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.