Hidraulički udar u dvofaznim sistemima – uzroci, mehanizmi, posledice

Apstrakt

Hidraulički udar u dvofaznom sistemu može biti značajno veći od udara u jednofaznom fluidnom sistemu. Njegova pojava može dovesti do havarije i ugrožavanja bezbednosti pogonskog osoblja u različitim termoenerge-tskim, termotehničkim i procesnim postrojenjima. Može nastati usled implozije pri intenzivnoj kondenzaciji pare na pothlađenoj tečnosti, pri kidanju stuba tečnosti ili usled ubrzanja diskretnih masa tečnosti, kada se međusobno sudaraju čepovi ili stubovi tečnosti ili dolazi do njihovog udara o zidove cevovoda, posuda ili armature. Do hidrauličkog udara u dvofaznom fluidnom sistemu je dolazilo u termoelektranama, nuklearnim elektranama, sistemima daljinskog grejanja, kotlarnicama i rashladnim sistemima sa amonijakom. Karakteristični primeri su puštanje u pogon parovoda koji nisu dobro drenirani nakon zastoja u radu ili remonta, direktno ispuštanje pare u bazen ispunjen hladnom tečnošću, kontakt pothlađene tečnosti i pare nakon otvaranja zaporne aramature, pad pritiska u napojnom rezervoaru i usisnom cevovodu napojne pumpe nakon njenog ispada. U sistemima sa hladnom vodom, nakon naglog zatvaranja ventila ili zasuna, pritisak iza pregradne armature opada, dolazi do kavitacije rastvorenog vazduha, a zatim i do kavitacije pare, što dovodi do raskidanja vodenog stuba. Reflektovani kompresioni talas pritiska dovodi do implozije gasne faze, što dovodi do povratnog hidrauličkog udara, praćenog naglim skokom pritiska. Modeliranje i numerička simulacija hidrauličkog udara u dvofaznom sistemu se pokazuju na primeru udara pothlađenog vodenog stuba pri intenzivnoj kondenzaciji pare. Razvijen je nestacionarni jednodimenzionalni termohidraulički model strujanja homogenog dvofaznog fluida. Bilansne jednačine mase, količine kretanja i energije su rešene primenom metode karakteristika. Razdelna površina između faza je određena praćenjem talasa entalpije i Lagranžeovim polinomom trećeg stepena za određivanje položaja razdelne površine između fiksnih numeričkih noda u strujnom polju. Primenjen je novi mehanistički pristup za predviđanje brzina faznog prelaza, zasnovan na obliku i veličini razdelne površine tečne i parne faze i termičke neravnoteže između faza. Razvijenim modelom je moguće predviđanje prostiranja talasa pritiska tokom hidrauličkog udara, kao i praćenje kretanja razdelne površine uz modeliranje faznog prelaza i nestacionarnog trenja. Model je validiran za dostupne eksperimentalne uslove hidrauličkog udara. Primećeno je značajno rasipanje eksperimentalnih podataka za iste uslove eksperimenta, što je posledica brzine promene faze i njene zavisnosti od koncentracije razdelne površine parne i tečne faze u blizini čela stuba tečnosti.