Магістр ДонНТУ Плигун К. К. Автореферат.

Головна ДонНТУ >> Портал магістров ДонНТУ> Головна сторінка |

АВТОРЕФЕРАТ

Донецький національний технічний університет
Плигун Катерина Костянтинівна
Специальность: "Теплоєнергетика"

ТЕМА МАГІСТЕРСЬКОЇ РОБОТИ:

"Дослідження причин підігріву теплоносія при його пульсуючому прокачуванні в джерелах автономного теплопостачання з метою підвищення ефективності її роботи."

  Найважливішою функцією систем центрального теплопостачання є доведення виробленої теплоти до споживачів найбільш надійним і економічним образом. Для виконання її споруджують трубопровідні системи, добре ізольовані тепловою ізоляцією, захищені від зовнішнього впливу й ушкоджень, оснащені запірною й регулюючою арматурами, засобами автоматики й обліку теплоти й теплоносіїв.
  Теплова мережа - сукупність пристроїв, призначених для передачі й розподілу теплоти від джерела до споживачів. Теплові мережі найдорожчі , трудозатратні й металоємкі спорудження серед інженерних комунікацій міст, тому вони повинні виконаються так, що б могли служити не менш 50 років, не вимагаючи частих ремонтів і перекладок і не знижуючи своїх експлуатаційних якостей у цей строк. Ці вимоги формують показники надійності й довговічності систем центрального теплопостачання, які у свою чергу визначають економіку теплопостачання в цілому.
  Підприємства теплових мереж при їхній експлуатації повинні забезпечити надійність теплопостачання споживачів, подачу теплоносіїв з витратою й параметрами відповідно до температурного графіка регулювання й перепадом тисків на уведенні. При проектуванні теплових мереж виникає необхідність додаткових розрахунків напруг, викликаних нерівномірним розподілом теплоносія в пусковий момент.

–Більшість розрахунків теплових мереж виробляються при стаціонарному режимі роботи. А при пуску системи проходить нестаціонарний режим, що може супроводжуватися гідравлічним ударом. Тому при першому пуску системи необхідно розрахувати оптимальний режим заповнення трубопроводу теплоносієм для запобігання гідравлічного удару.

–Гідравлічний удар являє собою короткочасне, але різке й сильне підвищення тиску в трубопроводі при раптовій зупинці потоку, що рухався по ньому, рідини. Як правило, це явище виникає при заповненні трубопроводів, коли повітря встигає вийти через спеціально відкритий кран, але перетину цього крана не вистачають, щоб пропустити весь потік нестисливої рідини, що раптово досягла його. Такий же ефект виникає й при швидкому закритті вентиля, що різко перекриває потік. Останнє особливо актуально в наші дні, коли старі гвинтові кран-букси, закриваються плавно (адже крутити маховичок треба багато оборотів, і тому шток перекриває просвіт вентиля досить повільно), заміняються сучасними кульовими кранами, "перерезаючими" потік усього за чверть обороту одним рухом руки.

– Однак гідроудари не обов'язково поширюються на всю трубу. При виникненні кавітації, кожне схлопивання кавітаційного пухирця супроводжується мікро-гідроударом. Таким гідроударам не під силу зруйнувати відразу всю трубу, однак їх тривала руйнівна дія в зоні кавітації легко може перевищити збиток від потужних, але щодо рідких гідроударів.

Більш-менш помітно гідравлічний удар проявляється тільки у твердих трубопроводах при великій швидкості потоку. Він відбувається тоді, що коли рухається з деякою швидкістю рідина раптом зустрічає на своєму шляху тверда перешкода, якою, як правило, буває заслінка або заглушка. У результаті рідина зупиняється, а її кінетична енергія перетворюються в потенційну - потенційну енергію пружного стиску рідини (адже рідини вважаються нестисливими лише в порівнянні з газами, а насправді стискуються приблизно тією самою мірою , що й тверді тіла із кристалічною структурою), а також потенційну енергію пружного розтягання стінок труби. Все це приводить до того, що тиск у місці зупинки стрімко зростає, тим більше, чим вище була швидкість рідини й чим менше її стискальність, а також чим вище твердість труби. Це підвищення тиску і є гідравлічним ударом раптово зупиненої рідини.

Фази розвитку гідроудару

Як же розвивається явище гідроудара? Розглянемо це на найпростішому прикладі - раптовому заповненні рідиною порожньої труби постійного перерізу, зануреної на деяку глибину. Один кінець цієї труби закритий жорсткою заглушкою, а інший вільно сполучається з тією, що оточує рідиною. До речі, практично те ж саме буде, якщо розглядати різке перекриття сталого потоку в такій же трубі, тільки там буде відсутня перша фаза - заповнення порожньої труби, - а роль заглушки гратиме заслінка, що перекрила трубу.

Схема виникнення гідравлічного удару при заповненні рідиною порожньої труби.
Блакитним кольором позначена зовнішнє середовище з вихідним тиском, світло-блакитним - область зниженого тиску, синім - область підвищеного тиску (зона гідроудару). Сині стрілки показують переміщення речовини середовища (рідини), червоні - переміщення межі зони підвищеного тиску (без істотного переміщення речовини). H - глибина (напір) на вході труби; h — перепад высот трубы, L — довжина труби від входу до заглушки. Цифрами позначені фази розвитку явища.

Таблиця 1. Фзи розвитку гідравлічного удару

№ фази Назва фази Опис фази

1 Заповненя труби Під дією зовнішнього тиску рідина заповнює трубу, при цьому в відповідно до закону Бернуллі її тиск дещо менше тиску нерухомою середовища поза труби.

2 Зустріч з перешкодою Жорстка заглушка раптово зупиняє потік, який вдаряється в неї. Проте практично вся рідина в трубі ще продовжує свій рух вперед.

3 Зростання зони підвищеного тиску Головна частина потоку зупинилася і її кінетична енергія перейшла в потенційну енергію пружної деформації рідини та стінок труби, викликавши в цій області підвищення тиску. Але до «хвоста» потоку цей вплив ще не дійшло, і там рідина продовжує рухатися в колишньому напрямку. Кордон області підвищеного тиску (ударна хвиля) переміщається від заглушки до входу труби, при достатній жорсткості труби ця швидкість практично дорівнює швидкості розповсюдження пружних коливань у середовищі, де швидкості звуку в рідини.

4 Максимум підвищеного тиску Ударна хвиля досягла входу труби і вийшла в нерухому середу. Оскільки зовнішнє середовище не обертається щодо стінок труби, вона вже не додає свою кінетичну енергію і не робить істотного опору стислій рідини в трубі, і та починає рухатися із зони підвищеного тиску назовні. Крім того, у вільній середовищі стінки труби вже не обмежують і не «фокусують» ударну хвилю, так що вона поширюється в усі боку, швидко втрачаючи силу. Таким чином, досягнувши входу труби, ударна хвиля «Розсіюється» і «гасне». Більш докладно це момент розглянуто нижче.

5 Початок зворотного руху Оскільки біля входу в трубу тиск щодо невисоко, стисла рідина рухається туди під дією підвищеного тиску всередині труби. При цьому потенційна енергія пружної деформації знову перетворюється у кінетичну енергію, але рух вже направлено у зворотний бік. У результаті межа зони нерухомої рідини під підвищеним тиском переміщується від входу в трубу назад до заглушки, залишаючи біля входу зону, трохи зниженого тиску, в якій рідина рухається назад до входу труби. Швидкість переміщення цього кордону у разі досить жорсткої труби також дорівнює швидкості розповсюдження пружних деформацій у середовищі, де швидкості звуку в рідині, проте перепад тиску на кордоні не такий різкий, як при розповсюдженні ударної хвилі - зона кордону істотно ширше. Причиною цього є особливості процесу розсіювання ударної хвилі у входу в трубу на попередній фазі.
При падінні тиску вся потенційна енергія пружної деформації знову переходить в кінетичну енергію рідини (за вирахуванням неминучих втрат, які можуть бути вельми малі), тому швидкість «розрядженого» рідини майже дорівнює її швидкості до зупинки, тільки спрямована тепер у бік входу.

6 Закінчення стиснення У момент, коли кордон зони зниженого тиску досягає заглушки, під всій трубі рідина знову відчуває знижений тиск і рухається назад до входу з швидкістю, що дорівнює швидкості потоку в трубі у фазі 2.

7 Фаза розрідження (відриву) Рухаючись у бік входу труби, рідина в силу інерції прагне відірватися від заглушки. Тому, якщо гідроудар був досить сильним, то біля заглушки утворюється зона розрідження, де рідина відсутня і тиск близько до нуля (саме вакуум, а не атмосферний тиск). Однак рідина, яка виходить з труби, рухається не в порожнечу, а в середу, що представляє собою ту ж рідина, тільки нерухому. Опір цього середовища досить швидко загальмує рух рідини до виходу і разом із зоною розрідження біля заглушки знову змусить рідина рухатися від входу всередину труби, тим самим повторюючи фазу 1 (природно, вже з меншою енергією, втрати якої, як завжди, неминучі).

При слабкому гідроударі рідини не вдається відірватися від заглушки, проте все одно тиск істотно знижується щодо тиску поза труби (настільки, наскільки воно підвищилося в фазі стиснення). У цьому випадку виділяють фази поширення негативної ударної хвилі (Межі зони з низьким тиском) до входу труби і її повернення назад під дією зовнішнього тиску, однак при сильному гідроударі відривом рідини від заглушки з'являється ще й фаза «завмирання».

У випадку для нейтралізації гідроудару, необхідно не тільки зрозуміти його природу, але й розрахувати його параметри. Вивчення явища гідравлічного удару необхідно для запобігання виникнення позаштатних ситуацій на продуктопроводах і розробки нових засобів для запобігання гідроудару.

*№ фази*	Назва фази	Опис фази
1	Заповненя труби	Під дією зовнішнього тиску рідина заповнює трубу, при цьому в відповідно до закону Бернуллі її тиск дещо менше тиску нерухомою середовища поза труби.
2	Зустріч з перешкодою	Жорстка заглушка раптово зупиняє потік, який вдаряється в неї. Проте практично вся рідина в трубі ще продовжує свій рух вперед.
3	Зростання зони підвищеного тиску	Головна частина потоку зупинилася і її кінетична енергія перейшла в потенційну енергію пружної деформації рідини та стінок труби, викликавши в цій області підвищення тиску. Але до «хвоста» потоку цей вплив ще не дійшло, і там рідина продовжує рухатися в колишньому напрямку. Кордон області підвищеного тиску (ударна хвиля) переміщається від заглушки до входу труби, при достатній жорсткості труби ця швидкість практично дорівнює швидкості розповсюдження пружних коливань у середовищі, де швидкості звуку в рідини.
4	Максимум підвищеного тиску	Ударна хвиля досягла входу труби і вийшла в нерухому середу. Оскільки зовнішнє середовище не обертається щодо стінок труби, вона вже не додає свою кінетичну енергію і не робить істотного опору стислій рідини в трубі, і та починає рухатися із зони підвищеного тиску назовні. Крім того, у вільній середовищі стінки труби вже не обмежують і не «фокусують» ударну хвилю, так що вона поширюється в усі боку, швидко втрачаючи силу. Таким чином, досягнувши входу труби, ударна хвиля «Розсіюється» і «гасне». Більш докладно це момент розглянуто нижче.
5	Початок зворотного руху	Оскільки біля входу в трубу тиск щодо невисоко, стисла рідина рухається туди під дією підвищеного тиску всередині труби. При цьому потенційна енергія пружної деформації знову перетворюється у кінетичну енергію, але рух вже направлено у зворотний бік. У результаті межа зони нерухомої рідини під підвищеним тиском переміщується від входу в трубу назад до заглушки, залишаючи біля входу зону, трохи зниженого тиску, в якій рідина рухається назад до входу труби. Швидкість переміщення цього кордону у разі досить жорсткої труби також дорівнює швидкості розповсюдження пружних деформацій у середовищі, де швидкості звуку в рідині, проте перепад тиску на кордоні не такий різкий, як при розповсюдженні ударної хвилі - зона кордону істотно ширше. Причиною цього є особливості процесу розсіювання ударної хвилі у входу в трубу на попередній фазі. При падінні тиску вся потенційна енергія пружної деформації знову переходить в кінетичну енергію рідини (за вирахуванням неминучих втрат, які можуть бути вельми малі), тому швидкість «розрядженого» рідини майже дорівнює її швидкості до зупинки, тільки спрямована тепер у бік входу.
6	Закінчення стиснення	У момент, коли кордон зони зниженого тиску досягає заглушки, під всій трубі рідина знову відчуває знижений тиск і рухається назад до входу з швидкістю, що дорівнює швидкості потоку в трубі у фазі 2.
7	Фаза розрідження (відриву)	Рухаючись у бік входу труби, рідина в силу інерції прагне відірватися від заглушки. Тому, якщо гідроудар був досить сильним, то біля заглушки утворюється зона розрідження, де рідина відсутня і тиск близько до нуля (саме вакуум, а не атмосферний тиск). Однак рідина, яка виходить з труби, рухається не в порожнечу, а в середу, що представляє собою ту ж рідина, тільки нерухому. Опір цього середовища досить швидко загальмує рух рідини до виходу і разом із зоною розрідження біля заглушки знову змусить рідина рухатися від входу всередину труби, тим самим повторюючи фазу 1 (природно, вже з меншою енергією, втрати якої, як завжди, неминучі). При слабкому гідроударі рідини не вдається відірватися від заглушки, проте все одно тиск істотно знижується щодо тиску поза труби (настільки, наскільки воно підвищилося в фазі стиснення). У цьому випадку виділяють фази поширення негативної ударної хвилі (Межі зони з низьким тиском) до входу труби і її повернення назад під дією зовнішнього тиску, однак при сильному гідроударі відривом рідини від заглушки з'являється ще й фаза «завмирання».