ضربه قوچ چیست؟

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 فرانسوی Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگلیسی Water Hammer‌ ( چکش آبی ) می باشد ، ضربه قوچ در اثر یک تغییر ( یا قطع ناگهانی ) در سرعت جریان سیال در یک مجرا ( شبکه ) به وجود می آید ، به عبارت دیگر انرژی سینتیک ( Kinetic energy ) به انرژی الاستیسیته( Elasticity energy ) تبدیل می گردد .

ضربه قوچ در پمپ ها:

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.

هر گاه در شبکه ای با خطوط طویل ، به هر علتی سرعت سیال ناگهان قطع شود ، موجهای فشاری در شبکه به وجود می آید ، که این موجها 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 .

همانطور که در بالا اشاره شد ، بر اثر قطع ناگهانی نیروی محرکه پمپ ، برای زمان کوتاهی پمپ مانند توربین آبی عمل می نماید ، وکاهش ناگهانی حرکت سیال موجب می شود، فشار داخل لوله خروجی پمپ از فشار اتمسفر کمتر گردد . همچنین به علت اصطکاک درونی پمپ و موتور ، کاهش قابل ملاحظه ای در خروجی پمپ ایجاد می نماید ، که مجموعه این عوامل باعث تبخیر آب و قطع جریان آن در خروجی پمپ می شود ، و حداقل فشاری در حد فشار بخار آب در لوله خروجی ایجاد می گردد .عمل تشکیل ، بخار باعث جدا شدن ستون آب از پمپ می گردد ( پدیده جدا شدن ستون آب ، همان جدا شدن مایع است ، که در اثر کشش بیش از حد ، وقتی فشار کاهش یافته و نزدیک فشار تبخیر می شود به وجود می آید . ) ، و این کاهش فشار در لوله با سرعت و به صورت موج حرکت نموده ، و ادامه پیدا می کند، تا به مخزنی که آب به آن پمپ می شود ، می رسد ، این حرکت موجی بر اثر برخورد با این مانع منعکس گشته ، و ستونهای آب جدا شده مجدداٌ به هم متصل شده و به صورت یک موج افزایش یافته دوباره به سمت پمپ برمی‌گردد و به پمپ ضربه وارد می نماید ( ضربه قوچ ) ، و این پدیده مجدداً 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 آب ، 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 تأثیر 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 .

روشهای جلوگیری ازضربه آبی(قوچ):

یکی از معضلات سیستم های انتقال بخار پدیده ضربه آبی است که در صورت بروز با سروصدا و آسیب های جدی به لوله ها و اجزاء سیستم،مانند تله های بخار،تخلیه کننده ها همراه خواهد بود. در این سیستم ها دو نوع ضربه داریم.

در اثر تجمع قطرات تقطیرشده در قسمت افقی لوله های بخار و عبور بخار با سرعت بالا درمجاورت این قطرات ضربه اتفاق می افتد. در اثر برخورد بخار سریع (تا ۵۰ (m/s با قطرات مایع لرزش ایجاد شده و در صورت حجیم بودن توده آب تشکیل شده حرکت این توده با سرعت نزدیک سرعت بخار و برخوردآن به اولین زانوئی مسیر،نیروی فوق العاده ای بر زانوئی اعمال شده که ممکن است منجر به شکست لوله گردد.

ضربه آبی نوع دوم همان کاویتاسیون است که در اثر شکل گرفتن حباب های بخار در لوله ای که از آن آب عبور می کند رخ می دهد چنانچه در اثر تبادل حرارت بخارها تقطیر شوند حبابهای بخار ترکیده و پدیده کاویتاسیون رخ می دهد دراینصورت امکان آسیب دیدگی تله های بخار و اجزاء دیگر سیستم وجود دارد.

موارد مهم در نصب لوله های بخار جهت جلوگیری از این پدیده بقرار زیرمی باشند:

· لوله های بخار بصورت شیبدار از دیگ بخار تا محل تخلیه قطرات نصب شوند.

· جایگاه تخلیه قطرات بایستی جلوتر از شیر تنظیم بخار پیش بینی شود تا از تجمع قطرات درموقع بسته بودن شیر جلوگیری شود.

· صافی های Y شکل نصب شده در خطوط بخار بایستی دارای پرده صافی نصب شده افق باشند تا مانع جمع شدن قطرات و حرکت توده ائی آنها در موقع شروع جریان بخار شود.

· کلیه تجهیزاتی که دارای تنظیم کننده بخار هستند بایستی دارای تخلیه ثقلی قطرات از تله بخار باشند و از برگشت به مسیر با افزایش ارتفاع بایستی جلوگیری شود.

· یک تله ترمو استاتیک بهترین انتخاب برای یک مبدل حرارتی است در این صورت هوای جمع شده سریعاً تخلیه میگردد. در صورت عدم تخلیه قطرات امکان بروز پدیده ضربه و عملکرد ضعیف مبدل وجود دارد.

· هر افزایش ارتفاعی در خطوط برگشتی کندانس بعد از تخلیه تله بخار نیاز به یک فشار مثبت در پوسته مبدل حرارتی جهت تخلیه قطرات کندانس دارد، واضح است تا تأمین فشار کافی، احتمال افزایش دمای سمت بخار وجود خواهد داشت و در اینصورت دمای آب خروجی از مبدل نیز تغییر خواهد کرد.

· اغلب مبدلهای حرارتی خلاء شکن نصب می شود به نحوی که چنانچه در داخل پوسته خلاء ایجاد شد شیر خلاء شکن باز شده و هوا به داخل مبدل جریان یابد در غیر این صورت خلاء ایجاد شده در مبدل موجب جمع شدن مایع و بروز پدیده ضربه می گردد.

هدف از تله بخار در سیستم های بخار بیرون کردن آبی است که در داخل وسایل مصرف کننده حرارت یا خطوط لوله تقطیر می شود. تله بخار اجازه نمی دهد از آن بخار عبور کند اما آب عبور می کند، محل نصب تله بخارها بعد از هر مرحله تبادل حرارت ما نند بعد از مبدل، کنوکتور و نیز در پائین اغلب رایزرها و انتهای لوله اصلی بخار می باشد.

در مورد کار با تله های بخار، یک نکته بسیار مهم وجود دارد و آن این است که اولین گام برای اجتناب از مشکلات ایجاد شده توسط این تجهیزات، انتخاب مناسب و نصب صحیح آن ها می باشد اگربا این تجهیزات به ظاهرساده ولی در عین حال بسیارمهم مشکلی دارید،می توانید از خطوط راهنمای ارائه شده در این نوشتار برای تشخیص و رفع عیب آن ها استفاده نمایید. وظیفه ی تله بخار ، زدایش کندانسه ، هوا و دی اکسید کربن از سیستم لوله کشی به محض تجمع این گازها و با حداقل اتلاف بخار است. زمانی که بخار، گرمای نهان ارزشمند خود را آزاد می کند و چگالیده می شود ، این کندانسه ی داغ باید بلافاصله از سیستم جدا شود تا از بروز پدیده ی ضربه قوچ جلوگیری گردد . وجود هوا در سیستم بخار، بخشی از حجم سیستم را که قاعدتاً باید توسط بخار اشغال شود به خود اختصاص می دهد . دمای مخلوط هوا- بخار، به دمایی کمتر از دمای بخار خالص افت می کند . هوا ، یک عایق است که به سطح لوله و تجهیزات چسبیده و باعث کند و غیر یکنواخت شدن فرآیند انتقال حرارت می گردد . در صورتی که دی اکسید کربن حضور داشته باشد، بخار موجود در سیستم، دی اکسید کربن را به دیواره های سطح انتقال حرارت رانده و بدین ترتیب، انتقال حرارت کاهش می یابد.دی اکسید کربن همچنین می تواند در کندانسه به صورت محلول در آمده و تولید اسید کربنیک نماید که باعث خوردگی در لوله ها و تجهیزات می گردد.

انواع تله بخارها جهت جلوگیری از ضربه قوچ:

۱) تله های شناور

۲) تله نوع سطل باز

۳) تله های سطل وارانه

۴) تله ترمودینامیکی

۵) تله ترموستاتیک انبساط فلزی

۶) تله ترموستاتیکی فشار متعادل

۷) تله دو فلزی (بی متال)

کندانسه که در بخش تحتانی خط بخار قرار دارد می تواند باعث بروز پدیده ضربه قوچ شود.زمانی که بخار با سرعت بسیار بالا حرکت می کند هنگام حرکت از روی لایه ی کندانسه باعث ایجادموج برروی آن می گردد.اگر این حالت افزایش یابد بخارپرسرعت می تواندکندانسه را به حرکت درآورده وهنگام تغییرراستا،یک ضربه خطرناک ایجاد کند.این پدیده را ضربه قوچ می نامند . زمانی که کندانسه پر سرعت به مانعی برخورد می کند انرژی جنبشی آن به انرژی فشاری تبدیل شده و این افزایش فشار ناگهانی می تواند باعث تخریب مکانیسم عملکردی در تله های شناور و تله های ترموستاتیک فشار متعادل گردد. برای اجتناب از این پدیده باید از تله های قدرتمند مانند تله های ترمودینا میکی یا تله های سطل وارونه استفاده نموده و یا راستای لوله کشی 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 ۱۰ سال کار نماید در کمتر از ۱۰ 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 ( ۲L/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 یک خط لوله پیش میآید به علت تغییر در شرایط مرزی لوله است . تغییر در شرایط مرزی باعث ایجاد مشکلاتی از قبیل افزایش یا کاهش فشارمی شود که به نوبة خود خطراتی برای سیستم ایجاد میکند.در تحلیل ضربة قوچ معمولاً مشکلات ناشی از تغییر شرایط مرزی در سیستمی که برای حالت ماندگار طراحی شده است ، بررسی میشود .عوامل متعددی باعث ایجاد ضربة قوچ در سیستمهای آبرسانی میشوند که تعدادی از آنها به قرار زیر هستند.

- باز و بسته کردن شیرهای قطع و وصل

- روشن و یا خاموش کردن پمپ ها

- بهرهبرداری از شیرهای یکطرفه ، خلأ ، فشار شکن و غیره ….

- ترکیدن لولهها

- تخلیه هوا و یا هواگیری نادرست در خط لوله

- پرکردن خطوط لوله خالی

- هوای حبس شده در خطوط لوله

- نوسانات مصرف برق در توربینهای آبی

ضربه قوچ چیست؟

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