Lewar hydrauliczny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Schemat lewara (ang. siphone)

Lewar hydrauliczny (ang. syphone[a]) – urządzenie hydrauliczne w postaci wypełnionej cieczą rury o dwóch ramionach, służące do grawitacyjnego przelewania cieczy ponad przegrodą; jest rurociągiem, w którego krótszej części ciecz wznosi się ze zbiornika górnego nad przegrodę, a w dłuższej – spływa do zbiornika dolnego[1][2][3].

Elementy hydrodynamiki[edytuj | edytuj kod]

Lewary są rurociągami, ciecz płynąca w nich spełnia równanie Bernoulliego. Problemy dodatkowe są związane ze specyfiką konstrukcji – ciecz spływająca grawitacyjnie ze zbiornika górnego do dolnego przebywa część drogi w rurociągu wyniesionym ponad powierzchnię w zbiorniku górnym[1][4][5]. W tej części rurociągu panuje ciśnienie mniejsze od ciśnienia zewnętrznego. Aby ruch wbrew siłom grawitacji był możliwy, w krótszej części lewara musi wystąpić efekt ssania, spowodowany grawitacyjnym spływem w części dłuższej (zob. ciśnienie hydrostatyczne). Przyczyną ssania są siły wzajemnego przyciągania cząsteczek cieczy, warunkiem działania lewara jest więc zachowanie ciągłości strugi, a w związku z tym[4][5]:

Zasada działania lewara
pa – ciśnienie zewnętrzne, H – różnica poziomów zbiorników, Z – wyniesienie ponad powierzchnię cieczy w zbiorniku górnym.
  • lewar musi być całkowicie wypełniony cieczą (zainicjowanie działania przez zassanie lub zalanie),
  • muszą być spełnione warunki konstrukcyjne, w których nie będzie dochodziło do przerywania strugi wskutek parowania cieczy lub jej odgazowania (np. wydzielania się nadmiernej ilości pęcherzyków powietrza rozpuszczonego w wodzie).

Niepożądane odparowanie i odgazowanie cieczy może wystąpić w najwyższej części rurociągu, gdzie panuje najmniejsze ciśnienie, któe sprzyja parowaniu (zmniejsza prężność pary nasyconej) i odgazowaniu (zmniejsza rozpuszczalność gazów)[1][4][5].

Obliczenia konstrukcyjne wykonywane są przy założeniach upraszczających[4][5]:

  • przepływ jest stacjonarny, a ciecz jest nieściśliwa płyn idealny,
  • ciśnienie nad swobodną powierzchnią cieczy w zbiorniku górnym i w punkcie wypływu jest jednakowe (zwykle równe ciśnieniu atmosferycznemu, pa; w warunkach normalnych 1013 hPa),
  • lewar ma stałą średnicę, która jest na tyle duża, że można pominąć różnice ciśnień między punktami przekroju rurociągu,
  • prędkość obniżania się poziomu cieczy w zbiorniku jest znikomo mała w stosunku do liniowej prędkości wypływającej cieczy.

Zasada zachowania energii, zastosowana przy tak sformułowanych założeniach, prowadzi do stwierdzenia, że niezależnie od kształtu naczynia, prędkość cieczy wypływającej z lewara (v) wynosi[1][6][4][5]:

v =\sqrt{2gH}

Wysokość wyniesienia rurociągu nad górną powierzchnię swobodną (Z), przy której nie zostanie osiągnięte ciśnienie odpowiadające wrzeniu cieczy określa wzór:

Z <\frac {p_a}{\gamma}-\frac {p_0}{\gamma}

gdzie:

H – różnica między poziomem powierzchni cieczy w zbiorniku górnym i poziomem punktu wypływu,
gprzyspieszenie ziemskie.

Z powyższego wynika, że ilość cieczy wypływającej lewara zależy od pola przekroju lewara i różnicy poziomów cieczy.

W dokładniejszych analizach rozpatruje Równanie Bernoulliego, zmiany ciśnienia wywołane płynięciem cieczy, straty energii w przepływie cieczy rzeczywistej. Dodatkowe założenia zmniejszają maksymalną wysokość wyniesienia rurociągu nad górną powierzchnię swobodną (Z), przy których nie zostanie osiągnięte ciśnienie odpowiadające wrzeniu (p0)[4]:

Z <\frac {p_a}{\gamma}-\frac {p_0}{\gamma}-\frac {v^2}{2g}-\Sigma h_{straty}

gdzie:

{\gamma}ciężar właściwy cieczy w lewarze.

Transportowanie cieczy uwalniających gazy wymaga specyficznych metod obliczeń i rozwiązań technicznych. Wydzielanie się powietrza ma charakter burzliwy, co wywołuje wtórne lokalne zmiany ciśnienia oraz związane z tym zjawiska korozji kawitacyjnej i drgania akustyczne. Skutkiem gromadzenia się powietrza w najwyższej części lewara jest stopniowe zmniejszanie się przekroju strugi cieczy, aż do jej przerwania[5]. Opracowano rozwiązania techniczne, które umożliwiają przeciwdziałanie tym efektom; stosowane są np. samoczynne głowice odpowietrzające, działające np. z wykorzystaniem zwężki Venturiego[4].

Przykłady zastosowań[edytuj | edytuj kod]

Przykład zastosowania zasady naczyń połączonych – lewar i „odwrócony lewar” (syfon)
Proces lewarowania płynu w małej skali lewarka

Lewary są powszechnie stosowane w technice sanitarnej, np. jako element[4][5]:

W gospodarstwie domowym lewary są stosowane np. do zlewania win znad osadu[7] lub oczyszczania akwarium[8].

Wikimedia Commons

Uwagi

  1. Pojęcie „lewar” jest wieloznaczne; w języku polskim oznacza również „dźwigniki” o różnej konstrukcji, wielkości i napędzie, wśród nich np. podnośnik hydrauliczny. W języku angielskim urządzenia określane w Polsce terminem „lewar hydrauliczny” są nazywane siphone, podczas gdy w języku polskim „syfon” ma inne znaczenie; oznacza np.:

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Janusz Ciborowski: Inżynieria chemiczna. Wyd. 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1955, s. 17–18. (pol.)
  2. 2,0 2,1 Lewar (pol.). W: Encyklopedia Gutenberga [on-line]. www.gutenberg.czyz.org. [dostęp 2012-10-10].
  3. 3,0 3,1 Lewar hydrauliczny (pol.). W: Wiem, darmowa encyklopedia [on-line]. portalwiedzy.onet.pl. [dostęp 2012-10-10].
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 Praca zbiorowa pracowników Zakładu Hydrauliki i Hydromechaniki, red. Katarzyna Baran-Gurgul: Ćwiczenia laboratoryjne z hydrauliki, Rozdz. VI. Lewar (s. 28—31) (pol.). W: Skrypt Politechniki Krakowskiej; Kraków 2001 [on-line]. holmes.iigw.pl. [dostęp 2012-10-10].
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 Hydraulika. Przepływ cieczy w lewarach o małych przekrojach (pol.). W: Materiały dydaktyczne Politechniki Lubelskiej, Wydział Inżynierii Środowiska [on-line]. onet.pl. [dostęp 2012-10-10].
  6. 6,0 6,1 Janusz Ciborowski: Podstawy inżynierii chemicznej. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1965, s. 61–62. (pol.)
  7. 7,0 7,1 Ściąganie win znad osadów (pol.). amatorsportu.blogspot.com/2007/11. [dostęp 2012-10-12].
  8. 8,0 8,1 Water Siphon Demonstration (ang.). www.youtube.com. [dostęp 2012-10-12].