Сифонный трубопровод

Сифонным трубопроводом (сифоном) называется самотечный трубопровод, часть которого располагается выше уровня в сосуде (резервуаре), из которого происходит подача жидкости, рис. 10.1

Сифонные трубопроводы используют, например, в качестве водосбросов гидротехнических сооружений, для слива нефтепродуктов из цистерн, опорожнения водоемов через возвышенности, при самотечном соединении колодцев в системах водоснабжения и т. д.

Для того, чтобы сифон начал работать, необходимо заполнить его жидкостью, удалив воздух. Этого можно достичь путем отсасывания воздуха в наивысшей точке сифона или заперев концы сифона, залить его жидкостью через верхнюю точку, где одновременно удаляют воздух. После сплошного заполнения сифона жидкостью он начинает работать как обыкновенная труба, поэтому расчет сифонного трубопровода принципиально ничем не отличается от расчета простого трубопровода. Если составить уравнение Бернулли для сечений 1 – 1 и 2 – 2 взяв за 0 – 0 плоскость отсчета и считать, что в резервуарах жидкость покоится, то получим

Уравнение (10.1) может быть решено относительно неизвестных H, Q и d, т. е. сифонный трубопровод может быть рассчитан в любой постановке задачи.

Вместе с тем в расчете сифона есть и некоторая специфика. Очевидно, что жидкость движется по причине существования запаса потенциальной энергии за счет разности уровней Н; в то же время ясно, что при данной разности Н жидкость не может подняться неограниченно высоко в сифонной трубе. При расчетах необходимо дополнительно убедиться, не возникнет ли чрезмерный вакуум и не вызовет ли он вскипания жидкости, что нарушит работу сифона. Для этого составим уравнение Бернулли для сечений 1 – 1 и х – х, рис. 10.1. Относительно плоскости 0 - 0 получим

Принимая V₁=0 перепишем последнее уравнение в виде

Величина в левой части (10.3) представляет собой вакуум

где V – средняя скорость жидкости в сифоне,

z_X – высота сечения с давлением p_Х над уровнем жидкости в резервуаре 1,

l_X – длина части сифонной трубы от начала до сечения х – х.

Из уравнения (10.4) следует, что h_вак будет тем больше, чем больше z_X, скорость V и потери напора; предельным местоположением сечения х – х будет наивысшее сечение трубы.

Теоретически для нормальной работы сифонного трубопровода необходимо, чтобы минимальное давление в нем было всегда больше упругости паров жидкости при данной температуре

где p_min – минимальное давление в сифоне,

ρ – плотность жидкости,

A_t – упругость паров жидкости в м. ст. жидкости.

При расчетах рекомендуется назначить величину минимального давления значительно больше, во всяком случае для воды не менее 0,2 – 0,3 ат при нормальных температурных условиях. Этому значению соответствует наибольшая возможная высота расположения наивысшей точки сифона над свободной поверхностью жидкости в верхнем сосуде, равная примерно 7 м. Для того, чтобы избежать нарушения работы сифона надо либо уменьшить z, либо ввести дополнительные гидравлические сопротивления на нисходящем участке (ниже сечения х – х).

Задача 10.1 На рисунке 10.2 изображен сифонный трубопровод. Определить, где находится точка с наибольшим вакуумом (критическая точка) и подтвердить это расчетом. Давление на свободных поверхностях атмосферное, труба на участке АВ горизонтальная.