Опубликовано в журнале СОК №5 | 2015
Автор: Рушников А.Ю., к.т.н., инженер-проектировщик, ООО «Отечественные Водные Технологии»
Ранее в журнале С.О.К. была опубликована статья инженера ООО «Отечественные Водные Технологии» Алексея Рушникова «Гашение гидравлических ударов с помощью бака-гидроаккумулятора при заборе воды из скважины», а также комментарий на неё директора сегмента «Коммунальное хозяйство» ООО «ВИЛО РУС» Аркадия Стерна. Автор счёл необходимым вступить в диалог с комментатором, и сегодня мы публикуем ответ Алексея Рушникова.
Статья «Гашение гидравлических ударов…» — дискуссия специалистов.
Прежде всего, хотелось бы поблагодарить г-на Аркадия Стерна за внимание к опубликованной статье [1]. В комментарии действительно вскрыты слабые места методики оценки объёма гидропневматического бака. Кроме того, критическая оценка статьи позволила несколько по иному подойти к решению заявленной задачи. Относительно же утверждения, что для «расчёта объёма мембранного бака... следует пользоваться проверенными формулами и диаграммами» мнение автора статьи состоит в том, что необходимо стремиться обосновывать технологические расчёты ссылками на известные физические закономерности. В этом, собственно, и состоит основная задача прикладной науки — не довольствуясь эмпирическими формулами и графиками, стараться приблизить достижения фундаментальной науки к прикладным темам. В своей статье автор попытался не только предложить методику оценки объёма бака при работе со скважинным насосом, но и показать, как следует готовить исходные данные для расчёта, ведь корректная подготовка исходных данных так же важна, как и сам расчёт. Поэтому поставленные в статье задачи несколько шире, чем представлено в комментарии.
Вызывает сомнение уверенность автора комментария в простоте оценки доли газа в общем объёме бака. Например, по мнению А. Стерна, достаточно использовать известное уравнение изотермического процесса P1V1 = P2V2, чтобы эту долю оценить.
Однако стоит заметить, что в воздушном колпаке гидро аккумулирующего бака наблюдается не изотермический, а адиабатический процесс (когда теплообменом системы с окружающей средой можно пренебречь), который записывается в виде P1V1k = P2V2k, где показатель степени k для воздуха составляет 1,4. То есть РV1,4 = const.
Давление воды в трубопроводе, выраженное через напор Н, можно записать в виде Рводы = Нρg. Ясно, что давление газа в воздушном колпаке уравновешивается с давлением воды, действующим на мембрану, то есть Рводы = Р2. Тогда можно записать: P1V11,4 = PводыV21,4. При известных значениях Р1 (исходное давление газа в баке) и Рводы и двух неизвестных — V1 и V2 — решение данного выражения невозможно. Для расчёта необходимо задаться определённым значением V1. В статье указано, что мембрана, заполненная водой, занимает 30 % общего объёма бака при номинальном режиме работы (это представлено, как допущение). Таким режимом можно принять работу бака при равенстве исходного давления газа в газовом колпаке V1 (в данном случае V1 = 1,5 атм) и давления в трубопроводе. Объём заполненной водой мембраны при таком режиме следует указывать в технических характеристиках гидропневматического бака.
Затем, утверждение автора комментария, что по условиям примера Р1 = 1,5 атм, а V1 = 100 %, нельзя признать корректным, так как значение V1 = 100 % означает, что весь объём бака заполнен воздухом, а в мембране вода полностью отсутствует, что, конечно, весьма маловероятно в реальных условиях работы.
Сомнение А. Стерна относительно первого допущения («давление газа постоянно независимо от изменения объёма мембраны под действием давления воды») совершенно справедливо. Однако комментатор совершенно не учитывает наличия сопротивления мембраны, выполненной из упругого материала. А общее сопротивление в баке складывается из давления газового колпака и сопротивления упругого материала мембраны.
Задача подбора бака является более сложной и весьма неоднозначной, чем представляется просто исходя из уравнения изотермического процесса. Для создания действительно адекватной расчётной методики нужны дополнительные исследования, в частности, прямые наблюдения за поведением мембраны внутри модели бака
Хотя давление и модуль упругости имеют одинаковую размерность [Па], однако правомерность их алгебраического сложения — вопрос дискуссионный с точки зрения теории упругости. Проблема осложняется тем, что сопротивление резины при растяжении отличается от классического закона Гука: при растяжении среднее значение модуля упругости Eрез может изменяться 10-15 раз; кроме того, у резины отсутствует граница, отделяющая область упругих деформаций от области пластических деформаций.
Таким образом, дальнейшими исследованиями было бы целесообразно для каждой модели бака оценить две величины: предельно допустимый максимальный объём мембраны Vmax [м3], заполненной водой, и суммарное сопротивление газового колпака и материала мембраны [Па] — условно назовём эту величину «приведённым модулем упругости» Епр.
Используя эти технические характеристики баков-гидроаккумуляторов (Vmax и Епр) можно использовать предложенную в статье методику. При этом нужно учитывать, что гашение гидравлического удара возможно с помощью мем
бранных баков различного объёма. При проектировании из соображений экономии стремятся принимать минимально возможный типоразмер оборудования. Очевидно, что объём бака для гашения гидроудара следует определять методом подбора. Для выбора модели гидропневматического бака необходимо определить условную длину «резинового трубопровода» с учётом приведённого модуля упругости Епр и сравнить полученный объём гибкой вставки (умножая её условную длину на внешний диаметр трубопровода) с максимальным объёмом мембраны Vmax данного типоразмера.
Таким образом, задача подбора бака является более сложной и весьма неоднозначной, чем представляется просто исходя из уравнения изотермического процесса. Для создания действительно адекватной расчётной методики нужны дополнительные исследования, в частности, прямые наблюдения за поведением мембраны внутри модели бака (при этом стенки бака-гидроаккумулятора должны быть выполнены из прозрачного материала). Необходимо также введение дополнительных технических параметров, характеризующих работу бака под давлением воды: максимального допустимого объёма мембраны Vmax и приведённого модуля упругости Епр. К сожалению, сейчас прикладные исследования в области водоснабжения в нашей стране практически прекращены, за исключением отдельных работ, проводимых на водоканалах и посвящённых узким практическим вопросам.
Источник: http://www.c-o-k.ru/articles/stat-ya-gashenie-gidravlicheskih-udarov-diskussiya-specialistov