Пики давления в закрытых системах

Пики давления в закрытых системах могут нанести значительный ущерб и являются более сложной задачей, чем кажется на первый взгляд. Но что же такое пики давления? Как они происходят и как мы можем защитить от них системы? Пришло время рассмотреть эту тему и объяснить, как точные измерения влияют на безопасность и эффективность систем под давлением.

Что такое пики давления?

Пики давления — это резкие, кратковременные и интенсивные повышения давления в закрытой системе. Чаще всего они возникают при динамических нагрузках давления, когда скорость потока резко меняется. Такие пики давления часто встречаются в трубопроводах для подачи жидкостей и газа, но могут возникать и в других системах, например, в гидравлических или пневматических. Внезапное повышение давления может существенно повлиять на безопасность и долговечность системы, а также привести к таким повреждениям, как утечки и поломки компонентов, или даже к выходу из строя всей системы.

В системах, транспортирующих жидкости, в частности, таких как водопроводные трубы, генерируются большие силы, поскольку жидкости имеют более высокую плотность и, следовательно, большую массу по объему, чем газообразные среды. В результате в систему вводится относительно большое количество силы. Кроме того, жидкости имеют очень низкую сжимаемость, а это значит, что передаваемые силы передаются напрямую, не затухая в какой-либо заметной степени.

Как возникают пики давления

Пики давления возникают, когда движение жидкости в системе резко прекращается или изменяется. Это может произойти, например, при быстром открытии или закрытии клапана. Возникает волна давления, которая распространяется по системе.

Физика, лежащая в основе этого явления

Чтобы помочь вам понять, что происходит, давайте кратко рассмотрим некоторые основополагающие физические принципы.

Три закона движения Ньютона

Закон инерции: тело (в данном случае жидкость) остается в покое или в постоянном движении, если на него не действует внешняя сила.

Принцип действия: Сила равна массе, умноженной на ускорение.

Принцип взаимодействия: Каждое действие имеет равную реакцию; каждая сила, которая действует при взаимодействии двух масс, генерирует противоположную силу равной величины.

Или, говоря другими словами: если тело A оказывает силу на тело B, то тело B оказывает равную и противоположную силу на тело A. Сила и противодействующая сила имеют одинаковую величину, но прямо противоположны.

Принцип Бернулли

Уравнение Бернулли описывает сохранение энергии в текущей жидкости. Упрощенно говоря, оно гласит, что в текучей среде общее давление (состоящее из статического, динамического и гидростатического давления) остается постоянным.

Это означает, что если скорость потока увеличивается, а гидростатическое давление остается прежним, статическое давление должно уменьшиться, поскольку кинетическая энергия жидкости увеличивается.

Этот принцип также играет роль в работе крыльев самолета. Асимметричный профиль крыла и угол установки приводят к тому, что воздух течет быстрее по верхней поверхности, чем по нижней, создавая разницу давлений. Над крылом образуется отрицательное давление, в то время как под ним существует более высокое давление. Кроме того, поток воздуха отклоняется вниз, создавая восходящую подъемную силу в соответствии с 3-м законом Ньютона. Сочетание эффекта Бернулли и сохранения импульса обеспечивает полет.

Возвращаясь к нашему конкретному случаю, этот принцип вступает в действие, в частности, когда в среде образуются пузырьки газа, и это происходит в сочетании с другим явлением, которое мы объясним ниже.

Скачки давления

Скачки давления являются классическим примером пиков давления – другое название этого явления – «гидравлический удар». Это явление возникает, когда жидкость вынуждена внезапно прекратить течение или скорость потока резко меняется, что приводит к внезапному повышению давления.

Если среда находится в движении и останавливается сопротивлением, кинетическая энергия преобразуется в давление. Эта сила продолжается в обратном направлении в среде от препятствия и распространяется в системе как волна давления, движущаяся со скоростью звука.

Если энергия в системе не может быть рассеяна путем сжатия любого количества присутствующего газа, единственным вариантом является деформация труб и фитингов. В худшем случае может произойти полное разрушение материала и разрыв компонентов или соединений. Но даже чисто упругие деформации, то есть колебания и вибрации, не следует недооценивать, поскольку они часто вызывают микроразрывы в материале в виде небольших трещин. Это создает новые пути для повреждений из-за последующих пиков давления или коррозии. Со временем риск увеличивается.

Это почти как если бы скачок давления «зондировал» систему, ища слабое место, чтобы прорваться. Таким образом, он может с легкостью преодолевать расстояния в несколько километров, отражаясь туда и обратно несколько раз по длине трубопровода, прежде чем его энергия будет израсходована. Это означает, что в системах под давлением могут быть затронуты даже те компоненты, которые не находятся в непосредственной близости от причины скачка давления.

Известный пример из повседневной жизни - часто слышимый ударный звук, возникающий при быстром выключении крана в доме. Это явление встречается и в промышленных трубах и фитингах, но здесь размеры и силы обычно намного больше. Типичным случаем риска является внезапная остановка насоса. При этом непосредственно изменяется скорость потока и давление, но часто возникает и обратный поток среды в подающем и обратном трубопроводах. Если в линии присутствуют обратные клапаны или невозвратные клапаны, они защищают насос от обратного потока среды. Однако они сами могут вызвать волну давления в остальной части системы, поскольку они резко останавливают поток.

Кавитация

Другая менее известная проблема в системах транспортировки жидкости — кавитация. Она возникает, когда давление в жидкости падает настолько резко, что образуются пузырьки пара. Как только давление снова повышается, эти пузырьки внезапно схлопываются, вызывая мощный пик давления. Жидкость течет с высокой скоростью в пустое пространство, созданное внезапным отсутствием газа. Затем текущая жидкость резко останавливается жидкостью, втекающей с другой стороны, и ее кинетическая энергия преобразуется в волну давления, которая распространяется по системе.

Этот рисунок иллюстрирует принцип кавитации. Когда жидкость протекает через сужение, ее скорость увеличивается, что приводит к падению давления в соответствии с уравнением Бернулли. Когда давление падает ниже давления паров жидкости, образуются пузырьки пара. После прохождения сужения давление снова повышается, что приводит к резкому схлопыванию пузырьков. Пузырьки пара могут быть вызваны большими колебаниями давления, разрежением или вакуумом. Они часто возникают вокруг быстро движущихся компонентов, таких как турбины, гребные винты судов или рабочие колеса насосов. Это происходит из-за того, что жидкость выталкивается из компонента и, таким образом, подвергается сильному локальному ускорению. Согласно уравнению Бернулли, статическое давление уменьшается с увеличением скорости, и именно это вызывает образование пузырьков пара.

Когда вы думаете о паре, вы автоматически представляете себе пар при высоких температурах. Однако важно помнить, что точка кипения также ниже при пониженном давлении. Хотя кавитация может происходить более легко, и ее эффекты могут усиливаться при высоких температурах, на самом деле именно колебания давления являются наиболее критическим аспектом. Кавитация может происходить в жидкостях при любой температуре. И наоборот, повышение давления может предотвратить образование пузырьков пара даже при высоких температурах.

Поэтому стабильное регулирование давления является жизненно важным для предотвращения кавитации и увеличения срока службы компонентов. Даже небольшие пузырьки пара могут вызывать невероятно высокие скачки давления при схлопывании, а также высокие температуры в непосредственной близости от них.

Разделение столба воды: гидравлический удар с эффектом кавитации

Крупной катастрофой для любой системы трубопроводов является отрыв столба воды – это когда происходит гидравлический удар, который приводит к сильному кавитационному эффекту на большой площади. Это явление является причиной многих катастрофических разрывов труб на крупных электростанциях и трубопроводах.

Помимо собственно скачка давления, этот вид гидроудара также создает тянущий эффект на другой стороне системы. По мере увеличения давления в направлении движения среды, поскольку это направление кинетической энергии среды, давление на другом конце соответственно уменьшается из-за «вытягивающего» эффекта силы.

В экстремальных случаях, когда речь идет о сравнительно больших объемах, давление может упасть ниже давления паров жидкости. Это не только приводит к образованию в среде небольших пузырьков пара, но и приводит к заполнению паром целых секций трубы. Такое разделение водяного столба чрезвычайно опасно. Когда пар разрушается, а потоки жидкости снова встречаются, результатом становится чрезвычайно сильный взрыв, который практически ни одна система не способна выдержать. Ущерб обычно катастрофический.

На практике трубопроводные системы часто гораздо сложнее, чем простая прямая труба с двумя концами. Поэтому разделение столба воды может происходить и в других точках системы, например, на изгибах, ответвлениях, закрытых концах труб или возвышенных положениях. Эта сложность значительно затрудняет прогнозирование точных мест и последствий таких эффектов.

Профилактические меры

Моделирование

Пики давления можно рассчитать и спрогнозировать. Однако при необходимости точного анализа эта задача быстро усложняется, поскольку необходимо учитывать множество параметров и взаимодействий. Именно здесь на помощь приходят современные компьютерные симуляторы, такие как MATLAB

Здесь система воспроизводится виртуально, и моделирование выполняется при различных условиях, таких как внезапное закрытие клапана или остановка насоса. MATLAB работает с небольшими временными интервалами, вычисляя, как давление, скорость потока и другие параметры изменяются со временем в процессе работы системы. Это позволяет предсказать, где и когда могут возникнуть пики давления.

Результаты моделирования могут быть использованы для целенаправленной оптимизации системы. С помощью информации из смоделированных профилей давления можно спланировать соответствующие контрмеры и оснастить затронутые секции устройствами безопасности. Это означает, что пики давления могут быть либо уменьшены с самого начала, либо смягчены самые неблагоприятные последствия.

Компьютерный анализ может обеспечить точные результаты, если он был правильно настроен. Модель должна быть снабжена корректной информацией о системе, используемой среде и любых возможных внешних воздействиях. Это единственный способ гарантировать, что результаты надежно отражают реальность.

Защитные компоненты

Хотя на практике практически невозможно полностью избежать пиков давления, их воздействие можно значительно снизить с помощью целенаправленных мер. Некоторые из проверенных методов поглощения и смягчения пиков давления включают использование демпферов давления, редукторов давления, медленно закрывающихся клапанов и многих других защитных компонентов:

• Редукторы давления снижают давление в системе до безопасного уровня, чтобы уменьшить интенсивность пиков давления. Они часто используются в трубопроводных системах и промышленных объектах для предотвращения неконтролируемого повышения давления.
• Демпферы давления смягчают пики давления, поглощая и высвобождая избыточную энергию. Они часто состоят из эластичных диафрагм или камер, содержащих сжимаемый газ. Они особенно эффективны в системах с жидкостью, где масса и несжимаемость жидкости могут усиливать воздействие волн давления.
• Медленно закрывающиеся клапаны снижают пики давления, возникающие при резком закрытии клапана («гидравлический удар»). Они используют демпфирующие системы, чтобы помочь им закрываться более плавно и стабильно.
• Предохранительные клапаны открываются при достижении определенного избыточного давления и рассеивают избыточное давление контролируемым образом. Они защищают компоненты системы, такие как трубы, насосы и сосуды, от повреждения из-за избыточного давления.
• Обратные клапаны предотвращают возникновение нежелательных пиков давления жидкости или газа из-за обратного потока. Они часто действуют совместно с насосными системами, когда поток резко останавливается.
• Аккумуляторы хранят избыточную жидкость или газ в системе и выпускают ее снова по мере необходимости для компенсации скачков давления. Они особенно полезны при использовании пульсирующих насосов или высокодинамичных систем.
• Изгибы труб или гибкие соединения намеренно изменяют путь потока или снижают жесткость трубопроводов с целью поглощения пиков давления.

Поддержка интеллектуальных сенсорных систем

Такие датчики, как датчики давления или цифровые манометры, необходимы для защиты системы от пиков давления. Они позволяют проверять предположения и результаты моделирования, а также проверять, оказывают ли установленные защитные компоненты желаемый эффект. При возникновении проблем они часто играют важную роль в отслеживании причин.

Непрерывный мониторинг датчиков в критических точках во время работы дает многочисленные преимущества. Таким образом, пики давления могут регистрироваться в реальном времени, и могут быть запущены автоматизированные реакции, такие как открытие или закрытие клапанов. Отказы компонентов системы и защитных элементов не только обнаруживаются напрямую, но и в идеальном случае могут быть предотвращены. Изменения данных в долгосрочной перспективе могут указывать на износ и на незначительные дефекты, которые можно устранить, пока не стало слишком поздно.

Эффективный мониторинг требует интеллектуальной системы, которая автоматически оповещает ответственный персонал, если что-то кажется необычным, например, через мобильную сеть, электронную почту или через интерфейс IoT и облачное приложение. Это гарантирует быстрое время реагирования, чтобы свести к минимуму любой потенциальный ущерб.

Техническое обслуживание и ремонт

Тщательный выбор и размещение защитных компонентов, а также регулярное техническое обслуживание и калибровка всех систем играют важную роль в минимизации пиков давления и предотвращении повреждений.

Измерительные приборы как инструменты для регистрации и анализа пиков давления

Благодаря пьезорезистивным датчикам давления, цифровым манометрам, регистраторам и программным решениям мы предлагаем необходимые инструменты для точного измерения давления в закрытых системах, а также для регистрации и анализа пиков давления.

Датчики KELLER обеспечивают точные данные и отличаются долговременной стабильностью, что делает их идеальными для надежного мониторинга систем и обнаружения пиков давления. Программные решения, такие как анализ данных, также важны для планирования профилактических мероприятий и оптимизации системы.

Регистрация давления

Пьезорезистивный датчик давления измеряет динамику изменения давления, включая пики давления. Стандартные датчики давления KELLER с предельной частотой > 1 кГц обеспечивают основу для обнаружения быстрых пиков давления. В стандартной комплектации Y-Line - 1 кГц, X-Line для трехпроводного выхода напряжения - > 1 кГц. Для еще более быстрых измерений модель 21PHB поставляется с частотой 20 кГ

Отображение данных

Цифровые датчики отображают значения в реальном времени и сохраняют максимальное отображаемое значение.

Анализ и оптимизация

Программное обеспечение анализирует данные, чтобы определить пики давления и разработать меры противодействия.