Истечение жидкости через сифонные трубопроводы

Трубопроводы, в которых жидкость движется при давлении ниже атмосферного, называют сифонными (сифон от греч. насос). Сифонные трубопроводы, применяемые для слива нефтепродуктов из цистерн, не имеют нижних сливных приборов. При транспортировке в цистернах нефтепродуктов с малой вязкостью (бензины, керосины, дизельные топлива) для предупреждения утечек и потерь топлива в цистернах нет нижних сливных устройств, поэтому топливо сливается через верхний колпак цистерны (верхний слив). Слив нефтепродуктов через горловину цистерны осуществляется сифонным способом.

Вначале нефтепродукт сливается в промежуточный (нулевой) резервуар, а из него насосами подается в хранилище. Для сифонного слива применяют специальные вакуумные установки.

Расчет сифонных трубопроводов осложнен из-за возможности возникновения в них кавитации. Кавитация (от лат. «cavitas» – полость) – явление образования в движущейся жидкости полостей, запол­ненных паром или газом. Она возникает в тех случаях, когда давление в каком-либо месте потока становится равным давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре. При этом нарушается сплош­ность потока, а при определенных условиях (например, всифонных трубопроводах) поток может быть разорван и движение жидкости прекратится.

Следовательно, устойчивая работа трубопроводов или гидравлических машин возможна только при отсутствии кавитации, т.е. когда абсолютное давление в любом живом сечении потока будет выше давления насыщенных паров жидкости при данной температуре

, (8.21)

где – давление насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Рассмотрим принципы расчета трубопроводов, работающих под вакуумом, на примере сифонного трубопровода.

Сифонным называют самотечный трубопровод, часть которого расположена выше уровня жидкости в сосуде (резервуаре), из которого подается жидкость [37, 61]. Простейшая схема сифонного трубопровода (сифона) в виде изогнутой трубы, соединяющей сосуды 1 и 2, представлена на рис. 8.6. Движение жидкости по трубопроводу осуществляется из верхнего сосуда в нижний за счёт перепада давления (напора) Δ z. Величина Δ z равна разности расстояний от плоскости сравнения до уровня жидкости в сосудах 1 и 2.

Сифонные трубопроводы используют в качестве водосбросов гидротехнических сооружений, для слива нефтепродуктов из цистерн, опорожнения водоемов, при прокладке водоводов через возвышенности. Для приведения сифона в действие его необходимо предварительно заполнить жидкостью. При надлежащей плотности стыков труб сифон продолжает работать как трубопровод и обеспечивает бесперебойное перетекание жидкости из одного сосуда в другой.

Рис. 8.6. Схема сифонного слива

Гидравлический расчет сифонного трубопровода делят на два этапа: сначала определяют предполагаемый расход, а затем проверяют выполнение условий его работоспособности.

Предполагаемый расход определяют так же, как и в обычном трубопроводе. Расход, полученный в результате расчёта, может быть действительным, если кавитация в сифоне отсутствует, или мнимым, если условия нормальной работы сифона не выполнены (см. неравенство 8.21).

Для проверки условий работоспособности сифона в нем выбирают сечение, где давление предположительно наименьшее («опасное» сечение). Такое сечение должно быть наиболее приподнято над уровнем жидкости сечения а-а 1 сосуда, а из равно приподнятых (если верхний участок трубопровода горизонтальный) – наиболее от него удаленным.Наиболее приподнятым и «опасным» над уровнем а – а жидкости будет сечение х – х (рис. 8.6).

Составим уравнение Бернулли для начального а–а и конечного х–х живых сечений потока [37]

. (8.22)

Откуда

,

, (8.23)

где р_а и р_х – давление жидкости (нефтепродукта) в сечениях а-а и х-х;

z _x – вертикальное расстояние от сечения а-а до сечения х-х;

v_x – средняя скорость жидкости в трубопроводе (в сечении х-х);

h _{a –x} – потери напора на трение в трубе по длине на участке а-а и х-х.

Если , сифон будет работать.

При расчете сифонов за величину принимают минимальное значение атмосферного давления в данной местности, а при определении потерь напора учитывают увеличение эквивалентной шероховатости трубопровода с течением времени.

За величину давления принимают давление насыщенных паров жидкости при максимально возможной для данной местности температуре перекачки. Следовательно, проверка работоспособности сифона ведется в расчете на наихудшие из возможных условий.

При работающем сифоне теоретический объёмный расход жидкости в м³/c определится выражением

Q = F = ∙ F, (8.24)

где – средняя скорость в сифонном трубопроводе, м/с;

F – площадь сечения трубопровода, м².

Если сливать бензин объемом V = 60 м³ из горловины железнодорожной цистерны модели 15-890 при помощи сифонного трубопровода диаметром
10 см в промежуточный резервуар при среднем перепаде напора Z, равном
5 м, то теоретический расход, с учетом уравнения 8.24, составит 0, 0077 м³/c, а время слива – 7790 с или 2, 16 часа. Время слива в секундах определялось из выражения 8.9 (t = V / Q).

Контрольные вопросы

1. Как определить время слива нефтепродукта в с, если известен его объем в м³ и секундный объемный расход в м³/с?

2. Что называется насадком и с какой целью он применяется?

3. Что называют коэффициентом расхода? Чему он равен для отверстия в тонкой стенке, для насадка и сливного трубопровода определенной длины?

4. Как определяется время истечения (вытекания) нефтепродукта при переменном напоре?

5. Что называют сифонным трубопроводом, какова методика его расчета и как он применяется при верхнем сливе нефтепродукта?