Остапчук Ольга Миколаївна

Фізико-металлургійний факультет

Кафедра промислової теплоэнергетики

Спеціальність: Теплоэнергетика

Тема випускної роботи:

Розробка джерела енергії на основі гідравлічного тарану

Науковий керівник: к.т.н., доцент Пятишкін Георгій Георгійович

РЕФЕРАТ

ЗМІСТ

1. Актуальність, наукова значимість теми та практична цінність результатів роботи
2. Сутність гідравлічного удару
3. Гідравлічний таран
4. Методи дослідження та заплановані результати
   Перелік посилань

1 АКТУАЛЬНІСТЬ, НАУКОВА ЗНАЧИМІСТЬ ТЕМИ ТА ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ

В даний час потреба в органічному паливі задовольняється за рахунок власного видобутку на 44 % від існуючого рівня споживання (170 млн. т. у. т.), що говорить про належність України до енергодефіцитних країн. Тому дуже важливо забезпечити заощадливе використання палива, а також мінімальний вплив його спалювання на екологічну ситуацію в країні. У зв'язку з цим я почала дослыдження такого явища як гыдравлычний удар та можливостей його використання для отримання енергії, особливо теплової. Існування такої можливості підтверджується дослідами, які описані в статті В.Марухіна та В.Кут'єнкова "Новый источник неисчерпаемой чистой и мощной энергии". Також відомо, що в техниці знаходять застосування пристрої, які дозволяють використовувати енергію гідравлічного удару , який створюється штучно. До таких пристроїв належить гідравлічний таран, який дозволяє без підведення до потоку механічної енергії ззовні підіймати рідину на задану висоту, і також гідроімпульсатор, що дозволяє за рахунок штучних незатухаючих гідравлічних ударів (автоколивань тиску) імпульсно підвищувати тиск в стволі гідромонітору, який забезпечує руйнування масивів горних порід при гідромоніторному способі видобутку корисних копалин. При цьому отримуємо пульсуючий струмінь води.
Таким чином, актуальність дослідження гідравлічного удару як джерела енергії в тому, що пристрій, який розробляється на його основі, може працювати без спалювання палива чи великих витрат електроенергії, а також буде простим в експлуатації та за конструкцією.

2 СУТНІСТЬ ГІДРАВЛІЧНОГО УДАРУ

Гідравлічний удар – це явище різкої зміни тиску в рідині, що рухається, яка обмежена стінками, при значній зміні її швидкості протягом короткого інтервалу часу [1]. Причини виникнення гідравлічного удару можуть бути різними: швидке закриття чи відкриття запірних чи регулюючих пристроїв; раптова зупинка насосів; випуск воздуху крізь гідранти на зрошувальній мережі при заповненні трубопроводів водою (звичайно гідравлічний удар може початися в заключній стадії випуску воздуху); пуск насосу при відкритому затворі на нагнітаючій лінії [2].
Особливо чітко гідравлічний удар проявляється при різкому закритті засувки в кінці трубопроводу.
Теоретичні та експериментальні дослідження гідравлічного удару в трубах вперше були виконані професором Н.Є.Жуковським, який в роботі «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», що вийшла в світ в 1899 році, довів, що гідравлічний удар є швидкоплинним хвильовим процесом. Характер цього процессу залежить від стискальності рідини та пружності стінок трубопроводу та складається із коливань тиску.
У якості прикладу розглянемо трубопровод довжиною L із засувкою в кінці, який починається з резервуару майже безкінечної ємності (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Формування гідравлічного удару

Припустимо, що спочатку засувка відкрита та в трубопроводі має місце сталий плин рідини зі швидкістю V.
нехай за дуже короткий проміжок часу dt засувка відкриється та частинки рідини, що знаходяться безпосередньо біля клапана засувки, зупиняться, а більш віддалені будуть продовжувати рух з такою ж швидкістю, через те рідина стане стискуватися, тиск підвищиться, а стінки труби почнуть розтягуватися. Кінетична енергія рідини буде переходити в роботу деформацій її та стінок труби. З плином часу будуть зупинятися послідуючи перетини потоку та по трубопроводу у сторону резервуару з деякою швидкустю a буде поширюватись хвиля гідравлічного удару. Схема хвильового процесу при гідроударі представлена на рисунку 2.2.


Рисунок 2.2 – Схема хвильового процессу в трубі при гидравличному ударі

Коли ударна хвиля дійде до резервуара, колона рідини в трубі зупиниться, а стінки її розтягнуться по всій довжині L. В цей момент тиск рідини в трубі буде більше ніж в резервуарі на величину . Через нерівноважність стану рідини, її частинки під дією перепаду тиску будуть спрямовані із труби в резервуар. У зв'язку з цим в сторону засувки зі швидкістю а буде переміщатися хвиля вирівнянного тиску Рo (рисунок 2.2 II).
Рідина та стінки труби передбачаються цілком пружними, тому вони повертаються до колишнього стану, який відповідає тиску Рo. Робота деформацій переходить назад в кінетичну енергію рідини та вона здобуває первісну швидкість V, але спрямовану у протилежному напрямку. З цією швидкістю колона рідини прагне відірватися від клапана, у зв'язку з чим виникає негативна ударна хвиля з тиском -, що рухається до резервуару зі швидкістю а (рис. 2.2 III). Кінетична енергія рідини знову переходить в роботу деформацій, але протилежного знаку. Рідина розширяється, а труба стискується.
В момент підходу негативної ударної хвилі до резервуару тиск в трубі стане меншим, ніж в резервуарі на величину . До засувки знову спрямується хвиля вирівнювання тиску (рис. 2.2 IV). З підходом цієї хвилі до клапану відновиться вихідний стан та процес повториться. Теоретично він може повторюватися нескінченно довго.
На практиці спостерігається тільки кілька повних циклів з амплітудою коливання тиску, яка зменшується через втрати енергії, як показано на на рисунку 2.3.


Рисунок 2.3 – Зміна ударного тиску біля засувки

Час руху ударної хвилі від засувки до резервуару та назад називається фазою гідравлічного удару Т та дорівнює:
(2.1)
Тривалість t імпульсів тиску гідроудару + та - безпосередньо у засувки дорівнює Т. Із віддаленням від засувки її величина зменьшується згідно залежності:
(2.2)
де x - відстань від засувки до даного перетину.
У вхідному перетині труби біля резервуару тривалість цього імпульса дорівнює нулю.
якщо засувка встановлена в середині трубопроводу, який з'єднує два резервуари, тоді гідравлічний удар спостерігається як перед засувкою, так і за нею. перед засувкою перший імпульс ударного тиску позитивний, а за нею - негативний. У зв'язку з цим перший тип гідравлічного удару називають позитивним, а другий - негативним. [1].
Також розрізняють прямий та непрямий гідравлічний удари. Прямий гідравлічний удар відбувається під час закриття засувки і в цьому випадку створюється повна сила гідравлічного удару. Непрямий (неповний) гідравлічний удар утворюється при . такий удар характеризується меншою силою [2].
Величину ударного тиску можно знайти за формулоюе Н.Є.Жуковського:
(2.3)
де ;
E – модуль об'ємної пружності рідини, Па;
- нормальна напруга в матеріалі стінок труби;
- товщина стінок труби.
В виразі (2.3) міститься швидкість руху ударної хвилі в трубі. Вона дорівнює:
(2.4)
При знаходимо, що , що відповідає швидкості звуку c в рідині. Величина a відрізняється від c на величину поправочного коефіциєнта, який враховує вплив на швидкість звуку пружності стінок труби.
Формулу Жуковського запишемо у вигляді:
(2.5)
Ця формула справедлива, якщо засувка повністю перекриває трубу. Якщо закриття неповне, в результаті якого швидкість зменшується від початкового значення до кінцевого , то формулу Жуковського запишемо у вигляді:
(2.6)
Вона також справедлива для прямого гідравлічного удару. Для непрямого удару величину визначають приблизно по формулі :
(2.7)
Якщо , то , тобто гідроудару не буде. Звідси випливає, що одним з основних способів боротьби з гідравлічним ударом є повільне перекриття трубопроводів. Якщо ж це чомусь неможливо, тоді поблизу засувки встановлюють пневмоколпак. Повітряний об'єм пневмоколпаку сповільнює процес гальмування рідини, що рівносильно збільшенню часу закриття засувки.
Ще одним способом боротьби з гідроударом є використання противоударних скидальних клапанів поблизу засувки, які відкриваються при збільшенні тиску в трубопроводі та скидають частину рідини, що дозволяє знизити тиск.

3 ГІДРАВЛІЧНИЙ ТАРАН

Як згадувалося раніше, явище гідравлічного удару може бути використано для підйому води спеціальним пристроєм, який називається гідравлічний таран. [2]. Його схема наведена на рисунку 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема гідравличного тарану

Гідравлічний таран складається з підводящего трубопроводу А, який звичайно має маленьку довжину, робочої коробки В з двома клапанами С і Д, та повітряного колпака Е з нагнітаючим трубопроводом F, який подає воду до резервуару К. Ударний клапан С відкривається під дією власної ваги. При його відкритті через підводящий трубопровод А під невеликим напором Н₁ починає надходити вода, яка витікає через відкритий клапан С. Унаслідок збільшення сили впливу води на ударний клапан, яка витікає з наростаючою швидкістю, він закривається і швидкість потоку в трубопроводі падає до нуля. У зв'язку з раптовою зупинкою потоку в трубопроводі, який подає, та робочій коробці станеться гідравлічний удар з ріским підвищенням тиску. Під впливом цього тиску відкривається нагнітаючий клапан та частина води поступить в повітряний колпак Е, стискуючи там повітря, який витіснить частину води в напорний трубопровід F, піднявши її на висоту H₂ в резервуар К. Після відходу частини води в повітряний колпак тиск в робочій коробці зменьшиться і ударний клапан С під дією своєї ваги відкриється. При цьому вода знову почне виливатися через клапан С, а нагнітаючий клапан Д закриється під дією сили тиску повітря в повітряному колпаці Е. Потім процес повторюється: знову відбудеться закриття ударного клапану С та відкриття нагнітаючого клапану Д і т. д.
Таким чином, відбувається безперервне повторення розглянутого процесу подачі води. Поступаючий із напорного резервуару видаток води Q витрачається в основному на вилив води Q₁ через клапан С і створення тиску на цей клапан, при якому він зачиняється. Цей безперервний період роботи гідравлічного тарану називається розгінним періодом. Другий період його роботи називається ударним, коли після закриття клапану С відбудеться гідравлічний удар і в робочій коробці з'явиться підвищенний (ударний) тиск, який відповідає напору Н > Н₁. Третій період називаєтся робочім. Протягом цього періоду вода із повітряного колпака буде надходити через напірний трубопровід F з втдатком Q₂ в резервуар К під тиском повітря на висоту Н₂.
Напір Н₁ звичайно дорівнює 1,5—5 м, а висота нагнітания Н₂ від 15 до 40 м. При цьому подача видатку Q₂ = (0,4...0,07) Q, где Q= Q₁+ Q₂.
Коефіцієнт корисної дії гідравлічного тарану дорівнює:
(3.1)
Треба сказати, що при роботі гідравлічного тарану дуже великі непродуктивні втрати води Q₁.
Гідравлічні тарани, які випускаються промисловістю, можуть піднімати воду на висоту до 60 м з видатком до 20—22 л/хв. Вони дуже прості в експлуатації та можуть безперервно працювати довгий час. Відомі потужні тарани, продуктивність яких досягає 150 л/с [2].

4 МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЗАПЛАНОВАНІ РЕЗУЛЬТАТИ

Планується проводити дослідження поведінки рідини в трубі при штучному гідравлічному ударі. Розрахункова схема буде складатися із вертикального модифікованого модулю гідравлічного тарану. В процесі дослідження будуть розглянуті рівняння руху та рівняння енергії, а також інші, що дозволить отримати дані про швидкість та температуру рідини в кожній точці схеми.
Методдослідження буде обраний з чисельних методів. Існують дві великі групи чисельних методів – багатокрокові різницеві методи та методи Рунге – Кутта. Основна ідея методів Рунге – Кутта полягає в тому, що похідні апроксимуються через значення функції в точках на інтервалі , які обираються із умови наийбільшої близькості алгоритму до ряду Тейлора.
До багатокрокових різницевих методів відносять метод кінцевих різниць. Використовуючи цей метод аналіза для рівняння енергії, рівняння Фур'є, рівняння Нав'є-Стокса та рівняння суцільності потоку, ми отримаємо картину розподілення температур теплоносія на різних участках труби. Після цього зможемо проаналізувати швидкість передачі тепла та його кількості.
Метод кінцевих різниць полягає в дискретизації вищезгаданних диференційних рівнянь по контрольним об'ємам, на які розбивається область, що досліджується. Тобто область безперервної зміни аргументів заміняється кінцевою, дискретною множиною вузлів, яка називається сіткою. Замість шуканої функції безперервних аргументів ведемо пошук функції дискретних аргументів, яка визначається у вузлах сітки - сіточної функції. Похідні, що входять до диференціального рівняння, замінюються (апроксимуються) відповідними різнистними співвідношеннями. Таким чином, диференційні рівняння замінюються системой алгебраїчних рівнянь. Крайові (початкові та граничні) умови також замінюються відповідними різницевими умовами для сіточної функції.
Сукупність правил написання різницевих рівнянь та крайових умов, які виражені в різницевій формі, можно назвати різницевою схемою, а вузли, які в ній задіяні, - шаблоном. Набір вузлів, які відповідають фіксованому моменту часу, називають часовим шаром.
Отримане рішення різницевої задачі буде приблизним рішення вихідної задачі. Очевидно, що перехід до дискретних аргументів припускає прагнення різницевої задачі до вихідної при здрібнюванні сітки. В цьому випадку схема повинна гарантувати і сходимість отриманного рішення. Заміна диференціальної задачі різницевою заздалегідь передбачає введеня помилки - Зпогрішності апроксимації. Вона характеризується величиною нев'язання, яку отримуємо під час підстановки точного рішення вихідної задачі в різницеву.
Таким чином, застосовуючи цей метод до системи рівнянь тепло- та масопереносу, ми отримуємо реальні стани теплоносія, що знаходиться в умовах нагріва теплом, а отже оцінити економічність тієї чи іншої установки, в якій проходять процеси теплопередачі та теплопереносу.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

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