Удар Жуковского в дымоходе

Из курса физики известно, что гидравлический удар (гидроудар) — это скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Гидроудар может возникать вследствие резкого закрытия или открытия задвижки, крана или клапана. В первом случае удар называют положительным, во втором — отрицательным. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементы трубопровода. Гидроудары чрезвычайно опасны для такого оборудования, как теплообменники, насосы и сосуды, работающие под давлением.

Николай Егорович ЖуковскийНиколай Егорович Жуковский, русский ученый, создатель науки аэродинамики.

Явление гидравлического удара открыл в 1897–1899 гг. Н. Е. Жуковский, вследствие чего скачки давления в трубопроводах часто называют «ударами Жуковского».
 

Наиболее простым примером возникновения гидравлического удара Жуковского является пример трубопровода с постоянным напором и установившимся движением жидкости, в котором была резко перекрыта задвижка (кран) или закрыт клапан. При этом, в стояке возникает частичное разрежение (вакуум). При следующем пуске насоса вода, протекающая с очень большой скоростью, заполняет вакуум и соударяется в трубопроводе с закрытым обратным клапаном и столбом жидкости над ним, вызывая скачок давления и гидравлический удар. Такой гидравлический удар способен вызвать образование трещин в трубах, разрушить трубные соединения и повредить насос. Появление скачков давления, в принципе, чаще встречается в жидких средах, так как они имеют по сравнению с газами значительно более низкую степень сжатия. Однако явление Жуковского может возникать, в том числе и в дымоотводящих системах. В системах отвода продуктов сгорания может развиваться три различных сценария:

    резкое увеличение давления (например, взрыв) и последующие его снижение (вакуум). Причем отрицательное давление может быть настолько сильным, что выхлопная труба разрушается и не подлежит дальнейшему ремонту;
    внезапное отключение горелочного устройства, причиной которого может быть технический дефект или просто сбой питания;
    очень быстрое закрытие воздушного клапана горелочного устройства.

Чаще всего, на практике, наиболее распространены второй и третий из описанных выше случаев. Горелочное устройство теплогенератора отключается практически в тот же момент, когда закрывается заслонка подачи воздуха. Горячие выхлопные газы, обладающие высокой кинетической энергией и скоростью потока, перемещаются по газоотводящему тракту установки, постепенно теряя скорость, за счет имеющегося сопротивления системы, и создавая после себя отрицательное давление (разряжение). Величина этого разряжения может быть настолько значительна, что выхлопная труба в этой точке (позади котла) подвергается деформациям и разрушениям, не подлежащим последующему исправлению.

Однако следует отметить, что повреждения такого рода могут происходить, прежде всего, в системах отвода продуктов сгорания от котлов большой мощности. Как правило, речь идет об установках диаметром свыше 300 мм, выполненных из нержавеющей стали с толщиной стенки 0,4-0,6 мм, и достаточно большой эффективной высотой. Чем больше диаметр и высота дымохода, тем выше вероятность и интенсивность этого эффекта. При этом даже выхлопные системы, рассчитанные на работу под избыточным давление, могут испытывать подобного рода пульсации.

Каким же образом возможно избежать эффекта Жуковского или минимизировать его воздействие на выхлопную систему?

Вышеуказанных явлений можно избежать при помощи систем подачи вторичного воздуха (согласно DIN 4795), которые используются в больших системах для немедленной компенсации давления. Устройства подачи вторичного воздуха также называют ограничителями тяги. Большинство современных регуляторов тяги являются интегрированными устройствами, объединяющими в себе как устройство пропуска воздуха, так и предохранительный клапан, защищающий систему отвода продуктов сгорания от возникновения больших избыточных давлений внутри нее. Это гарантирует, в случае возникновения эффекта Жуковского, немедленную стабилизацию давления внутри выхлопной установки. Поэтому, устройства этого типа разрешаются только для применения с выхлопными системами, работающими под разряжением!

Дополнительным преимуществом использования регуляторов тяги является поддержание тяги внутри дымохода на заданном уровне, что гарантирует постоянное качество сгорания топлива. Ведь хорошо известно, что с падением температуры окружающего (наружного) воздуха или в ветреную погоду разряжение в системе отвода продуктов сгорания может значительно увеличиваться, что собственно приводит к снижению эффективности сжигания топлива и росту его потребления. А следовательно, напрямую влияет на КПД теплогенератора (котла). Применение простого и эффективного устройства подачи вторичного воздуха, позволяет обеспечить равномерное сгорание топлива, уменьшить уровень выбросов и ощутимо сэкономить энергию. Опыт показывает, что расход топлива может быть уменьшен до 5%, а сами регуляторы тяги окупаются в течение одного-трех отопительных сезонов, в зависимости от схемы использования, характеристик и конфигурации системы дымоудаления.

Не маловажным дополнением является тот факт, что устройства подачи вторичного воздуха снижают риск возникновения неисправностей котельного оборудования по причине нарушения работоспособности газоотводящего тракта. Особенно это актуально тогда, когда котел используется для приготовления технологического тепла, ведь потери производства могут во много крат превысить стоимость оборудования и вызова обслуживающей организации.

Использование простых и надежных устройств подачи вторичного воздуха (ограничителей тяги) позволяет снизить риск повреждения выхлопной системы и увеличить эффективность ее использования. Ограничивая степень механического воздействия ударов Жуковского, эти устройства позволяют избежать повреждения выхлопной системы и, следовательно, избежать дополнительных, подчас не малых, затрат.