• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Запобігання гідравлічного удару.

Різке підвищення тиску, яке відбувається при гідравлічному ударі, являє собою у багатьох випадках дуже небезпечне явище, яке приводить до пошкодження з'єднань і розриву трубопроводів.

Для зберігання трубопроводів від впливу гідравлічного удару застосовують різні експлуатаційні заходи.

Найбільш ефективним методом зниження ∆р є усунення можливості прямого гідравлічного удару, що при заданій довжині трубопроводу зводиться до збільшення часу закриття або відкриття запірної і регулюючої арматури. Це досягається конструкцією запірних пристосувань, які виключають можливість дуже швидкого, а тим більш миттєвого перекриття трубопроводу. Тому в останній час намагаються уникати застосування пробочних кранів, а замість них встановлюють вентилі і засувки. С цієї точки зору при високому тиску і великих швидкостях течії рідини у довгих трубопроводах доцільно застосування дрібної багатовиткової різьби на шпинделях засувок чи вентилів. Зменшення швидкості руху рідини в трубопроводах, що при заданому видатку зводиться до збільшення діаметру труби, також приводить до зниження ударного тиску, як це безпосередньо видно із формули (7).

Крім цього, для зменшення шкідливої дії тиску при гідравлічному ударі ставлять запобіжні клапани, які відкриваючись при певному тиску, охороняють трубопровід від руйнування, або повітряні ковпаки (рис. 3). В момент закриття арматури рідина входе в ковпак і стискує повітря, яке там знаходиться, що і зменшує підвищення тиску.

Запобіжні клапани і повітряні ковпаки амортизують удари, які виникають у рідині, усуваючи деякий об'єм рідини із трубопроводу в момент удару, а також локалізують розповсюдження ударної хвилі в межах відстані від запірного пристрою до повітряного ковпака або запобіжного клапана.

Рис. 3 Схема повітряного ковпака.

Гідравлічний удар, взагалі, явище небажане. Однак його можна використовувати в техніці (гідравлічні тарани, гідроімпульсатори), в яких гідравлічний удар створюється штучно з метою його послідуючого використання.

Рис. 4 Схема гідравлічного тарана.

На рис. 4 наведена схема гідротаранної установки, до якої входять підводячий трубопровід 1, робоча камера 2 з двома клапанами (ударним 3 і нагнітаючим 4), повітряний ковпак 5 і нагнітаючий трубопровід. При заповненні водою установки, яка знаходиться у неробочому стані, ударний клапан 3 закритий під дією тиску води у трубопроводі 1, а нагнітаючий клапан закритий під дією власної ваги.

Для пуску тарану в дію відкривають ударний клапан 3, при цьому вода, яка поступає по підводячому трубопроводу в робочу камеру, починає витікати через цей клапан назовні. Водою, яка витікає, клапан 3 піднімається, закриваючи отвір, внаслідок чого у робочій камері відбувається гідравлічний удар з різким підвищеним тиску. Під впливом цього підвищеного тиску відкривається нагнітаючий клапан 4, і частина води виштовхується з робочої камери у повітряний ковпак, а звідти у нагнітаючий трубопровід.

У наступний момент гідравлічного удару відбудеться зниження тиску внаслідок чого закривається клапан 4, і під дією власної ваги відкривається клапан 3. Вода з робочої камери знову почне витікати назовні через клапан 3 і закриє його. У робочій камері знову відбудеться гідравлічний удар, і цей процес буде повторюватися безперервно і автоматично.

Таким чином, гідравлічний таран витрачає деяку частину видатку на виливання рідини назовні через ударний клапан, а залишену частину видатку піднімає по нагнітаючому трубопроводу на висоту Н₂, яка значно, перевищує висоту Н₁. Нормальна висота підйому води гідравлічним тараном Н₂ ≈ 10Н₁. Коефіцієнт корисної дії тарану коливається в межах η = 0,25... 0,85, складаючи у середньому 0,5…0,6.

Гідроімпульсатор знаходить застосування у гідромоніторах, які використовують при гідромеханізації видобутку корисних копалин. За допомогою гідроімпульсатора на ділянці трубопроводу певної довжини безпосередньо перед гідромонітором штучно утворюються незатухаючі гідравлічні удари (автоколивання тиску), які забезпечують підвищення тиску води перед стволом гідромонітору у 1,5…2 рази і одержання пульсуючого струменю. Це, в свою чергу, призводить до підвищення продуктивності гідровідбійки і зниженню енергоємності гідромонітору.

Лекція № 9 «Витікання рідини через отвори і насадки»

1. Витікання рідини через отвір у тонкій стінці при постійному напорі.

2. Витікання рідини через насадки.

3. Витікання рідини через отвір при перемінному напорі.

1. Витікання рідини через отвір у тонкій стінці при постійному напорі.

В інженерній практиці досить часто доводиться розглядати питання витікання рідини через отвори різноманітних форм і розмірів, а також через короткі патрубки, які називаються насадками. С такими задачами доводиться зустрічатися, наприклад, при визначенні видатка і швидкості рідини, при розрахунках, пов’язаних із створенням дальнобійних, компактних струменів (пожежні брандспойти, гідромонітори), повітряних завіс, зливом рідини з баків і резервуарів, а також при розробці сопел, форсунків.

В харчових виробництвах по умовах технології доводиться періодично заповнювати великими кількостями рідини різні апарати і резервуари, які з часом спорожнюються. Крім того, у деяких галузях промисловості: пивоварній, молочній, лікеро-горілочній і інших, готову продукцію розливають в різноманітну посудину. Всі ці операції проводяться часто в умовах витікання рідини із отворів і коротких труб. Для розрахунку таких отворів не можна користуватися залежностями, виведеними раніше для ідеальної рідини. При витіканні з отворів реальних рідин виникають своєрідні місцеві гідравлічні опори, які впливають на швидкість та видаток.

Витікання рідини може провадитись як в атмосферу (незатоплені отвори), так і під рівень рідини (затоплені отвори), при постійному напорі перед отвором або при перемінному напорі.

В залежності від розподілу тиску по перерізу розрізняють малі та великі отвори. Малим називають такий отвір (рис. 1), діаметр або вертикальний розмір якого менший напору на 0,1∙Н перед отвором, що дозволяє вважати тиск в усіх точках цього отвору однаковим. Тонкою вважається стінка, товщина якої не перевищує 3d. У цьому випадку виходячий струмінь торкається тільки внутрішніх кромок отвору і не торкається його бокової поверхні, а стінки отвору не чинять прямого впливу на форму і при витіканні будуть мати місто тільки місцеві втрати тиску. Цій умові задовольняє також витікання із отворів з гострою кромкою.

Рис.1 Витікання рідини через малий отвір

При витіканні рідини через малий отвір площею F₀ у тонкій стінці внаслідок інерції часток, які рухаються по криволінійним траєкторіям, струмінь рідини на виході з отвору звужується. На невеликій відстані від отвору (для круглого отвору l=1/2d) утворюється стиснутий переріз, який має мінімальну площу F_с і практично паралельно струминний рух часток. Ступінь стиснення оцінюється коефіцієнтом стиснення струменя e, який являє собою відношення площі стисненого перерізу F_с до площі отвору F₀ :

.

У загальному випадку коефіцієнт стиснення залежить від числа Рейнольдса. Але для мало в’язких рідин (води, бензину, гасу тощо), витікання яких звичайно відбувається при достатньо великих числах Re, коефіцієнти витікання змінюються у невеликих межах:

e=0,6¸0,64.

Розглянемо великий резервуар з рідиною під тиском р₀, який має малий круглий отвір у стінці на достатньо великий глибині Н₀ від вільної поверхні. Через цей отвір рідина витікає у повітряний (газовий) простір з тиском р₁.

Рис. 2 Витікання рідини з резервуару при постійному напорі

Для визначення швидкості витікання і видатку рідини проаналізуємо рух рідини за допомогою рівняння Д. Бернуллі.

Проведемо два переріза:

1-1 – по поверхні рідини у резервуарі, с-с – у стисненому перерізі струменю, а також площину порівняння 0-0 по осі отвору і запишемо для цих перерізів рівняння Д. Бернуллі:

(1)

В перерізі 1-1 тиск буде р₀, а швидкість можна вважати такою, яка дорівнює нулю. У перерізі с-с тиск буде дорівнювати тиску навколишнього середовища р₁. При цих умовах будемо мати:

(2)

Вважатимемо, що втрати напору h_вт будуть визначатися місцевим опором при течії рідини через отвір:

(3)

де x - коефіцієнт опору отвору.

Вводячи розрахунковий напір , одержимо:

, (4)

звідси швидкість витікання у стисненому перерізі:

, (5)

де - коефіцієнт швидкості.

У ідеалізованому випадку, коли швидкість окремих струменів у стисненому перерізі однакова (α_с=1), а втрати напору відсутні (), коефіцієнт швидкості (j=1) і тоді:

(6)

Ця формула була одержана Е. Торрічеллі у 1643 р. на підставі безпосередніх спостережень за швидкістю витікання рідини через отвір при різних напорах Н.

Співвідношення:

показує, що коефіцієнт швидкості враховує зменшення швидкості внаслідок втрат і нерівномірного розподілу швидкостей у стисненому перерізі. Для розглядаємого випадку можна прийняти , тобто зневажати втратами. Однак нерівномірність розподілу швидкості істотна. Згідно з дослідами Базена α_с=1,06. Тоді :

Підрахуємо видаток рідини як добуток дійсної швидкості витікання на фактичну площу перерізу струменю:

Використовуючи співвідношення , маємо:

(7)

Добуток коефіцієнтів e і j прийнято позначати літерою m і називати коефіцієнтом видатку отвору.

Величину цього коефіцієнта для малих отворів в середньому приймають рівною

.

2. Витікання рідини через насадки.

В інженерних задачах досить часто вимагається одержання максимального видатку через заданий переріз отвору. Тому для збільшення видатку через різні отвори використовують спеціальні короткі патрубки, які називають насадками.

Якщо рідина витікає через отвір в резервуарі і товщина його стінки , де d – діаметр отвору, то характер витікання буде іншим в порівнянні з витіканням через отвір у тонкій стінці. У випадку витікання рідини через насадки (товсті стінки) стиснення струменю відбувається тільки на вході в отвір. Далі струмінь наче прилипає до стінок і заповнює весь переріз отвору.

Рис.3 Витікання рідини з резервуару через отвір в широкій стінці

На практиці використовують насадки різної конструкції: циліндричні, конічні, колоїдальні, гвинтові.

Зовнішній циліндричний насадок це коротка трубка довжиною, яка дорівнює декільком діаметрам без закруглення вхідної кромки.

а)	б)
Рис.4 Витікання рідини через насадок

Витікання через такий насадок (Рис. 4 а) в газове середовище може відбуватися двояко. Струмінь після входу у насадок стискається приблизно так, як і при витіканні через отвір у тонкій стінці. Після цього внаслідок взаємодії стислої частини струменю з завихреною рідиною, яка її оточує, струмінь поступово розширюється до розмірів отвору і з насадка виходить повним перерізом. Цей режим витікання називають безвідривним.

Другий режим витікання (рис.4 б) характеризується тим, що струмінь після стиснення не розширюється, а зберігає циліндричну форму і переміщується всередині насадка, не стискаючись із його стінками. Витікання стає таким же, як і через отвір у тонкій стінці, з такими ж значеннями коефіцієнтів.

Отже, при переході від першого режиму до другого швидкість зростає, а видаток зменшується завдяки стисненню струменя.

Рис.5 Схема для розрахунку насадка

Визначимо швидкість витікання рідини через циліндричний зовнішній насадок при умові, що в резервуарі підтримується постійний рівень Н₀. Вважатимемо, що резервуар відкритий і витікання проводиться в атмосферу.

Запишемо рівняння Д. Бернуллі для двох перерізів 1-1 і в-в (місце виходу рідини з насадка)

Так як Н – розрахунковий напір, , то .

У цьому виразі – сумарний коефіцієнт опору, який враховує втрати енергії:

- втрати енергії між перерізом 1-1 і стисненим с-с при раптовому звуженні потоку x_зв;

- втрати енергії при раптовому розширенні потоку між перерізом с-с і областю, де насадок робить струмень повним (перерізом в-в) ;

- втрати енергії по довжині насадка між перерізом с-с і в-в - .

Таким чином, швидкість потоку на виході з насадка буде:

або:

, (8)

де: .

Визначимо числове значення коефіцієнта швидкості j. Суму можна розглядати як коефіцієнт місцевого опору при вході у трубу x_вх. Для цих умов x_вх=0,5. Приймаючи , одержимо:

,

тобто коефіцієнт швидкості насадка, менший за той же коефіцієнт отвору (j=0,97).

Видаток рідини:

(9)

Так як в області виходу потік займає повний переріз, то e_в=1. Тому коефіцієнт видатку рідини через насадок при розрахунку по вихідному перерізу дорівнює коефіцієнту швидкості:

m=ej=j=0,82.

Як видно, коефіцієнт m для насадка більший, ніж для отвору.

Слід зауважити, що збільшення довжини насадка приводить до збільшення і відповідно до зменшення коефіцієнту видатку. При виведенні формули (9) ми не накладали ніяких обмежень, а тому вона справедлива для насадків усіх типів, а також для отворів у товстій стінці.

Порівнюючи видатки рідини через отвір і насадок з однаковою площею, знаходимо, що видаток через насадок більший, ніж через отвір. Це можна пояснити тим, що навколо стиснутого перерізу утворюються зони із зниженим тиском, внаслідок чого відбувається підсмоктування рідини із резервуара. Саме тому при однаковому напорі видаток рідини через насадок буде більший, ніж через отвір.

На практиці застосовують насадки різної форми (зовнішній і внутрішній циліндричний насадок, конічний, колоїдальний).

Забір рідини із резервуарів часто відбувається через патрубки, які піднімаються над дном резервуарів, осадочних чанів, масляних картерів. Це робиться для запобігання попадання різноманітних осадків у транспортуючу рідину. Внутрішні циліндричні насадки застосовуються також у насадочних ректифікаційних колонах.

Такі насадки чинять більші гідравлічні опори, ніж зовнішні. Встановлено, що коефіцієнт опору внутрішнього насадка у два рази більший за коефіцієнт опору зовнішнього, тобто x=1. Тому коефіцієнт швидкості для внутрішнього насадка j=0,71.

У випадку конічного сходячого насадка стиск струменю на вході менший, ніж у зовнішньому циліндричному насадку, але з’являються зовнішнє стиснення на виході з насадка і збільшення вихідної швидкості насадка. Такий насадок має максимальний видатковий коефіцієнт j=0,946, якщо кут конуса складає 13^о24’.

Конічні сходячі насадки використовуються у всіх випадках, де необхідно одержати компактний дальнобійний струмінь, який має велику кінетичну енергію, наприклад, в брандспойтах, гідромоніторах для розмиву грунту тощо.

В конічному розходячому насадку у області стиску струменю на вході у насадок утворюється вакуум майже вдвічі більший, ніж у циліндричному насадку. Це збільшує підсмоктування рідини, але приводе до значного розширення струменю і збільшенню гідравлічного опору.

Течія із конічного розходячого насадка буде безвідривною від стінок, якщо кут конусності не перевищує 13^о. Такі насадки широко використовуються для отримання вакууму в ежекторах, гідроелеваторах для зменшення розмиву грунту витікаючим струменем води тощо.

Коноїдальний насадок має форму стислого струменю, який витікає з отвору в тонкій стінці, що зменшує гідравлічний опір і збільшує видаток через отвір. Коефіцієнт видатку коноїдального насадка .

3. Витікання рідини через отвір при перемінному напорі.

Витікання рідини через отвори при перемінному напорі являє значний інтерес, так як воно звичайно зустрічається при витіканні рідини із резервуарів, басейнів тощо. Дослідження цього питання пов’язане з певними труднощами у зв’язку з тим, що при цьому має місто несталий рух рідини.

При зміні рівня рідини у резервуарі змінюється швидкість, а отже і видаток через отвір.

Тому для визначення часу часткового або повного спороження резервуару необхідно мати на увазі, що звичайно розглядаємий видаток рідини через отвір відноситься до певного напору, який у даному випадку зберігається тільки протягом безкінечно малого проміжку часу.

Для визначення часу витікання рідини через отвір із зміною рівня у резервуарі можна скористатися наступними міркуваннями.

Нехай рідина витікає із резервуара (Рис. 6) з постійною площею перерізу F по висоті через отвір у його дні при початковому напорі Н₁ і кінцевому Н₂ над центром отвору.

Необхідно визначити час, за який витече частина об’єму рідини від початкового до кінцевого рівня Припустимо, що за час dt із резервуара витече об’ємна кількість рідини:

(10)

де f – площа отвору,

h – переміщений рівень у резервуарі (напір над центром тяжіння отвору у момент часу dt).

Рис.6 Витікання рідини з резервуару при перемінному напорі

Одночасно рівень у резервуарі знизиться на величину . Знак “–“ перед dh приймається внаслідок зменшення рівня рідини. Об’ємна кількість рідини:

(11)

Ліві частини рівень (10) і (11) однакові, тому можна записати рівняння

,

Звідки:

Після інтегрування в межах від Н₁ до Н₂ будемо мати час повного спородження при вказаних вище умовах визначиться як:

(13)

Формула (13) може бути представлена у вигляді

, (14)

де V – початковий об’єм рідини у резервуарі;

Q_max – максимальний видаток рідини через отвір, відповідний початковому рівню Н₁ у резервуарі.

Таким чином, час повного спорожнення резервуара внаслідок поступового зниження рівня у 2 рази більше часу, який потрібно було б у випадку витікання тієї ж кількості рідини через отвір під постійним максимальним напором Н₁.

Із формули (14) виходить, що спорожнення резервуара через отвір даного розміру буде тим швидше, чим вище резервуар і рівень Н₁ рідини у ньому.

Лекція № 10 «Загальні поняття про гідравлічні машини»

1. Призначення гідравлічних машин.

2. Основні поняття гідро- та пневмопривода.

3. Енергетичні параметри гідро- та пневмопривода.

4. Робочі рідини приводів.

Читайте також:

1. Алгоритм запобігання тупиків
2. Виявляння витоку за допомогою гідравлічного преса
3. Впровадження загальнодержавної системи запобігання виробничому травматизму і професійним захворюванням
4. Декларування безпеки об’єктів підвищеної небезпеки здійснюється з метою запобігання НС, а також забезпечення готовності до локалізації та ліквідації їх наслідків.
5. Допінг-контроль є найважливішою складовою частиною комплексної програми заходів, спрямованих на запобігання застосування спортсменами заборонених (допінгових) засобів.
6. Єдина державна система запобігання і реагування на надзвичайні ситуації техногенного та природного характеру
7. Загальні положення гідравлічного розрахунку.
8. Запобігання виникненню надзвичайних ситуацій.
9. Запобігання конфліктів у туристично-краєзнавчій діяльності
10. Запобігання надзвичайним ситуаціям та організація дій для усунення їх негативних наслідків
11. Запобігання пожежам на складах зберігання нафтопродуктів і твердого палива

Переглядів: 1842