ضربه قوچ در پمپ (چکش آبی) یکی از پدیده های مخرب هیدرودینامیکی در جریان های تحت فشار ناپایدار است که بروز آن می‌تواند خسارت و صد‌مه‌های جبران ناپذیری در خطوط انتقال آب، ایستگاه های پمپاژ و نیروگاه های برق آبی ایجاد نماید. با توجه به اهمیت عدم رخداد این پدید لازم است تا درمراحل دیزاین و قبل از اقدام به اجرای خطوط، پدیده چکش آبی به دقت مورد بررسی، تجزیه و تحلیل قرار گرفته و راه‌حل های ممکن ارزیابی و مناسب‌ترین روش برای مقابله با آن در تاسیسات هیدرولیکی منظور شود.
در انیمیشن ضربه قوچ بالا میتوانید این پدیده را با جزئیات بیشتر ببینید. اگر تمایل دارید در مورد چکش آبی بیشتر بدانید در ادامه با آبروان همراه باشید.
روش های جلوگیری از پدیده ضربه قوچ در پمپ
کاهش سرعت جریان مایع، امکان ایجاد تغییرات در مسیر خط لوله با ملحوظ داشتن نکات اقتصادی و فراهم‌سازی شرایط بهینه، ازنقطه‌نظر تحلیلی می‌تواند راه‌حل مستقیم در پیشگیری از پدیده ضربه قوچ محسوب شود. اساس کار تجهیزات کنترل‌کننده اثرات مخرب پدیده ضربه قوچ، جلوگیری از تغییرات سریع سرعت و یا دبی است. این تجهیزات در مواقع اضطراری، تغییرات سریع مقدار جریان را در داخل خود جذب نموده و مانع از بروز تغییرات سریع فشار در داخل خط لوله می‌گردند.
وسیله حذف ضربه قوچ
مخازن موج گیر از جمله وسایلی هستند که برای جلوگیری از ضربه قوچ به کار گرفته می‌شوند. مخازن موج گیر کلاسیک به دلیل بالا بودن قیمت تمام‌شده آن کمتر از مخازن موج گیر با سطح آزاد کاربرد دارند. در این مخازن ستون مایع با سطح آزاد رکن اساسی، برای جلوگیری و یا کاهش اثرات مخرب چکش آبی است. اساس کار این مخازن بر این اصل استوار است که به‌عنوان یک مخزن ذخیره کننده عمل می‌نماید؛ یعنی وقتی فشار در داخل لوله افزایش می‌یابد، مایع از لوله که در ارتباط با مخزن موج گیر است بدان واردشده، ذخیره می‌گردد.
بالعکس این حالت هم هنگامی است که فشار در خط لوله کاهش می‌یابد، مایع از داخل مخزن وارد می‌گردد تا از تغییرات سریع فشار در لوله جلوگیری کند. مخازن موج گیر ممکن است به‌صورت دوطرفه و یا یک‌طرف نسبت به نیاز تأسیسات هیدرولیکی کار گذاشته شوند.
از دیگر موارد وسیله جلوگیری از چکش آبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تعبیه محفظه‌های هوایی
- لوله کنارگذر مجهز به شیر یک‌طرفه
- شیرهای کنترل
- چرخ لنگر هم وسیله ضربه قوچ گیر است.
محفظه‌های هوایی، راهی برای جلوگیری از چکش آبی
در ایستگاه‌های پمپاژ، برخلاف تأسیسات برق‌آبی، برای کنترل پدیده ضربه‌ی قوچ به‌جای مخازن موج گیر روباز، از محفظه هوایی استفاده می‌شود. محفظه هوایی عبارت است از :
مخزن سربسته تحت‌فشار مجهز به یک دستگاه کمپرسور است که بخش فوقانی آن حاوی هوای فشرده بوده و به‌وسیله‌ی یک پرده دیافراگم کاملاً ارتجاعی از مایع زیرین جداشده و از قسمت تحتانی نیز محفظه به لوله رانش متصل است.
محفظه هوایی در مجاورت پمپ تعبیه می‌شود و هوای متراکم قسمت فوقانی آن توسط کمپرسور تأمین می‌شود. بلافاصله پس از، ازکارافتادن پمپ، موج فشاری منفی در لوله رانش ایجاد می‌شود که برای کنترل مقدار حداقل فشار در خط لوله رانش مایع از محفظه هوایی به داخل لوله رانش تزریق‌شده و موجب تعدیل فشار حداقل در داخل لوله رانش می‌گردد.
به هنگام بازگشت امواج فشاری مثبت به‌طرف پمپ و نیز به هنگام به کار انداختن پمپ، محفظه‌های هوایی نقش تعدیل‌کننده فشارهای مثبت را به عهده داشته و جریان مایع از لوله رانش به داخل محفظه هوایی برقرار می‌شود. بین پمپ و محفظه هوایی یک شیر یک‌طرفه تعبیه می‌شود که به‌محض ازکارافتادن پمپ، شیر یک‌طرفه به‌سرعت بسته‌شده و مانع برگشت آب از لوله رانش به داخل پمپ می‌گردد.
ضربه قوچ در خطوط بخار
در خطوط بخار، پدیده ضربه قوچ در جریان مایعات، زمانی به وقوع می‌پیوندد که فشار مطلق به‌طور موضوعی در درجه حرارت موجود مایع، به مقدار فشار بخار مایع کاهش پیدا کند، حباب‌های ایجادشده تا لحظه‌ای خیلی کوتاه خود را در جریان معین نگه‌داشته و حتی اگر تنزل فشار ادامه یابد، حباب‌های مذکور افزایش حجم پیداکرده، سپس در منطقه‌ای که فشار دوباره افزایش می‌یابد، به طور ناگهانی، متراکم گشته، ترکیده و له می‌شود.
معادلات تغییرات فشار ناشی از تغییرات ناگهانی سرعت
خط لوله‌ای را که از یک مخزن بزرگ منشعب شده و در انتها به یک شیر کنترل مجهز است، مطابق شکل در نظر می‌گیریم و سرعت جریان یکنواخت در داخل لوله V˳ ، جرم مخصوص آن ρ˳ و فشار در بالادست شیر کنترل رو با P˳ نشان می‌دهیم. اگر شیر کنترل در لحظه t= ˚ به‌طور ناگهانی بسته شود، کمیت سرعت، جرم مخصوص و فشار، تغییر می‌یابد و موج فشاری به‌طرف بالادست حرکت می‌کند. سرعت انتشار این موج فشاری را که به‌سرعت موج ضربه قوچ معروف است با نشانه a نشان می‌دهیم.
در اینجا برای سهولت امر، در مرحله نخست لوله را صلب و قطر آن را تحت تأثیر تغییرات فشار، تغییرشکل‌ناپذیر در نظر گرفته می‌شود. وضعیت جریان غیردائمی با اعمال سرعت انتشار موج فشاریa در جهت پایین‌دست به شرایط دائمی تبدیل می‌شود و این معادل آن است که فرض شود ناظری با سرعتی a در جهت بالادست حرکت می‌کند، ازنظر این ناظر، پیشانی موج متحرک همواره ثابت به نظر می‌رسد. اگر فاصله X و سرعت Vبه‌طرف پایین‌دست مثبت منظور گردد و تئوری مقدار حرکت در غیاب نیروی اصطکاک برای مایع محصور در سطح کنترل اعمال شود.
کنترل باز و بسته شدن شیر فلکه‌ها
ضربه قوچ در بسته شدن سریع یکی فلکه به‌مراتب شدیدتر از بسته شدن تدریجی آن است. نقطه در حقیقت، در بسته شدن آرام و تدریجی یک شیر فلکه، افزایش فشار نیز در محل شیرفلکه به‌طور تدریجی انجام می‌گیرد. ولیکن موج فشاری مثبت که در لحظه t= ˚ ایجادشده و از محل شیر فلکه به‌طرف بالادست حرکت می‌کند، پس از مدت زمان L/a مخزن رسیده و در آنجا با تغییر علامت منعکس می‌شود و به شکل موج فشاری منفی پس از مدت زمان 2L/aبه محل شیرفلکه می‌رسد.
در اینجا اگر بسته شدن شیر فلکه به اتمام نرسیده باشد، این موج فشار منفی در تداخل با افزایش فشار ناشی از بسته شدن شیر فلکه، موجب کاهش آن می‌گردد و برعکس اگر بسته شدن شیر فلکه به مدت2L/a به اتمام رسیده باشد آنگاه مقدار افزایش فشار به حداکثر ممکن خواهد رسید و یا به‌بیان‌دیگر هرگاه مدت زمان بسته شدن شیر فلکه ، T بیشتر از مقدار بحرانی آن Tc= 2L/a باشد در این صورت بسته شدن تدریجی و آرام بوده و افزایش فشار ناشی از بسته شدن تدریجی توسط موج فشاری منفی منعکس‌شده، در تداخل با آن کاهش خواهد یافت.
معادلات جریان‌های غیردائمی تحت‌فشار
جریان‌های غیردائمی تحت‌فشار، به کمک معادلات دینامیکی و پیوستگی جریان بیان می‌شوند که ذیلاً با اعمال چند فرض ساده کننده، این معادلات برقرار می‌گردند.
- جریان در داخل مجرا یک‌بعدی بوده و توزیع سرعت در مقطع یکنواخت است.
- سیال و جداره‌های مجاری الاستیک خطی هستند، یعنی تنش و کرنش یا تغییر شکل نسبی باهم متناسب هستند. مثلاً این فرضیات در مورد اغلب مجاری نظیر مجاری فولادی، بتنی، چوبی و تونل‌های سنگی با پوشش و بدون پوشش داخلی مصداق پیدا می‌کند.
- رابطه محاسبه افت انرژی در جریان‌های دائمی در حالت جریان‌های غیردائمی و ناپایدار نیز معتبر و صادق هستند.
اگر شما هم با پدیده ضربه قوچ یا همان چکش آبی مواجه شده اید، نگران نباشید. متخصصین شرکت آبروان با بررسی کامل خطوط انتقال آب یا سایر سیالاتی که توسط پمپ های صنعتی پمپاژ می‌شوند، مشکل شما را حل می‌کنند.
لینک کوتاه مقاله: go.abravanpump.com/water-hammer