figure

Pulse Pneumatic Cleaning Technology

Методика применения пневмо-импульсной технологии и её отличия от гидроудара

Специалисты компании ООО «АСГАРД-Сервис» используют установку ПТУс-200 с применением технологии пневмо-импульса. Данный метод подходит для чистки систем отопления, применим в теплоэнергетике, жилищно-коммунальном хозяйстве, промышленности. Технология позволяет в разы увеличить производительность и эффективность очистки внутренней поверхности отопительных систем. С помощью резкой подачи импульсов сжатого воздуха под большим давлением создаются ударные волны в жидкости, находящейся в трубопроводе.

Часто люди не доверяют данному способу, путая его с гидроударом и опасаясь за дальнейшую работу и сохранность систем отопления. Тут следует сделать оговорку с подробным описанием.

Леонид Иванович Седов в «Механике сплошной среды» и Овсянников Лев Васильевич в «Лекциях по основам газовой динамики» описывают пневмо-импульсную технологию следующим образом.

Для примера представим себе систему, состоящую из трубы и подсоединённого к ней баллона с сильно сжатым газом. Труба заполнена жидкостью. На выходе из баллона установлен быстродействующий клапан. При его открытии газ высвобождается в трубу. Между клапаном и жидкостью находится слой газа. Давление газа равно давлению в жидкости. В момент открытия клапана в трубе происходит формирование ударной волны. Она распространяется сначала по газу под низким давлением, а затем по жидкости.
При наличии между клапаном и жидкостью слоя газа, в момент открытия клапана происходит распад произвольного разрыва, волна разрежения уходит в область газа под высоким давлением, а ударная волна в область газа с низким давлением. На рисунке 1 схематично показано распределение давлений в ударной волне и воле разрежения после открытия клапана.

Рисунок 1 – Расчётная схема и распределения давления на различных стадиях пробега ударных волн

При заданных давлении p1 и плотности газа ρ1 в баллоне и давлении p0 и плотности газа ρ0 в слое между жидкостью и клапаном давление p2 и массовая скорость среды u2 на фронте ударной волны находится из системы уравнений[2]:

где γ – показатель адиабаты газа. Для воздуха γ = 7/5 = 1,4.

На рисунке 2 (нижняя кривая) приведена зависимость давления p2 в ударной волне, распространяющейся в газовом слое между клапаном и жидкостью, от давления в баллоне p1 при p0 = 1 атм, ρ0 = 1,225 кг/м³, γ = 1,4 (нормальные атмосферные условия) и условии равенства температуры газа в баллоне температуре окружающий среды. Данное условие даёт

При давлении в баллоне p1 = 70 атм, давление на фронте ударной волны в газе составляет p2 = 5,73 атм, а массовая скорость u2 равна 511 м/с.

Если объём газа между клапаном и жидкостью достаточно мал, то ударная волна распространяется до жидкости не затухая. Как только ударная волна достигнет поверхности жидкости возникает произвольный разрыв, который распадается на преломлённую ударную волну в жидкости и отражённую от неё ударную волну, уходящую по газу в сторону баллона (см. рисунок 1). Величины давления на фронтах отражённой и преломлённой ударных волн совпадают (совпадают и массовые скорости газа и жидкости). Давление и массовую скорость на фронте ударной волны в жидкости можно вычислить, решая следующую систему уравнений[2]:

где Ω – акустический импеданс жидкости. Для воды величина Ω составляет 1,5·106 кг/(м²·с).

Зависимость давления в ударной волне, распространяющейся в жидкости (вода) p3, от давления газа в баллоне p1 представлена на рисунке 2 (верхняя кривая). В случае p1 = 70 атм, давление на фронте ударной волны в воде равно 21,84 атм, а массовая скорость воды u3 равна 1,41 м/с.

Рисунок 2 – Зависимости величин давления на фронтах ударных волн,
распространяющихся в газе p2 и жидкости p3, от давления газа в баллоне p1

Распространяющая в жидкости ударная волна может встречать на своём пути различные препятствия и усиливается, отражаясь от них. Так, если конец трубы закрыт и жидкость не может свободно вытекать из него, то ударная волна отразиться от конца трубы и устремиться обратно в сторону баллона, а давление в ней существенно возрастёт (см. рисунок 1).

В рассматриваемой системе ударные волны, распространяющиеся в жидкости, являются слабым (мало отношение перепада давления на фронте к произведению акустического импеданса на скорость звука), и для их описания можно использовать акустическое (линейное) приближение[1, 2]. При отражении ударной волны, набегающей на жёсткую стенку, давление в отражённой волне ударной волне p4 можно найти по формуле

p4 = 2p3 − p0

Зависимость давления в отражённой ударной волне p4 от давления в баллоне p1 приведена на рисунке 3 (нижняя кривая). В случае p1 = 70 атм, величина p4 равна 42,68 атм.

Важно отметить, что приведённое описание ударно-волнового течения газа и жидкости справедливо для достаточно большого объёма газа в слое между клапаном и жидкостью (при p1 = 70 атм более двадцати объёмов баллона). Если слой газа между баллоном и жидкостью относительно мал, то возможно образование второй ударной волны в жидкости, распространяющейся вслед за первой и имеющей существенно большую амплитуду. Вторая ударная волна образуется при взаимодействии отражённой от слоя жидкости волны и контактного разрыва, отделяющего газ из баллона от газа низкого давления. Чем меньше слой газа между баллоном и жидкостью, тем больше амплитуда второй ударной волны и, соответственно, выше давление в системе. Для определения связи максимального давления в системе от давления в баллоне и объёма газового промежутка между жидкостью и клапаном требуется проведение дополнительного исследования (необходимо учитывать геометрию системы, проводить численное моделирование течения газа и жидкости). Однако, оценить максимально возможный уровень давления в системе можно считая, что между клапаном и жидкость газа нет, т.е. после открытия клапана ударная волна формируется сразу в жидкости.

Рисунок 3 – Величины максимальных давлений p3 и p4 в трубе, заполненной жидкостью,
в зависимости от давления в баллоне p1

Найти давление p2 и массовую скорость u2 за фронтом ударной волны в жидкости можно из системы уравнений[2]

На рисунке 4 показана зависимость давления на фронте ударной волны в жидкости  p2 от давления в баллоне  p1 при отсутствии слоя газа между клапаном и жидкостью. Из рисунка 4 видно, что давление в ударной волне растёт практически пропорционально давлению в баллоне. Жидкость практически не сжимается в ударной волне. При p1 = 70 атм, давление на фронте ударной волны в жидкости составляет 68,69 атм, массовая скорость жидкости за фронтом u2 равна 4,57 м/с.

Рисунок 4 – Зависимость давления на фронте ударной волны в жидкости  p2
от давления в баллоне p1 при отсутствии слоя газа между клапаном и жидкостью

Давление p3 в ударной волне, отражённой от заделанного конца трубы, показано на рисунке 3 пунктиром (верхняя кривая). Это давление рассчитывается по формуле

p3 = 2p2 − p0

На самом деле, быстродействующий клапан открывается мгновенно только в теории, в реальности этого не происходит, давление в жидкости поднимается плавно, и максимальное давление в системе будет ниже. При герметичной системе в результате быстрого пробега волн в жидкости давление быстро снизиться.

Так что выводы однозначны − так как динамические жесткости двух сред сильно отличаются, так же как и масса, то гидроудара не происходит.

Пример оборудования, разработанного специально для компании ООО «АСГАРД-Сервис»:

 

Специалисты ООО «АСГАРД-Сервис» успешно применяли данную методику при очистке систем трубопроводов ГУП «Петербургский метрополитен». Стоит отметить, что заказчик остался доволен выполненной работой.


Вид специальной пневмо-импульсной установки

 

Промывка технологического оборудования на режиме (гидрокинетический метод). Скачать.