ДЕМПФЕР ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРА

Техническое решение относится к устройствам для снижения ударного давления в трубопроводах при движении в нем с переменной скоростью жидких сред: растворов, расплавов, эмульсий и суспензий и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, автотранспортной, горноперерабатывающей, энергетической, атомной и других отраслях промышленности, а также в водопроводах коммунальных служб и при решении экологических проблем транспортировки по трубопроводам бытовых и промышленных отходов.
Известны устройства для снижения гидравлического удара поршневого или клапанного типа, представляющие собой соединенный с трубопроводом сосуд различной формы и конструкции с упругим элементом, обладающим более высокой сжимаемостью, чем жидкость в трубопроводе или аппарате (Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1971, с.670).
Причиной, препятствующей достижению заданного технического результата, является то, что известные устройства при сложности конструкции подвижных уплотнений в виде поршней или клапанов с высокой точностью изготовления и чистоты сопрягаемых подвижных деталей - стенок сосуда с поршнем или клапаном - не обеспечивают длительной надежной эксплуатации из-за постепенного заполнения сосуда перекачиваемой жидкостью при ее просачивании в зазорах сопрягаемых подвижных деталей.
Известен демпфер гидравлического удара, содержащий оболочку из эластичного материала, расположенную внутри трубопровода, при этом в качестве эластичного материала использованы мягкие вспененные полимеры типа пенополиуретана или губчатой резины (описание изобретения к патенту РФ №2047808, F16L 55/045, 1995).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невысокая надежность при длительной эксплуатации с перепадами давления перекачиваемой жидкости в трубопроводе из-за малого предела разрывной прочности мягких вспененных полимерных материалов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту по совокупности признаков является демпфер гидравлического удара, содержащий оболочку из эластичного материала - мягкого вспененного полимера типа пенополиуретана или губчатой резины, расположенную внутри трубы, при этом демпфер выполнен в виде модуля, присоединенного к основному трубопроводу и представляющего собой отрезок трубы, радиус которого больше радиуса основного трубопровода на толщину эластичного материала, осесимметрично закрепленного на внутренней поверхности отрезка трубы (описание изобретения к патенту РФ №2059918, 1996).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная надежность при длительной эксплуатации с различными давлениями перекачиваемой жидкости в трубопроводе из-за малой разрывной прочности мягких вспененных полимерных материалов.
Техническим результатом предлагаемой конструкции демпфера гидравлического удара является увеличение надежности при длительной эксплуатации с различными давлениями в трубопроводе перекачиваемой жидкости за счет снижения деформаций и напряжений растяжения мягкого вспененного полимера, не превышающих его предел прочности при колебаниях давления перекачиваемой жидкости в трубопроводе.
Поставленный технический результат достигается тем, что в демпфере гидравлического удара, содержащем оболочку из эластичного материала - мягкого вспененного полимера, расположенную внутри трубы, при этом демпфер выполнен в виде модуля, присоединенного фланцами к основному трубопроводу и представляющего собой отрезок трубы, радиус которой больше радиуса основного трубопровода на толщину эластичного материала, осесимметрично установленного на внутренней поверхности отрезка трубы, причем осесимметрично с отрезком трубы внутри нее установлен перфорированный цилиндр с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру основного трубопровода, так что один конец перфорированного цилиндра жестко закреплен на входном фланце модуля.
Осесимметричная установка перфорированного цилиндра с внутренним отрезком трубы внутри нее позволяет равномерно передавать колебания давления в перекачиваемой жидкости через отверстия в этом цилиндре на боковую поверхность оболочки из эластичного материала, не повреждая ее, так как деформация от растягивающих напряжений в оболочке из эластичного материала ограничена стенкой перфорированного цилиндра, и растягивающие напряжения в ней не превышают предела прочности эластичного материала.
Выполнение внутреннего диаметра перфорированного цилиндра, равного внутреннему диаметру основного трубопровода позволяет создавать проходное сечение модуля, равное проходному сечению основного трубопровода, и предотвратить увеличение гидравлического сопротивления в месте установки демпфера гидравлического удара. Жесткое прикрепление перфорированного цилиндра на входном фланце модуля позволяет постоянно удерживать оболочку из эластичного материала в кольцевом зазоре между отрезком трубы и этим цилиндром, а через открытый конец перфорированного цилиндра устанавливать в нем эту оболочку.
Таким образом, все вышесказанные отличия предлагаемой конструкции от известного по прототипу демпфера гидравлического удара позволяют увеличить надежность работы при длительной эксплуатации с различными давлениями в трубопроводе, вызывающими сжимающие и растягивающие напряжения в мягком вспененном полимере, так как эти напряжения не превышают предела прочности в эластичном материале.
На чертеже представлена схема демпфера гидравлического удара.
Демпфер гидравлического удара представляет собой модуль, состоящий из отрезка трубы 1 радиусом R, который больше радиуса r основного трубопровода 2 на толщину δ эластичного материала 3, осесимметрично установленного на внутренней поверхности отрезка трубы 1. Модуль присоединен к основному трубопроводу 2 перед источником гидроудара 4 с помощью входного фланца 5 и выходного фланца 6. Осесимметрично с отрезком трубы 1 внутри нее установлен перфорированный цилиндр 7 с внутренним диаметром D, равным внутреннему диаметру d основного трубопровода 2. Один конец перфорированного цилиндра 7 жестко закреплен при помощи сварки или пайки с входным фланцем 5, а второй открытый конец перфорированного цилиндра 7 служит для установки между отрезком трубы и перфорированным цилиндром 7 оболочки из эластичного материала 3.
Демпфер гидравлического удара работает следующим образом.
При возникновении гидроудара, пузырьки воздуха или газа, находящиеся в порах эластичного материала 3 - пенополиуретана или губчатой резины, сжимаются, принимая на себя избыток давления, а затем, после прохождения фронта ударной волны, расширяются. При расширении в стенках пор возникают растягивающие усилия, однако они не превышают предела прочности при растяжении, так как это растяжение эластичного материала 3 со всех сторон ограничено на торцах фланцевыми соединениями с фланцами 5 и 6, внутренней стенкой отрезка трубы 1 и наружной стенкой перфорированного цилиндра 7. Отверстия в перфорированном цилиндре 7 свободно пропускают перекачиваемую жидкость к эластичному материалу 3 при возрастании давления и наоборот, при его уменьшении, расширении пор и связанного с ним увеличением объема эластичного материала 3 выдавливают ее обратно через эти же отверстия в перекачиваемую жидкость, а жесткое прикрепление перфорированного цилиндра на одном конце с входным фланцем 5 предотвращает деформацию этого цилиндра и его радиальное перемещение внутри демпфера.
3
3
3
3
к
Пример. Необходимо установить демпфер гидроудара на основном трубопроводе 2 радиусом r=100 мм перед заслонкой (краном, вентилем). Рабочее давление в основном трубопроводе p=2 ат. Необходимый объем воздуха, рассчитанный по справочному пособию (Т.М.Башта Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. - М.: Машгиз, 1963, с.696) для рабочего давления 2 ат должен составлять 10 л или 0,01 м, то есть при атмосферном давлении объем пузырьков в эластичном материале должен быть 20 л или 0,02 м. Принимаем радиус отрезка трубы 1 модуля R=200 мм, т.е. толщина эластичного материала, который будут закладывать в кольцевой зазор при атмосферном давлениимежду перфорированным цилиндром 7 и отрезком трубы 1 δ=100 мм. В качестве эластичного материала выбираем пенополиуретан с кажущейся плотностью ρ=50 кг/м. Истинная плотность исходного пенополиуретана р~1000 кг/м. По формуле, связывающей пористость е эластичного материала с кажущейся и истинной плотностью
3
определяем, что 95% общего объема пенополиуретана составляет воздух в порах при атмосферном давлении. Тогда объем пенополиуретана, обеспечивающим объем пузырьков воздуха 0,02 м при атмосферном давлении будет
и длина отрезка трубы 1 модуля должна быть
Эти расчеты показывают, что в проектируемом трубопроводе радиусом r=100 мм, работающем при давлении p=2 ат, перед каждым источником гидроудара необходимо установить модуль демпфера гидроудара, представляющем собой отрезок трубы длиной 0,223 м, радиусом 200 мм с осесимметричным закреплением внутри этого отрезка перфорированного цилиндра, жестко прикрепленного на одном конце к входному фланцу, а кольцевой зазор между отрезком трубы и перфорированным цилиндром со стороны входного фланца заполнить эластичным материалом - пенополиуретаном марки 50, толщиной 100 мм и длиной, равной длине отрезка трубы. Тогда при атмосферном давлении общий объем воздуха в порах пенополиуретана составит 20 л, а при давлении в трубопроводе 2 ат объем пор уменьшится в 2 раза и составит 10 л, необходимые для компенсации колебаний давления при гидроударе.
Таким образом, предлагаемая конструкция демпфера гидравлического удара, включающая дополнительную осесимметричную установку внутри отрезка трубы перфорированного цилиндра с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру основного трубопровода, и жесткое закрепление одного конца перфорированного цилиндра на входном фланце модуля позволяет увеличить надежность работы при длительной эксплуатации с различными давлениями в трубопроводе перекачиваемой жидкости и их колебаниями при гидроударе за счет снижения деформаций и напряжений растяжения мягкого вспененного полимера, не превышающих его предел прочности.