. Уменьшение этого является одним из самых простых способов уменьшить эффект гидравлического удара. Скорость зависит от скорости потока и размера трубы. Если вы проектируете трубопровод, скорость потока может быть фиксированной, поэтому вы можете увеличить размер трубы, чтобы уменьшить скорость. Труба меньшего размера может быть дешевле, но скорость потока будет выше, что может вызвать проблемы с гидравлическим ударом. В этом случае размер моей трубы фиксирован, но я могу уменьшить скорость потока, чтобы ограничить скорость.
Каждый раз, когда я уменьшаю скорость и закрываю клапан, результирующий скачок давления уменьшается.
Далее можно увеличить время, в течение которого происходит изменение импульса. Одним из распространенных примеров этого является добавление маховиков к насосам, чтобы они вращались медленнее, а не останавливались внезапно. Другой пример — более медленное закрытие клапанов. Если я аккуратно закрою клапан, а не позволю ему захлопнуться, изменения давления будут более тонкими. На крупных трубопроводах инженеры проектируют компоненты и разрабатывают требования к эксплуатации оборудования. Это почти всегда будет включать правила того, как быстро можно открывать или закрывать клапаны, чтобы избежать проблем с гидравлическим ударом.
Последний параметр, который мы можем настроить, — это скорость звука в жидкости, также известная как скорость волны. Это описывает, как быстро волна давления может распространяться по трубе. Скорость волны является косвенной мерой эластичности системы и может зависеть от сжимаемости жидкости, материала трубы и даже от того, заглублена ли она в землю.
В очень жесткой системе волны давления могут легко отражаться без особого затухания. У меня есть гибкая труба из ПВХ, свободно двигающаяся по земле, что уже помогает уменьшить силу гидравлического удара. Я могу еще больше повысить гибкость, добавив антипомпажное устройство. У него есть воздушная камера, которая может поглощать некоторые удары и еще больше уменьшать скачки давления. Антипомпажные устройства очень распространены в трубопроводных системах, и они могут быть такими же простыми, как подпружиненный клапан, который открывается, если давление становится слишком высоким. В системах распределения воды в городских районах водонапорные башни помогают контролировать перенапряжение, позволяя свободной поверхности двигаться вверх и вниз, поглощая внезапные изменения давления.
Сантехника — одно из малоизвестных нововведений, сделавших возможным наше современное общество. Когда вы используете силу воды, заливая ее в трубы, легко забыть об этой силе. Вода может быть такой же твердой, как бетон, когда она находится в замкнутом пространстве, и если вы ударите двумя твердыми предметами друг о друга, в конце концов что-то сломается.
Если вы инженер, ваша задача — убедиться, что это не дорогая инфраструктура, которую вы спроектировали. Частично это означает возможность прогнозировать скачки давления из-за гидравлического удара и проектировать системы, которые могут смягчить любой потенциальный ущерб, который может возникнуть. Спасибо за просмотр, и дайте мне знать, что вы думаете!
Гидравлический удар: причины, последствия и решения
Введение в гидравлический удар
Гидравлический удар — обычно наблюдаемое явление, происходящее при движении жидкости. Наличие гидравлического удара можно легко обнаружить по производимому им шуму. Шум не является конечным результатом гидравлического удара, а лишь его признаком. Гидравлический удар оказывает множественное неблагоприятное воздействие на паровые системы. Гидравлический удар может повредить оборудование, такое как расходомеры, установленные в паровой сети. Нередки случаи разрыва и разрыва трубопровода из-за гидравлического удара. В некоторых случаях гидравлический удар приводил к катастрофическим последствиям.
Гидравлический удар — это не только системная проблема, но и проблема безопасности. Гидравлический удар можно определить следующим образом:
Гидравлический удар — это скачок давления или волна, возникающая, когда движущаяся жидкость (обычно жидкость, но иногда и газ) вынуждена внезапно остановиться или изменить направление (изменение импульса).
Как только пар выходит из котла, он начинает терять тепло. В результате паровые статы конденсируются внутри трубопровода. Скорость образования конденсата высока, особенно во время пусков, когда система холодная. В результате конденсации образуются капельки воды. Эти капли конденсата накапливаются по всей длине паропровода, образуя твердую пробку. Когда этот снаряд сталкивается с любым препятствием, таким как поворот, он резко останавливается. Вся кинетическая энергия конденсатной пробки будет преобразована в энергию давления, которая должна быть поглощена трубопроводом. Это порождает явление гидравлического удара.
Формирование гидравлического удара
Формирование гидравлического удара можно очень хорошо понять из приведенных ниже диаграмм.
Формирование гидравлического удара
После образования конденсата течение внутри трубы состоит из двух компонентов: пара и конденсата. Скорость течения пара значительно выше, чем у конденсата. Во время такого двухфазного потока тяжелый конденсат, который течет по нижней части трубы, вытягивается высокоскоростным паром. В результате образуется водяная пробка, которая намного плотнее пара, движущегося со скоростью пара. Когда эта пробка останавливается каким-либо отрывом, таким как изгиб или оборудование, кинетическая энергия пробки будет внезапно преобразована в энергию давления, которая создаст ударную волну во всем трубопроводе. Трубопровод будет продолжать вибрировать до тех пор, пока эта энергия не рассеется в конструкции.
Воздействие гидравлического удара
Можно задаться вопросом, почему гидравлический удар считается серьезной проблемой.
Рекомендуемая скорость насыщенного пара в трубопроводной сети = 20-35 м/с
Рекомендуемая скорость воды в трубопроводной сети = 2-3 м/с
В случае Гидравлических ударов конденсат увлекается паром и, следовательно, водяной снаряд движется со скоростью, равной скорости пара, которая примерно в десять раз превышает идеальную скорость воды. В результате общее давление, оказываемое гидравлическим ударом, очень велико.
Рекомендации по предотвращению гидравлического удара
Хотя гидравлический удар нельзя полностью исключить из паровых систем, его, безусловно, можно избежать. Существуют определенные передовые методы, соблюдение которых обеспечивает наименьшую вероятность возникновения гидравлического удара. Некоторые из этих методов:
- Паропроводы всегда должны устанавливаться с постепенным уклоном (градиентом) в направлении потока.
- Установка конденсатоотводчиков через равные промежутки времени, а также в нижних точках.
