Uderzenie hydrauliczne.docx

Uderzenie hydrauliczne – nagły wzrost ciśnienia towarzyszący szybkiemu zatrzymaniu przepływu cieczy, na przykład poprzez gwałtowne zamknięcie zaworu. Wartość uzyskanego ciśnienia zależy od sprężystości objętościowej cieczy, sprężystości rur, oraz szybkości zatrzymywania przepływu. Po nagłym wzroście ciśnienia cieczy następuje jego spadek i seria tłumionych oscylacji ciśnienia, rozchodzących się z prędkością charakterystyczną dla fali dźwiękowej w danej cieczy. Przyczyną uderzenia hydraulicznego jest zgromadzona w płynącym strumieniu cieczy energia kinetyczna, która ulega zamianie na energię potencjalną ściśliwości cieczy i sprężystości rur.

Wzrost ciśnienia może być tak duży, że może spowodować pęknięcie rurociągu, lub uszkodzenie ściany w miejscu zamocowania rury. Często spotykanymi przykładami uderzenia hydraulicznego były starego typu zawory służące do spłukiwania muszli klozetowych, automatyczne poidła dla zwierząt, niektóre typy baterii wodociągowych.

Do środków zapobiegających lub częściowo ograniczających niekorzystne skutki uderzenia hydraulicznego, należą:

·         użycie zaworów, w których nie następuje gwałtowne zatrzymanie przepływu

·         zastosowanie elementów rur wykonanych z materiałów o większej elastyczności (np. polietylenu)

·         umiejscowienie w pobliżu zaworów dodatkowych boczników z elastycznego materiału

·         napowietrzenie strumienia płynącej cieczy, zwiększające jej ściśliwość

Uderzenie hydrauliczne może być wykorzystywane jako tania i prosta metoda pompowania wody do punktów leżących na niewielkich wzniesieniach w poblizu naturalnych cieków wodnych; służy do tego taran hydrauliczny.

Uderzeniem hydraulicznym nazywamy szybką zmianę ciśnienia w przewodzie w wyniku gwałtownej zmiany prędkości przepływu cieczy przez ten przewód np. spowodowanej nagłym otwarciem lub zamknięciem zaworu, urządzenia regulującego przepływ, wyłączeniem pompy itp. W przypadku zamknięcia zachodzi bardzo znaczne podwyższenie ciśnienia wskutek szybkiego zmniejszenia prędkości przepływu w przewodzie, czyli następuje zamiana energii kinetycznej strumienia na energię ciśnienia. Takie uderzenie hydrauliczne charakteryzujące się znacznym podwyższeniem  wartości ciśnienia nazywamy uderzeniem dodatnim. Uderzenie hydrauliczne może mieć również miejsce przy szybkim otwarciu zaworu w przewodzie. W tym przypadku mamy do czynienia ze znacznym spadkiem ciśnienia w przewodzie wskutek szybkiego zwiększania się prędkości przepływu. Następuje zamiana energii ciśnienia na energię kinetyczną strumienia. Uderzenie hydrauliczne charakteryzujące się nagłym zmniejszeniem ciśnienia nosi nazwę uderzenia ujemnego. Podwyższenie lub obniżenie ciśnienia w przewodzie podczas uderzenia hydraulicznego jest ściśle związane z bezwładnością masy cieczy przepływającej przez ten przewód. Po raz pierwszy zagadnieniami uderzenia hydraulicznego zajmował się uczony rosyjski Żukowski (1898).

2.2. Dodatnie uderzenie hydrauliczne

2.2.1. Opis zjawiska

Rozważmy przepływ cieczy z prędkością w0 przez poziomy prostoliniowy przewód ciśnieniowy o długości L i średnicy d, którego jeden koniec przyłączony jest do zbiornika zasilającego o stałym poziomie cieczy  H = const, a drugi koniec zakończony jest zaworem (rys. 4.1). Dla uproszczenia pomijamy spadek ciśnienia spowodowany stratami energii na wlocie oraz na długości przewodu.

Rys. 4.1. Schemat przewodu ciśnieniowego, w którym może wystąpić uderzenie hydrauliczne

Przy założeniu, że ciecz jest nieściśliwa a przewód niesprężysty, w przypadku gwałtownego zamknięcia zaworu (tz = 0), cała masa wody zostałaby zahamowana. Ciśnienie w przewodzie wzrosłoby wówczas do wartości nieskończenie wielkiej. W rzeczywistości zjawisko przebiega inaczej. Wskutek ściśliwości cieczy płynąca przez przewód masa cieczy z chwilą zamknięcia zaworu nie zostaje od razu zahamowana. Najpierw zostaje zatrzymana masa cieczy zawarta w warstwie bezpośrednio przylegającej do zaworu. Następnie zatrzymują się dalsze warstwy naciskając na warstwy cieczy poprzednio zahamowane. Wskutek zahamowania ruchu warstw cieczy następuje podwyższenie ciśnienia o wielkość Dp, ponieważ energia kinetyczna zostaje zamieniona na energię potencjalną. Z powodu stopniowego zatrzymania cieczy wzrost ciśnienia rozprzestrzenia się wzdłuż osi przewodu z dużą prędkością, powodując rozszerzenie ścianek rury. Prędkość rozprzestrzeniania sprężystych deformacji cieczy nazywa się prędkością rozprzestrzeniania fali uderzeniowej. Stan cieczy w przewodzie w wybranych chwilach czasowych został podany schematycznie na rys. 4.2.

Taran hydrauliczny - proste urządzenie do przepompowywania wody nie wymagające zewnętrznego zasilania energią, wykorzystujące zjawisko uderzenia hydraulicznego. Wykorzystuje naturalną energię przepływającej wody. Składa się z poziomego rurociągu, pionowej rury odprowadzającej i zaworu zainstalowanego na końcu rurociągu poziomego. Zawór sprężynowy wysterowany jest tak, by w naturalnym położeniu był zamknięty, lecz znajdował się w stanie równowagi chwiejnej. Inicjacja pracy tarana polega na wytrąceniu zaworu do pozycji otwartej. Powoduje to przepływ wody, wchodzącej z naturalnego źródła, przez rurociąg. Zawór wracając do swego naturalnego położenia, powoduje to raptowne zamknięcie przepływu wody przez rurociąg, a w konsekwencji powstanie fali stojącej w rurociągu. Pionowa rura umieszczona jest w punkcie strzałki fali. Chwilowa nadwyżka ciśnienia w tym punkcie jest wystarczająca by podnieść porcję wody do zbiornika. Jednocześnie spadekciśnienia w okolicach zaworu powoduje jego ponowne otwarcie, co inicjuje przepływ wody przez rurociąg. Gdy zjawiska dynamiczne się ustabilizują, zawór ponownie się zamyka i cykl się powtarza. Praca tarana raz zainicjowana teoretycznie może trwać nieskończenie.
Dla osób nieobeznanych z problemami techniki taran hydrauliczny może się wydawać być przykładem perpetuum mobile. W istocie jednak jest urządzeniem o dość niskiej sprawności energetycznej, gdyż tylko niewielka część energii przepływającej wody przez rurociąg zamieniana jest na pracę podniesienia wody do zbiornika.