ضربه قوچ Water Hammer

[spow 44197]

آشنایی با پدیده ضربه قوچ :

ضربه قوچ که در بعضی از متون فارسی از آن به عنوان « چکش آبی » هم یاد شده از ترجمه واژه Water Hammering آمده است. این پدیده در خطوط لوله جریان تحت فشار و مجاری باز اتفاق می افتد و بوضوح بر قوانین فشار ، تغییرات آبی یا تغییرات سرعت جریان و شرایط زمانی و مکانی حرکت سیال استوار است. در بعضی از سیستم های هیدرولیکی تخت فشار ، نظیر خطوط انتقال آب ، نفت یا شبکه های توزیع و لوله های آب بر منتهی به توربین ها ، تونل های آبی ، سیستم های پمپاژ و جریان های ثقلی ، پدیده ضربه قوچ با ایجاد موج های سریع ، زودگذر و میرا موجب خطرات گوناگونی می شود. گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج های فشار به حدی است که نتایج و خیمی به بار می آورد. ترکیدن خطوط لوله در سیستم های انتقال و شبکه های توزیع ، خرابی و شکسته شدن شیرها ، دریچه های کنترل و پمپ ها از نمونه های بارز تأثیر این پدیده می باشد. برای نمونه ، در سال 1934 میلادی قدرت تخریبی ضربه قوچ در پروژه ای موجب شده که قطعه ای از اطراف خط لوله به وزن 12 تن تا فاصله 50 متری پرتاب شود. در واقع امروزه در کلیه طرح های انتقال آب یا سیستم های انتقال سیالات دیگر ، بررسی و مطالعه دقیق ضربه قوچ به عنوان یک امر لازم و ضروری می باشد تا با شناخت کامل اثر آن ، برای کنترل اثرات سوء این فرایند تمهیدات مناسب اتخاذ گردد. تاریخچه بررسی ضربه قوچ . بر اساس اظهار نظر آقای wood در سال 1850 میلادی آقای wilhem weber ، اثر« Elasticity » دیواره یا جدار لوله ها را بر روی سرعت موج حاصل از ضربه قوچ مطالعه نمود. در سال 1875 شخص دیگری به نام Marey به نتایج آزمایشگاهی دست یافت و چنین بیان داشت که سرعت انتشار موج فشار ضربه قوچ در تحت یک شرایط معین ، ثابت می باشد . آقای Michaud jules نیز به مطالعه پرداخت در استهلاک موج فشار ضربه قوچ . شاید آقای نیکلای ژوکوسکی Nicolai joukowski در سال 1898 در شهر مسکو ، اولین شخصی بود که نشان داد علت بالا رفتن فشار در مسیر خطوط لوله انتقال در نتیجه تغییر سرعت و جرم مخصوص سیال است

.

ادامه این تحقیقات در طول قرن بیستم ادامه یافت و در حدود سال های 1913 یک شخص ایتالیایی به نام لورانز آلیوی Lorenzo Allievi و همکارانش به تجزیه و تحلیل جدیدی از فرآیند ضربه قوچ رسیدند و دامنه مطالعات قبلی را به صورت گسترده ای بسط و توسعه دادند ایشان روش ریاضی و ترسیمی را برای تعیین فشار ضربه قوچ ابداع و ارائه نمود و در مدت 50 سال کار خود به نتایج مهمی دست یافته است

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

.

دیگر افراد مثل سیندر Shnder ، برگرونBergeron ، آنگوس Angus و لوپتان Lupton نام برد. آقایانی چون کالامه و گودن در سال 1926 کتابی تحت عنوان Chanbers d Eguikibre Theorie des منتشر کرد . و همچنین آقایان پارماکیان ، استزیتروشارپ نیز نقش به سزایی داشته اند. این پدیده از 90 سال قبل مورد توجه قرار گرفت و از سال 1950 تحقیقات و مطالعات پیرامون آن انجام شد و عمر مطالعات هنوز به یک قرن نرسیده و علمی جوان است.

موقعیت هندسی ، شکل و اندازه خطوط انتقال یا لوله های جریان ، موقعیت مخازن ذخیره ، افزایش یا کاهش سرعت با باز و بسته نمودن شیر آلات ، راه اندازی و یا از کار افتادن پمپ ها و توربین ها نیز می توانند موجب ایجاد ضربه قوچ شوند. تا این جا هر چه که گفتیم مربوط به شناخت ضربه قوچ بوده است حال به محل و علت وقوع این فرآیند بر اساس موقعیت هندسی ، در سیستم های مختلف انتقال خواهیم پرداخت. بر اساس همین امر عوامل مؤثر در ایجاد ضربه قوچی را در رابطه با وسایل و تأسیسات و چگونگی استقرار آنها و یا کاهش سرعت واکنش وسایل در ارتباط با سیستم انتقال ، به شرح زیر تقسیم نمود - چگونگی طرح خطوط لوله انتقال . - موقعیت مخازن ذخیره. - حرکت تند و کند شیر آلات در هنگام باز و بسته شدن.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

[spow 44197]

پدیده ضربه قوچ

جابجایی آب در لوله دارای انرژی جنبشی است که به جرم آب در حجم خالص و توان دوم بستگی دارد.

به همین دلیل در اکثر چارت های سایز بندی لوله ها پیشنهاد میشود که سرعت آب در لوله ها زیر 5ft/s (1.5 m/s ) اگر لوله در خروجی به صورت ناگهانی بسته شود (جریان پایین دست) جرم آب قبل از رسیدن به آن نقطه با همان سرعت قبلی خود حرکت میکند که باعث ایجاد یک فشار بسیار زیاد می شود به نام شک ضربه ای. در لوله کشی خانگی حتما آن را تجربه نموده ایدکه شبیه به صدای چکش میباشد. ضربه قوچ باعث شکستگی لوله ها یا باعث ترکیدگی آن در فشارهای زیاد میشود. تله بادی (که در بالای لوله وجود) معمولا به عنوان دمپر اضافه میشود تا نیروی ناشی از حرکت آب برای جلوگیری از آسیب رساندن به سیستم باشد. در برخی از نیروگاه ها برق آبی وسیله ای به نام برج آبی به همین منظور نصب میگردد. به زبان دیگر وقتی والو آب به صورت ناگهانی بسته میشود جریان پایین دست تلاش میکند که به حرکت خود ادامه دهد که باعث ایجاد یک مکش میشود که باعث فروریختن یا از داخل منفجر شدن لوله میشود. این مشکل مخصوصا در سراشیبی لوله ها بیشتر میشود. برای جلوگیری از آن یک شیر خلاص یا یک بسته هوای در جریان پایین دست اضافه میشود که باعث میشود هوا وارد خط لوله شده و از چنین مکش هایی جلوگیری میکند. در خانه ها ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق می افتد که ماشین ظرف شویی یا لباس شوئی یا توالت ها به صورت ناگهانی آب را قطع میکند که باعث ایجاد یک صدای بلند میشود. یک وسیله گازی روغنی شبیه به جمع کننده ضربه که به نام از بین برنده ضربه قوچ ان را میشناسند میتواند بین لوله و دستگاه متصل شود که میتواند ضربه را دفع و از صدای بلند آن جلوگیری کند. سیستم گرمائی بخاری خانه ها نیز میتواند از ضربه قوچ آسیب پذیر باشند. در سیستم بخار آبی ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق ما افتد که مقداری از بخار آب در ناحیه افقی لوله میعان شود.متعاقبا بخار با فشار بر آب جمع شده و رساندن آن به یک سرعت بالا میتواند یک ضربه قوچ شدید با صدای مهیب ایجاد کند. این شرایط معمولا هنگامی رخ میدهد که آبریزگاه مناسب برای خروج آب در لوله بخار آب وجود نداشته باشد. نیروگاه های برق آبی باید با دقت فراوان طراحی شوند چون ضربه قوچ ممکن است موجب انفجار آنها شود. یکی از اولین افراد موفق در رسیدگی به ضربه قوچ مهندس ایتالیایی به نام لرنزو آلیویه بود.(Lorenzo Allievi)

دلایل احتمالی ایجاد ضربه قوچ:

1_آزاد شدن ناگهانی هوا(شیر آتش نشانی یا آزاد شدن هوا) 2_تریپ پمپ یا شروع به کار آن 3_شیر های یک طرفه که به مشخصه دینامیکی شیر یک طرفه و جرم آب موجود بین شیر و تانک دارد. 4_ناگهانی باز بسته شدن آب 5_رزونانس دستگاههای فرعی خصوصا پمپ اگر با فرکانس طبیعی لوله یکسان شود باعث ایجاد ضربات شدید در لوله ها میشود

نرم افزاها:

اکثر بسته های نرم افزاری ضربه قوچ از روش اجزا محدود استفاده میکند. این روش هنگامی اثر بخش خواهد بود که سرعت در طول زمان تغییر نکند و هوا وارد لوله ها نشود.تعداد زیادی از نرم افزارهای تجاری و غیر تجاری هم اکنون موجود میباشد. بسته های نرم افزاری در پیچیدگی حل با یکدیگر تفاوت دارند که به روش تحلیل آنها بستگی دارد بسته های حرفه ای ممکن است دارای گزینه های زیر باشد. 1-امکان چند فازه بودن سیال 2-یک الگوریتم مناسب برای خلا سازی در لوله 3-اصطکاک متغیر- فشار موج وقتی جریان توربولنت تولید میشود 4-تغییر برخی از ضرایب در فشار های بالا که باعث میشود آب کمتر تراکم پذیر شود 5-ساختار فعل و انفعالی سیال که خود آن باعث ایجاد فشار های مختلف در لوله شده و باعث ایجاد موج ضربه ای میشود.

روش های پیشگیرانه از ضربه قوچ:

خسارت های ناشی از ضربه قوچ باعث ایجاد خرابی ها ئی میشود ولی معمولا از حد شکستگی لوله ها فراتر نمیرود. یک مهندس باید بتواند حداقل مقدار ریسک ضربه قوچ لوله های پشت سر هم را تخمین بزند. لوله هائی که در معرض خطر قرار دارند باید به آنها رسیدگی بیشتری شود. 1-سرعت پایین آب 2-لوله هائی با تحمل فشار بالای آب (گران) 3-اتصالات مناسب (در باز و بسته شدن شیرهای آب) 4-برج های آبی (که در سیستم های آب آشامیدنی استفاده میشود) و به نگهداری حالت دائم سیال کمک میکنند و فشار ناشی از ضربه قوچ را کاهش می دهد. 5-ups یک منبع تغذیه برق که برای دمپ کردن فشار ناشی از کار افتادن ناگهانی پمپ روشن شده تا چند دقیقه پمپ به کار خود ادمه میدهد. 6-نصب flywheel یا چرخ طیار در پمپ ها 7-گذرگاه فرعی برای پمپ ها موارد کاربردی 1-از اصول ضربه قوچ برای ایجاد یک پمپ به نام هیدرولیک رم استفاده شده است 2-در شناسایی سوراخ هایی احتمالی در لوله ها از ضربه قوچ استفاده میشود. 3-شناسایی بسته های هوائی اضافه شده به لوله 4-نیروی دریائی آمریکا در حال آزمایشی روشی است که در خنثی کردن مین ها از ضربه قوچ آب استفاده میکنند.

[spow 44197]

زمانی که یک سیال در داخل یک لاین(لوله) در حال حرکت می باشد ممکن است بر اثر عواملی همچون کم و زیاد شدن شدت جریان یا زمانی که شیر می خواهد باز شود یا ناگهان بسته می شود. این پدیده باعث تغییر ناگهانی جریان و ایجاد افت فشار به شکل یک موج فشاری در طول لوله می شود که حرکت کرده و باعث کم و زیاد شدن فشار می شود.

به این پدیده ضربه قوچ می گوییند

[spow 44197]

روشهاي جلوگيري ازضربه آبي(قوچ)

يكي از معضلات سيستم هاي انتقال بخار پديده ضربه آبي است كه در صورت بروز با سروصدا و آسيب هاي جدي به لوله ها و اجزاء سيستم، مانند تله هاي بخار، تخليه كننده ها (Vents) همراه خواهد بود. در اين سيستم ها دو نوع ضربه داريم .

1- در اثر تجمع قطرات تقطير شده در قسمت افقي لوله هاي بخار و عبور بخار با سرعت بالا در مجاورت اين قطرات ضربه اتفاق مي افتد. در اثر برخورد بخار سريع (تا 50 m/s ) با قطرات مايع لرزش ايجاد شده و در صورت حجيم بودن توده آب تشكيل شده حركت اين توده با سرعت نزديك سرعت بخار و برخورد آن به اولين زانوئي مسير، نيروي فوق العاده اي بر زانوئي اعمال شده كه ممكن است منجر به شكست لوله گردد.

2- ضربه آبي نوع دوم همان كاويتاسيون است كه در اثر شكل گرفتن حباب هاي بخار در لوله اي كه از آن آب عبور مي كند رخ مي دهد چنانچه در اثر تبادل حرارت بخارها تقطير شوند حبابهاي بخار تركيده و پديده كاويتاسيون رخ ميدهد دراينصورت امكان آسيب ديدگي تله هاي بخارواجزاء ديگر سيستم وجود دارد.

موارد مهم در نصب لوله هاي بخار جهت جلوگيري از اين پديده بقرار زيرمي باشند:

1- لوله هاي بخار بصورت شيبدار از ديگ بخار تا محل تخليه قطرات (Drip Trap) نصب شوند.

2- جايگاه تخليه قطرات بايستي جلوتر از شير تنظيم بخار پيش بيني شود تا از تجمع قطرات در موقع بسته بودن شير جلوگيري شود.

3- صافي هاي Y شكل نصب شده در خطوط بخار بايستي داراي پرده صافي نصب شده افقي باشند تا مانع جمع شدن قطرات و حركت توده ائي آنها در موقع شروع جريان بخار شود.

4- كليه تجهيزاتي كه داراي تنظيم كننده بخار هستند بايستي داراي تخليه ثقلي قطرات از تله بخار باشند و از برگشت به مسير با افزايش ارتفاع (Lifts) بايستي جلوگيري شود.

يك تله ترمو استاتيك بهترين انتخاب براي يك مبدل حرارتي است در اين صورت هواي جمع شده سريعا" تخليه ميگردد. در صورت عدم تخليه قطرات امكان بروز پديده ضربه و عملكرد ضعيف مبدل وجود دارد.

هر افزايش ارتفاعي (Lifts) در خطوط برگشتي كندانس بعد از تخليه تله بخار نياز به يك فشار مثبت در پوسته مبدل حرارتي جهت تخليه قطرات كندانس دارد، واضح است تا تأمين فشار كافي، احتمال افزايش دماي سمت بخار وجود خواهد داشت و در اينصورت دماي آب خروجي از مبدل نيز تغيير خواهد كرد.

در اغلب مبدلهاي حرارتي خلاء شكن نصب مي شود بنحويكه چنانچه در داخل پوسته خلاء ايجاد شد شير خلاء شكن باز شده و هوا به داخل مبدل جريان يابد در غير اينصورت خلاء ايجاد شده در مبدل موجب جمع شدن مايع و بروز پديده ضربه مي گردد.

[spow 44197]

کندانسی که در بخش تحتاني خط بخار قرار دارد مي تواند باعث بروز پديده ضربه قوچ شود. زماني که بخار با سرعت بسيار بالا حرکت مي کند هنگام حرکت از روي لايه ي کندانسه باعث ايجاد موج بر روي آن مي گردد. اگر اين حالت افزايش يابد بخار پرسرعت مي تواند کندانسه را به حرکت درآورده و هنگام تغيير راستا، يک ضربه خطرناک ايجاد کند. اين پديده را ضربه قوچ مي نامند. زماني که کندانسه پر سرعت به مانعي برخورد مي کند انرژي جنبشي آن به انرژي فشاري تبديل شده و اين افزايش فشار ناگهاني مي تواند باعث تخريب مکانيسم عملکردي در تله هاي شناور و تله هاي ترموستاتيک فشار متعادل گردد. براي اجتناب از اين پديده بايد از تله هاي قدرتمند مانند تله هاي ترموديناميکي يا تله هاي سطل وارونه استفاده نموده و يا راستاي لوله کشي را عوض نمود.