درباره پديده چكش آبي (ضربه قوچ)

درحال مشاهده: درباره پديده چكش آبي (ضربه قوچ)

ادعونی اهدای خون

درباره پديده چكش آبي (ضربه قوچ)

۱۳۹۰/۰۲/۰۵

12:43

امیرحسین ستوده بیدختی

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:

در موقع قطع برق موتور پمپ های دورانی یا سانتریفوژ (قطع ناگهانی برق یا خاموش کردن ناگهانی پمپ)، نیروی محرکه دوران دهنده پروانه پمپ سریع قطع می گردد، به همین دلیل سرعت جریان سیال بطور ناگهانی تغییر می یابد و انرژی سینتیک از حالت فشار به مکش در خروجی پمپ تبدیل می شود. در این تغییر، امواج فشاری شدیدی در امتداد لوله خروجی پمپ پیش می رود و این امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعکس و برگشت می کند، موج برگشتی جهت جریان سیال را در پمپ عوض کرده و دبی ماکزیممی در جهت عکس، از پمپ جریان می یابد و پمپ به صورت توربین در جهت عکس چرخش اولیه خود شروع به چرخش می نماید و برای مدت کوتاهی پمپ همانند توربین آبی عمل می نماید.

هرگاه در شبکه ای با خطوط طویل، به هر علتی سرعت سیال ناگهان قطع شود، موج های فشاری در شبکه به وجود می آید، که این موج ها می توانند چندین برابر فشار کار دستگاه (پمپ)، فشار تولید نمایند و موجب به وجود آمدن تنش های بسیار زیادی در اجزاء شبکه گشته و باعث صدمات فراوانی به شبکه شوند و در بدترین حالات باعث شکستگی پوسته پمپ و لوله ها و اتصالات شبکه می شود. چنانچه این فشار تعدیل نشود پمپی که می بایست حداقل 10 سال کار نماید در کمتر از 10 ماه از بین می رود.یکی از بهترین راه های کاهش ضربه قوج استفاده از یک محفظه هوا در مجاورت خط لوله که قسمت پائینی آن پر از آب بوده و قسمت بالائی آن هوای فشرده محبوس است می باشد، بدین ترتیب که محفظه هوا را به هر شکل دلخواه هندسی می توان ساخت و بصورت افقی، قائم یا کج نصب نمود، وقتی پمپ بطور ناگهانی خاموش می شود هوای داخل محفظه انبساط می یابد و آب انتهای آنرا به لوله رانش منتقل می کند، شیر یکطرفه لوله رانش بسته می شود و موج برگشتی به داخل محفظه هوا جریان می یابد.

ضربه قوچ به زبان ساده حالت ناپایداری است که از تغییر در وضعیت کنترل کنندگان جریان رخ میدهد حاصل میشود. منظورم از کنترل کنندگان جریان، شیر یا دریچه ها و پمپهاست

یعنی باز و بست کردن شیر یا خاموش روشن کردن پمپ میتواند در سیستم حالت ناپایداری به وجود آورد که این پدیده پیش آید. همانظور که در واژه شناسی اصطلاح این پدیده بیان شد. صدایی که از این ضربه حاصل میشود مانند برخورد شاخ دو قوچ به همدیگر است که علت نامگذاری ضربه قوچ میباشد.

ضربه قوچ فواید و مضراتی دارد که از فواید آن میتوان استفاده از این پدیده برای پمپاژ اسم برد. نوعی پمپ خاص به نام Ram Pump میباشد. که Ram هم به معنی قوچ است.

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 می شود

نرم افزاها:

اکثر بسته های نرم افزاری ضربه قوچ از روش اجزا محدود استفاده می کند.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 می باشد.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 می شود

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 می شود.

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 می دهد.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 است2-در شناسایی سوراخ هایی احتمالی در لوله ها از ضربه قوچ استفاده می شود.3-شناسایی بسته های هوائی اضافه شده به لوله4-نیروی دریائی آمریکا در حال آزمایشی روشی است که در خنثی کردن مین ها از ضربه قوچ آب استفاده می کنند.

ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوي Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگليسي Water Hammer‌ (چكش آبي) مي باشد، ضربه قوچ در اثر يك تغيير (يا قطع ناگهاني) در سرعت جريان سيال در يك مجرا (شبكه) به وجود مي آيد، به عبارت ديگر انرژي سينتيك (Kinetic Energy) به انرژي الاستيسيته(Elasticity Energy) تبديل مي گردد. در موقع قطع برق موتور پمپ هاي دوراني يا سانتريفوژ (قطع ناگهاني برق يا خاموش كردن ناگهاني پمپ)، نيروي محركه دوران دهنده پروانه پمپ سريع قطع مي گردد، به همين دليل سرعت جريان سيال بطور ناگهاني تغيير مي يابد و انرژي سينتيك از حالت فشار به مكش در خروجي پمپ تبديل مي شود. در اين تغيير، امواج فشاري شديدي در امتداد لوله خروجي پمپ پيش مي رود و اين امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعكس و برگشت مي كند، موج برگشتي جهت جريان سيال را در پمپ عوض كرده و دبي ماكزيممي در جهت عكس، از پمپ جريان مي يابد و پمپ به صورت توربين در جهت عكس چرخش اوليه خود شروع به چرخش مي نمايد و براي مدت كوتاهي پمپ همانند توربين آبي عمل مي نمايد.

هرگاه در شبكه اي با خطوط طويل، به هر علتي سرعت سيال ناگهان قطع شود، موج هاي فشاري در شبكه به وجود مي آيد، كه اين موج ها مي توانند چندين برابر فشار كار دستگاه (پمپ)، فشار توليد نمايند و موجب به وجود آمدن تنش هاي بسيار زيادي در اجزاء شبكه گشته و باعث صدمات فراواني به شبكه شوند و در بدترين حالات باعث شكستگي پوسته پمپ و لوله ها و اتصالات شبكه مي شود. چنانچه این فشار تعدیل نشود پمپی که می بایست حداقل 10 سال کار نماید در کمتر از 10 ماه از بین می رود.

همانطور كه در بالا اشاره شد، بر اثر قطع ناگهاني نيروي محركه پمپ، براي زمان كوتاهي پمپ مانند توربين آبي (WaterTurbine) عمل مي نمايد و كاهش ناگهاني حركت سيال موجب مي شود، فشار داخل لوله خروجي پمپ از فشار اتمسفر كمتر گردد. همچنين به علت اصطكاك دروني پمپ و موتور، كاهش قابل ملاحظه اي در خروجي پمپ ايجاد مي نمايد كه مجموعه اين عوامل باعث تبخير آب و قطع جريان آن در خروجي پمپ مي شود و حداقل فشاري در حد فشار بخار آب در لوله خروجي ايجاد مي گردد.

عمل تشكيل بخار باعث جدا شدن ستون آب از پمپ مي گردد (پديده جدا شدن ستون آب، همان جدا شدن مايع است كه در اثر كشش بيش از حد وقتي فشار كاهش يافته و نزديك فشار تبخير مي شود به وجود مي آيد.) و اين كاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حركت نموده و ادامه پيدا مي كند تا به مخزني كه آب به آن پمپ مي شود، مي رسد. اين حركت موجي بر اثر برخورد با اين مانع منعكس گشته و ستون هاي آب جدا شده مجدداٌ به هم متصل شده و به صورت يك موج افزايش يافته دوباره به سمت پمپ برمي‌گردد و به پمپ ضربه وارد مي نمايد (ضربه قوچ) و اين پديده مجدداً تكرار مي شود. در خلال حركت موج فشار در لوله، مقداري از انرژي آن در اثر اصطكاك از بين مي رود. موج فشاري ناشي از افزايش فشار موج تراكم و موج فشاري ناشي از كاهش فشار موج انبساط نام دارد، امواج تراكم در برخورد با مانع نرم مانند منبع آب، هوا و ... به صورت موج انبساط و در برخورد با مانع سخت مانند شير يكطرفه، ديوار و ... بصورت امواج تراكم منعكس مي شود، اين مسئله در مورد موج انبساط نيز صدق مي كند. افت فشاري كه بر اثر اصطكاك داخل لوله به وجود مي آيد روي نوسانات فشار تأثير نموده و كم كم آن را مستهلك و سيستم به حالت تعادل در مي آيد. پتانسيل تخريبي ضربه قوچ با صداي ناشي از آن قابل تشخيص است، ولي مواردي بوده است كه صداي ضربه قوچ شنيده نشده است، اما باعث منهدم شدن لوله گرديده كه پس از آناليز آن مشخص شده است كه تخريب به وسيله پديده ضربه قوچ بوده است. ضربه قوچ سريع و زود گذر است ولي ضربات بسيار مخرب دارد و تعيين شدت آن در بعضي از مواقع بي نهايت دشوار مي باشد.

پديده ضربه قوچ در زمان استارت پمپ هم به وجود مي آيد و باعث ازدياد فشار اضافي در پمپ و لوله مي گردد. ولي مشكلات و مخاطرات ناشي از آن كمتر از ضربه قوچ هنگام خاموش شدن پمپ مي باشد. در ابتداي راه اندازي پمپ، ميزان جريان آب حدود صفر مي باشد و با ازدياد ناگهاني فشار بر اثر چرخش پروانه و ايجاد جريان سريع، موج فشاري برابر با فشار ضربه قوچ (در حالتي كه شير بسته باشد) ايجاد مي نمايد، اين پديده را با نيمه باز گذاشتن شير خروجي پمپ مي توان كنترل و فشار اضافي ايجاد شده را كاهش داد.

برای کاهش فشار ناگهاني از پديده ضربه قوچ بخصوص در زمان خاموش شدن پمپ راه های ذیل پیشنهاد می شود:

-ایجاد شیر یکطرفه بر روی لوله رانش (البته شیر یکطرفه از خطرات ناشی از ضربه قوج مصون نیست و می بایست بطور متوسط هر یک ماه یکبار بازدید شود).

-نصب شیر اطمینان برای تنظیم فشار

-یکی از بهترین راه های کاهش ضربه قوج استفاده از یک محفظه هوا در مجاورت خط لوله که قسمت پائینی آن پر از آب بوده و قسمت بالائی آن هوای فشرده محبوس است می باشد، بدین ترتیب که محفظه هوا را به هر شکل دلخواه هندسی می توان ساخت و بصورت افقی، قائم یا کج نصب نمود، وقتی پمپ بطور ناگهانی خاموش می شود هوای داخل محفظه انبساط می یابد و آب انتهای آنرا به لوله رانش منتقل می کند، شیر یکطرفه لوله رانش بسته می شود و موج برگشتی به داخل محفظه هوا جریان می یابد.

توجه به نكات زير نيز ضروري است:

1-اگر پوسته پمپ ضمن کار داغ گردد ولی پمپ هیچ آبدهی نداشته باشد، دلیل آن است که برای این پمپ فشار رانش خیلی بالا است (البته ممکن است در اثر کور شدن لوله پمپ نیز این اتفاق بیافتد).

2-اگر پمپ سرد باشد ولی آبدهی نداشته باشد دلیل آن است که پمپ هوا گرفته است.

3-اگر پمپ مکش ندارد در حالی که عقربه های فشار سنج بشدت می پرند، دلیل اینست که هواگیری پمپ کامل نیست.

4-اگر پمپ مکش نداشته باشد و خلاءسنج خلاء زیادی را نشان دهد، بدلیل اینست که شیر پایاب(سوپاپ) خراب است یا برای پمپ مذکور سنگین است یا مقاومت لوله مکش زیاد می باشد و یا اینکه ارتفاع مکش زیاد است.

5-اگر پمپ کارکند و فشار سنج و خلاءسنج صفر نباشند ولی آبدهی وجود نداشته باشد دلیل آن مقاومت زیاد خطوط لوله است.

6-اگر آبدهی پمپ کمتر از ارتفاع محاسباتی باشد علت آن ممکن است به علت گرفتگی صافی یا پره های پمپ، یا مشکل آبندی، یا ارتفاع رانش خیلی زیاد و یا گردش معكوس پروانه ها باشد.

7-اگر پمپ مدت کوتاهی کار کند ولی بلافاصله آبدهی آن قطع شود احتمالاً بعلت نشت هوا از اتصالات لوله مکش، یا گرفتگی لوله ها و یا عدم استغراق کامل دهنه مکش باشد.

8-اگر یاتاقان های پمپ بیش از حد داغ نمایند (دمای آنها نباید بیش از 60- 70 درجه گرم شوند) علت آن عدم روغن کاری کافی پمپ یا عدم بالانس بودن محور پمپ و موتور و یا بعلت سائیدگی ناشی از کار زیاد می تواندباشد.

9-اگر شدت صدای موتور پمپ بیش از حد معمول باشد علت آن سفتی بیش از حد کاسه نمد ها یا فاصله زیاد پروانه ها بعلت سائیدگی زیاد می باشد.

نصب پمپ های افقی:

بطور کلی پمپ های افقی می بایست نزدیک منبع پایاب نصب شوند و حتی الامکان از طول لوله مکش کاسته شود، بهترین روش نصب پمپ آن است که پمپ و موتور و تکیه گاه یک تکه واحد را تشکیل داده، که فونداسیون آنها جدا از فونداسیون اسکلت ساختمان باشد. در صورتی که ارتفاع مکش از حداکثر مجاز (جدول ذیل) بیشتر باشد با راه هايی نظیر شناور کردن پمپ بوسیله شافت بلند (که در تأمین آب شرب توصیه نمی شود) و ... می توان مشکل فوق را حل نمود. در چنین مواردی بهترین روش جایگزین نمودن الکترو پمپ شناور بجای افقی است .

ارتفاع محل نصب ازسطح دریا(متر)	عمق مکش در دمای 20 درجه سانتیگراد
172.2	7
300	6.8
477	6.7
710	6.6
915	6.3
1220	6.1
1525	5.85
1830	5.6
2135	5.4

توضیح: در دمای بالای 20 درجه و کمتر از آن می بایست حداکثر 10 درصد به اعداد جدول مذکور بترتیب کم یا زیاد نمود.

مخازن دمپينگ ضربه قوچ:

مخازني تحت فشار هستند كه در خطوط آب رساني بعنوان دمپينگ ضربه آب (ناشي از قطع ناگهاني پمپ ها و در پي آن عقب نشيني آب موجود در طول خط) بكار برده مي شوند. طراحي مكانيكي و ساخت اين مخازن عموماً تحت استانداردهاي آمريكايي (ASME) مي باشد.

که البته این مضرات این پدیده است که مهندسان را به بررسی و تحلیل این پدیده در سیستم واداشته است.

لازم است برای درک مفهوم پدیده ضربه قوچ، مفهوم انتشار موج یک مایع در خط لوله مشخص شود.

یک کلمه دیگه برای فهم بیشتر ( از ویکی پدیا): "برای مثال وقتی شیر در انتهای لوله سریع بسته شود، یک موج فشار منتشر میشود که از سر صدا و لرزش گرفته تا خراب شدن سیستم میتواند به سیستم آسیب برساند.

به این پدیده شک هیدرولیکی هم گفته میشود."

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

موضوعات مرتبط: هیدرولیک و مکانیک سیالات و مکانیک خاک,پمپ و پمپاژ

برچسب‌ها: ضربه قوچ , سیالات

ادامه مطلب

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

درحال مشاهده: درباره پديده چكش آبي (ضربه قوچ)

درباره پديده چكش آبي (ضربه قوچ)

لیست مطالب

آرشیو موضوعی

برچسب ها

صفحات مهم

لینک دوستان

پیوندها

نویسندگان

آخرین مطالب

آرشیو