ضربه قوچ
- ضربه قوچ چیست؟
- علل پدیده ضربه قوچ چیست؟
- راهکارهای پیشگیری از پدیده ضربه قوچ؟
پدیده ضربه قوچ (Water hammer) از نظر افرادی که با سیستم های پمپاژ و انتقال آب سروکار دارند یکی از پیچیده ترین و در عین حال جذاب ترین و خطرناکترین پدیده در خطوط لوله های تحت فشار به شمار می رود. هدف از این مقاله ارائه تئوریک در این رابطه نیست بلکه توضیح ساده این پدیده و ارائه راهکارهای مقابله با آن است . واژه ضربه قوچ از واژه فرانسوی Coup DE Belier گرفته شده است و Water Hammer مترادف انگلیسی آن به معنی چکش آبی است، که حاصل تبدیل انرژی سینتیک (Kinetic energy) به انرژی الاستیسیته (Elasticity energy) می باشد یا به بیان دیگر تغییر یا قطع ناگهانی در سرعت جریان سیال در یک شبکه موجب ضربه قوچ می شود.
انرژی جنبشی جریان سیال در یک لوله می تواند بسیار قابل توجه باشد و هر کاهشی در میزان جریان به وسیله شیری که در انتهای سیستم جریان را تنظیم می کند، ممکن است به استهلاک مقدار زیادی انرژی منجر شود.
ضربه قوچ
این اتلاف انرژی در یک خط لوله به صورت ازدیاد فشار ظاهر می شود که می تواند اثرات مخربی داشته باشد. همین طور در سیستم های هیدرولیکی کوچک تر بستن سریع یک شیر برای متوقف کردن جریان ممکن است ایجاد ضربانهای فشار، چند برابر جریان یکنواخت نرمال بکند، این ضربان ها با سرعت صوت در طول لوله برابر می گردد. صدا همراه با لرزش که در این اثر به وجود می آید با عبارت چکش آبی (ضربه قوچ) بیان میشود.
فرض کنید که یک لوله کاملا پر از جریان سیال باشد. افزایش و کاهش سرعت این جریان تولید ضربه قوچ می کند. کاهش و افزایش سرعت جریان را می توان با باز و بسته کردن یک شیر واقع در مسیر لوله ایجاد کرد به عبارت دیگر، هر نوع شتاب مثبت یا منفی در جریان درون یک لوله ضربه ای را تولید می کند که به ضربه قوچ معروف است.
اگر این تغییرات تدریجی باشد، می توان مایع را تراکم ناپذیر و جدار لوله را صلب فرض کرد. موقع که شیر واقع در مسیر یک لوله به طور آنی بسته می شود، دبی عبوری از شیر کاهش می یابد. این کاهش دبی موجب افزایش فشار در بالادست شیر و کاهش فشار در پائین دست آن می شود. بنابراین، مقدار هد در بالادست شیر افزایش یافته و یک موج فشاری بزرگ را تولید می کند که با سرعت موج صوتی a در طرف بالادست شیر حرکت می کند. این موج فشاری سرعت جریان را کاهش میدهد. در طرف پائین دست شیر فشار کاهش یافته و یک موج کم فشار با سرعت موج صوتی a به طرف پائین دست لوله حرکت می کند. این موج نیز موجب کاهش سرعت جریان می شود. اگر شیر را به مقدار کافی سریع ببندیم و فشار دائمی کم باشد، ممکن است مقداری از مایع در پائین دست شیر تبخیر شود پس از تبخیر مایع و به وجود آمدن حباب های بخار، ممکن است این حبابها ترکیده و فشار زیادی را در پائین دست شیر ایجاد کنند.
علل به وجود آمدن ضربه قوچ آب
همان طور که گفته شد تغییرات سرعت باعث به وجود آمدن این پدیده میشود که این تغییرات سرعت به دلایل زیر به وجود می آید:
- روشن کردن یک یا چند پمپ
- خاموش کردن یک یا چند پمپ
- تغییر تنظیم شیرها و یا بسته شدن ناگهانی شیرها
- تغییر سرعت دورانی پمپ یا پمپها (در سیستم های دور متغیر)
- پر کردن غیراصولی خط لوله
- استفاده از شیرهای یک طرفه نامناسب .
- از کارافتادن ناگهانی یک یا چند پمپ
علل به وجود آمدن ضربه قوچ
در موقع قطع ناگهانی برق پمپ، نیروی محرکه دوران دهنده پروانه پمپ سريع 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 که منبع آب است 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.
کاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حرکت نموده و ادامه پیدا می کند، تا به مخزنی که سیال به آن پمپ می شود، می رسد، این حرکت موجی بر اثر برخورد با این مانع منعکس گشته، و ستونهای سیال جدا شده مجددا به هم متصل شده و به صورت یک موج افزایش یافته دوباره به سمت پمپ برمی گردد. و به پمپ ضربه قوچ وارد می نماید، و این پدیده مجددا تکرار می شود.
در خلال حرکت موج فشار در لوله، مقداری از انرژی آن در اثر اصطکاک از بین می رود. موج فشاری ناشی از افزایش فشار موج تراکم و موج فشاری ناشی از کاهش فشار موج انبساط نام دارد، امواج تراکم در برخورد با مانع نرم مانند منبع سیال ، هوا و … به صورت موج انبساط و در برخورد با مانع سخت مانند شیر یکطرفه، دیوار و … بصورت اموج تراکم منعکس می شود، این مسئله در مورد موج انبساط نیز صدق می کند. افت فشاری که بر اثر اصطکاک داخل لوله به وجود می آید روی نوسانات فشار تأثير نموده و کم کم آن را مستهلک و سیستم به حالت تعادل در می آید. پتانسیل تخریبی ضربه قوچ با صدای ناشی از آن قابل تشخیص است، ولی مواردی بوده است که صدای ضربه قوچ شنیده نشده است، اما باعث منهدم شدن لوله گردیده، که پس از آنالیز آن مشخص شده است که تخریب به وسیله پدیده ضربه قوچ بوده است، ضربه قوچ سریع و زود گذر است، ولی ضربات بسیار مخرب دارد، و تعیین شدت آن در بعضی از مواقع بی نهایت دشوار می باشد.
پدیده ضربه قوچ در زمان استارت پمپ هم به وجود می آید و باعث ازدیاد فشار اضافی در پمپ و لوله می گردد. ولی مشکلات و مخاطرات ناشی از آن کمتر از ضربه قوچ هنگام خاموش شدن پمپ می باشد. در ابتدای راه اندازی پمپ، میزان جریان آب حدود صفر می باشد و با ازدیاد ناگهانی فشار بر اثر چرخش پروانه و ایجاد جریان سریع ، موج فشاری برابر با فشار ضربه قوچ (در حالتی که شیر بسته باشد) ایجاد می نماید، این پدیده را با نیمه باز گذاشتن شیر خروجی پمپ می توان کنترل و فشار اضافی ایجاد شده را کاهش داد.
شیرهای یک طرفه ای که نتوانند سریع (قبل از معکوس شدن جریان در خط لوله) بسته شوند باعث تشدید شدن ضربه قوچی و نیز به وجود آمدن پدیده کوبیده شدن دیسک شیرهای یک طرفه بنام (Slamming effect) می شوند که صدا و ضربه بسیار شدیدی ایجاد می کنند.
اصول پیشگیری، کاهش و مقابله با ضربه قوچی
به طور کلی اصول پیشگیری و مقابله با این پدیده به دو دسته تقسیم میشود:
١. شرایط قابل کنترل: این حالت برای قسمت هایی است که در آنها قطع ناگهانی برق وجود ندارد و باز و بسته کردن شیرها را می توان کنترل کرد.
۲. شرایط غیرقابل کنترل: این حالت مربوط به قسمت هایی است که قطع ناگهانی برق در آنها وجود دارد و تغییرات سرعت جریان از اختیار ما خارج است.
اقدامات پیشگیرانه در شرایط قابل کنترل
تجهیزات لازم برای جلوگیری از تغییرات ناگهانی سرعت:
استفاده از شیرهای یک طرفه با سرعت بسته شدن زیاد
استفاده از شیرهای کنترل پمپ در خروجی پمپها
استفاده از شیرهای قطع و وصل مجهز به محرکهای الکتریکی (Electric)
Actuators در خروجی پمپها
استفاده از سیستمهای الکتریکی دور متغیر در ایستگاههای پمپاژ
اقدامات پیشگیرانه در شرایط غیرقابل کنترل
روش های مقابله با افزایش فشار:
اقتصادی ترین راه مقابله با مشکل افزایش فشار استفاده از شیرهای اطمینان (Surge Relief Valves) و یا ترکیب شیرهای اطمینان با شیرهای یک طرفه سوپاپی دو سر فلنج فنردار و یا ترکیب شیرهای اطمینان با چرخ لنگر Flywheel است.
برای خطوطی که طول کمتر از ۲ کیلومتر دارند یکی از بهترین روش های مقابله با ضربت قوچی نصب چرخ لنگر بین پمپ و الکتروموتور است.
مکانیزم عملکرد چرخ لنگر چنین است که بعد از قطع جریان برق از کاهش سریع دور موتور جلوگیری می کند و درنتیجه فشار منفی کمتری در اثر ضربت قوچی ایجاد می شود و چون فشار منفی کمتری ایجاد می شود به همان نسبت افزایش فشار نیز کمتر خواهد شد.
سایر تجهیزات کنترل کننده این پدیده:
پمپ کنارگذر لوله
مشکلاتی که پدیده ضربه قوچ باعث به وجود آمدن آن میشود:
گاهی اوقات قدرت تخریبی این موج ها به حدی است که نتایج وخیمی به بار می آورد. ترکیدن لوله و خطوط لوله در سیستمهای انتقال و شبکه های توزیع، خرابی و شکسته شدن شیرها، دریچه های کنترل و پمپها از نمونه های بارز تأثیر این پدیده میباشد.
