Lewar hydrauliczny

Schemat lewara

Lewar hydrauliczny – 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 dolnegoSzablon:OdnSzablon:R.

Elementy hydrodynamiki

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 górnymSzablon:R. 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 tymSzablon:R:

Zasada działania lewara p_a – 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, które sprzyja parowaniu (zmniejsza prężność pary nasyconej) i odgazowaniu (zmniejsza rozpuszczalność gazów)Szablon:R.

Obliczenia konstrukcyjne wykonywane są przy założeniach upraszczającychSzablon:R:

• przepływ jest stacjonarny, a ciecz jest nieściśliwym płynem idealnym,
• ciśnienie nad swobodną powierzchnią cieczy w zbiorniku górnym i w punkcie wypływu jest jednakowe (zwykle równe ciśnieniu atmosferycznemu, $p_a;$ 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 $(v)$ wynosiSzablon:R:

$v=\sqrt{2gH}.$

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,

$g$ – przyspieszenie 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 $(p_0)$Szablon:R:

$Z<\frac{p_a}{\gamma }-\frac{p_0}{\gamma }-\frac{v^2}{2g}-\mathrm{\Sigma }{h}_{straty},$

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 przerwaniaSzablon:R. Opracowano rozwiązania techniczne, które umożliwiają przeciwdziałanie tym efektom; stosowane są np. samoczynne głowice odpowietrzające, działające np. z wykorzystaniem zwężki VenturiegoSzablon:R.

Przykłady zastosowań

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 elementSzablon:R:

• ujęć wody w instalacjach wodociągowych,
• urządzeń umożliwiających zrzuty wody ze zbiorników retencyjnych lub polderów przeciwpowodziowych (do rzeki, po obniżeniu się jej poziomu),
• przelewów ścieków kanalizacji, w tym np. samoczynnych spłuczkach toaletowych.

W gospodarstwie domowym lewary są stosowane np. do zlewania win znad osaduSzablon:R lub oczyszczania akwariumSzablon:R. Szablon:Commonscat

Bibliografia

• Szablon:Cytuj książkę

Szablon:Kontrola autorytatywna