Vandhammer er en stødbølge, der transmitteres gennem væske indeholdt i et rørsystem. Den mest grundlæggende forklaring er, at vandhammer opstår, når en væske i bevægelse pludselig bliver tvunget til at stoppe med at bevæge sig. Væskens momentum, der brat stopper, skaber en trykbølge, der bevæger sig gennem medierne i rørsystemet, og udsætter alt i det lukkede system for betydelige kræfter.
Normalt dæmpes eller spredes trykbølgen på meget kort tid tid, men trykspidserne kan gøre enorme skader i løbet af den korte periode.
Vandhammer fremgår af en dunkende eller bankende lyd, der i ekstreme tilfælde kan indikere, at der opstår omfattende og dyre skader på ekspansionsfuger, trykfølere, flowmålere og rørvægge.
Vandhammer kan også forekomme i en flerfasevæske, som er et flydende medium, der også har medfølgende faste stoffer. Et eksempel kan være sandopslæmning eller flydende papirmasse (som grundlæggende er vand, der transporterer papirmassefibrene). Nøglefaktoren er, at vand er det vigtigste transportmedium i rørsystemet, og vand kan transmittere stødbølger meget effektivt.
FLASHING VS. VANDHAMMER
Blinkende er en anden slags trykhøjde. Blinker opstår i dampsystemer, hvor dampkondensat (flydende vand) er akkumuleret i rørsystemet. Dette flydende vand kan pludselig konvertere fra en væske til en damp med en efterfølgende volumetrisk ekspansionsfaktor på 400-600 gange. Blinkende skal håndteres på helt forskellige måder. Selvom det er lige så vigtigt at kontrollere, begrænser vi i forbindelse med denne artikel vores diskussioner til flydende medier og vandhammerlyde.
Årsager til vandhammer
Vandhammer kan skyldes forkert ventilvalg, forkert ventilplacering og undertiden dårlig vedligeholdelsespraksis. Visse ventiler, såsom svingkontrolventiler, vippeskivekontrol og dobbeltdørs kontraventiler kan også bidrage til vandhammerproblemer. Disse kontraventiler er tilbøjelige til at smække, fordi de er afhængige af omvendt flow og modtryk for at skubbe skiven tilbage på sædet, så ventilen lukker. Hvis den modsatte strømning er kraftig, som i tilfældet med en lodret linje med normal strømning opad, vil skiven sandsynligvis smække med en hel del kraft. Det resulterende stød kan beskadige justeringen af disken, så den ikke længere får fuld 360 graders kontakt med sædet. Dette fører til lækager, der i bedste fald undergraver systemets effektivitet. I værste fald kan dette skade andre rørsystemkomponenter alvorligt.
Lokaliserede, bratte trykfald er i det mindste en irritation og højst et alvorligt problem. Visse trin kan forhindre eller afbøde vandhammer. Den første er at undersøge årsager, konsekvenser og løsninger.
HYDRAULISK STØD
Den mest almindelige årsag til vandhammer er enten en ventil, der lukker for hurtigt eller en pumpe, der pludselig lukker ned. Hydraulisk stød er faktisk den øjeblikkelige stigning i væsketrykket i et rørsystem, når væsken pludselig stoppes. Som Sir Isaac Newton bemærkede, har en genstand i bevægelse en tendens til at forblive i bevægelse, medmindre den påvirkes af en anden styrke. Momentet af væsken, der bevæger sig i sin fremadgående retning, vil arbejde for at holde væsken i den retning. Når en ventil pludselig lukker eller en pumpe pludselig stopper, vil væsken i rørsystemet nedstrøms for ventilen eller pumpen strækkes elastisk, indtil væskets momentum stoppes.
Væsken ønsker derefter at snappe tilbage til sin normale, ubelastede tilstand, ligesom en forlænget fjeder, der er frigivet. Dette får væsken til at rejse tilbage gennem røret. Den tilbagestrømmende væske møder derefter den lukkede ventil, potentielt med betydelig destruktiv kraft. Refleksionen af denne væsketrykbølge er det kraftige brag (og der kan være mere end en trykimpuls) (figur 1).
Pludselig ventillukning er ofte forbundet med kvart-omgangstyper af ventiler og mere specifikt automatiserede kvart-omgangsventiler. En simpel løsning er at lukke disse automatiske kvart-omgangsventiler langsommere. Dette fungerer i mange tilfælde, men ikke alle. For eksempel skal nødstopventiler lukke hurtigt, så andre løsninger kan være nødvendige for denne type applikationer. Mere om ventilens lukningstidsberegninger er inkluderet senere i denne artikel.
Den anden mest almindelige årsag til vandhammer er pludselig nedlukning af pumpen. Flere pumper, der indføres i et fælles skærebord, som f.eks. I køletårn-applikationer eller mineafvanding, skal enten lukkes langsomt ned, eller de skal have in-line lydløse kontraventiler installeret umiddelbart efter pumpen. Lydløse kontraventiler kan være ekstremt effektive til at reducere og undertiden eliminere vandhammer.
FORUDSIGTIGING AF VANDHAMMER TRYGSPIKER
Det er muligt at beregne størrelsen af vandhammertryksspidser baseret på detaljeret viden om rørsystemet og de transporterede medier. Den faktiske kraft af vandhammer afhænger af strømningshastigheden af væske, når den stoppes, og hvor lang tid denne strøm stoppes. Overvej for eksempel 100 liter vand, der strømmer i et 2-tommer rør med en hastighed på 10 fod pr. Sekund. Når strømmen hurtigt standses af en hurtiglukkende ventil, svarer virkningen til en hammer på 835 pund, der smækker ind i en barriere. Hvis strømmen stoppes på mindre end et halvt sekund (hvilket kan være ventilens lukkehastighed), kan der genereres en trykstigning på mere end 100 psi større end systemets driftstryk.
Ligningen for beregning af den potentielle størrelse af spidsen er som følger:
∆H = a / g * ∆V
∆H er ændringen i hovedtryk
∆ V er ændringen i væskestrømningshastighed
a = akustisk hastighed i mediet
g = tyngdekonstant
Et eksempel er:
a = 4864 fod pr. sekund
g = 32,2 fod pr. sekund2
∆V = 5 fod pr. sekund
∆H ville være 756 fod (328 psi )
Denne værdi antages, at der findes øjeblikkelig ventillukning.
BEREGNINGER FOR VENTILLUKNINGSTID
Vandhammer er naturligvis et alvorligt problem i industrielle omgivelser, som f.eks. spildevandsanlæg eller kommunalt vandsystem. I modsætning til eksemplet ovenfor er den gennemsnitlige vandhane normalt baseret på en halv tomme nominel linjestørrelse og har et vandtryk, der varierer mellem 60-80 psi og leverer ca. 8-10 gallon pr. Minut. En 6-tommer linje i et vandbehandlingsanlæg ville levere 900 gallon pr. Minut med en hastighed på 10 fod pr. Sekund. En 24-tommers vandledning kan levere over 12.000 liter vand i minuttet, nok til at fylde den gennemsnitlige baghavebassin på mindre end to minutter.
Den grundlæggende formel for ventilens lukningstid er: T = 2L / a
T = minimum tid i sekunder
L = længde på lige rør mellem lukkeventilen og den næste albue, tee eller anden ændring
For vand ved 70 ° F (21 ° C), hvor du har lige fod med 100 fod:
T = 41 millisekunder minimum lukketid
KONSEKVENSER AF VANDHAMMER
Konsekvenserne af vandhammer kan variere fra mild til svær. Et almindeligt tegn er en kraftig bankende eller hamrende lyd, der kommer fra rørene, især efter at en vandtrykkilde er lukket hurtigt af. Dette er lyden af trykstødbølgen, der rammer en lukket ventil, samling eller anden blokering med høj kraft. Denne undertiden øredøvende støj kan være en kilde til stor bekymring og bekymring, især hvis folk arbejder tæt ved.
Gentagne forekomster af vandhammer er dog ikke bare en irritation. Vandhammer beskadiger også alvorligt rørledninger, rørforbindelser, pakninger og alle de andre komponenter i systemet (flowmålere, manometre osv.). Trykspidserne kan let overstige 5 til 10 gange systemets arbejdstryk ved stød og derved placere systemet en stor belastning. Vandhammer forårsager lækager ved leddene i systemet. Det forårsager også rørvægssprækker og deformation af rørstøttesystemer. Reparation eller udskiftning af beskadigede rørledningskomponenter og udstyr kan medføre stejle omkostninger. Hvis spildet resulterer i et miljøproblem, kan omkostningerne være svimlende.
I de fleste situationer betragtes vandhammer som en sikkerhedsrisiko. Det ekstreme tryk af vandhammer kan sprænge pakninger ud og få rørene til at briste pludseligt. Mennesker i nærheden af en sådan begivenhed kan blive alvorligt såret.
LØSNINGER TIL VANDHAMMER
Der er mange måder at afbøde virkningerne af vandhammer afhængigt af årsagen til. En af de enkleste metoder til minimering af vandhammer forårsaget af hydraulisk stød er at træne og uddanne operatører. Operatører, der lærer vigtigheden af at åbne og lukke manuelle eller aktiverede ventiler korrekt, kan tage forholdsregler for at minimere virkningerne. Dette gælder især for kvart-omgangsventiler såsom kugleventiler, butterflyventiler og propventiler.
RØRNINGSDESIGNOVERVÅGNINGER
Hammerafskærmere giver et aflastningspunkt for trykstigninger forårsaget af vandhammer. Disse rørsystemkomponenter reducerer den karakteristiske støj og resulterende belastning på rørledningssystemet ved at fungere som en støddæmper. Ved dimensionering og installation korrekt kan vandhammerafskærmere være en effektiv løsning.
På den anden side bør pumper, der afgives til en lang række lodrette rør, undgås. Det lodrette ben skal enten minimeres, eller der skal bruges lydløse kontraventiler installeret så tæt på pumpen som muligt.
Et andet område at se på for at minimere vandhammer er at installere kontraventiler i lodrette rørledninger. Gyngekontrol, vippeskiver og dobbeltdørsventiler kan bringes til at fungere lodret. De forhindrer dog ikke at vende strømmen i denne retning.Kun en lydløs kontraventil kan arbejde i denne retning.
Hydraulisk stød som følge af den pludselige lukning af svingkontrol, vippeskive og dobbeltdørs kontraventiler kan afhjælpes ved at udskifte disse ventiler med lydløs eller ikke-slam kontraventiler. Lydløse kontraventiler lukker ved faldet i differenstrykket over ventilens lukkeelement snarere end at lukke fra omvendt flow. Således er de langt mindre tilbøjelige til at smække, hvilket inducerer vandhammer. Når differenstrykket over skiven nærmer sig ventilens revnedannelse, er ventilen lukket helt. Dette gør det muligt for væskestrømmen at aftage, hvilket gør det muligt for væskens momentum at falde, før ventilen lukkes helt, mens det stadig sikres, at væskestrømmen ikke vender retning.
Systemdesignere skal være fortrolige med de bedste praksis og industristandarder til minimering af vandhammer, såsom brug af langsomt lukkende ventiler, når det er relevant, kendskab til optimale ventilplaceringer i et rørsystem og give specielle overvejelser om rørledningsdesign for højt fungerende tryksystemer. er korrekt konstrueret, reduceres sandsynligheden for, at vandhammer forekommer stærkt eller endda elimineres. I systemer, der allerede er på plads, kan de skadelige virkninger af vandhammer begrænses på en række væsentlige måder, såsom installation af hammerafskærmere, flytning af kontraventiler ud af lodrette linjer, installation af lydløse kontraventiler som en primær forsvarslinje og sikring af driftsprocedurer for kvart-omgangsventiler har en langsom lukkningshastighed. Bemærk, at lukningstiden i automatiserede systemer skal være øst 10 gange den, der beregnes i T = 2L / a-formlen.
KONKLUSION
Vandhammer er blevet undersøgt i mange år. Nogle af de grundlæggende undersøgelser dateres tilbage til slutningen af det 19. århundrede. Forskningen fortsætter i dag. Mange større universiteter i USA, Storbritannien og Holland samt velrenommerede ventilvirksomheder har skrevet artikler om sammenligning af forskellige stilarter af kontraventiler og deres installerede dynamiske egenskaber.
Denne artikel skraber kun overfladen af emnet væsketransienter ved at udforske nogle af årsagerne og løsningerne på det, vi ofte kalder vandhammer. Løsninger til at håndtere vandhammerproblemer kan være ret dyre, og som altid er en ounce forebyggelse et pund kur værd. Pumper, der mates ind i lodrette linjer eller almindelige overskrifter og hurtige ventillukninger, kan alle designes ud fra en proces i starten. Når rørledningen er på plads, og anlægsprocesserne er i gang, er udfordringen at finde løsninger givet de specifikke begrænsninger.
De fleste producenter af in-line lydsvage kontraventiler forstår vandhammer meget godt og har ingeniører i personalet det kan hjælpe. De kan være den bedste kilde til viden, når det kommer til den rigtige løsning.
ARIE BREGMAN er vicepræsident og general manager hos DFT Valves. Nå ham på Denne e-mail-adresse er beskyttet mod spambots. Du skal aktivere JavaScript for at kunne se det.