Чем опасен гидроудар?

В наших статьях мы периодически упоминаем такое явление как гидроудар. Пришла пора разобраться, что это за «зверь» такой, откуда он берётся, чем может грозить, и как от него защититься.

Но сначала небольшое уточнение. В данной статье речь пойдёт о гидроударе в системах водоснабжения. Явление попадания несжимаемого тела (воды) в рабочий объём двигателя, иногда так же ошибочно называемый гидроударом, здесь мы рассматривать не будем.

Вода в жидком агрегатном состоянии, как и подавляющее большинство других жидкостей, имеет настолько малый коэффициент сжатия, что считается условно несжимаемой. Вследствие этого, если мы резко перекроем движение воды в водопроводе, то получим удар в запорный элемент так, как если бы мы решили остановить пулю в стволе или автомобиль, едущий по трассе. Разумеется, у воды не будет такой скорости, как у пули и такой массы, как у автомобиля, но те скорость и масса, которыми вода обладает, достаточны для создания проблем.

Количественно явление гидроудара описал в конце XIX столетия Николай Егорович Жуковский русский учёный-механик, основоположник гидро- и аэродинамики. Его формулой увеличения давления при гидроударе мы и воспользуемся. В общем виде формула имеет вид

ΔP=ρ(υ0-υ1)ϲ

где

ΔP – изменение давления (Па)

ρ – плотность воды (кг/м3)

υ0 – скорость воды до закрытия (м/с)

υ1 – скорость воды после закрытия (м/с)

ϲ - скорость распространения ударной волны в трубопроводе (м/с).

Так как мы рассматриваем ситуацию с полным перекрытием водопровода, формулу можно упростить до вида

ΔP=ρυϲ

Плотность воды — табличное значение, примерно равное 1000 кг/м3.

Скорость воды до закрытия возьмём произвольно, и пусть она будет относительно небольшой. Например 2 м/с.

Скорость распространения ударной волны в воде тоже возьмём из таблицы — 1282 м/с

Используя эти данные, получаем результат

ΔP=1000*2*1282=2564000Па.

В переводе на атмосферы ΔP=25,64 атм. И это при скорости всего 2 м/с!!!

Особо обращаем ваше внимание на то, что эта величина никак не зависит от того давления, которое создаёт насос. Здесь играет роль только скорость движения воды. Более мощный насос быстрее разгонит воду на небольших расстояниях, но, если взять насос слабее и увеличить длину трубы, то и слабый насос успеет разогнать воду до той скорости, которая приведёт к катастрофе.

Таким образом, просто слишком резко перекрыв воду в водопроводе, можно сказать на ровном месте, мы получим давление в системе на пару-тройку десятков атмосфер больше, чем в ней было до закрытия. Сколько атмосфер может выдержать колба фильтра? Десять? А что насчёт тридцати? Увы, но вряд ли.

Как защититься от гидроудара? Есть два способа защиты: профилактический и смягчающий последствия.

Профилактический — это плавное закрытие всех кранов. Если свести к минимуму разницу между υ0 и υ1, то и скачок давления в системе будет значительно ниже.

Смягчающий последствия — это установка в систему водоснабжения элементов, которые примут на себя гидроудар и тем самым спасут своих соседей по системе. В случае с частным водопроводом, таким спасительным элементом выступает гидроаккумулятор.

Возвращаясь к неприятной ситуации в начале статьи, мы спросим у покупателя, а установлен ли у него в системе гидроаккумулятор? Да, установлен, и уже давно — года три уже стоит. Вот только за все три года, никто ни разу не проверил, есть ли в нём воздух (Что такое гидроаккумулятор, для чего он служит, и как за ним ухаживать, мы разбирали в соответствующей статье про гидроаккумуляторы). Вот вам и ответ на вопрос, кто виноват. Прибор, специально придуманный и установленный в систему для защиты от гидроудара, оказался неисправен из-за халатности владельца и не смог выполнить свои прямые обязанности.

Причины возникновения гидроудара могут быть разными. Например, негерметичное соединение труб до обратного клапана у поверхностного насоса. В таком случае после клапана, в самом насосе, а так же в трубах после насоса вода будет стоять, а вот из под клапана вода уйдёт. Дальше всё стандартно: открываем кран, насос запускается, вода резко поднимается по трубе до клапана и врезается в клапан и массу воды над ним — гидроудар. Подобные гидроудары могут разбить не только колбу фильтра, но и расколоть корпус насоса или выбить днище. Даже чугунные насосы не застрахованы от этого, так как максимально допустимое давление в корпусе обычного чугунного насоса — 8 атмосфер, что значительно меньше, чем скачок давления в системе при гидроударе.

Отдельно нам хотелось бы вернуться к одной из предыдущих статей про правильную установку обратных клапанов на погружные насосы и рассмотреть ситуацию с установкой клапана на выходе из скважины в свете знаний, полученных сегодня. Скорость воды в трубе водопровода может быть небольшой и составлять 2-3 м/с, но скорость заполнения водой вакуума в трубе под клапаном будет в разы, если не на порядок, выше. По той же формуле Жуковского при скорости воды хотя бы 5 м/с мы получим скачок давления в системе на 64 атмосферы!!! Ставьте клапаны правильно!

Гидроудары приводят к печальным последствиям. Инженеры всего мира работают над новыми способами смягчения или предотвращения гидроударов. Однако, справедливости ради, стоит отметить, что даже столь пагубное явление человек сумел обратить во благо. Речь идёт о гидротаранных насосах, которые на первый взгляд ломают наши представления о физике, позволяя без электричества и мускульной тяги поднимать воду на значительную высоту. Однако, это тема для отдельного разговора. Спойлер: не ломают...

Подводя итоги, желаем вам не страдать от последствий гидроударов, а наши специалисты помогут правильно подобрать гидроаккумулятор и расскажут, как его использовать. Всего доброго и воды в каждый дом!