Гидравлический удар. расчет.

Гидравлический удар.

Слишком быстрое перекрывание задвижки ниже по потоку после насоса способно вызвать гидравлический удар - эффект, способный привести к разрушению избыточным давлением или образовавшимся вследствие инерционного движения воды вакуумом корпус фильтра, трубопровод, гидроаккумулятор, соединения, клапаны. Все мы слышали признаки гидроудара в квартирах многоэтажных домов – шум, стук и дребезг в трубопроводах. Если вода движется в трубопроводе со скоростью 3 метра в секунду, а ниже по потоку резко перекрывается клапан, возникает ударная волна с давлением до 70 бар. Эта волна распространяется со скоростью звука (около 1500 м/с), отражается от препятствия и движется назад до соприкосновения с препятствием – насосом, обратным клапаном или корпусом фильтра. Такой импульс способен легко разрушить корпус засыпного фильтра, например, созданием вакуума в корпусе, или сорвать с крепления корпус картриджного фильтра или просто оторвать в корпусе дно. Все это в итоге приведет к затоплению помещения и головной боли для собственника, поставщика, продавца, установщика оборудования. Давление меняется резко, так как вода – несжимаемая жидкость. Когда воду останавливают мгновенно быстрым закрыванием клапана импульс в закрытой системе должен куда-то деваться – произойдет скачек давления на клапане и образование вакуума на другом конце горизонтального трубопровода. Развивается одинаково разрушительные силы – силы эксплозии (взрыва) и имплозии (схлопывания, взрыва внутрь).

Расчет эффекта гидравлического удара.

Pwh =(0,07VL/t) + Pi

0,07 – коэффициент преобразования;

t  - время закрывания задвижки, с;

V – горизонтальная длина трубопровода до задвижки, 3 ft/s;

L – горизонтальная длина трубопровода до задвижки,  ft;

Pi –  статическое давление воды (до гидроудара), psi.

Конвертация внесистемных единиц измерения в метрическую систему.

1 ft/s = 0,3 м/с

1 ft = 0,3 м

1 psi = 6895 Па = 0,06895bar.

Пример 1. 

Расчет гидроудара при скорости закрытия задвижки 8 сек, длине горизонтального трубопровода до задвижки 150 метров, скорости движения воды в трубопроводе 3 м/с ( труба диаметром 1 дюйм, объемная скорость потока – 90 л/мин) и начальном давлении 5,5 бар.

Конвертируем значения во внесистемные единицы измерения.

t   = 8 с;

V = 10 ft/s;

L = 500 ft;

Pi =  80 psi.

Pwh =(0,07•10•500/8) + 80=123,75 psi или 8,53 бар.

Пример 2. 

Расчет гидроудара при скорости закрытия задвижки 0,5 сек, длине горизонтального трубопровода до задвижки 150 метров, скорости движения воды в трубопроводе 3 м/с и начальном давлении 5,5 бар.

Конвертируем значения во внесистемные единицы измерения.

t   = 0,5 с;

V = 10 ft/s;

L = 500 ft;

Pi =  80 psi.

Pwh =(0,07•10•500/0,5) + 80=780 psi или 53,77 бар.

Примененная в примере длина горизонтального трубопровода до задвижки 150 метров и скорость потока 3 метра может оказаться нереальной ситуацией в бытовом водоснабжении, однако вполне реальной в промышленом секторе или в системах ирригации.

Насколько опасны гидравлические удары?

Большинство фильтров и гидроаккумуляторов в системах водоснабжения рассчитаны на максимальное рабочее давление 10 бар (или меньше) с фактическим давлением мгновенного разрушения около 40 бар. Эти фильтры и гидроаккумуляторы просто не способны выдержать сильный гидроудар. Разрыв компонента под давлением воды означает не просто его замену, но и серьезные повреждения водой окружающего оборудования и затопления помещения.  

Разрыв сплошности среды.

Резкое перекрывание задвижки не останавливает инерционное движение воды, что создает большой перепад давления и образование вакуума выше по потоку с образованием пара. Пар конденсируется в жидкость, образовавшиеся пустоты приводят к сталкиванию столбов жидкости, создавая резкие повышения давления. Эти резкие скачки давления способны вывести со строя трубы, соединения, насос, опорные конструкции, механизмы, находящиеся в потоке. Гидроудар способен привести к многочисленным разделениям среды, когда ударная волна многократно распространяется как вперед, так и назад по потоку.

Правило ограничения скорости потока 1,5 метра в секунду.

Для того, чтобы свести к минимуму эффект гидроудара (особенно для трубопроводов из ПВХ) скорость потока воды в трубопроводе должна ограничиваться максимальным значением 1.5 метра в секунду. При этом, скорость потока во всасывающих трубопроводах центробежных насосов должна ограничиваться еще меньшим значением 0,6-1 м/с для предотвращения кавитации.

Снижение гидравлического удара.

Советы просты и понятны: проектируйте больший диаметр трубопровода для снижения вероятности гидроудара (ограничение скорости потока – не более 1,5 м/с), разделяйте прямой трубопровод коленами и вертикальными участками, чтобы свести к минимуму длину прямой горизонтальной трубы, используйте клапаны с более медленным закрыванием, используйте насосы с плавным пуском и торможением, включайте в трубопровод эластичные секции и мембранные гидроаккумуляторы для амортизации части гидроудара.

Выводы.

Избыточное давление, создаваемое резким пуском насоса и резкой остановкой потока воды внутри замкнутой системы способны нанести серьезные повреждения оборудованию и персоналу в зоне действия. Гидроудар способен создать избыточное давление до 70 бар в системах водоснабжения с небольшой протяженностью. Предотвратить проблему можно за счет клапанов с медленным перекрыванием потока, ограничения скорости потока и применения насосов с плавным пуском.