Сифонні трубопроводи
Зміст
Сифонні трубопроводи
СИФОННИМ ТРУБОПРОВОДОМ, або СИФОНОМ ( з гр. – насос) називається самопливний трубопровід, що сполучає 2 резервуари чи водоймища, а також трубопровід, частина якого розташовується вище резервуара, з якого відбувається відкачування рідини. Сифон працює в умовах розрідження. Також сифонними трубопроводами називають такі, в яких рідина рухається при тиску меншому за атмосферний.
Будова
Найпростіша схема сифонного трубопроводу представлена на рис. 1
Найпростішою схемою сифону є зігнута труба, що з’єднує між собою посудини 1 та 2. Рух рідини по трубопроводу відбувається з верхньої посудини в нижню за рахунок перепаду тиску Δz, де Δz дорівнює різниці відстані від рівної площини порівняння до рівня рідини в посудинах 1 та 2.
Оскільки сифонний трубопровід працює під розрідженням, то це може викликати виділення з нафти газів, а при значенні залишкового тиску, меншого за тиск насичених парів нафти, - кипіння рідини.
Швидкість потоку в сифонних лініях приймається 1,2 - 2 м/с. Необхідно, щоб в сифонних трубопроводах вакуум у найвищій точці не перевищував 10Па, в іншому випадку в цьому місці буде виділятися розчинене у воді повітря й з’явиться необхідна підвищена продуктивність вакуумної установки.
Особливості побудови сифонів
Сифонні трубопроводи, на відміну від напірного і самопливного, мають ряд особливостей.
Відвід, як правило, влаштовують із сталевих труб, які забезпечують найбільшу щільність з'єднань.
Трубопроводи, що опускаються під воду без водовідливу, створюються за допомогою зварювання, а батоги сталевих труб створюються з посиленими стиками, котрі потрібно перевіряти на спливання, та передбачати протикорозійну ізоляцію труб. На кінцевих ділянках сифону встановлюються засувки.
Ще однією особливістю сифону є сифонна свердловина – це свердловина (їх може бути від одного до трьох десятків), що з'єднана декількома сифонами, приєднаними до вакуумного котла, розташованого в приміщенні насосної станції I підйому.
Різність рівнів води у свердловині (т.з. динамічний горизонт) та у приймальному резервуарі повинна бути рівною або трохи більшою за суму всіх втрат напору в трубопроводі.
Обладнання станції складається з трьох або або чотирьох відцентрованих насосів, двох вакуумних насосів і двох вакуумних котлів, до яких приєднуються сифонні водоводи.
Для догляду, ремонту та механічного очищення сифонів великих діаметрів слід передбачати оглядові люки і колодязі. ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
В практиці проектування сифонних трубопроводів часто виникає небіхдність вирішення наступних проблем:
- Відомі - витрата трубопроводу, діаметр, а також пристрій трубопроводу на висхідній лінії, тобто задано втрачений напір. Необхідно визначити висоту вильоту сифона, тобто перевищення найвищої точки сифонного трубопроводу над рівнем рідини в живильному резервуарі;
б) задані витрата і наявний напір, тобто різницю рівнів у верхньому і нижньому резервуарах. Необхідно визначити діаметр сифонного трубопроводу;
в) задано перевищення рівня в верхньому резервуарі щодо нижнього Н, відомі діаметр трубопроводу і його пристрій. Необхідно розрахувати витрати сифонного трубопроводу.
Вирішення цих завдань грунтується на застосуванні рівняння Бернуллі.
Граничне значення вакууму не перевищує 98,0665 кПа. Фактично досягається менший вакуум, особливо в разі течії через сифон нагрітої рідини.
На практиці величина до зазвичай не перевищує 7-8 м і залежить від температури рідини і гідравлічного опору висхідної частини сифонного трубопроводу. Якщо вакуум у верхній частині вильоту сифонного трубопроводу досить великий і абсолютний тиск при цьому виявляється нижче тиску парів рідини при температурі в сифон трубопроводі, то відбувається скипання рідини і частина обсягу трубопроводу в вищих точках заповнюється парою і виділяються з рідини газами, які були в ній розчинені . Внаслідок цього витрата рідини знижується і може взагалі припинитися, так як відбувається розрив струменя.
Умова нормальної роботи сифона можна знайти, виходячи з таких міркувань.
Питома енергія, яка змушує рідину з яке живить резервуара підніматися до вищої точки сифонного трубопроводу (вильоту).
Ця питома енергія витрачається на підйом рідини по вертикалі на висоту, на створення швидкісного напору відповідного швидкості рідини в сифон трубопроводі і на подолання всіх гідравлічних опорів на висхідному ділянці трубопроводу між розглянутими перетинами.
Цілком очевидно, що при певному значенні коефіцієнта опору системи швидкість рідини в трубопроводі, а отже, і витрата прямо пропорційні різниці рівнів в резервуарах.
Принцип роботи
Для того, щоб сифон запрацював, необхідно заповнити його рідиною, попередньо видаливши з неї повітря. Цього можна досягти шляхом відсмоктування повітря в найвищій точці сифону, або ж закрити кінці сифону, залити їх рідиною через верхню точку, де одночасно видаляється повітря. Після цілковитого заповнення сифону рідиною, він починає працювати як звичайна труба, тому розрахунок сифонного трубопроводу принципово нічим не відрізняється від розрахунку звичайного.
Сифонні трубопроводи, котрі використовуються для зливу нафтопродуктів з цистерн, не мають нижніх зливних приборів. При транспортуванні в цистернах нафтопродуктів з малою в’язкістю (напр., бензин, керосин, дизельні палива), для попередження витоку та втрат палива в цистернах немає нижніх зливних приборів, тому паливо зливається через верхній ковпак цистерни (верхній злив). Злив нафтопродуктів через горловину цистерни відбувається сифонним способом. Спочатку нафтопродукт зливається в нульовий резервуар, а з нього насосами подається в сховище. Для сифонних зливів використовують спеціальні вакуумні установки.
Гідравлічний розрахунок сифону виконується двома діями:
1) Спочатку розраховують його приблизний розхід
2) Перевіряють виконання умов його роботоздатності.
Приблизний розхід розраховується аналогічно до звичайного.
Якщо скласти рівняння Бернуллі для перерізів 1-2 та 2-2, взявши за 0-0 площину відліку та рахувати, що в резервуарах рідина в спокійному (нормальному) стані, то ми отримаємо:
[math]H = h_w = {V^2 \over 2g} \Bigg(1 + \lambda\*{1 \over d} + \sum \zeta_i\ \Bigg)[/math] (1)
Рівняння (1) може бути розвязано відносно невідомих H, Q та d, тобто сифон може бути розрахованим в любій постановці задачі.
Разом з тим, в розрахунку сифону є й деяка специфіка. Як ми бачимо, рідина рухається за рахунок існування запасу потенційної енергії за рахунок різниці рівнів Н, в той ж час ми бачимо, що при даній різниці Н рідина не може піднятися необмежено по висоті у сифонній трубі. Тому, при розрахунках необхідно додатково переконатися, чи не виникає надмірний вакуум та чи не викликає він кипіння рідини, оскільки це може порушити роботу сифонного трубопроводу.
Для цього, складемо рівняння Бернуллі для перерізів 1-1 та х-х.
Відносно площини 0-0 отримаємо:
[math]H + {P_am \over pg} + {\alpha_1\ V_1^2 \over 2g} = H + Z_x + {P_x \over pg} + { \alpha_x\ V_x^2 \over 2g } +h_w[/math] (2)
Приймаючи V1 за 0, перепишемо (2) в (3):
[math]{P_am - P_x \over pg} = Z_x + { V_x^2 \over 2g} + { V^2 \over 2g} \Bigg ( \lambada\ {l_x \over d} + \sum\zeta_1 \ \Bigg)[/math] (3)
Величина в лівій частині рівняння (3) представляє собою вакуум, який розраховується наступним чином:
[math]h_bak = Z_x + { V^2 \over 2g} \Bigg( 1 + \lambada\ {l_x \over d} + \sum\zeta_1\ \Bigg)[/math] (4)
Де V – середня швидкість рідини в сифоні;
zX – висота перерізу з тиском pХ над рівнем рідини у резервуарі 1;
lX – довжина частини сифонної труби від початку труби до початку перерізу х-х.
З рівняння (4) випливає, що hвак є тим більшим, чим більшою є висота перерізу Zx, швидкість V та втрати тиску p. Граничним розміщенням перерізу х-х буде найвищий переріз труби.
Теоретично, для нормальної роботи сифону необхідно, щоб мінімальний тиск в ньому був завжди більший, ніж пружність парів рідини при даній температурі, тобто, виходячи з рівняння (2):
де pmin – мінімальний тиск у сифоні; ρ – густина рідини; At – пружність парів рідини в м.ст.рідини.
При розрахунках рекомендується призначити величину мінімального тиску значно більшою, принаймі, для води не менше 0,2-0,3ат при нормальних температурних умовах. Цьому значенню відповідає найбільша можлива висота розміщення найвищої точки сифону над вільною поверхнею рідини у верхній посудині, рівній приблизно 7м. Для того, щоб уникнути порушення роботи сифону потрібно або зменшити висоту перерізу z, або ввести додаткові гідравлічні опори на ділянці, нижчі за перетин х-х.
Використання
Сифонний трубопровід використовується, наприклад, в якості водовикиду гідротехнічних конструкції, для зливу нафтопродуктів з цистерн, опорожнення водоймищ при перебільшенні їх норми, при самостічному з’єднанні колодязів у системах водопостачання тощо.
Також його можна використовувати для того, щоб бензин з цистерни поїзда сливати.
Бензин об'ємом V = 60 м^3 із горловини залізодорожної цистерни мделі 15-890 за допомогою сифонного трубопоровода діаметром 10 см в проміжний резервуар при середньому перепаді тиску
, Z рівному 5 м, то теоретичний розхід із врахуванням рівняння складе 0,0077 м3/с, а час сливу 7790 або 2.16 години. час сливу в секундах визначається за формулою
t=V/Q
Ілюстрації
Джерела
1) О.В. Байбаков, О.І. Зеегофер Гидравлика и насосы. М.- Л., 1957 (стр. 141-142)
2) Ю.Д. Земенков, Н.А. Малюшин, Л.М. Маркова, А.Е. Лощинин, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НЕФТЕПРОВОДЫ НЕФТЕБАЗ (Справочное издание), Тюменский индустриальный институт, Тюмень-1994 г. (розділ 7.4)
3)Тавастшерна Р.И. Изготовление и монтаж технологических трубопроводов: "М. Высшая школа, 1985.
4) http://studopedia.su/15_53756_sifonniy-truboprovod.html стр. 9-10
