SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
KATEDRA TECHNIKI POŻARNICZEJ		LABORATORIUM HYDROMECHANIKI
Ćwiczenie nr: 4	Rodzaj studiów ZSZPF34PL4	Imię i nazwisko:	OCENA:
Temat: „Badanie uderzenia hydraulicznego w przewodach sztywnych”
							mł.asp. Artur Wysiadecki
					Grupa: 4B
Prowadzący: st.kpt. dr inż. Jerzy Gałaj		Data wykonania: 05.04.2008 r.	Data Złożenia 19.04.2008 r.

Warszawa 2008

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem uderzenia hydraulicznego w przewodach sztywnych oraz zjawiskami towarzyszącymi temu procesowi. Badania obejmują m.in. porównanie przebiegów ciśnienia w układzie podczas uderzenia hydraulicznego wywołanego zamknięciem ręcznego zaworu kulowego lub zaworu elektromagnetycznego.

2. Stanowisko badawcze.

Ogólny schemat funkcjonalny stanowiska pomiarowego do badania zjawiska uderzenia hydraulicznego pokazano na rys. poniżej.

`

Rys. Schemat stanowiska do badania zjawiska uderzenia hydraulicznego (1 - zbiornik wody, 2 - zawór kulowy ZK1, 3 - pompa wirowa, 4 - zawór kulowy ZK2, 5 - zawór zwrotny, 6 - zbiornik walcowy, 7 - rura miedziana, 8 - manometr glicerynowy, 9 - zawór kulowy ZK3, 10 - zawór elektromagnetyczny, 11 - zawór kulowy ręczny, 12 - przepływomierz, 13 - zawór regulacji wydatku, 14 - piezoelektryczny czujnik ciśnienia, 15 - wzmacniacz sygnału, 16 - karta przetwornika analogowo - cyfrowego, 17 - komputer z oprogramowaniem)

Stanowisko do badania uderzenia hydraulicznego w przewodach sztywnych składa się ze zbiornika ciśnieniowego (1) zasilanego wodą z sieci wodociągowej oraz długiego miedzianego przewodu (7). Na końcu przewodu umieszczono zawór elektromagnetyczny (10) zamykany lub otwierany przy pomocy elektromagnesu oraz zawór kulowy (11). Powyższe rozwiązanie pozwala na szybkie zamykanie lub otwieranie zaworu przez wykonującego ćwiczenie. Woda przepływająca przez zawór kierowana jest do przepływomierza elektromagnetycznego (12) przeznaczonego do pomiaru wydatku a następnie do zaworu grzybkowego (13) przeznaczonego do ręcznej regulacji tego wydatku. Przed zaworem elektromagnetycznym i kulowym umieszczono piezometryczny czujnik ciśnienia (14) połączony z komputerowym układem pomiarowo-rejestrującym (15, 16 i 17).

3. Opis metod pomiaru:

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.

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.1). Dla uproszczenia pomijamy spadek ciśnienia spowodowany stratami energii na wlocie oraz na długości przewodu.

Rys.1 Schemat przewodu ciśnieniowego, w którym może wystąpić uderzenie hydrauliczne

Przy założeniu, że ciecz jest nieściśliwa a przewód niesprężysty, w przypadku gwałtownego zamknięcia zaworu (t_z = 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 Δp, 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.2

Rys.2 Stan cieczy w przewodzie w wybranych chwilach czasu podczas uderzenia hydraulicznego

Czas, w ciągu, którego fala przejdzie od zaworu do zbiornika wyniesie

, s

Po tym czasie, gdy ostatnia warstwa cieczy przy zbiorniku ulegnie zahamowaniu, ciśnienie przy zaworze osiągnie wartość maksymalną. Ponieważ w tym momencie ciśnienie w zbiorniku będzie mniejsze od ciśnienia przy zaworze, to ciecz zacznie przepływać z prędkością w₀ w kierunku zbiornika, co z kolei spowoduje po pewnym czasie obniżenie ciśnienia przy zaworze. To zjawisko przenoszące się od warstwy do warstwy i postępujące w kierunku zaworu, nazywamy powrotną lub odbitą falą uderzeniową. Czas przebiegu fali uderzeniowej tam i z powrotem nazywamy okresem lub fazą uderzenia hydraulicznego i oznaczamy przez T. Na podstawie (4.1) jego wartość można wyznaczyć z następującej zależności:

, s

Z powodu bezwładności cieczy jej ruch w kierunku zbiornika z prędkością v₀ wywołuje spadek ciśnienia w całym przewodzie o wielkość Δp (rys.). Powoduje to powtórną zmianę kierunku przepływu i ostatecznie po czasie 2T osiągamy stan wyjściowy ciśnienia w stanie ustalonym p₀, przy założeniu przepływu bez strat energii. Teoretyczny przebieg zmian ciśnienia przy zaworze dla rozpatrywanego gwałtownego zamknięcia zaworu (t_z = 0) został pokazany na rys.3

Rys.3 Teoretyczny przebieg zmian ciśnienia przy zaworze

Wahania w postaci fal uderzeniowych dodatnich i ujemnych dla cieczy rzeczywistej stopniowo zanikają wskutek strat energii spowodowanych tarciem cieczy o ściankę przewodu. Na rys.4 pokazano rzeczywisty przebieg zmian ciśnienia w przewodzie podczas uderzenia hydraulicznego w zależności od czasu.

Rys.4 Wykres zmiany ciśnienia w zależności od czasu podczas uderzenia hydraulicznego w przewodzie

Z powyższego wykresu wynika, że maksymalna wartość ciśnienia, jaka występuje podczas uderzenia hydraulicznego, może wielokrotnie przewyższać ciśnienie p₀ występujące w przewodzie

w warunkach statycznych.

Podczas ćwiczenia należy wykonać następujące czynności:

1. Włączyć zasilanie przepływomierza, pompy, wzmacniacza sygnału i komputera.

2. Ustawić zawory kulowe 2 i 4 w odpowiednich położeniach.

3. Ustawić i zanotować zadany przez prowadzącego zajęcia wydatek.

4. Uruchomić program „Uderzenie hydrauliczne” na komputerze.

5. Kliknąć dwukrotnie na obiekcie „zapis do pliku” (ikona z dyskietką oznaczona LOG 1) i wpisać w oknie, które ukazuje się na ekranie nazwę pliku wraz ze ścieżką dostępu, w którym będzie rejestrowany przebieg ciśnienia (c:/lab/Nr_grupy/r1.txt).

6. Rozpocząć rejestrację przebiegu ciśnienia wybierając opcję Start z menu Run programu.

7. Zamknąć szybkim ruchem zawór kulowy 11, co spowoduje powstanie uderzenia hydraulicznego w przewodzie.

8. Po ustabilizowaniu się drgań w układzie otworzyć zawór (11).

9. Zakończyć rejestrację wybierają opcję Stop z menu Run.

10. Ponownie wpisać nową nazwę pliku - różniącą się od poprzedniej np. c:/lab/Nr_grupy/r2.txt, w której będzie rejestrowany kolejny przebieg ciśnienia.

11. Powtórzyć punkty 6÷9 z tym, że obecnie należy zamknąć zawór 11 ruchem wyraźnie wolniejszym niż poprzednio, ale na tyle szybko, żeby powstało zjawisko uderzenia hydraulicznego.

12. Ponownie wpisać nową nazwę pliku (e1.txt), w którym będzie rejestrowany kolejny przebieg ciśnienia.

13. Ustawić zadaną przez prowadzącego dużą wartość wydatku przy pomocy zaworu regulacyjnego 13 i zanotować wartość wyświetlaną na ekranie przepływomierza w tab. 4.2.

14. Rozpocząć rejestrację przebiegu ciśnienia wybierając opcję Start z menu Run programu.

15. Zamknąć zawór elektromagnetyczny 10 przy pomocy przełącznika.

16. Po ustabilizowaniu się drgań w układzie otworzyć zawór elektromagnetyczny.

17. Zakończyć rejestrację wybierają opcję Stop z menu Run.

18. Czynności opisane w punktach 12÷17 wykonać dwukrotnie (dla wydatku średniego i małego zadanych przez prowadzącego ćwiczenie).

Wyłączyć zasilanie pompy.

4. Tabela pomiarowa:

L.p.	Nazwa pliku	Opis próby	Q [dm^3/s]	pmax [MPa]	Uwagi
1	r1.txt	Szybkie zamkniecie zaworu kulowego	0,5991	4,5
2	r2.txt	Powolne zamkniecie zaworu kulowego	0,6040	2,5
3	r3.txt	Średnie zamknięcie zaworu kulowego	0,6028	3,5
4	e1.txt	Zawór elektromagnetyczny - wydatek duży	0,8890	4,5
5	e2.txt	Zawór elektromagnetyczny - wydatek średni	0,5050	3,5
6	e3.txt	Zawór elektromagnetyczny - wydatek mały	0,3033	2,0

5. Przykładowe obliczenia:

Dane wejściowe:

1. Średnica wewnętrzna rury:d=20mm

2. Gęstość wody: ρ=1000kg/m³

3. Moduł sprężystości wody: E₀=2,03⋅10⁹ N/m²

4. Moduł sprężystości miedzi: E=1,25⋅10¹¹ N/m²

5. grubość ścianki rury: δ=1mm

6. długość przewodu L=75m

7. odstęp czasowy pomiędzy kolejnymi wartościami ciśnienia zapisanymi w pliku

Δt = 30ms

8. błąd bezwzględny pomiaru grubości ścianki Δδ=10^-5m

9. błąd bezwzględny pomiaru średnicy rury d=10^-4 m

10. błąd względny pomiaru wydatku ΔQ/Q=0,005 (dokumentacja przepływomierza)

1. Rzeczywista wartość szybkości fali uderzeniowej obliczony na podstawie otrzymanego wykresu:

2. Średnia prędkość przepływu wody przez przewód:

3. Szybkość rozchodzenia się fali uderzeniowej zgodnie ze wzorem:

Dla wody powyższy wzór można uprościć do postaci:

[m/s]

E₀/E=0,016

4. Wartość ciśnienia wywołanego uderzeniem przy nagłym całkowitym zamknięciu zaworu:

p = ρ ⋅ c ⋅ w₀

p_r1 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 1,91m/s = 2,36 MPa

p_r2 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 1,91m/s = 2,36 MPa

p_r3 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 1,91m/s = 2,36 MPa

p_e1 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 2,83m/s = 3,51 MPa

p_e2 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 1,61m/s = 1,99 MPa

p_e3 = 1000kg/m³ * 1240m/s * 0,96m/s = 1,19 MPa

5. Obliczenie błędów bezwzględnych:

Δc_p = c - c₀

Δc_pe1 = 1240 - 500 = 740 m/s

Δc_pe2 = 1240 - 714,28 = 525,72 m/s

Δc_pe3 = 1240 - 625 = 615 m/s

Δc_pr1 = 1240 - 500 = 740 m/s

Δc_pr2 = 1240 - 652,1 = 587,9 m/s

Δc_pr3 = 1240 - 500 = 740 m/s

Δp_p = p - p_m

Δp_e1 = 3,51 - 4,19 = 0,68 MPa

Δp_e2 = 1,99 - 2,78 = 0,79 MPa

Δp_e3 = 1,19 - 1,69 = 0,5 MPa

Δp_r1 = 2,36 - 4,17 = 1,81 MPa

Δp_r2 = 2,36 - 2,5 = 0,14 MPa

Δp_r3 = 2,36 - 3,51 = 1,15 MPa

6. Błędy względne oszacowania szybkości rozchodzenia się fali uderzeniowej c i ciśnienia p

7. Błędy procentowe względne doświadczalne:

dla pomiaru e1

dla pomiaru e2

dla pomiaru e3

dla pomiaru r1

dla pomiaru r2

dla pomiaru r3

L.p.	T [s]	pm [Mpa]	Q [l/min]	co [m/s]	w [m/s]	c [m/s]	p [Mpa]	c [%]	p [%]	ce [%]	pe [%]
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
e1	0,3	4,19	0,8890	500	2,83	1240	3,51	9,4 *10^-3	1,5	59,6	19,3
e2	0,21	2,78	0,5050	714,2	1,61	1240	1,91					57,6	41,3
e3	0,24	1,68	0,3033	625	0,96	1240	1,19					50,4	42,1
r1	0,3	4,17	0,5991	500	1,91	1240	2,36					40,3	76,6
r1	0,25	2,50	0,6040	652,1	1,91	1240	2,36					52,5	5,93
r3	0,3	3,51	0,6028	500	1,91	1240	2,36					40,3	48,7

7.Wnioski:

W wyniku regulacji przepływu poprzez za pomocą zaworu elektromagnetycznego - szybkość zamykania bardzo duża, wartość p_m jest zależna od wielkości wydatku. Dla wydatku dużego wartość ta wynosiła 4, 5 MPa i spadała wraz ze spadkiem wydatku, przy średnim 3,5 MPa, a przy małym 2,0 MPa. Na podstawie tych pomiarów można zauważyć, że im większy wydatek tym większa wartość ciśnienia maksymalnego, pm.

Podobnie wygląda sytuacja w przypadku zaworu kulowego w chwili szybkich jego zamknięć, co pokazane jest wyraźnie w przypadkach r1 r2 r3. W przypadku regulacji przepływu poprzez zawór kulowy ręczny, wartość przyrostu ciśnienia zależy również od czasu otwierania tego zaworu. Dzięki tej próbie możemy się przekona, że zwiększenie czasu zamykania zaworu powoduje osłabienie zjawiska uderzenia hydraulicznego w przewodach sztywnych.

Wysokie wartości błędów mogą być spowodowane konstrukcją stanowiska badawczego. W przewodach służących do badanie uderzenia hydraulicznego, występuje dużo zgięć, które są przyczyną strat.

11

---