Практическая работа № 19. Гидравлический удар и меры борьбы с ним
Задание 1. Письменно ответить на вопросы
1. Что такое короткий трубопровод?
2. На какие виды делятся длинные трубопроводы?
3. Что такое характеристика трубопровода?
4. Если для простого трубопровода записать уравнение Бернулли, то пьезометрическая высота, стоящая в левой части уравнения называется
5. Потребный напор это
6. При подаче жидкости по последовательно соединенным трубопроводам 1, 2, и 3 общая потеря напора в них
7. При подаче жидкости по параллельно соединенным трубопроводам 1, 2, и 3 расход жидкости в них
8. Трубопровод, по которому жидкость перекачивается из одной емкости в другую называется..
9. Трубопровод, по которому жидкость циркулирует в том же объеме называется…
10. Что такое длинный трубопровод?
11. Какие трубопроводы называются простыми?
12. Какие трубопроводы называются сложными?
13. Статический напор Hст это:
14. Кривая потребного напора отражает
15. При подаче жидкости по последовательно соединенным трубопроводам 1, 2, и 3 расход жидкости в них
16. При подаче жидкости по параллельно соединенным трубопроводам 1, 2, и 3 общая потеря напора в них
17. Разветвленный трубопровод это
18. При подаче жидкости по разветвленным трубопроводам 1, 2, и 3 расход жидкости
Задание 2. Написать конспект по теме
1. Гидравлический удар
Гидравлическим ударом называется резкое повышение давления, возникающее в напорном трубопроводе при внезапном торможении потока рабочей жидкости. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления, которое связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода.
Гидравлический удар чаще всего возникает при резком открытии или закрытии крана или другого устройства, управляемого потоком.
2. Стадии при гидроударе
Рассмотрим гидравлическую систему, состоящую из резервуара, наполненного жидкостью, трубопоровода длиной L и диаметром d, и шарового крана.
1) При резком перекрытии проходного сечения трубопровода частицы жидкости внезапно останавливаются преградой, их кинетическая энергия переходит в работу деформации жидкости и растяжению стенок трубы, жидкость уплотняется, а давление возрастает на величину ΔP. На остановленные частицы наталкиваются следующие, их кинетическая энергии также переходит в деформацию. Таким образом образуется фронт возмущения, который со скоростью (a) движется по трубопроводу в направлении от крана.
2) К моменту времени t=L/a жидкость в во всей трубе становится заторможенной, а давление повышенным на величину ΔP. Начинается отток жидкость в резервуар, где давление теперь ниже.
3) Волна повышенного давления ΔP давления, отражается от резервуара волной противоположного знака -ΔP, начинается двигаться по направлению к крану.
4) К моменту t=2L/a в трубе установиться первоначальное давление, но это состояние неустойчивое.
5) Из-за инерционности среды у крана кинестетическая энергия будет в работу деформации, давление при этом упадет на величину ΔP, стенки трубы сузятся. Волна понижения давления на величину ΔP со скоростью a будет двигаться в направлении от крана. За фронтом волны скорость жидкости будет равна 0, а давление P0-ΔP.
6) Волна - ΔP доходит до резервуара.
7) Волна отразится от резервуара волной противоположного знака +ΔP и со скоростью a будет двигаться к крану.
К моменту t=4L/a волна дойдет до задвижки, и будет наблюдаться ситуация имевшая место при закрытии крана. Получается, что 1 цикл гидравлического удара закончится.
Получается, что при гироударе волна давления отражается от резервуара волной противоположного знака, а от глухой преграды - волной того же знака.
2. Виды гидравлических ударов
Фаза удара: 
где l- длина участка трубопровода
с – скорость ударной волны
В зависимости от времени распространения ударной волны τи времени перекрытия задвижки (или другой запорной арматуры) t, в результате которого возник гидроудар, можно выделить 2 вида ударов:
- Полный (прямой) гидравлический удар, если t < Т
- Неполный (непрямой) гидравлический удар, если t > Т
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.
При полном гидроударе вся кинетическая энергия потока преобразуется в потенциальную энергию сжатия жидкости и расширения стенок трубопровода.
3. Формула Н.Е. Жуковского
Пусть фаза гидроудара Т.
В течение этого времени давление жидкости на участке гидроударе возрастает на величину Δр.
Для определения величины Δр воспользуемся теоремой импульсов: импульс силы равен изменению количества движения массы жидкости, протекающей через объем возмущения (Δmv = pτ)
ΔpSτ = ρ с(v-v0) τ ,
S – поперечное сечение трубопровода
Повышение давления при гидравлическом ударе, таким образом определяется по формуле Н.Е. Жуковского
Δp = ρс(v-v0),
где с – скорость распространения ударной волны,
ρ – плотность жидкости
v, v0 - средние скорости в трубопроводе да и после закрытия задвижки
В нем скорость распространения ударной волны c определится по формуле:
где r - радиус трубопровода;
E - модуль упругости материала трубы;
δ - толщина стенки трубопровода;
K - объемный модуль упругости
Если предположить, что труба имеет абсолютно жесткие стенки, т.е. E = бесконечно, то скорость ударной волны определится из выражения
Для воды эта скорость равна 1435 м/с, для бензина 1116 м/с, для масла 1200 - 1400 м/с.
3. Меры по предупреждению гидроударов
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.
1) 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.
2) 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.
3) 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
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.
Для того, чтобы избежать явление гидроударе, необходимо
1) уменьшить фазу удара
2) увеличить продолжительность τ0 гидроудара
3) установливать компенсационные емкости
4) применять гидроаккумуляторы для гашения ударной волны
5) устанавливать предохранительные клапаны
6) испытывать материал труб на прочность
Значение модулей упругости Е для воды и некоторых материалов представлены в таблице.
4 Кавитация в трубопроводах и меры борьбы с ней.
Тесно связано с уравнением Бернулли такое явление как кавитация.
В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходит изменение агрегатного состояния жидкости, то есть из жидкого состояния она переходит в парообразное.
Кроме того, при этом из жидкости бурно выделяются растворенные в ней газы. Это может произойти, например, при прохождении жидкости через местное сужение трубы.
Как мы знаем, при этом произойдет увеличение скорости потока, и, согласно уравнения Бернулли, упадет давление.
Если давление перед сужением русла мало, то, падая, оно может сравняться с давлением насыщенных паров и жидкость начнет интенсивно испаряться. В потоке жидкости появится большое количество мелких пузырьков, которые, попадая в зону более высокого давления, например, где труба снова расширяется, захлопываются (газы вновь растворяются, а пары конденсируются). При этом жидкость, устремляясь к центру пузырька, ударяется сама о себя и происходят микроскопические гидравлические удары.
Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией.
При возникновении кавитации значительно увеличивается сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность, потому что каверны уменьшают живые сечения потоков, скорость в которых резко возрастает.
Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном воздействии также эрозионным разрушением металлических стенок. Дело в том, что в центрах захлопывающихся пузырьков давление подскакивает до 1500 ¸ 2000 ат, а температуры – до1000¸ 1500°С.
От мгновенного разрушения гидросистему спасает только то, что объемы, в которых наблюдаются такие параметры, микроскопически малы, а распространяясь по жидкости давление и температура очень быстро падают. Но если пузырек захлопывается на поверхности трубы или гидроагрегата, то высокое давление и температура воздействуют на металл и разрушают его, выкрашивают.
Механическое воздействие сопровождается химическим, так как в растворенном воздухе процент содержания кислорода существенно выше, чем в атмосферном, так как кислород растворяется в жидкостях лучше, чем азот.
Так новый насос, работающий в режиме кавитации, может потерять производительность уже через 20 ¸ 60 минут работы!
Явление кавитации – вредное явление, но в некоторых случаях его используют, например, в кавитационном регуляторе расхода, в котором падение давления за суженным сечением трубы приводит к росту расхода и падению давления в узком сечении только до тех пор, пока давление не опустится до давления насыщенных паров. После этого снижение давления на выходе регулятора не будет сказываться на величину давления и расхода в узком сечении, будет просто увеличиваться зона кавитации, более интенсивно происходить парообразование.
Кавитация может возникать в насосах, гидротурбинах, на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, во всех местных сопротивлениях, где поток претерпевает сужение с последующим расширением (вентили, краны, задвижки, диафрагмы, жиклеры и т.п.).
Кавитация протекает по-разному в простых (однокомпонентных) и сложных (многокомпонентных) жидкостях. В сложных жидкостях, в которых существуют легкие и тяжелые фракции, это явление менее ярко выражено, так как легкие фракции вскипают при более высоком давлении, то есть раньше, а конденсируются позже тяжелых.
Для характеристики местных гидравлических сопротивлений в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации:
где p1, v1 – давление и скорость жидкости перед сужением потока.
Значение k, при котором в местном сопротивлении начинается кавитация, называется критическим числом кавитации kкр.
Какие меры борьбы с кавитацией можно порекомендовать?
1. Повысить давление перед местным сопротивлением p1 (не допускать значительного разряжения во всасывающем трубопроводе насоса и т.п.).
2. Не допускать сильного нагрева жидкости, так как при ее нагреве повышается давление насыщенных паров и падает растворимость газов.
3. Не допускать насыщения жидкости газами, то есть не допускать образование пены на поверхности жидкости (для этого сливную трубу гидросистемы следует выводить всегда под уровень жидкости в баке).
4. Не допускать сильного загрязнения жидкости, так как твердые частицы являются концентраторами для образования парогазовых пузырьков.
Задание 3. Ответьте на вопросы
Контрольные вопросы
1. Что является причинами возникновения гидравлического удара?
2. Какой характер протекания имеет гидравлический удар?
3. Чем характеризуются полный и неполный гидравлические удары?
4. Как рассчитать изменение давления при гидравлическом ударе?
5. Что такое скорость распространения ударной волны?
6. От чего зависит скорость распространения ударной волны?
7. Какие мероприятия могут предотвратить гидравлический удар?
8. Как рассчитать напряжение в стенках трубопровода?