Хидроудари, помпи и аксесоари

Добър ден, скъпи читатели на блога nasos-pump.ru

В раздела „Общи“ ще разгледаме такова доста страхотно физическо явление, което в хидравликата е известно под общото наименование хидравличен удар. Във водоснабдителните системи, когато помпите се включват и изключват (това са помпи, както с директен старт, така и със старт / звезда/триъгълник), може да възникневоден удар.Хидравличният удар е рязко, мигновено (ударно) повишаване или намаляване на налягането в напорния тръбопровод, през който се движи течността (водата), поради рязка промяна в скоростта на движението й с течение на времето. Това явление се получава, когато течността, движеща се в тръбопровода, спира моментално (например кран, клапан е рязко затворен или помпа е изключена). Това явление е най-силното натоварване на тръбопровода, в резултат на което той може да се спука. Опасността от токов удар зависи от няколко променливи като скоростта на флуида в тръбопровода, характеристиките на флуида и характеристиките на материала на тръбопровода. Това явление също води до появата на вакуум в тръбопроводите, в резултат на което често има изместване или износване на уплътнителните пръстени. Обикновено водният удар може да бъде открит само когато се появи шум. Теориите и методите за изчисляване на водния удар в тръбите са разработени и решени за първи път от изключителния български учен Н. Е. Жуковски. Жуковски също предложи формула за изчисляване на минималното време, необходимо при затваряне на заключващото устройство, за да се избегне или сведе до минимум ефекта от водния чук:

Феноменът на водния чук

Феноменът на хидравличния удар е открит през 1897 - 1899 г. от N.E. Жуковски. Оказа се, че феноменът на хидравличния удар се обяснява свъзникването и разпространението по тръбите на ударни вълни, причинени от компресията на водата и деформацията на стените на тръбите. Увеличаването на налягането по време на хидравличен удар се определя въз основа на тази теория по формулата:

Dp=ρ(υ0–υ1 )

Dp – повишаване на налягането в N/m²,

ρ – плътност на течността в kg/m³,

υ0 иυ1 - средни скорости в тръбопровода преди и след затваряне на крана (спирателния кран) в m/s,

Жуковски доказа, че скоростта на разпространение на ударната вълна (с ) е правопропорционална на свиваемостта на течността, деформацията на стените на тръбопровода, определена от модула на еластичност на материала, от който е направен тръбопроводът, както и неговия диаметър. Следователно воден удар не може да възникне в тръбопроводи, където има въздух или газ, тъй като те могат лесно да бъдат компресирани. Скоростта на ударната вълна може да се определи с помощта на следната формула;

c=2L/T

c – скорост на разпространение на ударната вълна;

L – дължина;

T – време на разпространение.

Хидроударът е краткотрайно, но рязко повишаване на налягането в тръбопроводите по време на рязко забавяне на потока течност, движещ се през тях. Същият ефект може да се постигне чрез бързо затваряне на сферичен кран, който внезапно спира потока. Последното е особено актуално днес, когато старите клапани с гран оси, които се затварят плавно поради голям брой обороти и бавно блокират потока, се заменят с модерни сферични кранове, които спират потока само на четвърт оборот с едно движение на ръката. Водният удар е най-забележим само в стоманени или чугунени тръбопроводи при високи скорости на потока. Тойвъзниква, когато течност, движеща се с определена скорост, внезапно срещне твърдо препятствие по пътя си, което е амортисьор или кран. В резултат на това течността спира и нейната кинетична енергия се превръща в потенциална енергия - потенциалната енергия на еластично компресиране на течността, както и потенциалната енергия на еластично разтягане на стените на тръбата. Всичко това води до факта, че налягането в точката на спиране нараства бързо, стойността на налягането е толкова по-голяма, колкото по-висока е скоростта на флуида и по-ниска е неговата свиваемост, както и колкото по-голяма е твърдостта на тръбопровода. Това повишаване на налягането е водният удар на внезапно спрялата течност. Когато течността се ускори или забави, ударната вълна започва да се колебае напред-назад, докато се разпадне. Честотата на тези трептения може да се изчисли по следната формула:

µ = 2L/а

µ е продължителността на цикъла на трептене;

L — дължина на тръбопровода;

а — скорост на вълната (m/s).

Скоростта на вълната в тръбопроводи от различни материали с чиста вода е показана в таблица 1.

Материал на тръбата

Скорост на вълната (m/s)

Ако тръбопроводът е направен от еластични материали, това значително намалява силата на водния чук чрез увеличаване на обема на тръбата или маркуча в точката, където течността спира. Ако в тръбата има въздух и докато течността се движи, тя няма време да напусне напълно тръбопровода с желаната скорост, тогава наличието на въздух може също да предотврати силен воден удар. Въздухът в този случай играе ролята на амортисьор, в който налягането постепенно се увеличава и следователно той оказва все по-голямо съпротивление на движението на течността, като постепенно го забавя. Тези принципи се използват в повечето устройстваизползвани за защита на тръбопроводи от хидравлични удари.

Видове хидравлични удари

В зависимост от времето на разпространение на ударната вълна и времето на затваряне на вентила (шипа, кран или вентил), което води до воден удар, могат да се отбележат два вида удари:

Пълен хидравличен удар, при който ударната вълна се движи в посока, обратна на първоначалната посока на потока на течността в тръбопровода. По-нататъшната му посока на движение зависи от елементите на тръбопровода, разположени преди затворения клапан. Възможни са и няколко цикъла на многократно преминаване на ударната вълна в права и обратна посока. Пълен удар възниква, когато времето за затваряне на вентил или друг спирателен вентил е по-малко от времето за движение на ударната вълна.
Непълен хидравличен удар, при който предната част на ударната вълна не само променя посоката на движението си към противоположната, но и частично преминава през ненапълно затворен клапан или други спирателни вентили. Непълен удар възниква, когато времето за затваряне на клапана или други клапани е по-голямо от времето на движение на ударната вълна

Начини за предотвратяване на воден удар по време на работа на оборудването

Нека поговорим за това как може да се предотврати воден чук. Водният удар може да причини разкъсвания на тръбопроводи, унищожаване на части на инструменти и друго оборудване, неправилно тестване на отделни устройства (превключватели за налягане, времепревключватели, сензори за налягане и други устройства). На практика ми се наложи да се справя със следния случай. Във водоснабдителната система са монтирани потопяема помпа, превключвател за налягане и хидравличен акумулатор. При липса на анализ на водата превключвателят за налягане трябва да се изключипомпа, но всъщност има подскачане на контакти 3-4 и дори повече пъти релето се включва и изключва. Причината за фалшивите аларми на пресостата беше, че акумулаторът и релето бяха на значително разстояние един от друг. С тази инсталационна схема акумулаторът нямаше време да компенсира хидравличните удари, когато помпата беше изключена.За да се предотвратят грешни сработвания на превключвателя за налягане, е необходимо релето или датчикът винаги да са разположени възможно най-близо до акумулатора. А самият акумулатор трябва да бъде свързан към водоснабдителната система с тръба или маркуч със същия диаметър като свързващата тръба на самия резервоар. Силата на хидравличния удар се намалява чрез увеличаване на времето за реакция на заключващите устройства, а в близост до възможните места на възникване на хидравлични удари се монтират предпазни и възвратни клапани, вибрационни вложки или компенсатори и специални вложки с въздушна възглавница, които поемат удара. Въз основа на формулата на Жуковски (която определя повишаването на налягането по време на хидравличен удар) и стойностите, от които зависи скоростта на разпространение на ударна вълна, за да се отслаби силата на това явление или напълно да се предотврати, е необходимо:

да се намали скоростта на движение на флуида в тръбопровода чрез увеличаване на неговия диаметър;
инсталирайте амортизационни устройства (така наречените "крекери") на места, където са възможни удари;
увеличете времето за затваряне на клапаните и шибърите, монтирани на системата;
увеличаване на здравината на слабите елементи на хидравличната система.

Много ясен пример за воден удар е кавитацията. Когато възникне кавитация, всяко свиване на въздушно мехурче върху повърхността на работното колело е придружено от микрохидравличен удар. Такива микроударите, възникващи върху работните повърхности в милиони количества за дълго време, могат да унищожат повърхността на работните елементи на помпата. Кавитацията е придружена от повишен шум при работата на оборудването.

И в заключение бих искал да отбележа следното. При спазване на всички горепосочени условия за намаляване на силата на хидравличните удари, водоснабдителната система и цялото оборудване, инсталирано в нея, могат да работят надеждно и ползотворно за дълъг експлоатационен живот.