Авторы: Андрей Бобров, Владимир Поляков
Подготовка испытательных стендов и помощь в проведении экспериментов: Дмитрий Макаров
Каждый, кто так или иначе связан с инженерной сантехникой знает, про такое явление, как гидравлический удар, однако не все могут чётко и ясно представить себе физику данного процесса. А без этого довольно сложно понять, к каким последствиям может привести гидроудар , и как правильно от него защититься.
Лет 30 - 40 назад серьёзно относились к данному явлению только при проектировании магистральных трубопроводов. Включение насоса или резкое срабатывание задвижки могло разрушить трубу, поэтому на этих трубопроводах устанавливались гасители и компенсаторы различных конструкций. С появлением «одноруких» смесителей и водопотребляющей бытовой техники с электромагнитными клапанами, мгновенно перекрывающими поток, гидроудар не стал диковинкой и во внутренних водопроводных сетях жилых зданий. Обратимся к теории: «Гидравлический удар – это скачкообразное изменение давления жидкости, протекающей в напорном трубопроводе, возникающее при резком изменении скорости потока». Можно проиллюстрировать это положение на простом примере. Имеется участок трубопровода, который начинается у стояка и заканчивается «одноруким» смесителем (рис. 1).
При открытом смесителе давление воды на выходе из трубопровода падает до значения близкого к атмосферному. В момент резкого перекрытия потока воды возникает резкий скачок давления, вызванный ударом массы жидкости о запирающий орган смесителя. И хотя в гидравлике вода считается теоретически несжимаемой жидкостью, реальная вода – сжимаемая жидкость, имеющая коэффициент объёмного сжатия 4,9х10-10 1/Па (то есть, при давлении 20 400 бар (2040 МПа) объём воды уменьшается в два раза). В теории гидравлического удара сжимаемость воды играет немаловажную роль. При ударе о запирающий орган вода сжимается, за зоной повышенного давления образуется зона вакуума. Отразившись от затворного органа, зона повышенного давления (ударная волна) возвращается к стояку. Резкий поворот трубопровода или место резкого изменения сечения является препятствием для ударной волны, поэтому, отразившись от зоны врезки в стояк, волна , уже несколько потеряв первоначальную энергию, возвращается к смесителю. Эти циклы повторяются до полной потери избыточной энергии. Время от появления ударной волны гидроудара до её угасания измеряется в долях миллисекунды, поэтому воспринимается как громкий щелчок в трубе.
Чем это плохо для квартирного водопровода? При постоянном воздействии гидроударов могут возникнуть следующие явления:
• вылетают или выходят из строя подводки на смесителях;
• выдавливаются прокладки в уплотнениях арматуры и фитингов (рис.2);
• повреждаются механизмы водосчётчиков, манометров (рис.3);
• разгерметизация обжимных, надвижных и пресссоединителей;
• расслоение многослойных полимерных трубопроводов;
• разрушение керамических регулировочных дисков в картриджах смесителей;
• снижение паспортного срока службы водопотребляющей бытовой техники.
Разряжение особо опасно для системы, так как при резком падении давления ниже атмосферного происходит так называемое «холодное кипение», при котором выделяется растворенный в воде газ и образует пустоты, которые в свою очередь схлопываются и приводят к механическому разрушению стенок трубопроводов с образованием каверн. Это явление называется «кавитацией», которая представляет собой такой же гидроудар в малом объёме жидкости.
Для предотвращения гидравлического удара наиболее действенным способом является применение запорной арматуры, кранов и смесителей с плавным открытием и закрытием. Это, кстати, регламентировано пунктом 11.6 СП 30.13330.2020. При этом следует учесть, что обычный шаровой кран тоже может стать источником гидроудара при резком закрытии. Поэтому на вводе в квартиру рекомендуется устанавливать кран с плавным открыванием (рис.4).
Если же в квартирном водопроводе имеются элементы, которые не могут обеспечить плавную регулировку потока (электромагнитные клапаны стиральных, посудомоечных, машин, гидромассажных ванн и душей, «однорукие» смесители и т.п.), то следует использовать специальные устройства-гасители гидроударов (рис.5)
Принцип работы гасителя гидроударов достаточно прост. Гаситель представляет собой герметичную ёмкость из нержавеющей стали с внутренней разделительной мембраной. С одной стороны мембраны находится камера со сжатым воздухом, с другой стороны мембрана «уравновешивается» давлением из системы. Конструктивно гасители могут быть и поршневого исполнения. Импульс давления, приходящий в место установки гасителя гидроударов затрачивается на работу по перемещению мембраны и не передаётся на остальную часть трубопровода. Возникает вопрос: где именно должен стоять гаситель гидроударов, чтобы надёжно защитить систему? В среде монтажников бытует мнение, что место установки не принципиально, импульс погасится в любом случае.
Для того, чтобы это проверить, мы собрали экспериментальный стенд. Схема стенда приведена на рис. 6. На стенде в каждой точке подключения гасителя гидроударов предусмотрены датчики давления. Датчики подключаются к осциллографу и позволяют замерить колебания давления в точке подключения. Все гасители гидроударов имеют отсечной кран для проведения эксперимента с гасителем и без него.
Эксперимент 1
Сравним характеристику гидроудара при отключённых гасителях и разводках, выполненных из стальной и металлополимерной трубы. Результаты экспериментов приведены на рисунках 7 и 8. Как видно из графиков, применение металлопластиковой трубы значительно гасит амплитуду гидроудара. При расходе 0,2 л/c и начальном статическом давлении в системе 5 бар на стальной трубе давление гидроудара достигает значения 18 бар (Δр=13 бар), а на металлопластиковой трубе давление поднялось до составляет 9 бар (Δр=4 бара).
Эксперимент 2
При отключённых гасителях и при разводках из металлополимерных труб при резком закрытии смесителя на узле 1 измеряется характеристика удара в трёх точках – на узле 1, на узле 2 и на коллекторе. Так же фиксируется характеристика гидроудара на узле 2 при резком закрытии смесителя на узле 1.
Во всех случаях получаем одну и ту же картину (рис. 8). Из этого можно сделать вывод, что гидроудар распространяется одновременно по всей системе, включая соседние водоразборные приборы. То есть, ударная волна проходит через коллектор и распространяется на все остальные точки водоразбора, при этом амплитуда и частота колебаний гидроудара во всех точках одинакова.
Подключаем гаситель гидроудара, установленный на коллекторе, и замеряем характеристики гидроудара перед смесителями узлов 1 и 2 (рис. 9).
Из графика видно, что при установке гасителя на коллекторе гидроудар все же происходит, амплитуда и период колебаний немного снижаются, однако пиковая величина всё равно превышает величину давления в системе почти в 2 раза. Замеры характеристики гидроудара на коллекторе дают картину, представленную на рис.10.
Анализируя график, представленный выше, можно сделать вывод, что на коллекторе гидроудар был погашен, так как изначальное давление в системе составляет 5 бар, при открытии смесителя оно падает до 3 бар, далее при гидроударе давление делает одно плавное колебание в диапазоне между 3 и 5 барами.
Отключим гаситель на коллекторе и подключим гасители непосредственно перед точками водоразбора на узлах 1 и 2. Результат замеров характеристики гидроудара в точках водоразбора представлены на рис. 11.
В данном случае гидроудар был погашен на источнике, и импульс не распространился по системе. Подведём промежуточный итог: самое эффективное место установки гасителя гидроударов - непосредственно перед точкой водоразбора.
Эксперимент 3
Проверим, какая будет величина гидроудара в случае, если два смесителя, расположенные на одинаковом расстоянии от коллекторного узла, при подводках из металлополимерных труб и при отключённых гасителях, закроются одновременно (рис.12).
Мы видим, что при одновременном закрытии двух смесителей, величина гидравлического удара значительно увеличивается, с чем это связано?
Рассмотрим формулу Жуковского, согласно которой величина добавочного давления в момент гидроудара определяется из выражения:
Δp = ρ · ν · c, Па,
где ρ – плотность транспортируемой жидкости, кг/м3;
ν – скорость транспортируемой жидкости до момента внезапного торможения, м/с;
с – скорость распространения ударной волны, м/с.
С учётом того, что расход через один смеситель составляет 0,2 л/c, при открытии двух смесителей и условии постоянства давления на входе в коллектор, расход и, как следствие, скорость потока в коллекторе увеличиваются в два раза. Следовательно и прирост давления во фронте ударной волны тоже увеличится вдвое. Данный эффект необходимо учитывать при проектировании систем водоснабжения.
Подведём итоги:
• самым эффективным методом защиты от гидравлического удара является плавное перекрытие потока;
• металлопластиковые трубы и гибкие подводки способны скомпенсировать гидравлический удар практически в 2 раза по сравнению со стальной трубой;
• полная защита от гидравлических ударов с применением гасителей гидроударов возможна только при установке гасителей непосредственно перед каждой точкой водоразбора;
• в случае, если гаситель гидроударов не установлен на коллекторе, ударная волна распространяется на соседние водоразборные приборы;
• чем выше расход в момент гидроудара, тем выше скачок давления. Несколько параллельно срабатывающих соленоидных клапанов, особенно на системе, выполненной из стальной трубы, могут вызвать высокоамплитудный гидроудар.
Возникает закономерный вопрос: неужели нельзя обойтись одним гасителем на всю квартирную систему водоснабжения? Тут важно понимать, что гидроудар происходит именно в момент мгновенного перекрытия потока, что актуально для соленоидных клапанов на стиральных или посудомоечных машинах. Перекрытие же потока смесителем, даже «одноруким», зависит от поведения пользователя.
В связи с этим можно дать следующие рекомендации:
• обязательно ставить гасители в непосредственной близости с соленоидными клапанами на бытовой технике;
• применять смесители с возможностью плавного перекрытия потока;
• использовать коллекторную систему разводки и ставить гаситель на коллектор, для исключения влияния приборов друг на друга;
• при тройниковой разводке ставить гасители непосредственно перед каждым потенциально опасным (в вопросе гидроудара) прибором;
• правильно настроить гаситель, давление в камере должно быть выше давления в системе на 0,5 бара. Если гаситель перекачать, то чем выше разница в камере гасителя и давления в системе, тем менее эффективно он будет отрабатывать;
• не настраивать редукторы давления на вводе в квартиру на давление больше 3 бар, т.к с увеличением давления увеличивается и величина прироста давления при гидроударе.
