Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

Видео:Явление гидроудара. Методы борьбы с гидроударами.Скачать

Явление гидроудара. Методы борьбы с гидроударами.

Гидроудар в трубопроводе – причины и последствия

Кран с питьевой водой в каждом доме — это не роскошь, а достижение прогресса, но лишиться такого приятного удобства можно в один миг, если образовался гидроудар в трубопроводе. Гидравлический удар может стать причиной не только отсутствия воды, но и привести к затоплению квартиры.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

О том, каким образом возникает такое опасное явление и как его избежать, будет подробно рассказано в данной статье.

Видео:Гидравлический удар, демонстрация силы гидроудара.Скачать

Гидравлический удар, демонстрация силы гидроудара.

Природа гидравлического удара в трубопроводах

Гидроудар — это ударная волна, которая распространяется по поверхности водопровода, а также по элементам арматуры. При повышении давления – положительный, при падении – отрицательный. Проявляется при заполнении пустого водопровода или резком закрытии крана. Разрушительное действие такого явления связано, прежде всего, с невозможностью жидкости сжиматься.

Если воду можно было, например, как газ сжать в несколько раз, то трубы не разрывались бы от резкого увеличения давления. Чрезмерное давление возникает в том случае, когда движение жидкости резко останавливается, но вызвать гидроудар могут и другие явления в системе водоснабжения .

Видео:Гидравлический удар в трубахСкачать

Гидравлический удар в трубах

Причины

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудараНаиболее часто гидравлический удар происходит при резком закрытии запорной арматуры. Когда вода течёт по трубам и выливается из крана, то в системе водопровода сохраняется постоянное значение давления, но в момент резкого перекрытия арматуры, это значение может увеличиться в несколько раз, в результате чего, стенки трубы не выдерживают напора и лопаются.

Причиной гидроудара могут также стать:

  • Резкое включение или выключение мощного насоса.
  • Воздушные пробки имеющиеся в контуре водопровода или отопления.

Включение и отключение насоса может быть спровоцировано нестабильным электроснабжением объекта, на котором находятся мощные насосные станции для перекачки воды. Воздушные пробки также занимают не последнее место в возникновении такого опасного явления, поэтому прежде чем эксплуатировать замкнутые системы с жидкостью, следует убедиться в полном отсутствии воздуха в них.

Видео:Что такое гидравлический удар? // Practical EngineeringСкачать

Что такое гидравлический удар? // Practical Engineering

Последствия

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудараПри многократном воздействии высокого давления, которое возникает в результате гидравлического удара, даже очень надёжные системы могут потерять герметичность. Разрыв трубопровода может произойти и от однократного, но сильного гидравлического удара.

В результате такого воздействия водоснабжение объектов, к которым подведена водопроводная труба, полностью прекращается. К сожалению, последствия такого явления не ограничиваются только отсутствием воды в кране.

Если разрыв трубы произошёл в многоквартирном доме, то после разрыва трубы и попадания жидкости в жилое помещение будет повреждено имущество владельцев квартиры, а также соседей этажом ниже.

Если разрывается магистральная труба водопровода, по которой снабжается водой целый район города, то авария уже может расцениваться как ЧП.

В результате такого происшествия жильцы десятков многоквартирных домов останутся не только без питьевой воды, но и без канализации, так как все бачки унитазов запитываются от трубы холодного водоснабжения. Воспользоваться душем, даже при неповреждённом трубопроводе с горячей водой, также вряд ли получится.

Если в результате гидравлического удара повреждается труба с горячей водой, то такое происшествие, кроме материального ущерба, может привести к серьёзным ожогам. Особенно опасна может быть разгерметизация системы отопления, в которой теплоноситель всегда находится под значительным давлением, а температура жидкости составляет более +70 градусов.

Последствия от возникновения гидроудара, могут привести к значительному ущербу, поэтому так важно научиться предотвращать появление резкого усиления давления в трубопроводах.

Видео:Гидравлический удар в трубопроводеСкачать

Гидравлический удар в трубопроводе

Способы защиты

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудараСоблюдение правил монтажа водопроводных и отопительных коммуникаций позволяет свести к минимуму вероятность возникновения такого опасного явления, как гидравлический удар, но полностью исключить его только правильно спроектированными системами не получится. Для избегания такой неприятной ситуации необходим комплексный подход и соблюдение правил безопасности и технических инструкций.

Значительно снизить вероятность возникновения гидравлического удара, можно если следовать следующим правилам при проведении монтажа водопроводов и их эксплуатации.

  • При запуске водопровода или отопления в эксплуатацию, запорные элементы арматуры должны открываться очень медленно. Перекрытие подачи жидкости, также должно осуществляться очень плавно. Плавное закрытие и открытие запорной арматуры должно осуществляться не только на промышленных объектах, но и при запуске водоснабжения и отопления в частном доме. Чрезмерное давление при возникновении гидравлического удара способно легко повредить домашние коммуникации, поэтому не стоит пренебрегать правилами технической безопасности, в случае когда вода в частном доме подаётся со значительным давлением.
  • Если в системе водопровода или отопления установить автоматические устройства плавного открытия и закрытия запорной арматуры, то можно полностью исключить человеческий фактор при возникновении гидравлического удара. Конечно, при использовании электроники, водопроводные системы становятся зависимыми от электрического тока, но, чтобы полностью исключить вероятность выхода из строя по причине установленных автоматов, необходимо оборудовать такие механизмы резервным источником электроэнергии. Такая подстраховка абсолютно необходима, как на крупном предприятии, так и для нормального функционирования коммуникаций расположенных в частном доме. Автоматической регулировкой рекомендуется оснастить и насосные станции. В этом случае, также можно избежать гидроудара от резкого перепада давления в результате включения или отключения мощного насосного оборудования.
  • Применение гидроаккумуляторов и демпферных устройств, также позволяет свести к минимуму последствия резкого увеличения давления в водопроводной сети. Такие устройства обычно состоят из металлического корпуса с расположенной внутри мембраной. При возникновении гидроудара, мембрана перемещается, что позволяет вместить излишек жидкости. Когда угроза разрыва трубопровода
    минует и давление уменьшится мембрана будет возвращена в исходное положение за счёт воздуха расположенного с обратной стороны.
  • Для уменьшения давления в водопроводных сетях может быть использован предохранительный клапан, который открывается при достижении жидкости определённого значения. Такие устройства также способны предохранить трубопровод от разрушения, но для организации такого вида защиты, потребуется сделать дополнительную отводку от клапана к канализационной системе
  • Для защиты от гидроудара в частном доме или квартире можно использовать очень простой способ, в котором компенсация чрезмерного давления осуществляется за счёт растяжения стенок трубопровода. Совсем необязательно производить монтаж отопления или водоснабжения с применением таких материалов, но участок трубопровода выполненный с использованием термостойкого каучука, способен полностью принять на себя гидроудар в небольшой системе.Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара
  • Шунтирование термостата, является эффективной мерой борьбы с гидроударом небольшой силы, поэтому такое «улучшение» автономного отопления может быть произведено только в частной системе отопления. Как правило, достаточно сделать отверстие диаметром 0,5 мм в основном клапане, чтобы при возникновении высокого давления излишек жидкости свободно перемещался в контур с холодной водой.
  • Термостат с защитой установленный в систему отопления, также позволяет избежать такого опасного явления, как гидроудар. Принцип работы такого устройства заключается в том, что в основном клапане термостата располагается дополнительный небольшой механизм, который открывается вне зависимости от температуры жидкости. Такой внутренний клапан начнёт пропускать жидкость, когда давление теплоносителя приблизится к максимально допустимому значению, тем самым предохраняя трубы от разрыва.

Как защитить от гидравлического удара коммуникации в квартире

Разгерметизация водопровода в квартире может привести к очень серьёзным последствиям, особенно в том случае, когда вследствие прорыва, был причинён ущерб соседям, квартира которых расположена этажом ниже, где произошла авария.

На участке водопровода находящегося в квартире, могут быть установлены старые металлические трубы, которые со временем ржавеют и могут разрушаться в процессе эксплуатации, не говоря уже об убийственной» силе гидроудара.

ВАЖНО! Чтобы свести к минимуму вероятность возникновения протечки, рекомендуется установить краны вентильного типа, которые в силу конструктивной особенности не способны мгновенно перекрыть воду. Шаровые рычажные краны, которые так удобны не только на кухне, но и душе, могут стать причиной серьёзной аварии.

Несмотря на то что гидроаккумуляторы наиболее часто используются в частных домах, водоснабжение которых осуществляется посредством насоса находящегося в глубокой скважине, такие изделия помогут защитить и водопровод находящийся в квартире от гидроудара.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудараКроме этого, накопленная жидкость в таких устройствах, можно будет использовать в случае временного отключения водоснабжения. Защитить водопровода от гидроудара можно также с помощью специальных гасителей, которые устанавливаются в трубу холодного или горячего водоснабжения.

Самовольно устанавливать какие-либо приборы в системе централизованного отопления категорически запрещается. Чтобы защитить жилплощадь от возникновения гидроудара, следует допустить специалиста управляющей компании во время тестового запуска отопления.

Если все воздушные пробки будут вовремя удалены из радиаторов и трубопроводов, то можно будет не опасаться гидроудара, по причине соблюдения всех необходимых мер для предотвращения такого явления в котельной и на пути доставки теплоносителя в квартиру.

Чтобы уменьшить риск разгерметизации систем горячего водоснабжения, рекомендуется также заменить краны на винтовые конструкции, а трубопровод сделать из современных материалов, которые позволяют максимально эффективно справляться с избыточным давлением в трубопроводе.

Несколько слов о теории гидроудара

Возникновение гидравлического удара возможно только по той причине, что жидкость не сжимается настолько, чтобы произошла компенсация резкого скачка давления. При увеличении давления в одном месте его сила распространяется на весь участок трубопровода, и найдя «слабое звено» приводит к деформации либо разрушению материала.

Такой эффект возникающий в трубопроводах высокого давления был впервые обнаружен российским учёным Н. Е. Жуковским в конце XIX века. Жуковским также была выведена формула, по которой можно рассчитать минимальное время необходимое для закрытия крана, чтобы избежать опасного повышения давления в замкнутой системе водопровода.

Видео:Гаситель гидроударов VALTEC - где правильно установитьСкачать

Гаситель гидроударов VALTEC - где правильно установить

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

Как известно, гидравлический удар возникает, когда кинетическая энергия жидкости преобразуется в энергию упругой деформации, причем такой эффект вызывают только резкие изменения скорости потока (внезапное закрытие запорного клапана, сбой в работе насоса и т. д.). Из-за инерции скорость потока жидкости в этом случае не может адаптироваться к новым условиям, в результате чего жидкость деформируется, и этот процесс сопровождается скачками давления (развитие гидравлического удара).

В данном случае опасность в том, что скорость движения образовавшейся волны достигает скорости звука (до 1500 м/с для многих материалов труб — пластика, стали и др.) при относительно долгом сохранении исходного скачка давления. Такая волна, достигнув элементов трубопроводной системы, способна вызывать их разрушение. Падение энергии волн гидравлического удара происходит не сразу и зависит от длины трубопровода, поэтому они опасны в течение заметного времени: в городской системе водоснабжения — от нескольких секунд, в длинных трубопроводах спад пульсации давления может занять минуты.

Сложность борьбы с возникновением и последствиями гидравлического удара в том, что любая многокомпонентная и разветвленная трубопроводная система не может постоянно находиться в стабильном режиме — изменение условий работы практически любого ее элемента (пуск или выключение насоса, срабатывание задвижек и т. д.) изменяет условия рабочего режима всей системы. В целом, любые подобные изменения или нарушения при эксплуатации становятся причиной колебаний давления и расхода, т. е. приводят к изменяемому во времени режиму течения жидкости.

В условиях подобного неустановившегося или переходного режима гидравлический удар, под которым понимают как повышение, так и понижение давления, становится причиной дополнительного увеличения динамической нагрузки на систему трубопровода, запорные клапаны, крепежные элементы, упоры и другие компоненты системы. К сожалению, проблема осложняется тем, что ущерб от гидравлического удара не всегда сразу заметен. Зачастую последствия воздействия — например, образование трещин в трубе, ослабление или отсоединение фланцев трубы проявляются спустя долгое время. Причина повреждения в таком случае неизвестна.

В результате гидравлического удара могут возникать следующие повреждения:

При повышении давления:

❗ повреждения крепления трубы;

❗ повреждения насосов, фундаментов, фитингов и трубопроводной арматуры;

При понижении давления:

❗ смятие пластиковых и тонкостенных стальных труб;

❗ отслоение цементно-песчаной внутренней облицовки труб;

❗ подсос грязной воды или воздуха в трубопровод через фланцевые соединения или соединительные муфты, сальниковые уплотнения или места утечки;

❗ разрыв сплошности потока, за которым следуют высокие скачки давления в результате схлопывания образовавшихся паровых полостей (макрокавитация).

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара

Очевидно, что в условиях, когда предотвращать скачки давления при эксплуатации трубопроводной системы невозможно, для предотвращения серьезных повреждений необходимо удержание динамических изменений давления в контролируемых пределах.

Поэтому во избежание риска гидроудара для каждой гидравлической трубопроводной сети должен проводиться анализ пульсаций давления с оценкой опасности возникновения ударной волны. До недавнего времени относительно надежным способом анализа гидроудара являлся графический метод Шнайдера — Бержерона (однако его применение ограничивалось системами с одним трубопроводом), а также один из наиболее распространенных методов ручного расчета с помощью уравнения Жуковского.

После исследования трубопроводов разного диаметра системы московского водопровода в конце XIX в. русский ученый Николай Егорович Жуковский вывел формулу, позволяющую произвести расчет вызванного мгновенным изменением скорости потока Δv (м/с) перепада давления P Jou (Н/м²), в жидкости:

P Jou = ρaΔv, где

ρ — плотность жидкости, кг/м 3 ;
a — скорость распространения волны в трубопроводе, заполненном жидкостью, м/с.

Данное соотношение применимо только к тому периоду времени, когда происходит изменение скорости потока. Если оно проявляется в направлении, противоположном потоку, давление будет возрастать, в противном случае — падать. Если перекачиваемая жидкость — вода, т. е. ρ = 1000 кг/м 3 , то уравнение Жуковского будет выглядеть так:

Δh Jou = agΔv 100Δv, где

g = 9,81 м/с² — ускорение свободного падения;
Δh Jou — изменение напора, м.

Уравнение Жуковского применимо лишь для следующих условий:

✅ интервалы времени равны или короче времени отражения трубопровода Tr;
✅ интервал времени находится в пределах изменения скорости Δv;
✅ потери на трение в трубах находятся в пределах, типичных для систем транспортировки воды.

Скорость распространения ударной волны является одним из аргументов уравнения Жуковского и, следовательно, важным параметром для определения интенсивности гидравлического удара, который может быть рассчитан по специальной формуле. Однако анализ гидроудара часто производится и без применения этой формулы в связи с тем, что в ней не учитывается наличие в жидкости воздуха, хотя он может оказать значительное влияние на интенсивность воздействия ударной волны: в трубопроводах питьевого водоснабжения содержание газа пренебрежимо мало, в то время как в сточных водах на канализационных насосных станциях оно значительно.

В общем, интенсивность гидроудара зависит от параметров трубопровода: переменного модуля упругости, возраста трубопровода и в особенности от способа прокладки трубы (в земле или на поверхности). Уложенный в землю трубопровод имеет намного более высокие значения показателя интенсивности гидроудара, чем труба, проложенная свободно.

В современном проектировании систем водоснабжения и водоотведения применяется метод математического моделирования гидравлического удара. Точность анализа в этом случае зависит от точности данных системы, вводимых как входные параметры. Анализ гидравлического удара обладает высокой степенью достоверности только при условии регистрации входных параметров и при соответствии компьютерной модели реальному состоянию системы. Ошибки могут возникать, если введены неточные характеристики запорного клапана или насоса, нет достаточных сведений о действительной скорости распространения ударной волны внутри трубопровода либо недостаточно информации о точках ответвления в магистральном трубопроводе.

Поскольку анализ гидравлического удара не дает рекомендаций для определения оптимальных размеров воздушного бака, настроек компрессора, характеристик перекрытия запорного клапана, размеров маховика насоса (момента инерции насосного агрегата) и т. д., проектировщику приходится самостоятельно выбирать тип устройства защиты от гидроудара и оценивать его параметры. Несмотря на использование современной компьютерной технологии, анализ до сих пор является трудоемким и затратным по времени.

Компания KSB уже долгое время является серьезным мировым научным полигоном для исследования гидравлического удара, разработки способов предупреждения его возникновения и минимизации последствий. В дальнейших статьях этого цикла мы познакомим вас с новыми методиками анализа систем трубопроводов, предложенными нашими специалистами, а также со способами борьбы с этим опасным явлением. Если у вас возникли вопросы по этой теме, наш специалист с удовольствием подключится к обсуждению!

Видео:Что такое гидроударСкачать

Что такое гидроудар

Гидроудар в системе водоснабжения — почему возникает, и как с ним бороться

Даже кажущиеся совсем несложными гидравлические системы, например, обычный водопровод в квартире или собственном доме, на деле могут «хранить» множество «секретов», впрочем, полностью подчиняющихся законам физики. Одним из «недобрых сюрпризов» для несведущего человека порой становиться гидравлический удар – когда, казалось бы, на «ровном месте» вдруг возникает такой скачок давления воды, что начинают лопаться трубы или открываются подтекания на соединениях.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Гидроудар в системе водоснабжения

Скажем так – гидравлический удар возникает отнюдь не на «ровном месте». И успешно противостоять такому явлению – тоже вполне посильная задача. Вот давайте и разберемся: гидроудар в системе водоснабжения – что это такое, и как с ним бороться.

По ходу изложения будет представлен рейтинг специальных устройств, позволяющих сводить разрушающую силу гидроударов к неопасным величинам.

Видео:Расчет трубопровода на прочность в СТАРТ-ПРОФ от нагрузок, вызванных гидроударомСкачать

Расчет трубопровода на прочность в СТАРТ-ПРОФ от нагрузок, вызванных гидроударом

Что такое гидроудар в трубах

Явление гидроудара – с точки зрения физики

Гидроударом принято понимать резкое, с огромной амплитудой повышение давления воды в напорной трубе, появляющееся в том случае, когда движение жидкости по ней резко замедляется или вовсе останавливается. Точнее сказать даже – не повышение, а резкое изменение давления, так как комплексно гидроудар представляет собой череду сменяющих друг друга циклов сжатия и разрежения, происходящих за очень короткий промежуток времени.

Эти разнонаправленные скачки, естественно, оказывают деформирующее воздействие на трубы, элементы запорно-регулировочной арматуры, что, к сожалению, очень часто не проходит бесследно – об этом мы еще поговорим ниже. Неприятен такой эффект даже с точки шумности – во время гидроудара порой издаются весьма «жуткие» звуки и скрежет.

Забегая несколько вперёд, скажем, что гидроудары случаются чаще и бывают разрушительнее на участках труб, оснащённых запорными элементами «мгновенного» действия. Сюда можно отнести шаровые краны, однорычажные смесители с картриджами, электромагнитные клапаны и другие устройства, очень быстро и полностью перекрывающие просвет для прохода воды.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Система водопровода с кранами вентильного типа (в центре и справа) – гораздо лучше защищена от появления опасных гидроударов.

Попробуем разобраться в физике этого явления. Для этого будем наблюдать за теми стадиями, что менять друг друга в процессе гидроудара.

Можно для упрощения представить домашнюю водопроводную сеть (или какой-то любой из ее участков) в виде отрезка трубы, соединенного с трубой-коллектором (стояком) с одной стороны, и с шаровым краном – с другой.

  • Вот и первая стадия – вода спокойно истекает из коллектора через трубу – кран полностью открыт. Ничто не предвещает неприятностей.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 1 – вода свободно проливается через трубу.

Синей стрелкой показано направление потока, V – его скорость. Синяя буква Р показывает нормальное давление в стояке и трубной разводке. Синие точки – это очень условно «частицы воды», просто для большей наглядности плотности в стадиях нормы, сжатия и разрежения.

  • Шаровой кран был резко перекрыт. Что начинает наблюдаться в трубе?

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 2 – сжатие в области закрытого запорного устройства.

Ток воды через кран резко прекратился. Однако в трубе – он продолжается по инерции, и кинетическая энергия потока – очень немалая. В процессе торможения потока в области запорного устройства появляется зона повышенного давления, стремящаяся растянуть стенки трубы и сжать жидкость. Эта зона показана на иллюстрации розовым оттенком, и ее принято называть зоной сжатия ударной волной. Эта зона стремительно растет по длине вдоль трубы, и скорость перемещения фронта этой ударной волны обозначена буквой С и красной стрелкой. Давление в этой зоне – значительно выше нормального, на величину ΔР.

Кстати, обычно в гидравлических расчетах принимается допущение, что вода – полностью несжимаемое вещество. Но это не совсем так: она может сжиматься – все зависит от прикладываемой нагрузки. И в расчетах гидроударов этот фактор также учитывается, как дополнительный аккумулятор энергии удара с ее последующим высвобождением.

  • Рано или поздно фронт ударной волны добирается до стояка.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 3 – зона сжатия захватила всю трубу до стояка

Получается, что весь участок от крана до стояка захвачен зоной сжатия, и стенки труб деформированы в сторону расширения. Движение воды на миг замерло – достигнут определенный баланс.

  • Так как стояк (коллектор) больше диаметром, то есть скорости воды при тех же показателях нормального давления здесь ниже, а в процесс движения вовлечены большие массы жидкости, большого возмущения в самом коллекторе ударная волна с какого-то отдельно взятой врезанной трубы вызвать не должна.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 4 – зона сжатия начинаем уменьшаться в размере, диаметр трубы нормализуется.

Вода начинает покидать зону сжатия – образуется и нарастает обратный ток. За счет сужения диаметра трубы и «распрямления» сжатой воды она просто выдавливается в коллектор.

Своеобразная «волна» — фронт зоны снятия повышенного давления, перемещается в сторону крана.

  • Наступает момент, когда давление в трубе сравнивается с давлением в стояке.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 5 – показатели давления сравнялись, но до спокойствия на участке еще очень далеко.

Проблема сейчас в том, что еще никуда не делся набравший силу и инерцию обратный ток воды от крана к стояку. Этот момент хотя и называют нулевой точкой – но до окончании гидроудара еще далеко.

  • Начинается фаза разрежения в трубе.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 6 — Уходящий в сторону коллектора поток воды оставляет за собой зону разрежения.

Кинетической энергии потока жидкости, уходящей в сторону стояка со скоростью V, достаточно, чтобы создавать за собой область нешуточного разрежения. Стенки труб сжимаются, так как давление внутри них стремительно падает, порой даже до отрицательных значений (до создания вакуума). Этот участок быстро растет в длину – зона разрежения ударной волны перемещается со скоростью С.

  • Ударная волна зоны разрежения дошла до стояка.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 7 – зона разрежения распространилась на всю трубу до коллектора (стояка).

Коллектор опять оказывает «успокаивающее действие». Движение воды по трубе прекратилось. На всем участке домашней разводки стенки труб максимально сжаты. Давление воды в них – меньше, чем в коллекторе.

  • Обратный ток воды в сторону крана

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Стадия 8 – начинает действовать отраженная волна.

Естественно, далее начинается нарастающий поток от коллектора к крану, так как давление стремиться выровняться. Стенки труб принимают изначальную свою конфигурацию. Образуется отраженная ударная волна, перемещающаяся со скоростью С.

Всё? Да нет, конечно, кран-то остается закрытым! То есть следует возврат к стадии №2 – давление в трубе поначалу выровняется (опять «нулевая точка»), но ток жидкости, обладающий немалой энергией, снова направлен к крану, и выхода у него нет…

Все повторяется, правда обычно уже с угасанием амплитуды давления. Таких повторных циклов может быть и несколько – все зависит от особенностей рассматриваемого участка водопровода.

В это сложно поверить, но сам гидравлический удар с повторением нескольких циклов, о чем так много приходится писать, в реальности может произойти буквально за сотые доли секунды. А скорости распространения ударных волн принимают значения, сравнимые со скоростью звука!

Немного – о параметрах гидравлического удара

Наша статья носит, скорее, просветительский характер, то есть дает представление людям о предмете явления, но не погружается в расчеты. Это – удел специалистов, и читают они для этого совершенно иную литературу.

Но несколько важных фактов из теории гидравлического удара, думается, будут полезны и широкому кругу читателей.

  • Гидроудары бывают прямыми и непрямыми, причем первые – намного более разрушительные и опасные. Разница – в скорости перекрытия запорного устройства. Если время срабатывания крана меньше или равно периоду удара, то есть времени, за которой ударная волна способна пробежать от крана до коллектора (другого участка с постоянным давление воды) и обратно – удар будет прямым.
  • В зависимости от того, полностью или нет перекрыто запорное устройство, гидравлический удар тоже может быть полным или неполным. При неполном значительная часть энергии ударной волны демпфируется с оставшимся свободным потоком. Такие удары, безусловно, менее опасные.
  • Исходя из сказанного выше, было бы интересно, а какова скорость этой самой ударной волны?

Существует специальная формула подсчета. Но более наглядным пособием для нашего читателя станет таблица, в которой уже внесены рассчитанные значения для разных типов труб, применяемых в домашнем водопровода, и разных их диаметров.

Расчеты велись исходя из среднего давления в системе, равного 3 бар, и средней скорости движения воды по трубам – 3 м/с.

Стандартные диаметры трубСкорость ударной волны, м/сВеличина избыточного давления ΔР, бар (техн. атмосфер)
Металлопластиковые трубы РЕХ-АL-PEX
12х1,645213.5
16х2,039211.8
20х2,034310.3
26х3,037311.2
32х3,03309.9
40х3,53179.5
Полиэтиленовые трубы PEX или PERT
16х2,048014.4
16х2,250815.2
20х2,042212.7
20х2,244613.4
25х3,551415.4
32х4,450815.2
40х5,550815.2
Полипропиленовые трубы
20х2,840112
20х3,445613.7
25х3,540112
25х4,245213.6
32х4,439711.9
32х5,445413.6
40х5,539711.9
40х6,745213.5
50х6,939811.9
50х8,344913.5
63х8,639511.8
63х10,545013.5
Медные трубы
12х1128738.6
15х1125337.6
18х1122136.6
22х1118335.5
28х1113133.9
35х1107932.4
Стальные трубы ВГП
DN 15138841.6
DN 20137541.3
DN 25137041.1
DN 32135340.6
DN 40135040.5

Взгляните на скорость распространения ударной волны! Она в большинстве случаев превосходит скорость звука в воздухе (которая примерно 343 м/с)! А с металлическими трубами – превышает ее два и даже три раза! Да и показатели скачков давления при этом – очень впечатляют, особенно в водопроводе из металлических труб.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Поразительно, но факт – при совсем небольших скоростях течения жидкости скорость распространения ударной волны гидроудара превышает скорость света! Естественно, разрушительный потенциал у нее – немалый.

  • Раз скорость ударной волны известна, и можно с достаточной степенью точности оценить время перекрывания крана, то можно просчитать, какая длина трубопроводов становится наиболее опасной в плане образования прямых гидравлических ударов. Эта работа уже проделана – в таблице ниже указаны ориентировочные значения.

Если длина участка меньше – прямого гидроудара не случится. Но это вовсе не означает, что непрямой удар будет «добрый и ласковый» – защита водопровода все равно не помешает.

Тип запорного устройстваПримерное время срабатывания, сДлина участка прямого удара, м
Неметаллические трубыМеталлические трубы
Шаровой кран или однорычажный смеситель0.058.530
Душевой переключатель на смесителе (дивертор)0.035.218
Электромагнитный клапан стиральной или посудомоечной машины0.011.76
Электромагнитный клапан системы защиты от протечек (1/2″)0.058.530
Заливной клапан бачка унитаза0.0610.536

Некоторые данные из таблицы сразу привлекают внимание своей прикладной стороной. Например, если шланг стиральной (посудомоечной) машины будет меньше 1,7 метров, то даже теоретически прямого гидравлического удара на электромагнитном клапане прибора не случится.

Чем опасен гидравлический удар?

Теперь давайте поговорим о тех опасностях, что может нести гидравлический удар. Их, к сожалению, немало. В большей степени ожидать неприятностей приходится на магистральных трубопроводах большого диаметра. Но и в домашней водопроводной сети это явление может наделать бед. Особенно если будет повторяться с пугающей частотой.

  • Прежде всего, от таких явлений страдают сами трубы. Когда мы рассматривали стадии гидравлического удара, то акцентировали внимание на том, что стенки труб то расширяются от повышенного давления, то стремятся сжаться от разрежения.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Часто повторяющиеся деформации труб рано или поздно могут привести к разрыву стенки.

Да, в каждую трубу заложен немалый эксплуатационный запас. Но если он будет расходоваться на частые деформации от постоянно повторяющихся гидроударов – наступает своеобразная «усталость» труб, и долго такой водопровод не «проживет». Это в особенности касается систем, собранных из полимерных или металлопластиковых труб.

  • Негативно влияют гидроудары на соединения – прессовые или обжимные. Каждая волна, независимо от направления, расшатывает такое соединение, а в фазе резкого роста давления фитинг может начать сползать с тела трубы. Пусть эти смещения поначалу будут совсем микроскопические – закончится все вскорости может и полным рассоединением узла.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Трубу на обжимном соединении буквально стащило с фитинга – предстоят непростые ремонтно-восстановительные работы.

  • Очень страдают от гидроударов установленные в системе контрольно-измерительные приборы. Резкий скачок давления может и механизм того же манометра испортить, и вывести из строя циферблат, например, согнув его стрелку.
  • Уязвимыми деталями для гидравлических ударов становятся прокладки, сальники, другие уплотнения. Нешуточные ударные воздействия способны деформировать их, а то и вовсе выдавить из своих пазов (гнезд). В итоге могут начаться подтекания на соединениях, на запорно-регулировочных устройствах. А иногда бывают и иные казусные случаи, например, когда счетный механизм водомера заполняется водой, и прибор выходит из строя.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Разнообразные, но одинаково неприятные последствия частых гидравлических ударов в домашнем водопроводе: сломанный манометр, заполненный водой прибор учета потребления, расслоившиеся и даже схлопнувшиеся трубы.

  • Стадия разрежения при гидроударе – не менее опасна, чем сжатие, а порой приводит даже к более катастрофическим последствиям. В особенности от него страдают металлопластиковые и многослойные полимерные трубы. Они начинают расслаиваться, и при сильном разрежении внутренний их слой способен «схлопнуться», перекрыв канал для движения воды – это хорошо показано на иллюстрации выше. Да и до прорыва стенки трубы здесь, совершенно очевидно – остался один шаг.
  • При сильных падениях давления, до отрицательных значений, могут образоваться вакуумные пузырьки кавитации, разрывающие поток. А вот когда эти пузырьки начинают схлопываться, то за счет сил их поверхностного натяжения могут буквально отрываться кусочки металла на фитингах, резьбовых муфтах и т.п. До такой степени, что поверхность детали вся покрывается мелкими кавернами. Говорить о надежности такого соединения для дальнейшей эксплуатации – просто смешно…

Кстати, если при разрежении поток все же разорвался, то есть наступила фаза кавитации, вторая отражённая волна гидравлического удара будет даже мощнее первой – к ней суммируется еще и энергетический потенциал созданной зоны вакуума. Скажем так – к гидравлике присоединяется пневматика. И такие гидроудары – наиболее разрушительные.

  • Еще одна неприятность, возможная при гидроударе, правда, свойственная лишь для водопровода горячего водоснабжения. Но зато какая! И связана она с тем, что температура кипения воды очень сильно зависит от давления. В таблице ниже показана эта зависимость.
Температура вскипания воды,°САбсолютное давление, техн. атм. (бар)
1001.033
930.8
890.7
850.6
810.5
750.4
690.3
600.2
450.1

Смоделируем такую ситуацию – в трубе горячего водоснабжения при перемещении воды с температурой 65 градусов случился гидроудар. И на пике стадии разрежения давление у крана упало до 0,2 атмосфер. А ведь это уже – преодолена точка кипения, и вода на этом участке трубы почти мгновенно превратится в пар, с его огромным объемным расширением! Может рвануть так, что никому мало не покажется.

Одним словом, с гидроударом нужно уметь бороться. Как это делается – разберем в следующем разделе публикации.

Видео:Подмес воды и гидроудар наглядноСкачать

Подмес воды и гидроудар наглядно

Как защитить свою систему водоснабжения от гидроударов

Общие меры предотвращения гилравлических ударов

Как можно уже понять из ранее изложенной информации, один из самый действенным методов предотвращения или снижения силы гидроударов является увеличение времени перекрытия воды. Если посмотреть на магистральные водопроводы – там практически и не встретишь кранов или клапанов с моментальным срабатыванием. Упор делается на вентили и задвижки, приводимые в движение вращением колеса или передачей от электропривода, но с очень плавным закрытием просвета в трубе.

Можно пойти по этому принципу и дома. Однако, давайте будем честны перед собой: шаровые краны, «однорукие» смесители, мгновенно переключающие подачу воды на душ кнопочные или рычажные диверторы, электромагнитные клапаны в бытовой технике – они настолько удобны в пользовании, и мы к ним так привыкли, что вряд ли захотим отказываться.

На магистральных водоводах применяются и иные устройства. Например, компенсационные вставки по диаметру трубы, небольшой длины, снабженные фланцами для врезки в магистраль. Эти осевые вставки-компенсаторы изготавливаются из эластичного материала (по типу армированной резины), или с гофрированной камерой (сильфонные), и служат для сглаживания и гидроударов, и линейного расширения труб при нагреве. Но в домашней сети такие «штуковины» практически не применяются.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Осевые компенсаторы для магистральных труб – за счет эластичного корпуса способны гасить колебания давления и линейное расширение труб.

В домашней водопроводной сети против гидравлических ударов довольно успешно действуют гидрофоры – мембранные расширительные баки закрытого типа. Они, кстати, являются обязательным элементом для хорошо отлаженной автономной системы подачи воды из колодца или скважины. Но вот в условиях квартиры для такого устройства места может и не быть.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Отличное решение для частного дома – гидроаккумулятор (гидрофор) и служит накопителем воды, и обеспечивает постоянное давление в системе, и успешно сглаживает гидравлические удары.

Значит, напрашивается другое решение – включение в общую схему домашнего водопровода специальных устройств, способных снизить до неопасных значений разрушительные способности гидроударов.
Гасители (компенсаторы) гидроударов для домашней водопроводной сети

Такие устройства разработаны и свободно представлены в продаже. В разных источниках и у разных производителей они могут несколько отличаться и названием. Так, встречается термин «гаситель гидравлических ударов». Другое распространенное наименование – компенсатор гидроударов. Кто попробует пояснить принципиальное различие меду этими двумя понятиями. У меня не получается…

В продаже представлено две основные разновидности подобных устройств. При общем принципе действия – имеются и технологические особенности.

Пневматический мембранный гаситель гидроударов

Можно рассмотреть на примере модели VALTEC VT.CAR 19ПС – у остальных такого же типа отличия – принципиально несущественны.

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Устройство мембранного гасителя гидравлических ударов VALTEC VT.CAR 19ПС.

Прибор состоит из двух полусферических половинок корпуса (поз. 1 и поз. 4). При сборке изделия они завальцовываются, и одновременно между ними размещается эластичная мембрана (поз. 2) , также полусферической формы, обращенная выпуклостью вниз.

Мембрана имеет особую структуру поверхности, с мелкими выпуклостями, чтобы допускать прилипания резины к нижней части корпуса.

По центру нижней части корпуса имеется свободный выход – отверстие, к которому снаружи подсоединён резьбовой патрубок (1/2 дюйма) для врезки прибора в водопровод.

Верхняя часть корпуса будет играть роль пневматической камеры. Она сверху оканчивается ниппелем (поз. 6), через который посредством насоса в камере создается избыточное давление. Обычно это – 3,5 атмосферы (так приборы выходят с завода), по принципу – на 0,5 атмосферы выше нормального давления в водопроводе.

Понятно, что давление в воздушной камере можно как поднимать, так и снижать, в зависимости от имеющегося нормального давления в системе. Принцип тот же: норма + 0,5 атм. Предел накачивания – 10,5 атмосфер (бар), то есть компенсатор способен работать в системах с рабочим давлением до 10 бар.

При гидроударе вода начинает давить на мембрану, и энергия волны начинает расходоваться на преодоление давления предварительной накачки, на дополнительное сжатие воздуха в пневматической камере. В фазе разрежения вода из компенсатора быстро возвращается в трубопровод и также способствует скорейшему сглаживанию пиков скачков давления. А запорно-регулировочная арматура, фитинги и сами трубы в области действия компенсатора не испытывают критических нагрузок.

Кстати, в домашней (квартирной) системе водопровода подобный гаситель вполне справляется с задачей компенсатора температурных расширений воды (например, за ночь температура в водопроводе дома поднялась от 5 до 20 градусов — это немало). А также с задачей предохранителя от вскипания воды в стадии разрежения.

Пружинный тарельчатый компенсатор гидроударов

Он устроен еще проще:

Гидроудар в трубопроводах расчетные уравнения и методы предотвращения гидроудара Устройство пружинного (тарельчатого) компенсатора гидроударов.

Представляет собой в это раз – разборную конструкцию, выполняется чаще всего из латуни, встречается из нержавейки.

Нижняя часть корпуса (поз.1) имеет резьбовой патрубок (поз. 2) для подключения к общей сети в нужном месте. Для герметизации этого соединения предусмотрено уплотнительное кольцо (поз. 3). По центральной оси корпуса внутри проходит канал для свободного пропуска воды.

Верхняя часть корпуса (поз. 6) имеет форму стакана, и соединяется с нижней резьбовым соединением (поз. 5). Внутри цилиндра расположен поршень (поз. 7) хорошо притертый к внутренней поверхности стакана. Для герметичности перемещения поршня по цилиндру предусмотрены два уплотнительных кольца.

Внутри, между поршнем и дном стакана, размещена обыкновенная пружина рассчитанной упругости. При необходимости пружину можно менять на другую — в зависимости от параметров водопровода.

После установки компенсатора вода проникает под цилиндр и давит на поршень, преодолевая сопротивление пружины. В остальном же принцип компенсации силы гидравлического удара – совершенно одинаковый.

А вот по возможностям он в часто превосходит мембранный.

В магазинах представлено немало изделий такого же плана и предназначения. Из них несколько моделей были отобраны (по отзывам потребителей) и включены в общий рейтинг, прилагаемый ниже:

🎬 Видео

Гидравлический удар и расчет трубопроводаСкачать

Гидравлический удар и расчет трубопровода

Защита от гидроудара и их установка .Скачать

Защита  от гидроудара  и   их установка .

ГидроударСкачать

Гидроудар

гидравлический расчет трубопроводовСкачать

гидравлический расчет трубопроводов

Парадокс сужающейся трубыСкачать

Парадокс сужающейся трубы

Редуктор давления воды - защищает от гидроудара или нет?Скачать

Редуктор давления воды  - защищает от гидроудара или нет?

Закон БернуллиСкачать

Закон Бернулли

Галилео. Эксперимент ⚠ Гидроудар 💦 Hydraulic shockСкачать

Галилео. Эксперимент ⚠ Гидроудар 💦 Hydraulic shock

Галилео. Эксперимент. ГидроударСкачать

Галилео. Эксперимент. Гидроудар

Гидроудар! 🤜 Выбивает дно у бутылки и ломает сантехнику.🤔#водоснабжение #отопление #сантехникаСкачать

Гидроудар! 🤜 Выбивает дно у бутылки и ломает сантехнику.🤔#водоснабжение #отопление  #сантехника

Компенсатор (амортизатор, гаситель) гидроударов, демонстрация эффективности!Скачать

Компенсатор (амортизатор, гаситель) гидроударов, демонстрация эффективности!
Поделиться или сохранить к себе: