RU2422714C1 - Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation - Google Patents
Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2422714C1 RU2422714C1 RU2009138177/06A RU2009138177A RU2422714C1 RU 2422714 C1 RU2422714 C1 RU 2422714C1 RU 2009138177/06 A RU2009138177/06 A RU 2009138177/06A RU 2009138177 A RU2009138177 A RU 2009138177A RU 2422714 C1 RU2422714 C1 RU 2422714C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- pipeline
- valve
- shut
- compressed
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pipe Accessories (AREA)
- Pipeline Systems (AREA)
Abstract
Description
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.The present invention relates to methods and devices for damping hydraulic shocks that occur when closing valves and gate valves, emergency shutdown of pumps, changing operating modes of pumping units and errors of service personnel, and can be used in pipeline systems of stations for filling fuel into tanks, petrol stations, as well as in pipeline systems of chemical, petrochemical, pharmaceutical, food, biotechnological and other industries.
Анализ известных способов и устройств для сглаживания (компенсации, гашения) пульсаций давления при гидравлическом ударе в трубопроводах позволяет подразделить их на следующие пять типов:Analysis of known methods and devices for smoothing (compensation, damping) pressure pulsations during water hammer in pipelines allows us to divide them into the following five types:
1. Увеличение гидравлического сопротивления трубопроводов (установка в трубопроводе элементов с повышенным гидравлическим сопротивлением).1. Increase in hydraulic resistance of pipelines (installation of elements with increased hydraulic resistance in a pipeline).
2. Отвод части потока с избыточной кинетической энергией.2. The removal of part of the flow with excess kinetic energy.
3. Перераспределение энергии потока путем перенаправления потоков жидкости через байпасные (переточные) линии с последующим отводом части энергии с перебрасываемым потоком.3. Redistribution of flow energy by redirecting fluid flows through bypass (transfer) lines, followed by the removal of part of the energy with the transferred stream.
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.).4. Smoothing pressure pulsations by compressing an elastic, viscoelastic or viscoelastic element (air hood, spring with a piston or plunger, spring with a damper, elastic membrane or bellows, etc.).
5. Комбинация устройств по пунктам 1-4.5. The combination of devices in paragraphs 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.The devices of the first type are quite simple, but when they work, the excess energy of the flow is dissipated, and in some cases part of the energy spent on the fluid supply. This leads to increased energy consumption. Devices of the second type do not compensate for pressure pulsations efficiently enough. The devices of the third type are characterized by a complex design, which reduces the reliability of the system as a whole and leads to its cost increase. In devices of the fourth type, when using gas as an elastic element, frequent (or even continuous) control of the gas volume is required (gas can dissolve in the liquid), and the use of automation to control increases the cost of the system. In addition, if the device is used outdoors, lowering temperatures in the winter can lead to jamming, freezing of the piston, and system failure. The mechanical elastic elements used in the fourth type of device (springs, membranes, bellows) have a limited service life in terms of cyclic loads during operation. Combined devices (of the fifth type) most effectively smooth out pressure pulsations, but their disadvantage is the design complexity, which leads to an increase in the cost of their manufacture and operation, as well as to a decrease in the reliability of such devices.
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.A known method of compensating for hydraulic shocks, implemented in a device (MPK 6 F16L 55/04, Pat. RF No. 2111405, 1998), comprising a flowing housing, a nozzle coaxially placed in the housing and a diffuser and a confuser connected in series, as well as an auxiliary capacity connected with a housing and having a float for interacting with a through hole, the nozzle is connected to an auxiliary tank and placed in a diffuser, and the latter is made detachable from two pivotally mounted and spring-loaded parts and is equipped with a control mechanism in the form of a company element with an aerodynamic profile. In the known invention uses a fifth method of compensating for water hammer, namely a combination of the third and fourth types of damping of pressure pulsations. The known method and device can improve the efficiency of water hammer compensation, however, the known device is extremely difficult to manufacture and does not have sufficient reliability.
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.A known method of compensating for hydraulic shocks, implemented in a device (MPK 7 F16L 55/045, US Pat. RF No. 2193134, 2002), comprising a pumping unit, suction, discharge and bypass pipelines, as well as an automatic flow switch. The known method consists in the fact that by means of an automatic flow switch when one of the high-pressure pumps is stopped, the reverse fluid outflow is directed not to the pump side, but to the low-pressure network of main pipelines, where the energy of this flow is completely extinguished and does not harm the hydraulic system. The known invention allows to increase operational reliability, simplify the design and reduce the complexity of manufacturing. The known method and device belong to the third type of the above classification. A disadvantage of the known invention is the presence of elements of an automatic switch that are quite difficult to manufacture and operate, which can fail as a result of corrosion, wear or clogging with accidental mechanical impurities. In addition, the energy of the high-pressure flow is discharged into the low-pressure network, as a result of which all the energy of the flow is completely lost.
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.A known method of compensating for hydraulic shocks, implemented in a device (IPC 7 F16L 55/045, US Pat. No. 6915786, 2005), comprising a hollow body with a corrugated surface, filled with a compressible solid medium, attached at both ends to the inner surface of the pipeline. The body can be made, for example, of polytetrafluoroethylene 1-2 mm thick. The known invention relates to the first type according to the above classification and allows you to compensate for pressure pulsations. A disadvantage of the known invention is the need to integrate additional devices into the pipeline, which does not allow its use on pipes of small diameter. In addition, it is supposed to use a compressible solid medium, which can quickly become clogged by mechanical impurities, and will also significantly increase the resistance to fluid movement.
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.The closest in technical essence to the proposed method and device is a method implemented in a device for compensating for hydraulic shocks (IPC 6 F16L 55/055, US Pat. No. 5816291, 1998), containing a closed container, partially filled with gas and equipped with a pipe, through which liquid from the pipeline can flow into the tank and flow out of it, respectively compressing or expanding the gas. The nozzle is equipped with a valve that provides free flow of fluid into the tank from the pipeline and a throttled outflow of fluid in the opposite direction. The known invention (refers to the fourth type) allows you to effectively suppress pressure pulsations during hydraulic shocks, and due to the throttled outflow of liquid from the tank for a sufficiently long time, the removal of bubbles absorbed by the liquid in the compression stage is achieved. The known method and device is particularly effective when transporting liquids (for example, heavy fractions of oil) at high pressures. The disadvantage of this method is the need for continuous monitoring of the volume and pressure of gas in the tank. A disadvantage of the known device is the rather large dimensions of the tank, as well as the complexity of manufacturing the valve and the high likelihood of its clogging with mechanical impurities, which can drastically reduce its operational reliability.
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.The objective of the invention is to increase the efficiency of hydraulic shock compensation, simplifying the design of a device for compensating hydraulic shocks, increasing its reliability and safety, as well as reducing energy costs.
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.The problem is achieved in that in a method of compensating for hydraulic shocks in a pipeline equipped with a closing shut-off valve, comprising introducing gas, according to the invention, until the shut-off valve is closed, compressed gas inert to the pumped in pipe continuously or briefly is introduced into the pipeline liquids disperse it in the form of bubbles from 0.1 to 20 mm in size, and after closing the shut-off valve, the gas accumulated in the pipeline is discharged from it, or lnostyu removing or compressed and then fed into the initial portion of a pipeline carrying gas recirculation.
Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом способе газ вводят с объемной долей от 0.001 до 0.2.The problem is also achieved by the fact that in the proposed method, gas is introduced with a volume fraction of from 0.001 to 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.The task is also achieved by the fact that the device for compensating for hydraulic shocks, including a pipeline with a closing shut-off valve, according to the invention, comprises a compressed gas inlet pipe installed in the initial section of the pipeline, a gas outlet pipe installed in the section immediately in front of the shut-off valve, and a gas dispersant located in the pipeline and connected to the compressed gas inlet pipe, and a gas separation element connected to the gas outlet pipe For included in the pipe section just before the shut-off valve.
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.The task is also achieved by the fact that the proposed device contains a valve attached to the gas outlet pipe, an automatic control system for the hydraulic resistance of the shut-off valve or the position of its shut-off element.
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.The task is also achieved by the fact that the proposed device comprises a compressor machine, the suction line of which is connected to the gas outlet pipe, and its discharge line is connected to the compressed gas inlet pipe.
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.In addition, the task is achieved by the fact that the proposed device comprises a jet device connected in series with the pipeline, in which the fluid in the pipeline serves as the working medium, and the injected medium is gas, while the suction line of the jet device is connected to the gas outlet pipe or contains the suction line of the jet apparatus is a container with a float valve that allows gas to flow towards the jet apparatus and does not allow fluid to flow in the opposite direction.
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.The technical result is to increase the efficiency of hydraulic shock compensation by repeatedly (up to 50-60 times) reducing the pressure jump, simplifying the design of the device to compensate for hydraulic shocks by reducing the number of moving elements to a minimum, up to their complete elimination, increasing its reliability and safety by reducing the number of movable elements to a minimum and minimizing the risk of sparks, reducing energy costs by maintaining a small hydraulic resistance of the pipeline, as well as due to the partial use of energy of compressed gas during its recirculation.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
На фиг.1-7 представлены схемы реализации устройства по предлагаемому изобретению.Figure 1-7 presents a diagram of the implementation of the device according to the invention.
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.Here, a shut-off valve is understood to mean a conventional device for throttling a fluid flow - a valve, a valve, a tap. By gas-separating elements it is necessary to understand devices of a static type — chambers with a float valve (so-called plungers - see figure 2), or devices of a dynamic (inertial) type, for example hydrocyclones (see figure 3), or any other known devices that allow separate the gas bubbles from the liquid. As a gas dispersant, porous partitions, swirling devices, devices for pulsed gas supply, confuser-diffuser elements such as a Venturi pipe (see Fig. 4), or other known varieties of dispersants can be used.
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 составитThe damping of hydraulic shocks by the proposed method is achieved due to the multiple (up to 50-60 times in the example of the water-air system) reduction of the speed of sound in a gas-liquid mixture in comparison with a pure liquid. According to the formula of N.E. Zhukovsky (Frenkel N.Z. Hydraulics. M .: Gosenergoizdat, 1956. P.318), the pressure increment during direct hydraulic shock will be
где Δр - приращение давления перед задвижкой при прямом гидравлическом ударе, Па;where Δp is the increment of pressure in front of the valve with direct hydraulic shock, Pa;
ρ - плотность жидкости (или другой транспортируемой среды, например газожидкостной смеси), кг/м3;ρ is the density of the liquid (or other transported medium, for example a gas-liquid mixture), kg / m 3 ;
u - скорость жидкости (или другой транспортируемой среды, например газожидкостной смеси) в трубопроводе до закрытия задвижки, м/с;u is the velocity of the liquid (or other transported medium, for example a gas-liquid mixture) in the pipeline until the valve closes, m / s;
а - скорость звука в среде, транспортируемой по трубопроводу, м/с.and - the speed of sound in the medium transported through the pipeline, m / s.
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.Figure 1 and figure 2 shows a device in which until the shut-off
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 6.1 and 2, the
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.In addition, the device of FIG. 2 contains a second
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.In FIG. 3, FIG. 5 and FIG. 6, the device comprises a
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.In the simplest case, as a dispersant of
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.In Fig. 5, the device comprises a
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°.6, the device comprises a
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.7 shows a
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.The device operates as follows. Before the closing of the
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.Gas is introduced into the pipeline under a pressure that is 5-15% higher than the pressure in the pipeline. The excess gas energy is partially spent on overcoming resistances, partly on the dispersion of bubbles.
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.The choice of the range of bubble sizes from 0.1 to 20 mm is due to the following reasons: if the bubbles are smaller than 0.1 mm, too much energy is expended to disperse them and the risk of their instantaneous merging (coalescence) increases; if the bubbles are larger than 20 mm, there is a high probability of a rapid separation of the gas-liquid mixture and a decrease in the efficiency of the compensation of hydraulic shocks.
Вводя сжатый газ через патрубок 3 непрерывно, достигают непрерывной защиты от гидравлических ударов. Это особенно важно, если гидравлические удары возникают стохастически.By introducing compressed gas through the
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 формулеIf the compressed gas is introduced into the
где Δt - время упреждающего ввода газа перед моментом закрытия запорного клапана 2, с;where Δt is the time of anticipatory gas injection before the moment of closing the
L - длина трубопровода 1, м;L is the length of the
u - скорость жидкости (или газожидкостной смеси) в трубопроводе 1 до закрытия задвижки, м/с.u is the velocity of the liquid (or gas-liquid mixture) in the
В предлагаемом диапазоне газосодержаний (от 0.001 до 0.2) скорости жидкости и газожидкостной смеси можно считать приблизительно равными.In the proposed range of gas contents (from 0.001 to 0.2), the velocities of the liquid and the gas-liquid mixture can be considered approximately equal.
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.Until the closing of the shut-off
Благодаря вводу газа с объемной долей от 0.001 до 0.2 повышают эффективность гашения гидравлических ударов.Due to the introduction of gas with a volume fraction of from 0.001 to 0.2, they increase the efficiency of quenching hydraulic shocks.
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.The gas-liquid mixture in the pipeline can be considered as a damper with compressed gas distributed along the length of the pipeline. However, according to the invention, the amount of gas is easy to control, the excess gas is easy to remove, the system does not need lubrication and special care.
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) составитAn example of a specific implementation 1 (base for comparison). In the pipeline with a diameter of d = 100 mm with a shut-off valve (gate valve), the diagram of which is shown in Fig. 1, water with a density of ρ = 1000 kg / m 3 with a volumetric flow rate Q = 0.031 m 3 / s is supplied (the velocity of the fluid in this case is u 0 = 4 m / s). The speed of sound in water is (Kuhling X. Handbook of Physics. Moscow: Mir, 1982. P.471) a L = 1485 m / s. For this example, we assign the index “0” to the medium velocity and the pressure jump. In accordance with formula (1), the pressure jump during quick closing of the valve (direct hydraulic shock) will be
Δр0=ρ u0 aL=1000×4×1500=6 МПа,Δp 0 = ρ u 0 a L = 1000 × 4 × 1500 = 6 MPa,
что может привести к преждевременному разрушению трубопровода, не рассчитанного на столь высокую динамическую нагрузку.which can lead to premature destruction of the pipeline, not designed for such a high dynamic load.
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.An example of a specific implementation 2 (according to the invention).
Зависимость скорости звука в газожидкостной смеси от объемного газосодержания описывается формулой Вуда (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Л.: Наука, 1973. С.123)The dependence of the speed of sound in a gas-liquid mixture on the volumetric gas content is described by the Wood formula (Loytsyansky L.G. Mechanics of liquid and gas. L.: Nauka, 1973. P.123)
где aGL - скорость звука в газожидкостной смеси, м/с;where a GL is the speed of sound in a gas-liquid mixture, m / s;
φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед.;φ - volume fraction of gas (gas content volume), rel. units;
aG - скорость звука в газе, м/с;a G is the speed of sound in gas, m / s;
aL - скорость звука в жидкости, м/с;a L is the speed of sound in a liquid, m / s;
ρL плотность жидкости, кг/м3;ρ L the density of the liquid, kg / m 3 ;
p - среднее давление в газожидкостной смеси, Па.p is the average pressure in the gas-liquid mixture, Pa.
Скорость звука в газе, согласно известной формуле, равна (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.253)The speed of sound in a gas, according to the well-known formula, is (Kuhling X. Handbook of Physics. M: Mir, 1982. P.253)
где aG - скорость звука в газе, м/с;where a G is the speed of sound in gas, m / s;
k - показатель адиабаты газа (k=1.4 для воздуха),k is the gas adiabatic exponent (k = 1.4 for air),
R - универсальная газовая постоянная (R=8310 Дж/кмоль К);R is the universal gas constant (R = 8310 J / kmol K);
Т - температура газа, К;T is the gas temperature, K;
М - молярная масса газа (для воздуха М=28.96 кг/кмоль).M is the molar mass of gas (for air, M = 28.96 kg / kmol).
Для воздуха по формуле (4) при Т=293 К найдем аG=343 м/с.For air, according to formula (4) at T = 293 K, we find a G = 343 m / s.
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.)Given the fact that gas occupies part of the volume in a gas-liquid mixture, the true velocity of the liquid turns out to be equal (Sou C. Hydrodynamics of multiphase systems. M: Mir, 1971. 536 p.)
где uL - истинная скорость жидкости в трубопроводе, м/с;where u L is the true fluid velocity in the pipeline, m / s;
Q - объемный расход жидкости, м3/с;Q is the volumetric flow rate of the liquid, m 3 / s;
S - площадь поперечного сечения трубы, м2;S is the cross-sectional area of the pipe, m 2 ;
φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед. φ - volume fraction of gas (gas content volume), rel. units
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.At medium velocities of not more than 8-10 m / s, the gas velocity can be considered approximately equal to the fluid velocity. For this reason, the velocity of the gas-liquid mixture is also approximately equal to the fluid velocity u GL ≈u L.
Плотность газожидкостной смеси рассчитывается по формуле (Coу С. Гидродинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. 536 с.)The density of the gas-liquid mixture is calculated by the formula (Cow C. Hydrodynamics of multiphase systems. M: Mir, 1971. 536 p.)
где ρGL - плотность газожидкостной смеси, кг/м3;where ρ GL is the density of the gas-liquid mixture, kg / m 3 ;
ρG - плотность газа, кг/м3;ρ G — gas density, kg / m 3 ;
ρL - плотность жидкости, кг/м3;ρ L is the density of the liquid, kg / m 3 ;
φ - объемная доля газа (газосодержание объемное), отн. ед.φ - volume fraction of gas (gas content volume), rel. units
Плотность газа, в свою очередь, определяется формулой (Кухлинг X. Справочник по физике. М.: Мир, 1982. С.154)The density of gas, in turn, is determined by the formula (Kuhling X. Handbook of Physics. M .: Mir, 1982. P.154)
где p - среднее давление в газожидкостной смеси, Па;where p is the average pressure in the gas-liquid mixture, Pa;
М - молярная масса газа, кг/кмоль;M is the molar mass of gas, kg / kmol;
R - универсальная газовая постоянная (R=8310 Дж/кмоль К);R is the universal gas constant (R = 8310 J / kmol K);
T - температура газа, К.T is the gas temperature, K.
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 видGiven that for a given flow rate and gas content (the same as the volume fraction), the density of the medium (gas-liquid mixture) in the pipeline and its speed differ from the speed of the pure liquid, the pressure increment in front of the valve during direct hydraulic shock for the gas-liquid mixture in accordance with Zhukovsky’s formula (1) in the new notation takes the form
где ρGL - плотность газожидкостной смеси, кг/м3;where ρ GL is the density of the gas-liquid mixture, kg / m 3 ;
uGL - скорость газожидкостной смеси в трубопроводе, м/с;u GL is the velocity of the gas-liquid mixture in the pipeline, m / s;
aGL - скорость звука в газожидкостной смеси, м/с.a GL is the speed of sound in a gas-liquid mixture, m / s.
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.The results of calculations of the true fluid velocity by the formula (5), the density of the gas-liquid mixture by the formula (6), the sound velocity in the gas-liquid mixture by the formula (3), the pressure jump during direct hydraulic shock by the formula (8), as well as the pressure drop reduction coefficient in the result of the use of the present invention Δp 0 / Δp (where the value Δp 0 is taken from the
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.From table 1 it is seen that the reduction coefficient of the pressure jump as a result of the use of the invention takes on values from 4.85 to 59.99 with a variation in the volume fraction of gas (gas contents) from 0.001 to 0.2. When the volume fraction of gas is less than 0.001, the effect of pressure reduction is insignificant (less than 4.85 times, i.e. the pressure does not decrease so much), and when the volume fraction of gas is more than 0.2, the fluid velocity increases significantly (by more than 20%), which leads to This leads to an increase in pressure loss, and the risk of bubble coalescence also increases, and phase separation or phase inversion can begin (i.e., the gas will become a continuous medium, and the liquid will move in the form of an annular film and even in the form of drops). Over the entire range of gas contents from 0.001 to 0.2, the pressure jump in front of the shutoff valve decreases many times - from 4.85 to 59.99 times.
Аналогичные результаты по компенсации гидравлических ударов в трубопроводе получены и при использовании других газов - азота (таблица 2) и аргона (таблица 3).Similar results on the compensation of hydraulic shocks in the pipeline were obtained using other gases - nitrogen (table 2) and argon (table 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.This indicates the high efficiency of the proposed method and device. In this case, the effect is achieved using a fairly simple design that practically does not contain moving and wearing parts, which, in turn, allows us to state an increase in the reliability and safety of the device.
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.By introducing gas immediately before the closing of the shut-off valve, it is also possible to reduce energy costs. An additional reduction in energy costs occurs through the use of a compressor machine, the suction line of which is connected to the gas outlet pipe, and its discharge line is connected to the compressed gas inlet pipe. This is achieved due to the fact that the energy of the exhaust gas, which has some excess pressure, is returned to the system. A similar effect is obtained through the use of a jet apparatus connected in series with the pipeline, in which the fluid in the pipeline is the working medium, and the injected medium is gas, while the suction line of the jet apparatus is connected to the gas outlet pipe. The inkjet apparatus allows you to get rid of moving elements, which further increases the reliability and safety of the proposed device. Installing a container on the suction line of the jet apparatus with a float valve that allows gas to flow towards the jet apparatus and does not allow fluid to pass in the opposite direction (called the reverse plunger here) can prevent liquid from escaping from the jet apparatus towards the gas outlet in an emergency (e.g. when starting up the device). This further enhances the reliability of the device.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009138177/06A RU2422714C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009138177/06A RU2422714C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009138177A RU2009138177A (en) | 2011-04-20 |
| RU2422714C1 true RU2422714C1 (en) | 2011-06-27 |
Family
ID=44051043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009138177/06A RU2422714C1 (en) | 2009-10-15 | 2009-10-15 | Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2422714C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2804985C1 (en) * | 2023-03-28 | 2023-10-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "ЧКЗ-ЮГСОН" | Hydraulic shock damping device and method of its use |
-
2009
- 2009-10-15 RU RU2009138177/06A patent/RU2422714C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2804985C1 (en) * | 2023-03-28 | 2023-10-09 | Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "ЧКЗ-ЮГСОН" | Hydraulic shock damping device and method of its use |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009138177A (en) | 2011-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2510230C (en) | Zero-clearance ultra-high-pressure gas compressor | |
| US20180128412A1 (en) | Water piping system and control method therefor | |
| US7520292B2 (en) | Pressure activated trap primer and water hammer combination | |
| KR20080074100A (en) | Automatic gas discharging device for lithium-bromid machine and method thereof | |
| SE539845C2 (en) | Pressure reducing valve for device for degassing liquid mixtures | |
| JP4762316B2 (en) | Transient pressure spike remover in stationary fluid systems | |
| AU2018363539B2 (en) | Pulsation damping system | |
| RU2422714C1 (en) | Procedure for compensation of hydraulic shocks in pipeline and device for its implementation | |
| US5311907A (en) | Vortex diode jet | |
| US10865780B2 (en) | Method and system for multi-stage compression of a gas using a liquid | |
| WO2004057196A1 (en) | A pumping system | |
| CN216307432U (en) | Gas-liquid separation device suitable for sampling | |
| JP7282402B2 (en) | liquid pumping device | |
| RU2723000C1 (en) | Method and device for reducing head losses in relief pipeline | |
| CN219735027U (en) | Marine clean fuel supply system and marine clean fuel supply sled | |
| SU1707282A1 (en) | Pump-ejector unit | |
| SU1710861A1 (en) | Pump-ejector plant | |
| AU2018101369B4 (en) | Vent valve, vent vale insert and method of operation of a vent valve | |
| CN211384131U (en) | Oil return filtering device of electric control high-performance petroleum gas compressor | |
| US20230311027A1 (en) | System for removing solids from a separator and method therefor | |
| SU1749556A1 (en) | Pump-ejector plant | |
| RU2178832C1 (en) | Device for pumping of multiphase fluids | |
| JP2009097369A (en) | Liquid pumping device with foreign-object separating tank | |
| SU1168768A1 (en) | Hydraulic shock damper | |
| SU1707284A1 (en) | Pump-ejector plant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131016 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160220 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181016 |