Магистр ДонНТУ Плыгун Е. К. Автореферат.

Донецкий национальный технический университет
Плыгун Екатерина Константиновна
Специальность: "Теплоэнергетика"

"Исследование причин подогрева теплоносителя при его пульсирующей прокачке в источниках автономного теплоснабжения с целью повышения эффективности ее работы."

  Важнейшей функцией систем центрального теплоснабжения является доведение произведенной теплоты до потребителей наиболее надежным и экономичным образом. Для выполнения ее сооружают трубопроводные системы, хорошо изолированные тепловой изоляцией, защищенные от внешнего воздействия и повреждений, оснащенные запорной и регулирующей арматурой, средствами автоматики и учета теплоты и теплоносителей.
  Тепловая сеть – совокупность устройств, предназначенных для передачи и распределения теплоты от источника к потребителям. Тепловые сети самые дорогие, трудозатратные и металлоемкие сооружения среди инженерных коммуникаций городов, поэтому они должны выполнятся так, что бы могли служить не менее 50 лет, не требуя частых ремонтов и перекладок и не снижая своих эксплуатационных качеств в этот срок. Эти требования формируют показатели надежности и долговечности систем центрального теплоснабжения, которые в свою очередь определяют экономику теплоснабжения в целом.
  Предприятия тепловых сетей при их эксплуатации должны обеспечить надежность теплоснабжения потребителей, подачу теплоносителей с расходом и параметрами в соответствии с температурным графиком регулирования и перепадом давлений на вводе. При проектировании тепловых сетей возникает необходимость дополнительных расчетов напряжений, вызванных неравномерным распределением теплоносителя в пусковой момент.

–Большинство расчетов тепловых сетей производятся при стационарном режиме работы. А при пуске системы проходит нестационарный режим, который может сопровождаться гидравлическим ударом. Поэтому при первом пуске системы необходимо рассчитать оптимальный режим заполнения трубопровода теплоносителем для предотвращения гидравлического удара.

–Гидравлический удар представляет собой кратковременное, но резкое и сильное повышение давления в трубопроводе при внезапной остановке двигавшегося по нему потока жидкости. Как правило, это явление возникает при заполнении трубопроводов, когда воздух успевает выйти через специально открытый кран, но сечения этого крана не хватает, чтобы пропустить весь поток внезапно достигшей его несжимаемой жидкости. Такой же эффект возникает и при быстром закрытии вентиля, резко перекрывающего поток. Последнее особенно актуально в наши дни, когда старые винтовые кран-буксы, поневоле закрывавшиеся плавно (ведь крутить маховичок надо много оборотов, и потому шток перекрывает просвет вентиля достаточно медленно), заменяются современными шаровыми кранами, «перерезающими» поток всего за четверть оборота одним движением руки.

– Однако гидроудары не обязательно распространяются на всю трубу. При возникновении кавитации, каждое схлопывание кавитационного пузырька сопровождается микро-гидроударом. Таким гидроударам не под силу разрушить сразу всю трубу, однако их длительное разрушительное действие в зоне кавитации легко может превысить ущерб от мощных, но относительно редких гидроударов.

Более-менее заметно гидравлический удар проявляется только в жёстких трубопроводах при большой скорости потока. Он происходит тогда, когда движущаяся с некоторой скоростью жидкость вдруг встречает на своём пути жёсткое препятствие, которым, как правило, бывает заслонка или заглушка. В результате жидкость останавливается, а её кинетическая энергия превращаются в потенциальную — потенциальную энергию упругого сжатия жидкости (ведь жидкости считаются несжимаемыми лишь по сравнению с газами, а на самом деле сжимаются примерно в той же степени, что и твёрдые тела с кристаллической структурой), а также потенциальную энергию упругого растяжения стенок трубы. Всё это приводит к тому, что давление в месте остановки стремительно возрастает, тем больше, чем выше была скорость жидкости и чем меньше её сжимаемость, а также чем выше жёсткость трубы. Это повышение давления и является гидравлическим ударом внезапно остановленной жидкости.

Фазы развития гидроудара

Как же развивается явление гидроудара? Рассмотрим это на самом простом примере — внезапном заполнении жидкостью пустой трубы постоянного сечения, погружённой на некоторую глубину. Один конец этой трубы закрыт жёсткой заглушкой, а другой свободно сообщается с окружающей жидкостью. Кстати, практически то же самое будет, если рассматривать резкое перекрытие установившегося потока в такой же трубе, только там будет отсутствовать первая фаза — заполнение пустой трубы, — а роль заглушки будет играть перекрывшая трубу заслонка.

Схема возникновения гидравлического удара при заполнении жидкостью пустой трубы.
Голубым цветом обозначена внешняя среда с исходным давлением, светло-голубым — область пониженного давления, синим — область повышенного давления (зона гидроудара). Синие стрелки показывают перемещение вещества среды (жидкости), красные — перемещение границы зоны повышенного давления (без существенного перемещения вещества). H — глубина (напор) на входе трубы; h — перепад высот трубы, L — длина трубы от входа до заглушки. Цифрами обозначены фазы развития явления.

*№ фазы*	Название фазы	Описание фазы
1	Заполнение трубы	Под действием внешнего давления жидкость заполняет трубу, при этом в соответствии с законом Бернулли её давление несколько меньше давления неподвижной среды вне трубы.
2	Встреча с препятствием	Жёсткая заглушка внезапно останавливает поток, который ударяется в неё. Однако практически вся жидкость в трубе ещё продолжает своё движение вперёд.
3	Рост зоны повышенного давления	Головная часть потока остановилась и её кинетическая энергия перешла в потенциальную энергию упругой деформации жидкости и стенок трубы, вызвав в этой области повышение давления. Но до «хвоста» потока это воздействие ещё не дошло, и там жидкость продолжает двигаться в прежнем направлении. Граница области повышенного давления (ударная волна) перемещается от заглушки ко входу трубы, при достаточной жёсткости трубы эта скорость практически равна скорости распространения упругих колебаний в среде, т.е. скорости звука в жидкости.
4	Максимум повышенного давления	Ударная волна достигла входа трубы и вышла в неподвижную среду. Поскольку внешняя среда неподвижна относительно стенок трубы, она уже не добавляет свою кинетическую энергию и не оказывает существенного сопротивления сжатой жидкости в трубе, и та начинает двигаться из зоны повышенного давления наружу. Кроме того, в свободной среде стенки трубы уже не ограничивают и не «фокусируют» ударную волну, так что она распространяется во все стороны, быстро теряя силу. Таким образом, достигнув входа трубы, ударная волна «рассеивается» и «гаснет». Более подробно этот момент рассмотрен ниже.
5	Начало обратного движения	Поскольку у входа в трубу давление относительно невысоко, сжатая жидкость двигается туда под действием повышенного давления внутри трубы. При этом потенциальная энергия упругой деформации снова превращается в кинетическую энергию, но движение уже направлено в обратную сторону. В результате граница зоны неподвижной жидкости под повышенным давлением перемещается от входа в трубу обратно к заглушке, оставляя у входа зону немного пониженного давления, в которой жидкость движется обратно ко входу трубы. Скорость перемещения этой границы в случае достаточно жёсткой трубы также равна скорости распространения упругих деформаций в среде, т.е. скорости звука в жидкости, однако перепад давления на границе не такой резкий, как при распространении ударной волны — зона границы существенно шире. Причиной этого являются особенности процесса рассеивания ударной волны у входа в трубу на предыдущей фазе. При падении давления вся потенциальная энергия упругой деформации снова переходит в кинетическую энергию жидкости (за вычетом неизбежных потерь, которые могут быть весьма малы), поэтому скорость «разряженной» жидкости почти равна её скорости до остановки, только направлена теперь в сторону входа.
6	Окончание сжатия	В момент, когда граница зоны пониженного давления достигает заглушки, во всей трубе жидкость снова испытывает пониженное давление и движется обратно ко входу со скоростью, равной скорости потока в трубе в фазе 2.
7	Фаза разрежения (отрыва)	Двигаясь в сторону входа трубы, жидкость в силу инерции стремится оторваться от заглушки. Поэтому, если гидроудар был достаточно сильным, то возле заглушки образуется зона разрежения, где жидкость отсутствует и давление близко к нулю (именно вакуум, а не атмосферное давление). Однако жидкость, выходящая из трубы, движется не в пустоту, а в среду, представляющую собой ту же жидкость, только неподвижную. Сопротивление этой среды достаточно быстро затормозит движение жидкости к выходу и вместе с зоной разрежения возле заглушки вновь заставит жидкость двигаться от входа внутрь трубы, тем самым повторяя фазу 1 (естественно, уже с меньшей энергией, потери которой, как всегда, неизбежны). При слабом гидроударе жидкости не удаётся оторваться от заглушки, однако всё равно давление существенно снижается относительно давления вне трубы (настолько, насколько оно повысилось в фазе сжатия). В этом случае выделяют фазы распространения отрицательной ударной волны (границы зоны с низким давлением) ко входу трубы и её возвращения обратно под действием внешнего давления, однако при сильном гидроударе с отрывом жидкости от заглушки появляется ещё и фаза «замирания».

АВТОРЕФЕРАТ

"Исследование причин подогрева теплоносителя при его пульсирующей прокачке в источниках автономного теплоснабжения с целью повышения эффективности ее работы."

Фазы развития гидроудара