Остапчук Ольга Николаевна

Физико-металлургический факультет

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Специальность: Теплоэнергетика

Тема выпускной работы:

Разработка источника энергии на основе гидравлического тарана

Научный руководитель: к.т.н., доцент Пятышкин Георгий Георгиевич

РЕФЕРАТ

СОДЕРЖАНИЕ

1. Актуальность, научная значимость темы и практическая ценность результатов работы
2. Сущность гидравлического удара
3. Гидравлический таран
4. Методы исследования и планируемые результаты
   Перечень ссылок

1 АКТУАЛЬНОСТЬ, НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ТЕМЫ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

В настоящее время потребность в органическом топливе удовлетворяется за счет собственной добычи на 44 % от существующего уровня потребления (170 млн. т. у. т.), что говорит о принадлежности Украины к энергодефицитным странам. Поэтому очень важно обеспечить экономное использование топлива, а также минимальное влияние его сжигания на экологическую ситуацию в стране. В связи с этим я приступила к исследованию такого явления как гидравлический удар и возможностей его использования в получении энергии, в особенности тепловой. Существование такой возможности подтверждается проведенными опытами, описанными в статье В.Марухина и В.Кутьенкова "Новый источник неисчерпаемой чистой и мощной энергии". Также известно, что в технике находят применение устройства, позволяющие использовать энергию гидравлического удара, создаваемого искусственно. К таким устройствам относится гидравлический таран, позволяющий без подвода к потоку механической энергии извне поднимать жидкость на заданную высоту, а также гидроимпульсатор, позволяющий за счет искусственно создаваемых незатухающих гидравлических ударов (автоколебаний давления) импульсно повышать давление в стволе гидромонитора, обеспечивающего разрушение массивов горных пород при гидромониторном способе добычи полезных ископаемых. При этом получается пульсирующая струя воды.
Таким образом, актуальность исследования гидравлического удара как источника энергии состоит в том, что разрабатываемое устройство на его основе может работать без сжигания топлива или больших затрат электроэнергии, а также будет простым в эксплуатации и по конструкции.

2 СУЩНОСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Гидравлический удар – это явление резкого изменения давления в движущейся жидкости, ограниченной твердыми стенками, при значительном изменении её скорости в течение короткого интервала времени [1]. Причины возникновения гидравлического удара могут быть разными: быстрое закрытие или открытие запорных и регулирующих устройств; внезапная остановка насосов; выпуск воздуха через гидранты на оросительной сети при заполнении трубопроводов водой (обычно гидравлический удар может начаться в заключительной стадии выпуска воздуха); пуск насоса при открытом затворе на нагнетательной линии [2].
Особенно отчетливо гидравлический удар проявляется при резком закрытии задвижки в конце трубопровода. Увеличение давления при этом может оказаться весьма значительными и привести к серьезным авариям в системе.
Теоретические и экспериментальные исследования гидравлического удара в трубах впервые были выполнены профессором Н.Е.Жуковским, который в работе «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», вышедшей в свет в 1899 году, доказал, что гидравлический удар является быстропротекающим волновым процессом. Характер этого процесса зависит от сжимаемости жидкости и упругости стенок трубопровода и состоит из колебаний давления.
В качестве примера рассмотрим трубопровод длиной L с задвижкой на конце, берущий начало из резервуара практически бесконечной емкости (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Формирование гидравлического удара

Предположим, что вначале задвижка открыта и в трубопроводе имеет место установившееся течение жидкости со скоростью V.
Пусть за весьма малый промежуток времени dt задвижка закроется и частицы жидкости, находящиеся непосредственно у клапана задвижки, остановятся, а более отдаленные будут продолжать движение с прежней скоростью, из-за чего жидкость станет сжиматься, давление повысится, а стенки трубы начнут растягиваться. Кинетическая энергия жидкости будет переходить в работу деформаций ее и стенок трубы. С течением времени будут останавливаться последующие сечения потока и по трубопроводу в сторону резервуара с некоторой скоростью а будет распространяться волна гидравлического удара. Схема волнового процесса при гидроударе представлена на рисунке 2.2.


Рисунок 2.2 – Схема волновых процессов в трубе при гидравлическом ударе

Когда ударная волна дойдет до резервуара, колонна жидкости в трубе остановится, а стенки ее растянутся на всей длине L. В этот момент давление жидкости в трубе будет больше чем в резервуаре на величину . Ввиду неравновесности состояния жидкости, ее частицы под действием перепада давления устремятся из трубы в резервуар. В связи с этим в сторону задвижки со скоростью а будет перемещаться волна выровненного давления Рo (рисунок 2.2 II).
Жидкость и стенки трубы предполагаются совершенно упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению Рo .Работа деформаций переходит обратно в кинетическую энергию жидкости и она приобретает первоначальную скорость V, но направленную в противоположную сторону. С этой скоростью колонна жидкости стремится оторваться от клапана, в связи с чем возникает отрицательная ударная волна с давлением -, движущаяся к резервуару со скоростью а (рис. 2.2 III). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака. Жидкость расширяется, а труба сжимается.
В момент подхода отрицательной ударной волны к резервуару давление в трубе станет меньшим, чем в резервуаре на величину . К задвижке вновь устремится волна выравнивания давления (рис. 2.2 IV). С подходом этой волны к клапану восстановится исходное состояние и процесс повторится. Теоретически он может повторяться бесконечно долго.
На практике наблюдается лишь несколько полных циклов с уменьшающейся амплитудой колебания давления из-за потерь энергии, как показано на рисунке 2.3.


Рисунок 2.3 – Изменение ударного давления у задвижки

Время движения ударной волны от задвижки до резервуара и обратно называется фазой гидравлического удара Т и равно:
(2.1)
Продолжительность t импульсов давления гидроудара + и - непосредственно у задвижки равна Т. С удалением от задвижки её величина уменьшается согласно зависимости:
(2.2)
где x - расстояние от задвижки до данного сечения.
Во входном сечении трубы у резервуара продолжительность этого импульса равна нулю.
Если задвижка установлена в середине трубопровода, соединяющего два резервуара, то гидравлический удар наблюдается как перед задвижкой, так и за нею. Перед задвижкой первый импульс ударного давления положительный, а за нею — отрицательный. В связи с этим первый тип гидравлического удара называют положительным, а второй — отрицательным [1].
Также различают прямой и непрямой гидравлический удар. Прямой гидравлический удар происходит при времени закрытия задвижки и в этом случае создается полная сила гидравлического удара. Непрямой (неполный) гидравлический удар получается при . Такой удар характеризуется меньшей силой [2].
Величину ударного давления можно найти по формуле Н.Е.Жуковского:
(2.3)
где ;
E – модуль объемной упругости жидкости, Па;
- нормальное напряжение в материале стенок трубы;
- толщина стенок трубы.
В выражении (2.3) содержится скорость движения ударной волны в трубе. Она равна:
(2.4)
При находим, что , что соответствует скорости звука c в жидкости. Величина a отличается от c на величину поправочного коэффициента, учитывающего влияние на скорость звука упругости стенок трубы.
Формулу Жуковского запишем в виде:
(2.5)
Эта формула справедлива, если задвижка полностью перекрывает трубу. Если закрытие неполное, в результате которого скорость уменьшается от начального значениядо конечного , то формулу Жуковского записывают в виде:
(2.6)
Она также справедлива для прямого гидравлического удара. Для непрямого гидравлического удара величину определяют приближенно по формуле:
(2.7)
Если , то , то есть гидроудара не будет. Отсюда следует, что одним из основных способов борьбы с гидравлическим ударом является медленное перекрытие трубопроводов. Если же это почему-либо невозможно, то вблизи задвижки устанавливают пневмоколпак. Воздушный объем пневмо-колпака замедляет процесс торможения жидкости, что равносильно увеличению времени закрытия задвижки.
Еще одним способом борьбы с гидроударом является использование противоударных сбрасывающих клапанов вблизи задвижки, которые открываются при повышении давления в трубопроводе и сбрасывают часть жидкости, что позволяет снизить давление.

3 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ТАРАН

Как упоминалось ранее, явление гидравлического удара может быть использовано для подъема воды специальным устройством, называемым гидравлическим тараном [2]. Его схема изображена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема гидравлического тарана

Гидравлический таран состоит из подводящего трубопровода А, обычно имеющего небольшую длину, рабочей коробки В с двумя клапанами С и Д, и воздушного колпака Е с нагнетающим трубопроводом F, подающим воду в резервуар К. Ударный клапан С открывается под действием собственного веса. При его открытии через подводящий трубопровод А под небольшим напором Н1 начинает поступать вода, которая вытекает через открытый клапан С. Вследствие увеличения силы воздействия вытекающий с нарастающей скоростью воды на ударный клапан он закрывается и скорость потока в трубо¬проводе падает до нуля. В связи с внезапной остановкой потока в подающем трубопроводе и рабочей коробке произойдет гидравлический удар с резким повышением давления. Под влиянием этого давления открывается нагнетательный клапан и часть воды поступит в воздушный колпак Е, сжимая имеющийся там воздух, который вытеснит часть воды в напорной трубопровод F, подняв ее на высоту H2 в резервуар К. После ухода части воды в воздушный колпак давление в рабочей коробке уменьшится и ударный клапан С под действием собственного веса откроется. При этом вода снова начнет выливаться через клапан С, а нагнетательный клапан Д закроется под действием силы давления воздуха в воздушном колпаке Е. Затем происходит повторение процесса: снова произойдет закрытие ударного клапана С и открытие нагнетательного клапана Д и т. д.
Таким образом, происходит непрерывное повторение рассмотренного процесса подачи воды. Поступающий из напорного резервуара расход воды Q затрачивается в основном на излив воды Q1 через клапан С и создание давления на этот клапан, при котором он закрывается. Этот первый период работы гидравлического тарана называется разгонным периодом. Второй период его работы называется ударным, когда после закрытия клапана С произойдет гидравлический удар и в рабочей коробке появится повышенное (ударное) давление, соответствующее напору Н > Н1. Третий период называется рабочим. В течение этого периода вода из воздушного колпака будет поступать через напорный трубопровод F с расходом Q2 в резервуар К под давлением воздуха на высоту Н2.
Напор Н1 обычно равен 1,5—5 м, а высота нагнетания Н2 от 15 до 40 м. При этом подача расхода Q2 = (0,4...0,07) Q, где Q= Q1+ Q2.
Коэффициент полезного действия гидравлического тарана равен:
(3.1)
Следует отметить, что при работе гидравлического тарана весьма велики непроизводительные потери воды Q1.
Выпускаемые промышленностью гидравлические тараны могут поднимать воду на высоту до 60 м с расходом до 20—22 л/мин. Они очень просты в эксплуатации и могут беспрерывно работать длительное время, снабжая водой потребителей. Известны мощные тараны, производительность которых достигает 150 л/с [2].

4 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Планируется проводить исследование поведения жидкости в трубе при искусственно создаваемом гидравлическом ударе. Расчетная схема будет состоять из вертикального модифицированного модуля гидравлического тарана. В процессе исследования будут рассмотрены уравнение движения и уравнение энергии, а также другие, что позволит получить данные о скорости и температуре жидкости в каждой точке схемы.
Метод исследования будет выбран из численных методов. Существуют две большие группы численных методов – многошаговые разностные методы и методы Рунге – Кутта. Основная идея методов Рунге – Кутта состоит в том, что производные аппроксимируются через значения функции в точках на интервале , которые выбираются из условия наибольшей близости алгоритма к ряду Тейлора.
К многошаговым разностным методам относят метод конечных разностей. Используя этот метод анализа уравнения энергии, уравнения Фурье, уравнения Навье-Стокса и уравнения сплошности, мы получим картину распределения температур теплоносителя на различных участках трубы. После этого сможем судить о скорости передачи тепла и его количестве.
Метод конечных разностей заключается в дискретизации вышеупомянутых дифференциальных уравнений по контрольным объемам, на которые разбивается исследуемая область. То есть область непрерывного изменения аргументов заменяется конечным, дискретным множеством узлов, называемых сеткой. Вместо искомой функции непрерывных аргументов ведётся поиск функции дискретных аргументов, определяемой в узлах сетки – сеточной функции. Производные, входящие в дифференциальное уравнение, заменяются (аппроксимируются) соответствующими разностными соотношениями. Таким образом, дифференциальные уравнения заменяются системой алгебраических уравнений. Краевые (начальные и граничные) условия также заменяются соответствующими разностными условиями для сеточной функции.
Совокупность правил написания разностных уравнений и краевых условий, выраженных в разностной форме, можно назвать разностной схемой, а узлы, задействованные в ней – шаблоном. Набор узлов, соответствующих фиксированному моменту времени, называют временным слоем.
Получаемое решение разностной задачи будет приближенным решением исходной задачи. Очевидно, что переход к дискретным аргументам подразумевает стремление разностной задачи к исходной при измельчении сетки. В этом случае схема должна гарантировать и сходимость получаемого решения. Замена дифференциальной задачи разностной заранее предусматривает введение ошибки – погрешности аппроксимации. Она характеризуется величиной невязки, получаемой при подстановке точного решения исходной задачи в разностную.
Таким образом, применяя этот метод к системе уравнений тепло- и массопереноса, мы получим реальные состояния теплоносителя, находящегося в условиях нагрева теплом, а следовательно, и оценить экономичность той или иной установки, в которой проходят процессы теплопередачи и теплопереноса.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Н.С.Гудилин, Е.М.Кривенко и др. Гидравлика и гидропривод. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1996
2. Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика. Общий курс: Учебник для вузов. – К.: Вища школа, 1989
3. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». – М.: Машиностроение, 1978
4. Аронович Г.В. Гидравлический удар и уравнительные резервуары. – М.: «Наука», 1968
5. Патанкар С.В. численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. / Под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.
6. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. – М. Наука, 1971.
7. Магомедов К.М., Холодов А.С. Сеточно-характеристические численные методы. – М.: Наука, 1988. – 286 с.
8. Вячеслав Марухин, Валентин Кутьенков. Новый источник неисчерпаемой чистой и мощной энергии [Электронный ресурс] / - http://www.macmep.ru/water.htm
9. Москаленко Е.Г. "Исследование работы шахтных водоотливных установок при переходных процессах" [Электронный ресурс] / - http://masters.donntu.ru/2003/fema/moskalenko/diss/index.htm