ضربه قوچ

مقدمه

آب ازمحوری ترین عوامل توسعه جوامع انسانی است و از دیرباز نقش عمده ای درزندگی بشر ایفا نموده و با زندگی او آمیخته است. تمدن های اولیه به اتفاق در کنار منابعه طبیعی آب شکل گرفته وگسترش پیداکرده اند.در طی گذشت سالها با افزایش رشد و پراکندگی جمعیت و گسترش نیازهای کشاورزی، صنعتی و شرب دیگر ممکن نبود که بشرخود را به شرایط محیطی محدود کند و یا با صرف زمان بسیار و با هزینه ی زیاد اقدام به ساخت ابنیه های نگهداری آب کند که عموماً ظرفیت محدودی نیز دارند.لذا بشر به ا نتقال آب روی آورد.

نحوه ی انتقال آب بسته به موقعیت جغرافیایی و محیطی متفاوت بوده است . درمناطق پر آب از نهرهای روباز به منظور انتقال آب استفاده شده است . درمناطق کم آب روش های دیگری برگزیده شده است که از آن جمله می توان به حفرقنا ت و انتقال آب زیر زمینی در مسافت های طولانی اشاره کرد که این روش از شاهکارهای مهندسی آب می باشد که توسط ایرانیان ابداع شده است.استفاده از خطوط لوله ای انتقال آب،یکی دیگر از روشهای انتقال آب می باشد که با پیشرفت بشردر قرون اخیر میسرشد. این روش ضمن کاهش اتلاف آب، انتقال حجم دلخواه آب با شدت مورد نظررا میسرمی سازد.درطراحی سیستم های هیدرولیکی تحت فشار تحلیل جریانهای ناماندگار بحث بسیار مهمی است. جریان های ناماندگار در لوله ها به شکل های گوناگونی ممکن است رخ دهدکه یکی ازاشکال آن،جریان ناماندگار«میرا»می باشد که به طور خاص«ضربه ی قوچ»نامیده می شود.

ضربه قوچ چیست؟

تا به حال در صنعت با چنین کلمه ای ممکن است آشنا شده باشید ولی نمی دا نید که این اصطلاح ها به چه فرآیندی گفته می شود .زمانی که یک سیال درداخل یک لاین (لوله) در حال حرکت می باشد ممکن است بر اثر عواملی همچون کم و زیاد شدن شدت جریان یا زمانی که شیرمی خواهد باز شود یا ناگهان بسته می شود . این پدیده باعث تغییر ناگها نی جریان و ایجاد ا فت 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.

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 .

ضربه قوچ در پمپ ها:

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.

هر گاه در شبكه اي با خطوط طويل ، به هر علتي سرعت سيال ناگهان قطع شود ، موجهاي فشاري در شبكه به وجود مي آيد ، كه اين موجها 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 .

همانطور كه در بالا اشاره شد ، بر اثر قطع ناگهاني نيروي محركه پمپ ، براي زمان كوتاهي پمپ مانند توربين آبي عمل مي نمايد ، وكاهش 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 ستونهاي 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 اموج 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 .

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 همراه خواهد بود. در اين سيستم ها دو نوع ضربه داريم.

در اثر تجمع قطرات تقطيرشده در قسمت افقي لوله هاي بخار و عبور بخار با سرعت بالا درمجاورت 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 برخوردآن به اولين زانوئي مسير،نيروي فوق العاده اي بر زانوئي اعمال شده كه ممكن است منجر به شكست لوله گردد.

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 مي دهد دراينصورت امكان آسيب ديدگي تله هاي بخار و اجزاء ديگر سيستم وجود دارد.

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

· لوله هاي بخار بصورت شيبدار از ديگ بخار تا محل تخليه قطرات نصب شوند.

· جايگاه تخليه قطرات بايستي جلوتر از شير تنظيم بخار پيش بيني شود تا از تجمع قطرات درموقع بسته بودن شير جلوگيري شود.

· صافي های Y شكل نصب شده در خطوط بخار بايستي داراي پرده صافي نصب شده افق باشند تا مانع جمع شدن قطرات و حركت توده ائي آنها در موقع شروع جريان بخار شود.

· 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 بايستي جلوگيري شود.

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

· هر افزايش ارتفاعي 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.

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

هدف از تله بخار در سيستم هاي بخار بيرون کردن آبي است که در داخل وسايل مصرف کننده حرارت يا خطوط لوله تقطير مي شود. تله بخار اجازه نمي دهد از آن بخار عبور کند اما آب عبور مي کند، محل نصب تله بخارها بعد از هر مرحله تبادل حرارت ما نند بعد از مبدل، کنوکتور و نيز در پائين اغلب رايزرها و انتهاي لوله اصلي بخار مي باشد.

در مورد کار با تله هاي بخار، يک نکته بسيار مهم وجود دارد و آن اين است که اولين گام براي اجتناب از مشکلات ايجاد شده توسط اين تجهيزات، انتخاب مناسب و نصب صحيح آن ها مي باشد اگربا اين تجهيزات به ظاهرساده ولي در عين حال بسيارمهم مشکلي داريد،مي توانيد از خطوط راهنماي ارائه شده در اين نوشتار براي تشخيص و رفع عيب آن ها استفاده نماييد. وظيفه ي تله بخار ، زدايش کندانسه ، هوا و دي اکسيد کربن از سيستم لوله کشي به محض تجمع اين گازها و با حداقل اتلاف بخار است. زماني که بخار، گرماي نهان ارزشمند خود را آزاد مي کند و چگاليده مي شود ، اين کندانسه ي داغ بايد بلافاصله از سيستم جدا شود تا از بروز پديده ي ضربه قوچ جلوگيري گردد . وجود هوا در سيستم بخار، بخشي از حجم سيستم را که قاعدتاً بايد توسط بخار اشغال شود به خود اختصاص مي دهد . دماي مخلوط هوا- بخار، به دمايي کمتر از دماي بخار خالص افت مي کند . هوا ، يک عايق است که به سطح لوله و تجهيزات چسبيده و باعث کند و غير يکنواخت شدن فرآيند انتقال حرارت مي گردد . در صورتي که دي اکسيد کربن حضور داشته باشد، بخار موجود در سيستم، دي اکسيد کربن را به ديواره هاي سطح انتقال حرارت رانده و بدين ترتيب، انتقال حرارت کاهش مي يابد.دي اکسيد کربن همچنين مي تواند در کندانسه به صورت محلول در آمده و توليد اسيد کربنيک نمايد که باعث خوردگي در لوله ها و تجهيزات مي گردد.

انواع تله بخارها جهت جلوگیری از ضربه قوچ:

۱) تله هاي شناور

۲) تله نوع سطل باز

۳) تله هاي سطل وارانه

۴) تله ترموديناميکي

۵) تله ترموستاتيک انبساط فلزي

۶) تله ترموستاتيکي فشار متعادل

۷) تله دو فلزي (بي متال)

کندانسه 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 ايجادموج برروي آن مي گردد.اگر اين حالت افزايش يابد بخارپرسرعت مي تواندکندانسه را به حرکت درآورده وهنگام تغييرراستا،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 ترمودينا ميکي يا تله هاي سطل وارونه استفاده نموده و يا راستاي لوله کشي را عوض نمود.

جلو گیری از ضربه قوچ در پمپ ها:

همانطور که می دانیم تغییر ناگهانی سرعت جریان بصورت موج در امتداد لوله حرکت نموده و تغییر ممنتوم ناشی از آن باعث ایجاد فشار قابل ملاحظه ای می شود که چنانچه این فشار تعدیل نشود پمپی که می بایست حداقل 10 سال کار نماید در کمتر از 10 ماه از بین می رود برای کاهش آن بخصوص در زمان خاموش شدن پمپ راههای ذیل پیشنهاد می شود:

ایجاد شیر یکطرفه بر روی لوله رانش (البته شیر یکطرفه از خطرات ناشی از ضربه قوچ مصون نیست و می بایست بطور متوسط هر یک ماه یکبار بازدید شود) ، نصب شیر اطمینان برای تنظیم فشار ، یکی از بهترین راههای کاهش ضربه قوچ استفا ده از یک محفظه هوا در مجاورت خط لوله که قسمت پائینی آن پر از آب بوده وقسمت 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 وموج برگشتی به داخل محفظه هوا جریان می یابد.

تشریح پدیده ضربه قوچ:

وقتی که یک سیال درون یک مسیر بسته در حال جریان باشد و کندشدن و یا تسریع سرعت جریان به وجود اید پدیده ضربه قوچ مشاهده خواهد شد. نظیر مواقعی که در مسیر لوله شیری قرار گرفته باشد و به وسیله آن تغییری در سطح خروجی جریان ایجاد می شود. اگر این تغییرات تدریجی باشد می توان محاسبات را با توجه به اینکه مایع تراکم ناپذیر و جداره های مسیر عبور سخت هستند.به روش مشابه با تموج انجام داد.وقتی یک شیر را در مسیر خط لوله و جریان به سرعت می بندیم جریان درون شیر کاسته می شود. این عمل افزایش هد در سمت ورودی شیر را به دنبال خواهد داشت و ضربه ای ناشی از فشار زیاد را ایجاد می کندکه در بالا دست جریان با سرعت موج صوتی تقویت می شود.نتیجه این ضربه فشاری کاهش سرعت جریان می باشد.در سمت دیگر شیر فشار کاهش خواهد یافت و موج فشارکاسته شده با سرعت موج به طرف پایین دست جریان حرکت می کندکه این نیزکاهش سرعت را به همراه دارد.اگر سرعت بسته شدن به اندازه کافی سریع و و فشار حالت پایدار به مقدار کافی کم باشد حبا بهائی از بخار در سمت پایین دست شیر شکل می گیرد و به این ترتیب خلاء حاصله در نهایت از میان خواهد رفت و موج ناشی از فشار زیاد ایجاد می شود.

قبل از بدست آوردن معادلات لازم مربوط به ضربه قوچ وقایع و حوادث متوالی که پس از بسته شدن ناگهانی شیر در پائین دست جریان درون لوله که جریان آن از یک مخزن تامین می گردد به وقوع می پیوندد را بررسی می کنیم.در این حالت از اصطکاک صرفه نظر می کنیم.فرض کنیم که شیر در لحظه بسته شدن در زمان صفر و سیال مجاور شیر متراکم و متوقف می شود. در نتیجه جداره های لوله کشیده می شوند. به محض اینکه اولین لایه متراکم شود. همین فرآیند برای لایه بعدی صورت خواهد گرفت سیال در بالا دست شیر به حرکت خود به طرف پایین دست جریان با سرعتی که کم نشده است ادامه می دهد تا اینکه لایه ها یکی پس از دیگری متراکم شوند و این عمل تا منبع تامین جریان ادامه می یابد.

فشار ایجاد شده به صورت موج به بالا دست جریان منتقل می شود و سیال درحال جریانرا متوقف و متراکم می سازد وسبب انبساط لوله می شود.وقتی که موج حاصله به بالادست جریان در لوله می رسد تمام سیال تحت هد اضافی قرار می گیرد و تمامی اندازه حرکت از میان می رود و در نتیجه انرژی جنبشی کلا به انرژی کشسانی تبدیل می شود. در بالادست جریان در لحظه رسیدن ومج فشاری شرایط نامتوازنی ایجاد می شود زیرا فشار مخزن تغییر نکرده است. در این صورت سیال شروع به برگشتن به طرف عقب می کند. جریان معکوس حاصله سبب می شود فشار به وضعیتی مشابه قبل از بسته شدن شیر برگردد و در عین حال جداره های لوله به وضعیت عادی برخواهد گشت و سیال دارای سرعتی برابر سرعت اولیه که صفر می باشد در جهت عکس می شود. این فرآیند تبدیل با سرعت صوت در لوله منتقل می شود و به پایین دست جریان می رسد.در لحظه ( 2L/a) موج به شیر خواهدرسید.فشاردرطول لوله به حد طبیعی و سرعت در همه جا برابر سرعت صفر در جهت مخالف می باشد.چون شیر بسته است سیالی از لوله خارج می شود تا جریانی در شیر ایجاد شود و فشار کم خواهد شد مانند اینکه جریان متوقف شده باشد.این موج ناشی از فشارکم با سرعت به سمت بالادست جریان حرکت می کند و در همه جا باعث سکون جریان می شود. در نتیجه باعث می شود به دلیل فشار کمتر سیال منبسط شود و جداره های لوله منقبض شوند.

( اگر فشار استاتیک در لوله به اندازه کافی بالا نباشد تا هد بالاتر از فشار بخار باقی بماند مایع درآن قسمت تبخیر خواهد شد و به حرکت خود به سمت عقب در مدت زمانی طولانی ادامه خواهد داد).

در لحظه ای که موج فشار منفی به بالادست جریان می رسد سیال در حال سکون است ولی دارای هد یکنواخت می باشد. این پدیده سبب ایجاد شرایط نامتوازن در مخزن خواهد شد و سیال در درون لوله با سرعت صفر به سمت جلو جاری می شود. در نتیجه همزمان با انتشار موج به طرف پایین دست جریان با سرعت لوله و جریان سیال به شرایط عادی برمی گردند.در زمانی که موج به شیر می رسد شرایط دقیقا همانند زمان بسته شدن شیر است.

مخازن دمپینگ ضربه قوچ :

مخازن تحت فشار هستند که در خطوط آب رسانی بعنوان دمپینگ ضر به آب(ناشی از قطع ناگهانی پمپ ها و در پی آن عقب نشینی آب موجود در طول خط) بکار برده می شوند. طراحی مکانیکی و ساخت این مخازن عموماً تحت استاندارد های آمریکایی می باشد.

عوامل ایجاد کنند جریان نا ماندگار:

معمولاً جریان ماندگاری که در یك خط لوله پیش میآید به علت تغییر در شرایط مرزی لوله است . تغییر در شرایط مرزی باعث ایجاد مشكلاتی از قبیل افزایش یا كاهش فشارمی شود كه به نوبة خود خطراتی برای سیستم ایجاد میكند.در تحلیل ضربة قوچ معمولاً مشكلات ناشی از تغییر شرایط مرزی در سیستمی كه برای حالت ماندگار طراحی شده است ، بررسی میشود .عوامل متعددی باعث ایجاد ضربة قوچ در سیستمهای آبرسانی میشوند كه تعدادی از آنها به قرار زیر هستند.

- باز و بسته کردن شیرهای قطع و وصل

- روشن و یا خاموش كردن پمپ ها

- بهرهبرداری از شیرهای یكطرفه ، خلأ ، فشار شكن و غیره ....

- تركیدن لولهها

- تخلیه هوا و یا هواگیری نادرست در خط لوله

- پركردن خطوط لوله خالی

- هوای حبس شده در خطوط لوله

- نوسانات مصرف برق در توربینهای آبی

گردآورنده امین رختابناک

ضربه قوچ

مطالب مشابه :

معرفي قوچ ها ي ايران:

اصلاح نژاد دام سبک+ انواع نژاد گوسفند قسمت اول

شهرستان آباده

ضربه قوچ چیست؟

تلقیح مصنوعی

آموزش كاربردي مفاهيم ضربه قوچ در WATER HAMMER با پروژه تشريحي سيستم‌هاي آبگير سد مخزني

ضربه قوچ

انواع نژاد گوسفند

آشنایی با پدیده ضربه قوچ