Причины разрыва потока в трубопроводных системах

При определенных условиях в трубопроводах гидравлических систем могут возникать разрывы сплошности потока, то есть часть или все сечение трубопровода занято не перемещаемой средой, а ее паром или воздухом. В области ТГВ чаще всего применяются водяные системы (отопления, горячего водоснабжения и теплоснабжения), поэтому мы будем дальше говорить именно о водяных системах, однако все сказанное применимо и в том случае, если в системе перемещается другая капельная жидкость.

Разрывы потока могут происходить за счет подсасывания воздуха через неплотности в трубопроводах, находящихся под отрицательным давлением, а наиболее часто – за счет вскипания жидкости при снижении статического давления.

Рассмотрим простую систему, предназначенную для перекачки воды из резервуара методом перелива через борт (рисунок 10.1). Такую схему очень часто используют для слива жидкости из небольших емкостей.

Если трубопровод 1  заполнен водой, то система работает под действием напора 4 м, создаваемого за счет разницы отметки уровня воды в баке и отметки точки Г (конец трубопровода 1 – точка выпуска воды из системы). При этом в точках А и Б за счет подъема над уровнем воды в баке наблюдаются отрицательные значения напора. Если трубопровод негерметичен, то в точках с отрицательным напором может происходить подсос воздуха из атмосферы, его скопление в верхней части системы и последующее образование воздушной пробки. Так как пузырьки воздуха всплывают вверх, то может оказаться, что энергии потока недостаточно, чтобы увлечь их вниз – происходит завоздушивание системы. Наличие воздуха в трубопроводе приведет к разрыву потока и прекращению движения воды. Особенно это сильно проявляетсяв трубопровдах достаточно большого сечения, где скорость потока может оказаться небольшой и имеется достаточное пространство для скапливания и постепенного накопления воздуха.

 

 

а) схема системы

 

 

 

б) эпюра напоров

 

 

Рисунок 10.1 – К вопросу о разрывах потока в гидравлических

                     системах

 

Следует помнить, что на любых участках трубопроводов, поднимающиеся наверх, могут быть возникать зоны отрицательных давлений и напоров, что может приводить к разрывам потока.

На рисунке 10.2 изображена система отопления с открытым расширительным баком. На участке 1 установлен водонагреватель, участок 2 является магистралью, а участки 3 являются стояками системы.

 

 

 

Рисунок 10.2 – Схема системы отопления

 

Все участки системы соединены последовательно. Для данной системы запишем уравнение изменения напоров, учитывая, что в точке В напор равен высоте установки расширительного бака, то есть 1 м

 

1м – Н₂ – Н₃ + 3м + Н_а  – Н₁ – 3м  = 1м                 (10.1)

 

Очевидно, что напор насоса, который тратится в системе, равен потерям на всех участках системы

 

                       Н_а = Н₁ + Н₂ + Н₃                                       (10.2)

 

Пренебрегая потерями в запорном вентиле между точками Г и Д, получим следующие выражения для напоров в точках

Н_В = 1м                                   (10.3)

Н_Г = Н_Д = 1м – Н₂                             (10.4)

Н_А = 1м – Н₂  – Н₃ + 3м                              (10.5)

Н_Б = 1м + Н₂  – Н₃ + 3м + Н_а                      (10.6)

 

Примем, что в обычном режиме параметры работы системы следующие: Н₁ = 3 м, Н₂ = 1 м, Н₃ = 3 м. Тогда напор насоса в нормальном режиме согласно (9.2) будет Н_а = 7 м. Напоры в точках при этом будут:

Н_В = 1 м

Н_Г = Н_Д = 1 – 1 = 0 м

Н_А = 1 – 1  – 3 + 3 = 0 м

Н_Б = 1 – 1  – 2 + 3 + 7 = 6 м

 

Таким образом, в нормальном режиме работы во всех точках системы поддерживается нулевой или положительный напор.

Из приведенных уравнений (10.3) – (10.6) следует, в точках А, Б и Г знак напора зависит от величины потерь на участках. При достаточно большом значении потерь напор в точках Г и А может стать отрицательным, причем наиболее низкий напор всегда будет в точке Г – именно она в данной системе является наиболее критической точкой.

Если расход в системе уменьшится (например, при прикрытии вентиля Е), то потери напора в трубопроводах на всех участках системы тоже уменьшатся (в пределе почти до нуля). При этом, однако, резко возрастет перепад напора на вентиле Е. В результате, произойдет перераспределение напоров, и практически весь напор насоса будет затрачиваться на преодоление сопротивления вентиля, а не трубопроводов. Тогда напоры в точках системы будут.

 

Н_В = 1 м

Н_Г = 1 – 0 – 7 = -6 м

Н_А = 1 – 7 – 0 + 3 = -3 м

Н_Б = 1 – 7  – 0 + 3 + 7 = 4 м

 

Таким образом, в этом режиме в точках Г и А наблюдаются отрицательные напоры, то есть разряжение относительно атмосферы. При наличии неплотностей это может приводить к завоздушиванию системы. При повышенных температурах теплоносителя возможно вскипание жидкости, так как значение давлений в этих точках окажется меньше давления насыщенных паров воды. Наличие пара так же приводит к разрыву потока и нарушению гидравлического режима системы. Для насоса понижение давления приводит к возникновению явления кавитации.

Чтобы избежать возникновения отрицательных давлений в системе, присоединение расширительного бака следует производить перед всасывающим патрубком насоса, как показано на рисунке 10.3.

 

 

Рисунок 10.3 – Правильная схема присоединения расширительного

                      бака

 

Если даже расход в системе уменьшится при прикрытии вентиля Е, то на всасывающем патрубке насоса по-прежнему будет сохраняться положительное значение напора, равное высоте отметки бака. В точке Г может возникнуть отрицательное значение напора.

 

 

Кавитация в насосах

 

Кавитацией называется комплекс явлений, связанных с образование парогазовых полостей в проточной части какого-либо устройства из-за вскипания жидкости в зоне местного понижения статического давления.

Кавитация может наблюдаться в любом элементе гидравлической системы, но особенно часто она возникает на рабочих колесах насосов, турбин, винтах кораблей, вращающихся в потоке с большой скоростью. В этом случае кавитация сопровождается последующей конденсацией паровых пузырьков на поверхности рабочих колес, что приводит к эррозионному износу их поверхности. Разберем сущность этого явления чуть подробнее.

Над поверхностью воды парциальное давление водяных паров Р _п.п равно давлению насыщенных паров при температуре жидкости Р _н.п. Давление насыщенных паров Р _н.пдля любой жидкости является функцией только температуры, причем зависимость сильно нелинейная, как показано на рисунке 10.4.

 

Р _н.п

5 атм.

   

 

	Р н.п = f(t)

                                                  

 

 

1 атм.

                     

 

                                                                                        

0              50                  100                150 t, о С

     

 

 

Рисунок 10.4 –   Зависимость давления насыщенных водяных паров

от температуры

 

 

При нагревании воды, например в чайнике, давление паров над поверхностью жидкости растет по мере повышения температуры. Однако вода еще не кипит, так как давление насыщенных паров меньше статического (атмосферного) давления Р _н.п < Р _атм. Даже если внутри объема жидкости возникнет случайно разрыв среды и образуется пузырек пара, он будет сжат внешним статическим давлением, и пар сконденсируется. Местного разрыва сплошности потока произойти не может. И только когда давление насыщенных паров становится равным статическому давлению, при котором находится жидкость, пузырек пара, образовавшийся внутри объема жидкости, не будет конденсироваться, а будет подниматься на поверхность. Именно этот процесс мы обычно называем кипением. Таким образом, условие возникновения режима кипения очень простое

 

Р_н.п = Р _ст                                       (10.7)

 

Обычно режима кипения добиваются именно за счет нагрева жидкости до определенной температуры. При атмосферном давлении вода кипит при 100 ^оС, так как именно при этой температуре Р _н.п = Р _атм = 1 атм. Если нагревать воду на высокой горе, где атмосферное давление меньше 1 атм, то она закипит при более низкой температуре. Наоборот, чтобы получить в паровом котле пар с высокой температурой, например 150 ^оС, давление в котле должно быть значительно больше атмосферного, примерно 5 атм.

Однако условия начала кипения (10.7) можно достичь не только путем нагрева жидкости, но и путем понижения статического давления, при котором находится жидкость. На этом принципе, например, работают испарители холодильных машин. Жидкий хладагент (фреон), попадая в зону пониженного давления, кипит и понижает свою температуру.

Обращаем внимание, что процесс кипения не является кавитацией, так как нет зон местного понижения давления. Никакого разрушения поверхности в этом процессе не происходит. Пузырьки образовавшегося пара просто отрываются от нагревающей поверхности и всплывают вверх.

Для разрыва абсолютно чистой жидкости теоретически необходимо приложить к ней растягивающие напряжения порядка нескольких тысяч мегапаскалей. В специальных экспериментах удавалось нагревать при атмосферном давлении очень чистую воду значительно выше 100 °С. Однако такое перегретое состояние оказывается крайне неустойчивым – достаточно малейшего возмущения, при котором образуются местные зоны пониженного давления (например, легкого встряхивания), и жидкость вскипает. После начала кипения сами пузырьки пара при своем движении создают вихри и зоны местного понижения давления.

Для реальных жидкостей растягивающие напряжения значительно меньше, так как дополнительным условием образования пузырька пара, кроме определенного значения статического давления, является наличие центров активации в жидкости, в качестве которых выступают мельчайшие газовые пузырьки и твердые включения, всегда имеющиеся в обычной воде. Именно на них происходят начальные разрывы потока и образование парогазовых полостей. Это явление можно наблюдать, если медленно нагревать воду в стеклянной колбе или мензурке, доведя ее до начала кипения. В колбу предварительно надо насыпать немного песчинок, имеющих острые грани. Когда вода будет нагрета почти до кипения, воду в колбе следует привести во вращение, чтобы песчинки немного поднялись над поверхностью дна и кружились вместе с потоком. Будет хорошо видно, что образование пузырьков пара происходит не на гладкой поверхности стеклянного дна, имеющего самую высокую температуру, а на острых гранях летящих в потоке песчинок (рисунок 10.5).

 

 

Рисунок 10.5 – Образование пузырьков пара на гранях песчинок

 

 

В трубопроводных системах зоны пониженного давления могут создаваться в различных участках трубопроводной системы, однако наиболее вероятно вскипание воды там, где статическое давление наиболее низкое — на входе в рабочее колесо нагнетателя. Причем именно в рабочем колесе создаются условия, когда образовавшиеся пузырьки пара не уносятся потоком, а конденсируются на поверхности лопаточного колеса, подвергая его интенсивному эррозионному износу. Общая схема этого процесса показана на рисунке 10.6.

При возникновении кавитации в рабочем колесе центробежного нагнетателя образование парового пузырька происходит у входной кромки на задней стороне той лопатки, которая в данный момент находится вверху, так как именно в этой точке наблюдается минимальное статическое давление. Пузырек образуется непосредственно на поверхности лопатки и имеет форму полусферы. При вращении рабочего колеса лопатка перемещается вниз, статическое давление на ее поверхности растет, и условие кипения (10.7) перестает выполняться — паровой пузырек должен сконденсироваться. Его конденсация происходит почти мгновенно (этот процесс называется схлопыванием пузырька), и жидкость устремляется в освободившийся объем по нормалям к внешней поверхности пузырька. Скорость движения фронта жидкости достигает скорости звука в воде. Так как пузырек имел форму полусферы, все нормали направлены в одну точку — к центру полусферы. В результате в этой точке развивается огромное давление (более 1000 МПа), материал лопатки разрушается, и на поверхности образуется маленькая выщербинка. Именно она при следующем обороте рабочего колеса, когда лопатка снова перейдет в верхнюю зону, будет являться дополнительным фактором возникновения завихрения при обтекании острой кромки. В глубине выщербинки образуется зона пониженного давления, и именно здесь опять произойдет образование и конденсация парового пузырька. В результате многократного повторения этого процесса все лопатки нагнетателя подвергаются интенсивному эррозионному износу, при этом колесо нагнетателя может прийти в полную негодность в течение несколько суток.

 

 

 

Рисунок 10.6 – Схема кавитации в рабочем колесе насоса

 

 

Главным фактором кавитационной эррозии является механическое усталостное разрушение материала рабочего колеса от воздействия односторонних циклов сжатия. Кроме того, в зоне возникновения парового пузырька имеют место дополнительные химические и электрохимические процессы, что повышает интенсивность разрушения поверхности Жидкость, находящаяся на грани кипения, не может содержать растворенных газов, поэтому при образовании пузырька здесь же происходит выделение кислорода и других газов, что ведет к повышенному окислению материала.

Материалов, абсолютно устойчивых против кавитационного износа, не существует. В таблице 10.1 приведена сравнительная характеристика материалов по их стойкости к кавитации. Стойкость обычного чугунного колеса принята за единицу.

 

Таблица 10.1 – Относительная кавитационная стойкость различных

                      материалов

 

Материал	Относительная кавитационная стойкость
Алюминиевая бронза	40 – 70
Коррозионно-стойкая сталь	11 – 40
Нейлон	28
Феноловая смола на тканевой основе	8,6
Резина, нанесенная распылением на стальную поверхность	6,8
Марганцевая бронза	2,8
Толстолистовая сталь	2,3
Литая сталь	1,9
Алюминий	1,8
Латунь	1,4
Чугун	1

 

Кроме того, в режиме развитой кавитации большое количество пара начинает перекрывать рабочее сечение лопаточного колеса, и снижает среднюю плотность перемещаемой среды. Это приводит к снижению подачи и напора насоса, то есть насос ухудшает свои рабочие параметры. Гидравлические удары приводят к образованию шума и вибрации насоса. Таким образом, работа насоса в режиме кавитации недопустима.