Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации



Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации
Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе и устройство для его реализации

 


Владельцы патента RU 2422714:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)

Способ и устройство предназначены для гашения гидравлических ударов в трубопроводе. Способ заключается в том, что до момента закрытия запорного клапана в начальный участок трубопровода непрерывно или кратковременно вводят сжатый газ, инертный по отношению к перекачиваемой по трубопроводу жидкости, диспергируют его в виде пузырей размером от 0.1 до 20 мм, а после закрытия запорного клапана газ, накопившийся в трубопроводе, отводят из него, либо полностью удаляя, либо сжимают и снова подают в начальный участок трубопровода, осуществляя рециркуляцию газа. Устройство включает трубопровод 1 с закрывающимся запорным клапаном 2, содержит патрубок 3 ввода сжатого газа, установленный на начальном участке трубопровода 1, патрубок 4 отвода газа, установленный на участке непосредственно перед запорным клапаном 2, а также диспергатор газа 8, расположенный в трубопроводе 1 и присоединенный к патрубку ввода сжатого газа 3, и газоотделительный элемент 5, присоединенный к патрубку отвода газа 4 либо включенный в участок трубопровода 1 непосредственно перед запорным клапаном 2. Технический результат - повышение эффективности компенсации гидравлических ударов, упрощение конструкции устройства и повышение его надежности и безопасности, а также снижение энергетических затрат. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам для гашения гидравлических ударов, возникающих при закрытии клапанов и задвижек, аварийном отключении насосов, изменении режимов работы насосных агрегатов и ошибках обслуживающего персонала, и может быть использовано в трубопроводных системах станций по розливу топлива в цистерны, бензозаправочных станций, а также в трубопроводных системах химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.

Анализ известных способов и устройств для сглаживания (компенсации, гашения) пульсаций давления при гидравлическом ударе в трубопроводах позволяет подразделить их на следующие пять типов:

1. Увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов (установка в трубопроводе элементов с повышенным гидравлическим сопротивлением).

2. Отвод части потока с избыточной кинетической энергией.

3. Перераспределение энергии потока путем перенаправления потоков жидкости через байпасные (переточные) линии с последующим отводом части энергии с перебрасываемым потоком.

4. Сглаживание пульсаций давления посредством сжатия упругого, вязкоупругого или вязкоэластичного элемента (воздушный колпак, пружина с поршнем или плунжером, пружина с демпфером, эластичная мембрана или сильфон и т.п.).

5. Комбинация устройств по пунктам 1-4.

Устройства первого типа достаточно просты, но при их работе диссипируется избыточная энергия потока, а в некоторых случаях и часть энергии, затрачиваемой на подачу жидкости. Это приводит к повышенному расходу энергии. Устройства второго типа не достаточно эффективно компенсируют пульсации давления. Устройствам третьего типа присуща сложная конструкция, что снижает надежность системы в целом и приводит к ее удорожанию. В устройствах четвертого типа при использовании в качестве упругого элемента газа необходим частый (или даже непрерывный) контроль объема газа (газ может раствориться в жидкости), а использование автоматики для контроля удорожает систему. Кроме того, если устройство используется на открытом воздухе, снижение температуры в зимнее время может привести к заклиниванию, примерзанию поршня и отказу системы. Используемые в устройствах четвертого типа механические упругие элементы (пружины, мембраны, сильфоны) имеют ограниченный ресурс работоспособности по циклическим нагрузкам при эксплуатации. Комбинированные устройства (пятого типа) наиболее эффективно сглаживают пульсации давления, но их недостатком является сложность конструкции, что приводит к увеличению затрат на их изготовление и эксплуатацию, а также к снижению надежности таких устройств.

Известен способ компенсации гидравлических ударов, реализованный в устройстве (MПК6 F16L 55/04, пат. РФ №2111405, 1998 г.), содержащем проточный корпус, соосно размещенные в корпусе сопло и последовательно соединенные диффузор и конфузор, а также вспомогательную емкость, связанную с корпусом и имеющую поплавок для взаимодействия со сквозным отверстием, сопло подключено к вспомогательной емкости и размещено в диффузоре, а последний выполнен разъемным из двух шарнирно установленных и подпружиненных частей и снабжен механизмом управления в виде поворотного элемента с аэродинамическим профилем. В известном изобретении используется пятый способ компенсации гидравлического удара, а именно комбинация третьего и четвертого типов гашения пульсаций давления. Известные способ и устройство позволяют повысить эффективность компенсации гидравлического удара, однако известное устройство чрезвычайно сложно в изготовлении и не обладает достаточной надежностью.

Известен способ компенсации гидравлических ударов, реализованный в устройстве (MПK7 F16L 55/045, пат. РФ №2193134, 2002 г.), содержащем насосную установку, всасывающий, нагнетательный и обводной трубопроводы, а также автоматический переключатель потока. Известный способ заключается в том, что посредством автоматического переключателя потока при остановке одного из высоконапорных насосов обратный отток жидкости направляют не в сторону насоса, а в низконапорную сеть магистральных трубопроводов, где энергия этого потока полностью гасится и не причиняет вреда гидравлической системе. Известное изобретение позволяет повысить эксплуатационную надежность, упростить конструкцию и снизить трудоемкость изготовления. Известные способ и устройство принадлежат к третьему типу приведенной выше классификации. Недостатком известного изобретения является наличие довольно сложных в изготовлении и эксплуатации элементов автоматического переключателя, которые могут выйти из строя в результате коррозии, износа либо засорения случайными механическими загрязнениями. Кроме того, энергия высоконапорного потока сбрасывается в низконапорную сеть, в результате чего вся энергия потока полностью теряется.

Известен способ компенсации гидравлических ударов, реализованный в устройстве (МПК7 F16L 55/045, пат. США №6915786, 2005 г.), содержащем полое тело с гофрированной поверхностью, заполненное сжимаемой твердой средой, прикрепленное обоими концами к внутренней поверхности трубопровода. Тело может быть выполнено, например, из политетрафторэтилена толщиной 1-2 мм. Известное изобретение относится к первому типу по приведенной выше классификации и позволяет компенсировать пульсации давления. Недостатком известного изобретения является необходимость встраивания внутрь трубопровода дополнительных устройств, что не позволяет использовать его на трубах малого диаметра. Кроме того, в нем предполагается использовать сжимаемую твердую среду, которая может быстро засоряться механическими примесями, а также будет заметно увеличивать сопротивление движению жидкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым способу и устройству является способ, реализованный в устройстве для компенсации гидравлических ударов (МПК6 F16L 55/055, пат. США №5816291, 1998 г.), содержащем закрытую емкость, частично заполненную газом и снабженную патрубком, через который жидкость из трубопровода может втекать в емкость и вытекать из нее, соответственно сжимая или расширяя газ. Патрубок оборудован клапаном, обеспечивающим свободный проток жидкости в емкость из трубопровода и дросселированный отток жидкости в обратном направлении. Известное изобретение (относится к четвертому типу) позволяет эффективно гасить пульсации давления при гидравлических ударах, а за счет дросселированного оттока жидкости из емкости в течение достаточно продолжительного времени достигается удаление пузырьков, абсорбированных жидкостью на стадии сжатия. Известные способ и устройство особенно эффективны при транспортировке жидкостей (например, тяжелых фракций нефти) при высоких давлениях. Недостатком известного способа является необходимость непрерывного контроля объема и давления газа в емкости. Недостатком известного устройства является довольно большие габариты емкости, а также сложность изготовления клапана и высокая вероятность его засорения механическими примесями, что может резко снизить его эксплуатационную надежность.

Задача предлагаемого изобретения - повышение эффективности компенсации гидравлических ударов, упрощение конструкции устройства для компенсации гидравлических ударов, повышение его надежности и безопасности, а также снижение энергетических затрат.

Поставленная задача достигается тем, что в способе компенсации гидравлических ударов в трубопроводе, снабженном закрывающимся запорным клапаном, включающем введение газа, согласно предлагаемому изобретению, до момента закрытия запорного клапана в начальный участок трубопровода непрерывно или кратковременно вводят сжатый газ, инертный по отношению к перекачиваемой по трубопроводу жидкости, диспергируют его в виде пузырей размером от 0.1 до 20 мм, а после закрытия запорного клапана газ, накопившийся в трубопроводе, отводят из него, либо полностью удаляя, либо сжимают и снова подают в начальный участок трубопровода, осуществляя рециркуляцию газа.

Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом способе газ вводят с объемной долей от 0.001 до 0.2.

Поставленная задача достигается также тем, что устройство для компенсации гидравлических ударов, включающее трубопровод с закрывающимся запорным клапаном, согласно предлагаемому изобретению, содержит патрубок ввода сжатого газа, установленный на начальном участке трубопровода, патрубок отвода газа, установленный на участке непосредственно перед запорным клапаном, а также диспергатор газа, расположенный в трубопроводе и присоединенный к патрубку ввода сжатого газа, и газоотделительный элемент, присоединенный к патрубку отвода газа либо включенный в участок трубопровода непосредственно перед запорным клапаном.

Поставленная задача достигается также тем, что предлагаемое устройство содержит клапан, присоединенный к патрубку отвода газа, систему автоматического контроля гидравлического сопротивления запорного клапана либо положения его запорного элемента.

Поставленная задача достигается также тем, что предлагаемое устройство содержит компрессорную машину, всасывающая линия которой присоединена к патрубку отвода газа, а ее нагнетательная линия присоединена к патрубку ввода сжатого газа.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство содержит соединенный последовательно с трубопроводом струйный аппарат, в котором рабочей средой служит жидкость в трубопроводе, а инжектируемой средой является газ, при этом всасывающая линия струйного аппарата присоединена к патрубку отвода газа, или содержит присоединенную к всасывающей линии струйного аппарата емкость с поплавковым клапаном, пропускающим газ по направлению к струйному аппарату и не пропускающим жидкость в обратном направлении.

Техническим результатом является повышение эффективности компенсации гидравлических ударов за счет многократного (до 50-60 раз) уменьшения скачка давления, упрощение конструкции устройства для компенсации гидравлических ударов за счет сокращения числа подвижных элементов до минимума, вплоть до полного их исключения, повышение его надежности и безопасности посредством сокращения числа подвижных элементов до минимума и сведения к нулю риска возникновения искры, снижение энергетических затрат путем сохранения малого гидравлического сопротивления трубопровода, а также благодаря частичному использованию энергии сжатого газа при его рециркуляции.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

На фиг.1-7 представлены схемы реализации устройства по предлагаемому изобретению.

Под запорным клапаном здесь понимается обычное устройство для дросселирования потока жидкости - задвижка, вентиль, кран. Под газоотделительными элементами следует понимать устройства статического типа -камеры с поплавковым клапаном (так называемые вантузы - см. фиг.2), либо устройства динамического (инерционного) типа, например гидроциклоны (см. фиг.3), либо любые другие известные устройства, позволяющие отделить пузырьки газа от жидкости. В качестве диспергатора газа могут использоваться пористые перегородки, завихрители, устройства для импульсной подачи газа, конфузорно-диффузорные элементы типа трубы Вентури (см. фиг.4), либо другие известные разновидности диспергаторов.

Демпфирование гидравлических ударов по предлагаемому способу достигается за счет многократного (до 50-60 раз на примере системы вода-воздух) уменьшения скорости звука в газожидкостной смеси по сравнению с чистой жидкостью. Согласно формуле Н.Е.Жуковского (Френкель Н.З. Гидравлика. М.: Госэнергоиздат, 1956. С.318) приращение давления при прямом гидравлическом ударе составит

где Δр - приращение давления перед задвижкой при прямом гидравлическом ударе, Па;

ρ - плотность жидкости (или другой транспортируемой среды, например газожидкостной смеси), кг/м3;

u - скорость жидкости (или другой транспортируемой среды, например газожидкостной смеси) в трубопроводе до закрытия задвижки, м/с;

а - скорость звука в среде, транспортируемой по трубопроводу, м/с.

На фиг.1 и фиг.2 показано устройство, в котором до момента закрытия запорного клапана 2 газ отделяют от жидкости при выходе газожидкостной смеси из трубопровода 1. Устройство содержит трубопровод 1 с запорным клапаном 2, патрубок 3 для ввода сжатого газа, патрубок 4 для отвода газа, установленный на участке непосредственно перед запорным клапаном 2, газоотделительный элемент 5, а также клапан 6, присоединенный к патрубку для отвода газа 4.

На фиг.1 и фиг.2 газоотделительным элементом 5 служит выпускной участок трубопровода 1, т.е. разделение фаз происходит непосредственно при их выходе из трубопровода. На фиг.1 устройство содержит также систему 7 автоматического контроля гидравлического сопротивления запорного клапана 2 либо автоматического контроля положения его запорного элемента (затвора вентиля, клина задвижки, пробки крана), диспергатор газа 8, присоединенный к патрубку для ввода сжатого газа 3. Система 7 автоматического контроля гидравлического сопротивления запорного клапана 2 либо положения его запорного элемента включает датчик 9 гидравлического сопротивления запорного клапана 2 либо положения его запорного элемента, контроллер 10 и исполнительный механизм 11, управляющий клапаном 6.

Кроме того, устройство на фиг.2 содержит второй газоотделительный элемент 5 в виде вантуза 12, присоединенного к патрубку отвода газа 4. Внутри вантуза 12 находится поплавковый клапан 13, позволяющий удалять газ из системы после закрытия запорного клапана 2 и не допускающий утечки жидкости через патрубок 4.

На фиг.3, фиг.5 и фиг.6 устройство содержит газоотделительный элемент 5 в виде гидроциклона, включенного в участок трубопровода 1 непосредственно перед запорным клапаном 2.

В простейшем случае в качестве диспергатора газа 8 выступает непосредственно патрубок ввода сжатого газа 3, вваренный в трубопровод 1 (фиг.1, 2). В качестве диспергатора газа 8 могут быть также использованы другие известные устройства для диспергирования газа (например, пористые керамические барботеры, форсунки и т.д.). В качестве примера на фиг.4 представлен диспергатор 8, включающий трубу Вентури 13 и размещенную в ней соосно отогнутую трубку 14, размещенную в горловине 15.

На фиг.5 устройство содержит компрессорную машину 16, всасывающая линия 17 которой присоединена к патрубку 4 отвода газа, а ее нагнетательная линия 18 присоединена к патрубку 3 ввода сжатого газа. В частности, в качестве компрессорной машины 16 может быть использован жидкостно-кольцевой вакуум-насос, жидкость в который поступает из трубопровода 1 через патрубок 19. Для компенсации потерь некоторого количества газа, а также для ввода газа при пуске устройства газ может вводиться через патрубок 3 из линии сжатого газа.

На фиг.6 устройство содержит соединенный последовательно с трубопроводом 1 струйный аппарат 20, в котором рабочей средой служит жидкость в трубопроводе, а инжектируемой средой является газ, при этом всасывающая линия струйного 17 аппарата присоединена к патрубку 4 отвода газа. При этом струйный аппарат 20 совместно с отогнутой трубкой 14 выполняет также функцию диспергатора газа 8. Угол раскрытия конфузора струйного аппарата предпочтительно выполнен в пределах от 10 до 40°, а угол раскрытия диффузора выполнен в пределах от 4 до 20°.

На фиг.7 показана присоединенная к всасывающей линии струйного аппарата 20 емкость 21 с поплавковым клапаном 22, пропускающим газ по направлению к струйному аппарату 20 и не пропускающим жидкость в обратном направлении (обратный вантуз). В седле 23 клапана 22 выполнены отверстия 24, позволяющие газу проходить в направлении, показанном стрелкой на фиг.7 при опущенном положении поплавкового клапана 26. При заполнении емкости 21 жидкостью поплавковый клапан 22 всплывает, запирая патрубок 4 и не допуская вытекания жидкости. Обратный вантуз 21 необходим для исключения утечек жидкости при малом расходе жидкости, когда струйный аппарат работает недостаточно эффективно, не создавая необходимого разрежения.

Устройство работает следующим образом. В начальный участок трубопровода 1, снабженного закрывающимся запорным клапаном 2, до момента закрытия запорного клапана 2 непрерывно или кратковременно вводят сжатый газ (например, воздух, азот, аргон или другие газы), инертный по отношению к перекачиваемой по трубопроводу 1 жидкости, диспергируют его в виде пузырей размером от 0.1 до 20 мм при помощи диспергатора 8, а после закрытия запорного клапана 2 газ, накопившийся в трубопроводе 1, отводят из него, либо полностью удаляя, либо сжимают при помощи компрессорной машины 16 и снова подают в начальный участок трубопровода 1, осуществляя рециркуляцию газа.

Газ в трубопровод вводят под давлением, на 5-15% превышающим давление в трубопроводе. Избыток энергии газа частично расходуется на преодоление сопротивлений, частично на диспергирование пузырей.

Выбор диапазона размеров пузырей от 0.1 до 20 мм обусловлен следующими причинами: если пузыри мельче 0.1 мм - затрачивается слишком большая энергия на их диспергирование и возрастает риск их мгновенного слияния (коалесценции); если пузыри крупнее 20 мм - велика вероятность быстрого расслоения газожидкостной смеси и снижения эффективности компенсации гидравлических ударов.

Вводя сжатый газ через патрубок 3 непрерывно, достигают непрерывной защиты от гидравлических ударов. Это особенно важно, если гидравлические удары возникают стохастически.

Если же сжатый газ вводят в патрубок 3 непосредственно перед моментом закрытия запорного клапана 2, достигают снижения энергетических затрат на сжатие газа. Предпочтительно начать вводить газ за время, количественно превышающее 1.2-1.5 раза время заполнения защищаемого участка трубопровода 1 газожидкостной смесью, т.е. за время, рассчитываемое по формуле

где Δt - время упреждающего ввода газа перед моментом закрытия запорного клапана 2, с;

L - длина трубопровода 1, м;

u - скорость жидкости (или газожидкостной смеси) в трубопроводе 1 до закрытия задвижки, м/с.

В предлагаемом диапазоне газосодержаний (от 0.001 до 0.2) скорости жидкости и газожидкостной смеси можно считать приблизительно равными.

До момента закрытия запорного клапана 2 газ отделяют от жидкости при выходе газожидкостной смеси из трубопровода 1 (фиг.1 и фиг.2), устраняя необходимость в газоотделительном устройстве, либо газ из трубопровода 1 отводят на участке непосредственно перед запорным клапаном 2 через патрубок 4 (фиг.3, 5, 6), а отведенный газ либо полностью удаляют из системы (фиг.3), либо компримируют (сжимают) при помощи компрессорной машины 16 (фиг.5) или струйного аппарата 20 (фиг.6), причем компримированный (сжатый) газ снова подают в патрубок 3 на начальном участке трубопровода 1, осуществляя рециркуляцию газа.

Благодаря вводу газа с объемной долей от 0.001 до 0.2 повышают эффективность гашения гидравлических ударов.

Газожидкостную смесь в трубопроводе можно рассматривать как распределенный по длине трубопровода демпфер со сжатым газом. Однако при этом по предлагаемому изобретению количество газа легко регулировать, избыток газа просто удалять, система не нуждается в смазке и особом уходе.

Пример конкретного выполнения 1 (база для сравнения). В трубопровод диаметром d=100 мм с запорным клапаном (задвижкой), схема которого показана на фиг.1, подается вода плотностью ρ=1000 кг/м3 с объемным расходом Q=0.031 м3/с (скорость движения жидкости при этом составляет u0=4 м/с). Скорость звука в воде равна (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.471) aL=1485 м/с. Для данного примера присвоим индекс "0" скорости среды и скачку давления. В соответствии с формулой (1) скачок давления при быстром закрывании задвижки (прямом гидравлическом ударе) составит

Δр0=ρ u0 aL=1000×4×1500=6 МПа,

что может привести к преждевременному разрушению трубопровода, не рассчитанного на столь высокую динамическую нагрузку.

Пример конкретного выполнения 2 (по предлагаемому изобретению). В трубопровод 1 диаметром d=100 мм, снабженный закрывающимся запорным клапаном 2, схема которого показана на фиг.1, подается вода плотностью ρL=1000 кг/м3 с объемным расходом 0=0.031 м3/с. До момента закрытия запорного клапана в начальный участок трубопровода непрерывно или кратковременно вводят сжатый газ (воздух), диспергируют его в виде пузырей размером 2-5 мм (то есть размеры пузырей лежат в пределах от 0.1 до 20 мм), а после закрытия запорного клапана 2 газ, накопившийся в трубопроводе 1, отводят из него, либо полностью удаляя, либо сжимают и снова подают в начальный участок трубопровода, осуществляя рециркуляцию газа. Значения объемной доли газа φ варьируют в различных опытах от 0.0005 до 0.8. Расширенный диапазон значений объемной доли газа здесь рассматривается с целью выявления оптимальных его значений.

Зависимость скорости звука в газожидкостной смеси от объемного газосодержания описывается формулой Вуда (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Л.: Наука, 1973. С.123)

где aGL - скорость звука в газожидкостной смеси, м/с;

φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед.;

aG - скорость звука в газе, м/с;

aL - скорость звука в жидкости, м/с;

ρL плотность жидкости, кг/м3;

p - среднее давление в газожидкостной смеси, Па.

Скорость звука в газе, согласно известной формуле, равна (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.253)

где aG - скорость звука в газе, м/с;

k - показатель адиабаты газа (k=1.4 для воздуха),

R - универсальная газовая постоянная (R=8310 Дж/кмоль К);

Т - температура газа, К;

М - молярная масса газа (для воздуха М=28.96 кг/кмоль).

Для воздуха по формуле (4) при Т=293 К найдем аG=343 м/с.

С учетом того, что газ занимает часть объема в газожидкостной смеси, истинная скорость жидкости оказывается равной (Coу С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536 с.)

где uL - истинная скорость жидкости в трубопроводе, м/с;

Q - объемный расход жидкости, м3/с;

S - площадь поперечного сечения трубы, м2;

φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед.

При скоростях сред не более 8-10 м/с скорость газа можно считать примерно равной скорости жидкости. По этой причине скорость газожидкостной смеси также примерно равна скорости жидкости uGL≈uL.

Плотность газожидкостной смеси рассчитывается по формуле (Coу С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536 с.)

где ρGL - плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

ρG - плотность газа, кг/м3;

ρL - плотность жидкости, кг/м3;

φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед.

Плотность газа, в свою очередь, определяется формулой (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.154)

где p - среднее давление в газожидкостной смеси, Па;

М - молярная масса газа, кг/кмоль;

R - универсальная газовая постоянная (R=8310 Дж/кмоль К);

T - температура газа, К.

С учетом того, что при заданном расходе жидкости и газосодержании (то же, что объемная доля) плотность среды (газожидкостной смеси) в трубопроводе и ее скорость отличаются от скорости чистой жидкости, приращение давления перед задвижкой при прямом гидравлическом ударе для газожидкостной смеси в соответствии с формулой Жуковского (1) в новых обозначениях примет вид

где ρGL - плотность газожидкостной смеси, кг/м3;

uGL - скорость газожидкостной смеси в трубопроводе, м/с;

aGL - скорость звука в газожидкостной смеси, м/с.

Результаты расчетов истинной скорости жидкости по формуле (5), плотности газожидкостной смеси по формуле (6), скорости звука в газожидкостной смеси по формуле (3), скачка давления при прямом гидравлическом ударе по формуле (8), а также коэффициента снижения скачка давления в результате использования предлагаемого изобретения Δр0/Δр (где значение Δр0 взято из примера конкретного выполнения 1 для чистой жидкости) при значениях объемной доли φ от 0.0005 до 0.8 представлены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что коэффициент снижения скачка давления в результате использования предлагаемого изобретения принимает значения от 4.85 до 59.99 при варьировании объемной доли газа (газосодержаний) от 0.001 до 0.2. При значениях объемной доли газа менее 0.001 эффект снижения давления незначительный (менее чем в 4.85 раза, т.е. давление снижается не столь существенно), а при объемной доле газа более 0.2 существенно (более чем на 20%) возрастает скорость жидкости, что приводит к росту потерь давления, а также увеличивается риск слияния пузырей и может начаться расслоение или инверсия фаз (т.е. газ станет сплошной средой, а жидкость будет двигаться в виде кольцевой пленки и даже в виде капель). Во всем диапазоне газосодержаний от 0.001 до 0.2 скачок давления перед запорным клапаном уменьшается многократно - от 4.85 до 59.99 раз.

Аналогичные результаты по компенсации гидравлических ударов в трубопроводе получены и при использовании других газов - азота (таблица 2) и аргона (таблица 3).

Это свидетельствует о высокой эффективности предлагаемых способа и устройства. При этом эффект достигается при использовании достаточно простой конструкции, практически не содержащей подвижных и быстроизнашивающихся элементов, что позволяет, в свою очередь, констатировать повышение надежности и безопасности устройства.

За счет ввода газа непосредственно перед моментом закрытия запорного клапана удается, к тому же, снизить энергетические затраты. Дополнительное снижение энергетических затрат происходит за счет использования компрессорной машины, всасывающая линия которой присоединена к патрубку отвода газа, а ее нагнетательная линия присоединена к патрубку ввода сжатого газа. Это достигается благодаря тому, что энергия отводимого газа, обладающего некоторым избыточным давлением, возвращается в систему. Аналогичный эффект получается за счет использования соединенного последовательно с трубопроводом струйного аппарата, в котором рабочей средой служит жидкость в трубопроводе, а инжектируемой средой является газ, при этом всасывающая линия струйного аппарата присоединена к патрубку отвода газа. Струйный аппарат позволяет избавиться от подвижных элементов, что дополнительно повышает надежность и безопасность предлагаемого устройства. Установка на всасывающую линию струйного аппарата емкости с поплавковым клапаном, пропускающим газ по направлению к струйному аппарату и не пропускающим жидкость в обратном направлении (названного здесь обратным вантузом), позволяет предотвратить проскок жидкости из струйного аппарата по направлению к патрубку отвода газа в нештатной ситуации (например, при пуске устройства). Это дополнительно повышает надежность устройства.

Таблица 1
φ uL, м/с ρGL, кг/м3 а, м/с Δр, Па Δр0/Δp
5×10-4 4.002 999.5 428.7 1.715×106 3.50
1×10-3 4.004 999.0 309.6 1.238×106 4.85
5×10-3 4.02 995.0 141.2 5.646×105 10.63
0.01 4.04 990.0 100.3 4.011×105 14.96
0.03 4.124 970.0 58.6 2.343×105 25.61
0.05 4.211 950.1 45.9 1.835×105 32.70
0.1 4.444 900.1 33.3 1.333×105 45.00
0.2 5 800.2 25.0 1.000×105 59.99
0.4 6.667 600.5 20.4 8.169×104 73.45
0.6 10 400.7 20.4 8.174×104 73.40
0.8 20 201.0 25.0 1.003×105 59.82
Таблица 2
φ uL, м/с ρGL, кг/м3 а, м/с Δр, Па Δр0/Δр
5×10-4 4.002 999.5 428.7 1.715×106 3.50
1×10-3 4.004 999.0 309.6 1.238×106 4.85
5×10-3 4.02 995.0 141.2 5.646×105 10.63
0.01 4.04 990.0 100.3 4.011×105 14.96
0.03 4.124 970.0 58.6 2.343×105 25.61
0.05 4.211 950.1 45.9 1.835×105 32.70
0.1 4.444 900.1 33.3 1.333×105 45.01
0.2 5 800.2 25 1×105 59.99
0.4 6.667 600.5 20.4 8.169×104 73.45
0.6 10 400.7 20.4 8.174×104 73.40
0.8 20 200.9 25 1.003×105 59.81
Таблица 3
φ uL, м/с ρGL, кг/м3 а, м/с Δр, Па Δр0/Δp
5×10-4 4.002 999.5 428.7 1.715×106 3.5
1×10-3 4.004 999.0 309.6 1.238×106 4.85
5×10-3 4.02 995.0 141.2 5.646×105 10.63
0.01 4.04 990.0 100.3 4.011×105 14.96
0.03 4.124 970.0 58.6 2.343×105 25.61
0.05 4.211 950.1 45.9 1.835×105 32.7
0.1 4.444 900.2 33.3 1.333×105 45.0
0.2 5 800.3 25.0 1×105 59.99
0.4 6.667 600.7 20.4 8.171×104 73.43
0.6 10 401.0 20.4 8.179×104 73.36
0.8 20 201.3 25.0 1.005×105 59.73

1. Способ компенсации гидравлических ударов в трубопроводе, снабженном закрывающимся запорным клапаном, включающий введение газа, отличающийся тем, что до момента закрытия запорного клапана в начальный участок трубопровода непрерывно или кратковременно вводят сжатый газ, инертный по отношению к перекачиваемой по трубопроводу жидкости, диспергируют его в виде пузырей размером от 0,1 до 20 мм, а после закрытия запорного клапана газ, накопившийся в трубопроводе, отводят из него, либо полностью удаляя, либо сжимают и снова подают в начальный участок трубопровода, осуществляя рециркуляцию газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ вводят с объемной долей от 0,001 до 0,2.

3. Устройство для реализации способов по пп.1 и 2, включающее трубопровод с закрывающимся запорным клапаном, отличающееся тем, что оно содержит патрубок ввода сжатого газа, установленный на начальном участке трубопровода, патрубок отвода газа, установленный на участке непосредственно перед запорным клапаном, а также диспергатор газа, расположенный в трубопроводе и присоединенный к патрубку ввода сжатого газа, и газоотделительный элемент, присоединенный к патрубку отвода газа либо включенный в участок трубопровода непосредственно перед запорным клапаном.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит клапан, присоединенный к патрубку отвода газа, систему автоматического контроля гидравлического сопротивления запорного клапана либо положения его запорного элемента.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит компрессорную машину, всасывающая линия которой присоединена к патрубку отвода газа, а ее нагнетательная линия присоединена к патрубку ввода сжатого газа.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно содержит соединенный последовательно с трубопроводом струйный аппарат, в котором рабочей средой служит жидкость в трубопроводе, а инжектируемой средой является газ, при этом всасывающая линия струйного аппарата присоединена к патрубку отвода газа, или содержит присоединенную к всасывающей линии струйного аппарата емкость с поплавковым клапаном, пропускающим газ по направлению к струйному аппарату и не пропускающим жидкость в обратном направлении.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидротехники, в частности к системе трубопроводов, транспортирующих жидкости. .

Изобретение относится к вспомогательному оборудованию для трубопроводных сетей, а именно к устройствам для защиты трубопроводов путем гашения пульсации давления в трубопроводах, в частности, путем гашения гидравлических ударов.

Изобретение относится к устройствам для гашения пульсации давления в трубопроводах и может быть использовано в системе ППД, в сетях водоснабжения и мелиорации. .

Изобретение относится к устройствам для гашения пульсации давления в трубопроводах системы ППД и может быть использовано в трубопроводных системах водоснабжения и мелиорации.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации жидкостных и парожидкостных систем, а именно нефтепроводов, водоводов, тепловых сетей, устройств водоотлива из шахт, рудников и метро, систем расхолаживания атомных электростанций и т.п.

Изобретение относится к способам снижения гидравлической нагрузки на трубопровод и может быть использовано, в частности, при транспортировке нефти по трубопроводам.

Изобретение относится к трубопроводной технике, в частности к устройствам для гашения гидравлических ударов в магистральных трубопроводах, и может быть использовано для предотвращения аварий, связанных с неконтролируемыми динамическими явлениями в виде волн сжатия и разрежения, распространяющимися по трубопроводу.

Изобретение относится к устройствам для уменьшения ударного давления в трубопроводах и оборудовании при движении по ним с переменной скоростью жидких сред: растворов, расплавов, эмульсии и суспензии, и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, автотранспортной, горнодобывающей и других отраслях промышленности, а также при решении экологических проблем транспортировки по трубопроводам бытовых и промышленных сточных вод.

Изобретение относится к электромеханике, а именно к способам и устройствам с использованием пьезоэлектрического эффекта, производящим электрический выходной сигнал от механического входного сигнала, и может быть использовано в машиностроении как вспомогательное оборудование для трубопроводных сетей с целью защиты от воздействий пульсаций давления при гидравлических ударах (далее гидроудар)

Изобретение относится к арматуростроению и предназначено для использования в различных гидравлических системах для защиты гидравлических магистралей от разрушения при их быстром перекрытии. Клапан перекрытия противогидроударный содержит соединенный с магистралью корпус, запорный орган, размещенный соосно с перекрываемым участком магистрали и выполненный в виде тонкостенного полого цилиндра с днищем и конической посадочной поверхностью. В корпусе на входе в перекрываемый участок магистрали расположена ответная коническая посадочная поверхность. Углы наклона образующих конических посадочных поверхностей запорного органа и корпуса не превышают угол трения. Полость корпуса со стороны днища запорного органа сообщена с линией подачи управляющего давления. Вход в полость запорного органа закрыт перегородкой, открывающейся под воздействием избыточного давления жидкости. Перегородка на входе в полость запорного органа выполнена в виде герметичной мембраны свободного прорыва. Последняя установлена посредством герметичного соединения. Изобретение направлено на уменьшение времени сообщения полости запорного органа с перекрываемым участком магистрали при ее перекрытии и на увеличение степени герметичности полости запорного органа при нахождении в рабочей жидкости до перекрытия магистрали. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидравлических передач вращения с использованием насосов и двигателей объемного вытеснения. Гидрообъемный привод состоит из мультипликатора, насосов, терморегуляторов, гидромоторов с вентиляторными колесами, высокого и низкого давления трубопроводов и секций для охлаждения масла и воды. Участки трубопроводов высокого давления в зоне примыкания их к терморегуляторам жестко установлены в кожухах цилиндрической формы. На данных участках подвижно размещены подпружиненные винтовыми пружинами сжатия стаканы, перекрывающие собой сквозные пазы, выполненные на участках трубопроводов высокого давления. Внутренние полости упомянутых кожухов цилиндрической формы связаны с трубопроводами низкого давления гидросистемы гидрообъемного привода. Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационной надежности гидравлического привода тепловозов. 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для защиты трубопроводов, преимущественно нефтеналивных морских и речных терминалов от волн повышенного давления (гидравлических ударов), возникающих в процессе эксплуатации трубопровода при быстром закрытии задвижек на трубопроводах нефтеналивных терминалов, и может быть использовано при эксплуатации жидкостных систем, а именно нефтепроводов и нефтепродуктопроводов. Система защиты наливного трубопровода от гидравлического удара содержит причальную и береговую сбросные емкости, соединенные с наливным трубопроводом, в конечном сечении которого установлена задвижка, причем причальная сбросная емкость выполнена меньшего объема, чем береговая сбросная емкость, при этом каждая емкость выполнена герметичной, свободно сообщена с наливным трубопроводом и частично заполнена газом и транспортируемой жидкостью. Техническим результатом изобретения является исключение необходимости применения насосов для обратной закачки жидкости из сбросных емкостей в трубопровод, исключение возможности переполнения сбросных емкостей, устранение задержки (запаздывания) в срабатывании систем защиты при повышении давления в трубопроводе. 4 ил.
Наверх