Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 8
Глава 2 Особенности напорных трубопроводных систем водоотведения ... 23
2.1 Напорные трубопроводы в системах водоотведения 23
2.2 Особенности перекачиваемой в водоотведении жидкости 26
2.3 Основные показатели потока сточных вод 32
2.4 Выводы по главе 2 41
Глава 3 Гидравлический удар в напорных трубопроводах водоотведения .. 42
3.1 Скорость распространения волны гидравлического удара при транспортировании сточных вод 42
3.1.1 Определение скорости распространения волны гидравлического удара в многофазном напорном потоке 42
3.1.2 Расчет скорости распространения ударного импульса в напорном потоке сточных вод 51
3.1.3 Исследование уравнений 54
3.2 Определение давления гидравлического удара в напорных трубопроводах, перекачивающих сточные воды 61
3.2.1 Дифференциальные уравнения неустановившегося напорного течения жидкости 61
3.2.2 Начальные и граничные условия для проведения расчетов. 68
3.2.3 Учет разрывов сплошности потока 71
3.2.4 Проведение расчета на ЭВМ 74
3.2.5 Результаты расчетов 78
3.3 Выводы по главе 3 83
Глава 4 Защита напорных трубопроводов водоотведения от гидравлических ударов 85
4.1 Основные способы уменьшения резких повышений давления в напорных системах водоотведения 86
4.2 Гашение гидравлических ударов с помощью демпфирующих элементов 90
4.3 Впуск воздуха как способ противоударной защиты напорных водоотводящих трубопроводов 97
4.4 Использование гасителей гидравлических ударов дифференциального действия 102
4.4.1 Конструкция и принцип работы усовершенствованного гасителя гидравлических ударов для загрязненных жидкостей 102
4.4.2 Расчет основных элементов гасителя 106
4.5 Экономическая эффективность использования противоударных устройств в системах водоотведения 115
4.6 Выводы по главе 4 123
Общие выводы 125
Список литературы 127
Приложение I 140
Приложение II 148
Приложение III 151
- Особенности перекачиваемой в водоотведении жидкости
- Определение скорости распространения волны гидравлического удара в многофазном напорном потоке
- Дифференциальные уравнения неустановившегося напорного течения жидкости
- Гашение гидравлических ударов с помощью демпфирующих элементов
Введение к работе
Рост городов и развитие промышленности постоянно требуют решения вопроса об отводе и очистке стоков, образующихся в процессе производства и жизнедеятельности людей. Водоотводящие сети имеют большую протяженность и обычно устраиваются самотечными. Но отвести стоки к очистным сооружениям, обеспечить их подачу на требуемую высоту, большие расстояния или выпуск в водоем самотеком в системах водоотведения населенных пунктов и промышленных предприятий удается не всегда. Поэтому часто возникает необходимость перекачки сточных вод насосными станциями, которые по напорным линиям транспортируют стоки в заданные места и на требуемые высоты.
Таким образом, напорные трубопроводы являются важным рабочим звеном в обеспечении эффективной работы всей водоотводящей системы. От надежного функционирования этих линейных участков во многом зависит состояние окружающей среды, развитие промышленности и инфраструктуры населенных пунктов.
Резкие повышения давления в таких системах могут приводить к авариям, которые усугубляются возможностью загрязнения окружающей среды сточными водами. Чтобы обеспечить надежную работу данных сооружений, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации необходимо проведение соответствующих расчетов трубопровода на гидравлический удар. От точности проведения таких расчетов во многом зависит выбор наиболее эффективных средств противоударной защиты и материала труб.
В настоящее время нашими и зарубежными исследователями накоплен большой объем знаний по расчету гидравлического удара и методам защиты от него напорных трубопроводных систем водоснабжения, гидроэнергетики, мелиорации, горнодобывающей промышленности, для систем транспортирования нефти, различных гидросмесей, для трубопроводов химической промышленности. Однако исследования гидравлических ударов в напорных потоках сточных вод по нашим данным до сего времени вообще не
проводились, поскольку полагалось, что процессы, происходящие в сточной жидкости, аналогичны тем, что возникают в обычной водопроводной воде. Между тем защита напорных систем водоотведения от гидравлических ударов имеет ряд особенностей, а расчет систем водоотведения особенно промышленных стоков существенно отличается от аналогичных расчетов при перекачке обычной чистой воды. Поэтому исследование гидродинамических параметров напорного потока сточных вод при возникновении в трубопроводе нестационарных режимов, а также выработка рекомендаций по защите таких систем от гидравлических ударов являются достаточно актуальными.
В связи с этим целью данной диссертационной работы является теоретическое исследование явления гидравлического удара в сточных водах, разработка методики расчета параметров такого потока при возникновении нестационарных режимов течения, а также выработка основных рекомендаций по противоударной защите рассматриваемых напорных систем.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
Проанализировать накопленный объем знаний по расчету гидравлического удара и методам защиты от него для различных трубопроводных систем.
Выявить и описать особенности напорных систем водоотведения, которые могут влиять на величину колебания давления при гидравлическом ударе.
Предложить методику и разработать алгоритм расчета параметров неустановившегося напорного течения сточной жидкости по напорным трубопроводам с учетом особенностей рассматриваемых напорных систем.
Дать рекомендации по выбору и использованию противоударных мер и средств для защиты напорных трубопроводных систем водоотведения от гидравлических ударов.
6 Решение указанных задач в работе осуществлялось путем
теоретического исследования явления гидравлического удара в загрязненных
жидкостях, опираясь на обширный теоретический и экспериментальный
материал, накопленный по данному вопросу для других напорных
трубопроводных систем. В процессе исследования аналитическими методами
проводилось сравнение, где это было возможно, полученных результатов
расчета с опытными данными, приводимыми в материалах
экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в том, что в виду отсутствия исследований нестационарных режимов течения сточной жидкости в данной работе изложены основные принципы расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения с учетом особенностей как самих трубопроводных систем, так и характеристик транспортируемой по ним жидкости.
На основе проведенных исследований в работе даны рекомендации по организации противоударной защиты напорных трубопроводов водоотведения, а также предложена конструкция гасителя гидравлического удара, адаптированная к условиям работы на загрязненных жидкостях.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Предлагаемая методика расчета гидравлического удара в напорных трубопроводах водоотведения позволяет определять гидродинамические параметры потока сточных вод с учетом его неонородности и особенностей продольного профиля магистрали, что в свою очередь дает возможность более правильно подбирать и рассчитывать противоударные устройства для таких систем, а, следовательно, способствует предупреждению случаев возникновения нестационарных режимов течения в трубопроводах и тем самым увеличивает надежность их работы.
Результаты исследований были использованы при проведении расчетов нестационарных течений и назначении противоударных мероприятий для канализационной напорной линии ст.Кузнечное Октябрьской железной дороги. Разработанная программа расчета, кроме практических расчетов,
также используется в учебном процессе на кафедре «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» Петербургского государственного университета путей сообщения.
В соответствии с поставленными задачами была определена структура данной диссертационной работы, которая включает в себя введение, четыре главы, общие выводы и перечень использованной литературы.
В первой главе приводится краткий обзор наиболее важных работ, посвященных исследованию явления гидравлического удара в различных напорных потоках и противоударных мер и средств, используемых для защиты таких трубопроводов.
Вторая глава посвящена описанию особенностей напорных систем водоотведения, которые могут влиять на величину колебания давления при гидравлическом ударе, с целью их учета при составлении математической модели, описывающей рассматриваемый нестационарный процесс. В третьей главе даны основные принципы и алгоритм расчета гидравлического удара с учетом особенностей как самих трубопроводных систем водоотведения, так и транспортируемой по ним жидкости.
Четвертая глава диссертации посвящена основным средствам защиты, которые можно использовать с целью предотвращения возникновения резких повышений давления в напорных системах водоотведения. Здесь же приводится конструкция и принципы расчета гасителя гидравлических ударов, предлагаемого к использованию в системах водоотведения. Такое устройство может снижать гидравлические удары, начинающиеся как с волны повышения, так и понижения давления в системе, а его конструкция адоптирована к условиям работы на загрязненных жидкостях. В диссертации также выполнены расчеты экономической эффективности использования противоударной защиты.
Особенности перекачиваемой в водоотведении жидкости
Основу перекачиваемой по напорным трубопроводам жидкости в системах водоотведения составляет вода. Чистую воду, перекачиваемую, например, в системах водоснабжения, как показывают исследования [38, 69], при расчетах на гидравлический удар приходится рассматривать как двухфазную систему — вода и воздух, так как наличие даже малых концентраций нерастворенных газов может сильно влиять на параметры напорного потока при нестационарном процессе.
Сточные воды являются более сложной гидро-физико-химической системой [119]. Во-первых, по числу включающих в себя разных агрегатных состояний (фаз) стоки являются гетерогенной или многофазной средой: в них присутствуют кроме жидкости различные нерастворенные газы, а также твердые вещества.
Движение потока с твердыми частицами и нерастворенными газами отличается от движения однородной жидкости. Наличие в сточной воде твердой составляющей указывает на необходимость учета транспортирующей способности данного потока; в зависимости от количества твердых частиц, их размеров и др. может изменяться величина гидравлических сопротивлений; при этом, если мы имеем поток с небольшим количеством твердой фазы (поток малой насыщенности), то его движение будет определяться гидравлическими характеристиками движения жидкости. При большом насыщении наличие твердых частиц оказывает влияние на характеристики потока смеси, т.е. суммарные характеристики представляют собой сложную функцию из характеристик движения жидкой фазы, характеристик движения переносимого вещества и характеристик взаимодействия жидких и твердых частиц. В перенасыщенных твердыми частицами потоках движение определяется характеристиками взаимодействия частиц твердого вещества.
Присутствие нерастворенных газов в напорном потоке, как показывают исследования [38], наиболее значительно влияет на упругие свойства системы, что сказывается на резком изменении гидродинамических параметров при гидравлических ударах.
Во-вторых, в сточных водах очень разнообразны составляющие каждой фазы: твердые компоненты могут быть как минерального, так и органического происхождения, а газообразная составляющая может быть представлена кроме воздуха углекислым газом, сероводородом, метаном и др. Как показывают исследования [69, 125, 132], сточные воды загрязнены различными примесями, находящимися в виде раствора, суспензий, эмульсий и коллоидов, наличие которых (особенно последних) увеличивает вязкость стоков по сравнению с водопроводной водой и ведет к увеличению гидравлических сопротивлений при их транспортировке. Сточные воды в отличие от других напорных потоков содержат также в достаточном количестве биологические примеси в виде бактерий, а наличие в большинстве стоков органических соединений, способных быстро загнивать, приводит к развитию процессов разложения данных веществ уже в процессе транспортировки к очистным сооружениям. Таким образом, по числу составляющих, принадлежащих к одному и тому же агрегатному состоянию, сточные воды еще являются и многокомпонентной системой. Указанные особенности состава сточных вод влияют на гидравлические характеристики потока, а также усложняют подбор средств защиты напорных трубопроводов водоотведения от гидравлических ударов. Поэтому сточные воды при расчетах трубопроводов на гидравлический удар необходимо рассматривать как гетерогенную и многокомпонентную систему и использовать при этом основные закономерности неустановившегося течения, учитывающие многофазность и наличие различных видов загрязнений рассматриваемой жидкости [43]. Многообразие компонентов сточных вод, перекачиваемых по напорным трубопроводам водоотведения, во многом определяется их происхождением. Обычно по данному признаку различают три основные категории: бытовые, производственные и поверхностные.
В зависимости от выбранного типа системы канализации возможно совместное или раздельное отведение сточных вод этих категорий. В случае совместной транспортировки состав перекачиваемых стоков будет включать все многообразие примесей, характерных для данных категорий сточных вод.
Такое же многообразие загрязнений будут содержать осадки сточных вод, образующиеся в результате их очистки на городских и локальных очистных сооружениях.
Бытовые сточные воды. Хозяйственно-бытовые сточные воды поступают по самотечной сети в приемные резервуары насосных станций как от жилых и общественных зданий, так и от бытовых помещений промышленных предприятий. Стоки данной категории содержат загрязнения, находящиеся в растворенном, коллоидном и нерастворенном виде, и представляют собой неустойчивую полидисперсную систему, частицы которой по своим размерам колеблются от грубых до высокодисперсных.
Бытовые сточные воды имеют относительно постоянный состав загрязнений, который представлен в основном физиологическими отбросами и всякого рода хозяйственными отходами. Именно поэтому в данном виде стоков велико количество органических веществ растительного и животного происхождения. Но здесь также содержатся биологические примеси, состоящие из бактерий, и неорганические загрязнения в виде песка, глины, частиц руды, шлака, мела, минеральных солей, минеральных масел и многих других веществ, которые использует человек в своем быту.
Отличительной особенностью бытовых сточных вод является их склонность к загниванию в силу большого содержания органики, что увеличивает вероятность забивания и зарастания отверстий и трубопроводов небольшого диаметра, используемых в конструкции противоударных приборов.
Производственные сточные воды. К производственным сточным водам относятся воды, использованные в технологическом процессе и подлежащие очистке или удалению с территории предприятий из-за несоответствия их качества предъявляемым к ним требованиям. Сюда относятся также воды, откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых (угля, нефти, руды и т.д.).
Сточные воды данной категории загрязнены в основном отходами и отбросами производства. По возможности технологические схемы процессов на промышленных предприятиях устраиваются таким образом, чтобы свести к минимуму количество отходов и отбросов, утилизируя их в процессе производства.
Состав минеральных, органических и биологических примесей производственных сточных вод как количественный, так и качественный очень разнообразен и зависит от отрасли промышленности и технологической схемы производства. Так, в сточных водах предприятий тяжелой индустрии содержатся в основном загрязнения минерального происхождения, а пищевой и легкой промышленности - органические загрязнения.
Сильнозагрязненные производственные сточные воды перед выпуском в водоем или в систему хозяйственно-бытового водоотведения подвергаются локальной очистке, чтобы не нарушить работу соответствующих объектов.
Определение скорости распространения волны гидравлического удара в многофазном напорном потоке
Одной из основных характеристик гидравлического удара является скорость распространения ударной волны С. Обзор исследований по определению этой величины с учетом многофазности напорного потока показал, что с достаточной степенью точности схожие результаты дают общие зависимости, полученные для гидротранспортных систем грузинскими учеными А.Г.Джваршеишвили, Г.И.Кирмелашвили и др.[33, 81], и зависимости, предложенные B.C. Дикаревским [37] для магистральных водоводов. Однако формула Джваршеишвили-Кирмелашвили является более общей, так как кроме воздуха она учитывает наличие и характеристики твердой фазы в потоке.
Ориентируясь на работы грузинских ученых, а так же принимая во внимание более точный метод учета влияния нерастворенного воздуха, используемый B.C. Дикаревским, выведем формулу для определения скорости распространения волны гидравлического удара в неоднородном напорном потоке.
Рассмотрим трехфазную систему (жидкость + твердые вещества + газ), основу которой составляет жидкая фаза. Считаем, что средние скорости всех трех фаз потока равны средней скорости смеси, а компоненты смеси в потоке достаточно хорошо перемешаны друг с другом, хотя известно стремление твердой фазы распределяться по фракциям по вертикали, а свободный воздух старается занять верхние точки в сечении трубы.
Для такой системы уравнение переноса масс распадается на независимые уравнения переноса массы каждой компоненты смеси. Все вышеперечисленные допущения дают погрешность, согласно [33, 81], не превышающую десятых долей процента.
При резком изменении скорости течения трехфазного потока на AV давление здесь повысится от Р до Р + АР. Ударное давление и изменение скорости распространиться справа налево (рис.3.1) со скоростью С за время At на отрезок пути Ax. Определим зависимость между ударной скоростью С и концентрацией воды, твердого и воздуха в потоке.
Выразим объем W\ при давлении Р + АР в формуле (3.9) через параметры системы до гидравлического удара. Изменение давления в процессе гидравлического удара протекает настолько быстро, что теплообмена при этом между фазами потока не происходит. В этом случае процесс изменения объема газа следует считать адиабатическим, т.е.:
Для железобетонных труб значение Е берется как для бетона, но вводится дополнительный множитель к , учитывающий наличие в трубах арматуры [38]. Если для напорной подачи используются пластмассовые трубы, то при расчете скорости распространения волн повышенного давления необходимо учитывать влияние упругого обжатия грунта. Толщина стенок труб 8, согласно [38], в этом случае увеличивается в кгр раз:
Колебания напора при отрицательном гидравлическом ударе, как известно, происходят вокруг статического давленияРст, поэтому в выражении (3.18) в этом случае принимают Р = Р0 = Рст; при гидравлическом ударе, начинающимся с волны повышения давления, значение Р принимаем равным рабочему давлению при установившемся режиме Р = Р0 = Рраб.
Плотность потока р вычисляем по формуле (2.2), хотя в реальных условиях эта величина будет отличаться от действительной плотности потока. Это связано в первую очередь с некоторой разницей в значении средних скоростей компонентов потока. Как свидетельствуют исследования [81], данный факт не оказывает значительного влияния на величину С при движении потока со скоростью, равной или несколько большей критической, при которой транспортируемые частицы находятся во взвешенном состоянии или перемещаются по дну трубы.
В формулах (3.27) и (2.2) вместо величины тг правильнее вводить, согласно [37], так называемое истинное газосодержание, учитывающее относительное движение фаз. Однако при небольших количествах газа в потоке с целью упрощения расчета этим пренебрегается.
Величина тг выражается через газосодержание (р при давлении Р, которое в свою очередь можно определить через газосодержание (ра, соответствующее барометрическому давлению Ра, в процентах от объема W.
Дифференциальные уравнения неустановившегося напорного течения жидкости
Расчет скорости распространения волны гидравлического удара ведется по зависимостям, представленным в п.3.1.2. Наличие сил сопротивления трубопроводной системы по длине потока учитывается коэффициентом гидравлического трения Л, который, используя гипотезу квазистационарности [130], при неустановившемся режиме принимается равным аналогичному коэффициенту при стационарном течении жидкости. Согласно исследованиям ряда авторов [37, 72], подобное допущение незначительно сказывается на величине рассчитываемых значений, к тому же для систем водоотведения оно лежит и в основе расчетов самотечного движения стоков по трубам и каналам [23, 125].
Определение коэффициента гидравлического трения X для бытовых сточных вод выполняется по формуле Н.Ф.Федорова (2.8), учитывающей особенности данных систем водоотведения, для других категорий сточных вод расчет величины Я осуществляется по зависимостям, представленным также во второй главе диссертационной работы.
Наличие кавитационных явлений в виде периодически появляющихся мелких пустот по длине трубопровода, возникающих при гидравлических ударах с разрывом сплошности потока, учитывается при расчете с помощью коэффициента Mv.
Для интегрирования системы (3.39-3.40) используется наиболее распространенный метод преобразования исходных дифференциальных уравнений в частных производных, принадлежащих к гиперболическому типу, в алгебраические конечно-разностные уравнения - метод характерист ик.
К расчету гидродинамических параметров потока методом характеристик Для удобства получения результатов будем проводить расчет в прямоугольной расчетной сетке, где каждый конструктивный участок трубопровода (ось абсцисс) разбиваем на ряд одинаковых по длине расчетных участков длиной Ах = х1 — х0. Граничные сечения расчетных участков будем называть расчетными узлами, а начало и конец конструктивных участков — конструктивными узлами. Расчет по времени (ось ординат) также будем проводить через равные и постоянные интервалы времени Ar = /, 0 (рис.3.10).
Для проведения расчета по сетке характеристик (рис.3.10) должны быть заданы параметры процесса на «начальном временном слое» ( при / = t0) во всех расчетных узлах / на всех конструктивных участках Y [74]. Далее расчет параметров проводится в тех же расчетных точках, но в момент времени to + At. Для внутренних точек, лежащих внутри конструктивного участка, расчет проводится по соотношениям между V и Н, соответствующим пересекающимся в этих точках характеристикам, т.е. используя уравнения (3.64) и (3.65). Здесь все величины, стоящие в правой части известны из начальных условий или расчета для предыдущего временного шага. Для расчетных узлов, расположенных на границах конструктивного участка, имеем только по одному соотношению на характеристиках: для левого конструктивного узла — выходящих справа, а для правого — выходящих слева при двух неизвестных V и Н. Поэтому в этих точках задаем дополнительные граничные условия, характеризующие соотношения данных величин в конструктивном узле.
Это могут быть соотношения на характеристиках для соседнего конструктивного участка (если в конструктивном узле изменяется диаметр, толщина стенки, модуль упругости материала труб или др.) или же соотношения между V, Н и t для устройства, установленного в данном конструктивном узле. Решая уравнение граничного условия совместно с характеристическим соотношением для расчетного участка, примыкающего к конструктивному узлу, находим значения VnJ и HJn в данном узле. Произведя расчет параметров во всех узлах всех конструктивных участков в момент времени to + At, можно приступить к расчету режима на следующем временном слое, используя полученные в результате предыдущего расчета данные так же, как это делалось ранее.
При наличии на границах конструктивного участка каких-либо устройств обычно имеется одна из зависимостей, устанавливающая изменение V или Н от времени. В этом случае для проведения расчета в конструктивном узле на правой границе трубопровода определяющей будет являться положительно направленная характеристическая кривая, а напор или скорость будут определяться из уравнения (3.62).
Для проведения расчета трубопровода на гидравлический удар по указанным в п.3.2.1 формулам, необходимо знать параметры системы до возникновения нестационарного процесса, то есть на «начальном временном слое» / = to.
Поэтому первым этапом расчета является определение давления и скорости течения жидкости согласно [23, 132] в начальный момент времени t0 для всех расчетных узлов / каждого конструктивного участка Y. Для определения потерь напора на расчетных участках используем зависимости, представленные в п.2.3 данной работы. Использование в этом случае зависимостей для чистой воды может приводить к возникновению погрешностей уже на этом предварительном этапе расчета и впоследствии давать ошибку при определении параметров нестационарного течения сточной жидкости.
Кроме начальных условий в системе для расчета нестационарного режима необходимо знать зависимости изменения давления и скорости от времени на границах каждого конструктивного участка. Для удобства проведения расчетов считаем, что все технологические устройства могут располагаться только в конструктивных узлах.
Математическое моделирование различных видов оборудования в напорных системах рассматривается в целом ряде работ [74, 76, 79, 81]. Остановимся подробнее на самых основных из них: резервуар, задвижка, насос.
Для вывода зависимостей, характеризующих изменение параметров в данном конструктивном узле с учетом установленного в нем оборудования, примем, что резервуар находится в начале трубопровода, то есть в начале оси ОХ (х, =0). Регулирующий орган в виде задвижки может располагаться в конце любого конструктивного участка Y, а насос — только в конечной точке трубопровода с координатой х, = L.
Гашение гидравлических ударов с помощью демпфирующих элементов
Суть данного способа противоударной защиты состоит в гашении волн повышенного давления за счет их отражения и преломления амортизирующими элементами, расположенными в отдельных наиболее опасных точках трубопровода либо равномерно распределенными по длине магистрали.
Одним из наиболее простых и давно использующихся в практике методов противоударной защиты является сброс жидкости в воздушно-гидравлический колпак (ВГК) [38], который представляет собой закрытую емкость, присоединенную к трубопроводу посредством патрубка и на две трети объема заполненную воздухом при рабочем давлении (рис.4.1, а).
При повышении давления часть воды из трубопровода втекает в колпак, сжимая находящийся там воздух, при этом давление снижается за счет амортизирующих свойств воздуха. При снижении давления ниже атмосферного в месте установки ВГК с образованием разрыва потока часть жидкости вытекает из колпака в трубопровод и заполняет образовавшиеся кавитационные пустоты.
Подробные расчеты необходимой и достаточной емкости таких гасителей рекомендуется проводить по методике, которая была разработана и проверена в Московском гидромелиоративном институте под руководством В.М.Алышева [2]. При приближенных расчетах необходимый объем воздушно-гидравлических колпаков можно определить по графикам, составленным В.С.Дикаревским [38]. Гаситель гидравлического удара с упругим рабочим органом в виде торов из эластичного материала: 1 - магистральный трубопровод; 2 - переходной патрубок; 3 - корпус; 4 - днище; 5 - крышка; б - болты с гайками; 7 - прокладка; 8 - упругий рабочий орган в виде торов, заполненных воздухом или газом под давлением. исследования были проведены для более узкого диапазона изменения относительных величин давления и потерь напора.
Несомненными достоинствами ВГК являются простота устройства, отсутствие сброса жидкости из трубопровода, высокая степень гашения гидравлического удара за счет хороших амортизирующих свойств воздуха, а так же возможность ликвидации разрывов сплошности потока в местах установки устройства при условии правильного его расчета.
Однако воздушно-гидравлические колпаки обладают рядом существенных недостатков, которые ограничивают возможность применения данного способа защиты. Основными недостатками рассматриваемых гасителей являются быстрое уменьшение запаса воздуха вследствие его растворения в жидкости и утечки через неплотности в соединениях конструктивных элементов колпаков, а также громоздкость этих гасителей.
Для трубопроводов больших длин и диаметров рассчитанные размеры колпаков настолько велики, что для их размещения необходимо устройство специальных помещений. Также надо отметить и то, что большие размеры этих гасителей вызывают значительный расход металла на их изготовление. Поэтому применение воздушно-гидравлических аккумуляторов больших размеров для трубопроводов водоотведения, как и для других напорных систем, является нерациональным.
Одним из способов сохранение запаса воздуха в воздушно-гидравлических колпаках [81] является защемление воздуха в колпаке с помощью демпфирующих рабочих органов в виде: торов, сфер шаров, шлангов, герметических металлических сильфонов. Пример конструкции такого гасителя представлен на рис.4.2.
Повышения эффективности работы, а также снижения размеров воздушно-гидравлических колпаков можно добиться, если устанавливать их на трубопроводе через переходные дросселирующие патрубки (рис.4.1,6, 4.2). По данным экспериментальных исследований, проведенных в Институте горной механики Грузии [80], наибольший эффект в этом случае достигается при использовании патрубков формы сходящегося конуса при соотношении диаметра суженной и расширенной частей d{/d2 =0,25-5-0,4 и при соотношении диаметров расширенной части патрубка и защищаемого трубопровода d2/D = 0,&5 + 1. Подробный расчет указанных гасителей и патрубков приводится в руководстве [103].
Гашение волн повышенного давления возможно и с помощью равномерного распределения демпфирующих элементов по длине трубопроводной магистрали, например, используемого в гидротранспортных напорных системах [81]. В этом случае уменьшается приведенный модуль упругости металлического трубопровода, и соответственно снижается величина скорости распространения волны гидравлического удара.
Схема закрепления таких элементов при соединении труб показана на рис.4.3. В качестве материала для упругих элементов рекомендуется применять [64] каучук, вулканизированную или вакуумную резину. Но сложность использования такого способа противоударной защиты состоит в том, чтобы обеспечить свободное расположение упругих элементов по магистрали, то есть не изменить модуль упругости применяемого материала. В случае размещения упругих элементов между фланцами и зажатия их посредством болтов, материал меняет свои упругие свойства, и проведение точного теоретического расчета становится невозможным. При подземной прокладке трубопроводов с такими упругими элементами также не имеется возможности осмотра этих соединений, поэтому в системах водоотведения их применение ограничено.
Одним из наиболее простых вариантов демпфирования энергии гидравлического удара трубопроводов небольших диаметров является использование специальных модулей из эластичных материалов, таких как вспененные полимеры типа пенополиуретена или губчатой резины [134, 135]. При возникновении гидроудара пузырьки воздуха или газа, находящиеся в порах таких материалов, сжимаются, принимая на себя избыток давления в трубопроводе, а после снижения давления в системе снова расширяются.
Такой демпфер может быть установлен на основном трубопроводе у источника гидравлического удара (регулирующего органа), в тупиковых ответвлениях, а также внутри корпусов ранее установленных устройств для гашения волн повышенного давления. В последнем случае не обязательна установка этих корпусов вертикально вверх относительно трубопровода. Они могут быть установлены сбоку и снизу трубопровода, где это наиболее удобно.
На рис.4.4 представлены различные схемы установки таких демпферов, при этом для схем а и б возможно выполнение демпфера гидравлического удара как из стандартных матов, свернутых в рулон в соответствии с формой корпуса или тупикового участка трубопровода, так и из отдельных кусков пенополиуретана, губчатой резины или их отходов, которые помещают в сетку или мешок и затем устанавливают внутри корпуса устройства или тупикового участка трубопровода.
Для предотвращения перемещения демпфера 2 из тупикового отвода 3 в трубопровод 1 на их границе устанавливаются ограничители 6 или демпфер 2 по торцу может быть приклеен к крышке 5. При использовании обрезков и кусков пенополиуретана или губчатой резины, края мешка 7 или сетки закрепляются между фланцем люка 4 и крышкой 5.
