Vodní kladivo je rázová vlna přenášená kapalinou obsaženou v potrubním systému. Nejzákladnějším vysvětlením je, že k vodnímu rázu dochází, když je kapalina v pohybu náhle nucena přestat se pohybovat. Hybnost kapaliny, která se náhle zastaví, vytváří tlakovou vlnu, která prochází médiem uvnitř potrubního systému, a vystavuje vše v tomto uzavřeném systému významným silám.
Normálně je tlaková vlna tlumena nebo rozptýlena ve velmi krátké době množství času, ale tlakové skoky mohou během této krátké doby způsobit obrovské škody.
Vodní ráz se projevuje bušením nebo boucháním, které v extrémních případech může naznačovat, že dochází k rozsáhlému a nákladnému poškození dilatační spáry, tlakové senzory, průtokoměry a stěny potrubí.
K vodnímu rázu může dojít také ve vícefázové kapalině, což je kapalné médium, které má také unášené pevné látky. Příkladem může být písková kaše nebo kapalná buničina (což je v podstatě voda přepravující vlákna buničiny). Klíčovým faktorem je, že voda je hlavním transportním médiem v potrubním systému a voda může velmi účinně přenášet rázové vlny.
FLASHING VS. KLADIVO VODY
Blikání je jiný druh tlakové špičky. Bliká v parních systémech, kde se v potrubním systému nahromadil kondenzát páry (kapalná voda). Tato kapalná voda se může náhle přeměnit z kapaliny na páru s následným faktorem objemové roztažnosti 400–600krát. S blikáním je třeba zacházet zcela odlišně. I když je stejně důležité kontrolovat, pro účely tohoto článku omezujeme naše diskuse pouze na kapalná média a zvuky vodních rázů.
PŘÍČINY VODNÍHO KLADIVA
Vodní kladivo může být důsledkem nesprávného výběr ventilu, nesprávné umístění ventilu a někdy špatné postupy údržby. Některé ventily, jako jsou zpětné klapky, kontroly naklápěcích kotoučů a zpětné ventily s dvojitými dveřmi, mohou také přispět k problémům s vodním rázem. Tyto zpětné ventily jsou náchylné k prasknutí, protože se spoléhají na zpětný tok a protitlak, aby zatlačily disk zpět na sedlo, aby se ventil zavřel. Pokud je zpětný tok silný, jako v případě svislé čáry s normálním tokem nahoru, je pravděpodobné, že disk s velkou silou zabouchne. Výsledný šok může poškodit vyrovnání disku, takže již nebude mít úplný 360stupňový kontakt se sedadlem. To vede k únikům, které v nejlepším případě narušují účinnost systému. V nejhorším případě by to mohlo vážně poškodit ostatní součásti potrubního systému.
Lokalizované, náhlé poklesy tlaku jsou přinejmenším nepříjemností a maximálně vážným problémem. Některé kroky mohou vodním rázům zabránit nebo je zmírnit. Prvním je studium příčin, důsledků a řešení.
HYDRAULICKÝ ŠOK
Nejběžnější příčinou vodního rázu je buď příliš rychlé zavření ventilu, nebo náhlé vypnutí čerpadla. Hydraulický šok je ve skutečnosti okamžitý nárůst tlaku kapaliny v potrubním systému, když je kapalina náhle zastavena. Jak si všiml sir Isaac Newton, předmět v pohybu má tendenci zůstat v pohybu, pokud na něj nebude působit jiná síla. Hybnost tekutiny pohybující se v jejím dopředném směru bude pracovat tak, aby udržovala tekutinu v pohybu v tomto směru. Když se ventil náhle zavře nebo se čerpadlo náhle zastaví, kapalina v potrubním systému za ventilem nebo čerpadlem se pružně natáhne, dokud se nezastaví hybnost kapaliny.
Tekutina se poté chce vrátit zpět do normálního stavu bez stresu, podobně jako uvolněná prodloužená pružina. To způsobí, že kapalina bude cestovat zpět potrubím. Zpětně tekoucí tekutina poté narazí na uzavřený ventil, potenciálně s významnou ničivou silou. Odrazem této tlakové vlny kapaliny je hlasitý třesk (a může existovat více než jeden tlakový impuls) (obrázek 1).
Náhlé uzavření ventilu je nejčastěji spojeno s typy ventilů se čtvrtotáčkovou rychlostí a dalšími konkrétně automatizované čtvrtotáčkové ventily. Jednoduchým řešením je pomalejší zavírání těchto automatických čtvrtotáčkových ventilů. To funguje v mnoha případech, ale ne ve všech. Například je třeba rychle uzavřít nouzové uzavírací ventily, takže pro tyto typy aplikací mohou být nutná další řešení. Další informace o výpočtech doby uzavření ventilu jsou uvedeny dále v tomto článku.
Další nejčastější příčinou vodního rázu je náhlé vypnutí čerpadla. Několik čerpadel přiváděných do společného sběrače, například v aplikacích chladicích věží nebo odvodňování dolů, musí být buď vypínáno pomalu, nebo musí mít okamžitě nainstalované in-line tiché zpětné ventily. Tiché zpětné ventily mohou být extrémně účinné při snižování a někdy i eliminaci vodního rázu.
PREDIKTOVÁNÍ TLAKOVÝCH TLAKŮ VODNÍHO KLADIVA
Na základě podrobných znalostí potrubního systému a přepravovaného média je možné vypočítat velikost tlakových špiček vodního rázu. Skutečná síla vodního rázu závisí na průtoku kapaliny při jejím zastavení a na době, po kterou je průtok zastaven. Zvažte například 100 galonů vody protékající 2palcovým potrubím rychlostí 10 stop za sekundu. Když je průtok rychle zastaven rychle se uzavírajícím ventilem, účinek je ekvivalentní účinku kladiva o hmotnosti 835 liber, které narazilo do bariéry. Pokud je průtok zastaven za méně než půl sekundy (což může být rychlost zavírání ventilu), může být generován tlakový hrot o 100 psi vyšší než provozní tlak systému.
Rovnice pro výpočet potenciální velikosti hrotu je následující:
∆H = a / g * ∆V
∆H je změna tlaku v hlavě
∆ V je změna rychlosti proudění tekutiny.
a = akustická rychlost v médiu
g = gravitační konstanta
Příklad je:
a = 4864 stop za sekundu
g = 32,2 stop za sekundu2
∆V = 5 stop za sekundu
∆H bude 756 stop (328 psi) )
Tato hodnota předpokládá, že existuje okamžité uzavření ventilu.
VÝPOČTY ČASOVÉHO VÝPOČTU VENTILU
Vodní kladivo je zjevně vážným problémem v průmyslovém prostředí, například na čistírna odpadních vod nebo obecní vodovod. Na rozdíl od výše uvedeného příkladu je průměrný koupelnový faucet obvykle založen na jmenovité velikosti vedení půl palce a má tlak vody, který se pohybuje mezi 60-80 psi a dodává asi 8 až 10 galonů za minutu. 6palcová linka v úpravně vody dodala 900 galonů za minutu rychlostí 10 stop za sekundu. 24palcový vodovod může dodávat více než 12 000 galonů vody za minutu, což stačí k naplnění průměrného bazénu na zahradě za méně než dvě minuty.
Základní vzorec pro čas uzavření ventilu je: T = 2L / a
T = minimální čas v sekundách
L = délka přímého potrubí mezi uzavíracím ventilem a dalším kolenem, T-kusem nebo jinou výměnou
Pro vodu při 70 ° F (21 ° C), kde máte 100 stop rovného potrubí:
T = minimální doba uzavření 41 milisekund
DŮSLEDKY KLADIVA VODY
Následky vodního rázu se mohou pohybovat od mírných až po závažné. Běžným znakem je hlasité bušení nebo bušení zvuku vycházejícího z potrubí, zejména poté, co se rychle vypne zdroj tlaku vody. To je zvuk tlakové rázové vlny, která při vysoké síle zasáhne uzavřený ventil, kloub nebo jiné ucpání. Tento někdy ohlušující hluk může být zdrojem velkého utrpení a obav, zvláště pokud lidé pracují poblíž.
Opakované výskyty vodního rázu však nejsou jen nepříjemností. Vodní ráz také vážně poškozuje potrubí, spoje potrubí, těsnění a všechny ostatní součásti systému (průtokoměry, tlakoměry atd.). Tlakové hroty mohou při nárazu snadno překročit 5 až 10násobek pracovního tlaku systému, což systém značně namáhá. Vodní kladivo způsobuje netěsnosti ve spojích systému. Způsobuje také praskliny na stěnách potrubí a deformaci podpěrných systémů potrubí. Oprava nebo výměna poškozených součástí a zařízení potrubí může vyžadovat vysoké náklady. Pokud únik vyústí v problém s životním prostředím, náklady mohou být ohromující.
Ve většině situací je vodní kladivo považováno za bezpečnostní riziko. Extrémní tlak vodního rázu může vyfouknout těsnění a způsobit náhlé prasknutí potrubí. Lidé v blízkosti takové události mohou být vážně zraněni.
ŘEŠENÍ VODNÍHO KLADIVA
Existuje mnoho způsobů, jak zmírnit účinky vodního rázu, v závislosti na jeho příčině. Jednou z nejjednodušších metod minimalizace vodního rázu způsobeného hydraulickým rázem je zaškolení a zaškolení obsluhy. Pracovníci, kteří se naučí důležitost správného otevírání a zavírání ručních nebo ovládaných ventilů, mohou přijmout opatření k minimalizaci účinků. To platí zejména pro čtvrtotáčkové ventily, jako jsou kulové ventily, škrticí ventily a kuželkové ventily.
POKYNY K DESIGNU POTRUBÍ
Svodiče vodního rázu poskytují úlevu tlakovým špičkám způsobeným vodní kladivo. Tyto součásti potrubního systému snižují charakteristický hluk a výsledné namáhání potrubního systému tím, že působí jako tlumič nárazů. Pokud jsou správně dimenzovány a správně instalovány, mohou být zachycovače vodních rázů účinným řešením.
Na druhé straně je třeba se vyhnout čerpadlům, která vycházejí do dlouhého svislého potrubí. Svislé rameno by mělo být buď minimalizováno, nebo by měly být použity tiché zpětné ventily instalované co nejblíže k čerpadlu.
Další oblastí, na kterou je třeba se zaměřit při minimalizaci vodního rázu, je instalace zpětných ventilů do svislých potrubí. Kyvné kontroly, sklopné disky a dvoudveřové ventily lze provozovat ve svislé linii. Nezabrání však obrácení toku v této orientaci.V této orientaci může fungovat pouze tichý zpětný ventil.
Hydraulické rázy způsobené náhlým uzavřením zpětné klapky, sklopného kotouče a dvoukřídlých zpětných ventilů lze odstranit výměnou těchto ventilů za tiché nebo nezasunuté zpětné ventily. Tiché zpětné ventily se uzavírají při poklesu diferenčního tlaku přes uzavírací člen ventilu, místo aby se zavíraly zpětným tokem. Je tedy mnohem méně pravděpodobné, že zabouchnou, což způsobí vodní ráz. Když se diferenční tlak na disku přiblíží praskajícímu tlaku ventilu, ventil se zcela uzavřel. To umožňuje zpomalení průtoku kapaliny, což umožňuje snížit hybnost kapaliny dříve, než je ventil zcela uzavřen, a přitom zajistit, aby průtok kapaliny nezměnil směr.
Návrháři systému musí znát to nejlepší postupy a průmyslové standardy pro minimalizaci vodního rázu, jako je použití pomalu uzavíracích ventilů, je-li to vhodné, znalost optimálního umístění ventilů v potrubním systému a uvedení zvláštních hledisek návrhu potrubí pro systémy s vysokým provozním tlakem.
Když potrubní systémy jsou správně navrženy, je pravděpodobnost výskytu vodního rázu výrazně snížena nebo dokonce vyloučena. V systémech, které již jsou zavedeny, lze škodlivé účinky vodního rázu omezit mnoha významnými způsoby, jako je instalace omezovačů vodního rázu, přemístění zpětných ventilů ze svislých vedení, instalace tichých zpětných ventilů jako primární linie obrany a zajištění provozních postupů u čtvrtotáčkových ventilů má pomalou rychlost zavírání. Uvědomte si, že doba zavírání v automatizovaných systémech by měla být na východě 10krát vyšší, než se počítá ve vzorci T = 2L / a.
ZÁVĚR
Vodní kladivo bylo studováno mnoho let. Některé ze zakládajících výzkumů sahají až do konce 19. století. Výzkum pokračuje dodnes. Mnoho významných univerzit ve Spojených státech, Velké Británii a Nizozemsku, stejně jako uznávané ventilové společnosti, vytvořily články o srovnání různých stylů zpětných ventilů a jejich instalovaných dynamických charakteristik.
Tento článek pouze škrábe povrch předmětu kapalných přechodů zkoumáním některých příčin a řešení toho, co běžně nazýváme vodní kladivo. Řešení řešení problémů s vodním rázem může být docela nákladná a jako vždy, unce prevence má cenu léku. Čerpadla napájená do svislých vedení nebo do běžných sběračů a rychlých uzávěrů ventilů mohou být na začátku navržena mimo proces. Jakmile je potrubí na místě a procesy závodu probíhají, je úkolem najít řešení vzhledem ke konkrétním omezením.
Většina výrobců in-line tichých zpětných ventilů velmi dobře rozumí vodním rázům a má inženýry v personálu to může pomoci. Mohou být nejlepším zdrojem znalostí, pokud jde o správné řešení.
ARIE BREGMAN je viceprezident a generální ředitel společnosti DFT Valves. Oslovte ho na Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Abyste ji mohli zobrazit, musíte mít povolený JavaScript.