پدیده ضربه قوچ (Water hammer)

آب از نظر افرادی که با سیستم‌های پمپاژ و انتقال آب سروکار دارند یکی از پیچیده‌ترین و درعین‌حال جذاب‌ترین پدیده در خطوط لوله‌های تحت‌فشار به شمار می‌رود هدف از این مقالـه ارائه

تئوریک در این رابطه نیسـت بلکه توضیح ساده این پدیده و ارائه راه‌کارهای مقابله با آن است.

انرژی جنبشی جريان آب در يك لوله می‌تواند بسيار قابل‌توجه باشد و هر کاهشی در میزان جريان به‌وسیله شيری كه در انتهای سيستم جريان را تنظيم می‌کند، ممكن است به استهلاك مقدار زيادی انرژی منجر شود.

اين اتلاف انرژی در يك خط لوله به‌صورت ازدياد فشار ظاهر می‌شود كه می‌تواند اثرات مخربی داشته باشد. همین‌طور در سیستم‌های هيدروليكی کوچک‌تر بستن سريع يك شير برای متوقف كردن جريان ممكن است ايجاد ضربان‌های فشار، چند برابر جريان يكنواخت نرمال بكند، اين ضربان‌ها با سرعت صوت در طول لوله برابر می‌گردد. صدا همراه با لرزش كه در اين اثر به وجود می‌آید با عبارت چكش آبی (ضربه قوچ) بيان مي‌شود.

تشريح پديده ضربه قوچ

فرض كنيد كه يك لوله کاملاً پر از جريان سيال باشد. افزايش و كاهش سرعت اين جريان توليد ضربه قوچ می‌کند. كاهش و افزايش سرعت جريان را می‌توان با باز و بسته كردن يك شير واقع در مسير لوله ايجاد كرد. به‌عبارت‌دیگر، هر نوع شتاب مثبت يا منفی در جريان درون يك لوله ضربه‌ای را توليد می‌کند كه به ضربه قوچ معروف است.

اگر اين تغييرات تدريجی باشد، می‌توان مايع را تراكم ناپذير و جدار لوله را صلب فرض كرد. موقع كه شير واقع در مسير يك لوله به‌طور آنی بسته می‌شود، دبی عبوری از شير كاهش می‌یابد. اين كاهش دبی موجب افزايش فشار در بالادست شير و كاهش فشار در پائین‌دست آن می‌شود. بنابراين، مقدار هد در بالادست شير افزایش‌یافته و يك موج فشاری بزرگ را توليد می‌کند كه با سرعت موج صوتی a در طرف بالادست شير حركت می‌کند. اين موج فشاری سرعت جريان را كاهش می‌دهد.

در طرف پائین‌دست شير فشار کاهش‌یافته و يك موج کم‌فشار با سرعت موج صوتی a به‌طرف پائین‌دست لوله حركت می‌کند. اين موج نيز موجب كاهش سرعت جريان می‌شود. اگر شير را به مقدار كافی سريع ببنديم و فشار دائمی كم باشد، ممكن است مقداری از مايع در پائين دست شير تبخير شود. پس از تبخير مايع و به وجود آمدن حباب‌های بخار، ممكن است اين حباب‌ها تركيده و فشار زيادی را در پائين دست شير ايجاد كنند.

علل به وجود آمدن ضربه قوچ آب

همان‌طور که گفته شد تغییرات سرعت باعث به وجود آمدن این پدیده می‌شود که این تغییرات سرعت به دلایل زیر به وجود می‌آید:

• 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 سیستم‌های دور متغیر)
• پر کردن غیراصولی خط لوله
• استفاده از شیرهای یک‌طرفه نامناسب
• ازکارافتادن ناگهانی یک یا چند پمپ

* بسته شدن سریع شیر قطع و وصل در خط لوله باعث ایجاد موج فشار در خط لوله می‌شود این موج فشار در بالادست شیر باعث شروع ضربت قوچی با فاز فشار مثبت و در پائین‌دست شیر باعث شروع ضربت قوچی با فشار منفی می‌شود.

* شیرهای یک‌طرفه‌ای که نتوانند سریع (قبل از معکوس شدن جریان در خط لوله) بسته شوند باعث تـشـدیـد شـدن ضربـت قوچـی و نیـز به وجود آمـدن پدیـده کوبــیده شـدن دیـســـک شـیرهای یک‌طرفه بـنـام (ُSlamming effect) می‌شوند که صدا و ضربه بسیار شدیدی ایجاد می‌کنند.

اصول پیشگیری، کاهش و مقابله با ضربه قوچی

به‌طورکلی اصول پیشگیری و مقابله با این پدیده به دو دسته تقسیم می‌شود:

1. شرایط قابل‌کنترل: این حالت برای قسمت‌هایی است که در آن‌ها قطع ناگهانی برق وجود ندارد و باز و بسته کردن شیرها را می‌توان کنترل کرد.
2. شرایط غیرقابل‌کنترل: این حالت مربوط به قسمت‌هایی 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 یک‌طرفه با سرعت بسته شدن زیاد
• استفاده از شیرهای کنترل پمپ در خروجی پمپ‌ها
• اسـتفاده از شـیرهای قطع و وصل مجهز بـه محرک‌های الکــتریکی (Electric)
• Actuators در خـروجی پمپ‌ها
• استفاده از سیستم‌های الکتریکی دور متغیر در ایستگاه‌های پمپاژ

اقدامات پیشگیرانه در شرایط غیرقابل‌کنترل

روش‌های مقابله با افزایش فشار:

اقتصادی‌ترین راه مقابله با مشکل افزایش فشـار اسـتفاده از شـیرهای اطمینـان (Surge Relief Valves) و یـا ترکیـب شیرهای اطمینان با شیرهای یک‌طرفه سوپاپی دو سر فلنج فنردار و یا ترکیب شیرهای اطمینان با چرخ لنگر Flywheel است.

برای خطوط که طول کمتر از 2 کیلومتر دارند یکی از بهترین روش‌های مقابله با ضربت قوچی نصـب چـرخ لنگـر بین پمپ و الکتروموتور است.

مکانیزم عملکرد چرخ لنگر چنین است که بعد از قطع جریان برق از کاهش سریع دور موتور جلوگیری می‌کند و درنتیجه فشار منفی کمتری در اثر ضربت قوچی ایجاد می‌شود و چون فشار منفی کمتری ایجاد می‌شود به همان نسبت افـزایش فشـار نیـز کمتر خواهد شد.