Wasserschlag ist eine Stoßwelle, die durch die in einem Rohrleitungssystem enthaltene Flüssigkeit übertragen wird. Die grundlegendste Erklärung ist, dass ein Wasserschlag auftritt, wenn eine in Bewegung befindliche Flüssigkeit plötzlich gezwungen wird, sich nicht mehr zu bewegen. Der Impuls des Fluids, der abrupt stoppt, erzeugt eine Druckwelle, die sich durch die Medien innerhalb des Rohrsystems bewegt und alles in diesem geschlossenen System erheblichen Kräften aussetzt.
Normalerweise wird die Druckwelle in sehr kurzer Zeit gedämpft oder abgeführt Zeitspanne, aber die Druckspitzen können in dieser kurzen Zeit enormen Schaden anrichten.
Ein Wasserschlag wird durch ein klopfendes oder hämmerndes Geräusch angezeigt, das im Extremfall darauf hinweisen kann, dass umfangreiche und kostspielige Schäden auftreten Dehnungsfugen, Drucksensoren, Durchflussmesser und Rohrwände.
Wasserschläge können auch in einer mehrphasigen Flüssigkeit auftreten, bei der es sich um ein flüssiges Medium handelt, das ebenfalls Feststoffe mitgerissen hat. Ein Beispiel wäre Sandaufschlämmung oder flüssiger Zellstoff (der im Wesentlichen Wasser ist, das die Zellstofffasern transportiert). Der Schlüsselfaktor ist, dass Wasser das Haupttransportmedium im Rohrleitungssystem ist und Wasser Stoßwellen sehr effektiv übertragen kann.
FLASHING VS. WASSERHAMMER
Blinken ist eine andere Art von Druckspitzenereignis. In Dampfsystemen, in denen sich Dampfkondensat (flüssiges Wasser) im Rohrleitungssystem angesammelt hat, tritt ein Flashen auf. Dieses flüssige Wasser kann sich plötzlich von einer Flüssigkeit in einen Dampf mit einem anschließenden volumetrischen Expansionsfaktor von 400-600-mal umwandeln. Das Blinken muss auf völlig unterschiedliche Weise behandelt werden. Während es für die Zwecke dieses Artikels ebenso wichtig ist, zu kontrollieren, beschränken wir unsere Diskussionen nur auf flüssige Medien und Wasserschlaggeräusche.
URSACHEN DES WASSERHAMMERS
Wasserschläge können durch unsachgemäße Verwendung entstehen Ventilauswahl, falsche Ventilposition und manchmal schlechte Wartungspraktiken. Bestimmte Ventile, wie z. B. Schwenkrückschlagventile, Kippscheibenprüfungen und Doppeltürrückschlagventile, können ebenfalls zu Wasserschlagproblemen führen. Diese Rückschlagventile neigen zum Zuschlagen, da sie auf Umkehrung des Durchflusses und des Gegendrucks angewiesen sind, um die Scheibe wieder auf den Sitz zu drücken, so dass das Ventil schließt. Wenn der Rückfluss kraftvoll ist, wie im Fall einer vertikalen Linie mit normalem Fluss nach oben, wird die Scheibe wahrscheinlich mit großer Kraft zuschlagen. Der resultierende Stoß kann die Ausrichtung der Scheibe beschädigen, so dass sie keinen vollen 360-Grad-Kontakt mehr mit dem Sitz hat. Dies führt zu Undichtigkeiten, die im besten Fall die Effizienz des Systems beeinträchtigen. Im schlimmsten Fall kann dies andere Komponenten des Rohrleitungssystems ernsthaft beschädigen.
Lokalisierte, abrupte Druckabfälle sind zumindest ärgerlich und höchstens ein ernstes Problem. Bestimmte Schritte können Wasserschläge verhindern oder mildern. Die erste besteht darin, Ursachen, Folgen und Lösungen zu untersuchen.
HYDRAULISCHER SCHOCK
Die häufigste Ursache für Wasserschläge ist entweder ein zu schnelles Schließen des Ventils oder ein plötzliches Abschalten der Pumpe. Hydraulikschock ist in der Tat der vorübergehende Anstieg des Flüssigkeitsdrucks in einem Rohrleitungssystem, wenn die Flüssigkeit plötzlich gestoppt wird. Wie Sir Isaac Newton bemerkte, bleibt ein Objekt in Bewegung in Bewegung, es sei denn, es wird von einer anderen Kraft beaufschlagt. Der Impuls der Flüssigkeit, die sich in Vorwärtsrichtung bewegt, bewirkt, dass sich die Flüssigkeit in dieser Richtung bewegt. Wenn ein Ventil plötzlich schließt oder eine Pumpe plötzlich stoppt, wird die Flüssigkeit im Rohrleitungssystem stromabwärts des Ventils oder der Pumpe elastisch gedehnt, bis der Impuls der Flüssigkeit angehalten wird.
Die Flüssigkeit möchte dann in ihren normalen, nicht belasteten Zustand zurückkehren, ähnlich wie eine verlängerte Feder, die freigegeben wurde. Dadurch wandert die Flüssigkeit durch das Rohr zurück. Das zurückfließende Fluid trifft dann auf das geschlossene Ventil, möglicherweise mit erheblicher Zerstörungskraft. Die Reflexion dieser Flüssigkeitsdruckwelle ist der laute Knall (und es kann mehr als einen Druckimpuls geben) (Abbildung 1).
Plötzliches Schließen des Ventils ist am häufigsten mit Ventiltypen mit Vierteldrehung und mehr verbunden speziell automatisierte Vierteldrehventile. Eine einfache Lösung besteht darin, diese automatisierten Vierteldrehungsventile langsamer zu schließen. Dies funktioniert in vielen Fällen, aber nicht in allen. Beispielsweise müssen Not-Aus-Ventile schnell schließen, sodass für diese Art von Anwendungen möglicherweise andere Lösungen erforderlich sind. Weitere Informationen zur Berechnung der Ventilschließzeit finden Sie weiter unten in diesem Artikel.
Die andere häufigste Ursache für Wasserschläge ist das plötzliche Abschalten der Pumpe. Mehrere Pumpen, die in einen gemeinsamen Verteilerkopf einspeisen, wie bei Kühlturmanwendungen oder bei der Entwässerung von Minen, müssen entweder langsam abgeschaltet werden oder sie müssen unmittelbar nach der Pumpe geräuschlose Inline-Rückschlagventile installiert haben. Stille Rückschlagventile können äußerst effektiv sein, um Wasserschläge zu reduzieren und manchmal zu beseitigen.
VORHERSAGEN VON WASSERHAMMER-DRUCKSPITZEN
Es ist möglich, die Größe von Wasserschlagspitzen basierend auf detaillierten Kenntnissen des Rohrleitungssystems und der transportierten Medien zu berechnen. Die tatsächliche Kraft des Wasserschlags hängt von der Durchflussrate der Flüssigkeit ab, wenn sie gestoppt wird, und von der Zeitdauer, über die diese Strömung gestoppt wird. Stellen Sie sich zum Beispiel 100 Gallonen Wasser vor, das in einem 2-Zoll-Rohr mit einer Geschwindigkeit von 10 Fuß pro Sekunde fließt. Wenn der Fluss durch ein schnell schließendes Ventil schnell zum Stillstand gebracht wird, entspricht der Effekt dem eines 835-Pfund-Hammers, der gegen eine Barriere schlägt. Wenn der Durchfluss in weniger als einer halben Sekunde gestoppt wird (was die Schließgeschwindigkeit des Ventils sein kann), kann eine Druckspitze über 100 psi erzeugt werden, die größer als der Systembetriebsdruck ist.
Die Gleichung für Die Berechnung der potentiellen Größe der Spitze ist wie folgt:
∆H = a / g * ∆V
∆H ist die Änderung des Kopfdrucks
∆ V ist die Änderung der Fluidströmungsgeschwindigkeit
a = Schallgeschwindigkeit in den Medien
g = Gravitationskonstante
Ein Beispiel ist:
a = 4864 Fuß pro Sekunde
g = 32,2 Fuß pro Sekunde2
∆V = 5 Fuß pro Sekunde
∆H wäre 756 Fuß (328 psi) )
Dieser Wert setzt voraus, dass ein sofortiges Schließen des Ventils vorliegt.
BERECHNUNGEN DER VENTILSCHLUSSZEIT
Wasserschlag ist offensichtlich ein ernstes Problem in industriellen Umgebungen, wie z Abwasseranlage oder kommunales Wassersystem. Im Gegensatz zum obigen Beispiel basiert der durchschnittliche Badhahn normalerweise auf einer nominalen Leitungsgröße von einem halben Zoll und hat einen Wasserdruck zwischen 60 und 80 psi und liefert etwa 8 bis 10 Gallonen pro Minute. Eine 6-Zoll-Leitung in einer Wasseraufbereitungsanlage würde 900 Gallonen pro Minute mit einer Geschwindigkeit von 10 Fuß pro Sekunde liefern. Eine 24-Zoll-Wasserleitung könnte mehr als 12.000 Gallonen Wasser pro Minute liefern, genug, um den durchschnittlichen Gartenpool in weniger als zwei Minuten zu füllen.
Die Grundformel für die Ventilschließzeit lautet: T = 2 l / a
T = Mindestzeit in Sekunden
L = Länge des geraden Rohrs zwischen dem Schließventil und dem nächsten Winkel, T-Stück oder einer anderen Änderung
Für Wasser bei 70 ° F (21 ° C), wo Sie 100 Fuß gerades Rohr haben:
T = 41 Millisekunden minimale Schließzeit
FOLGEN DES WASSERHAMMERS
Die Folgen eines Wasserschlags können leicht bis schwer sein. Ein häufiges Zeichen ist ein lautes Klopfen oder Hämmern, das von den Rohren ausgeht, insbesondere nachdem eine Wasserdruckquelle schnell abgeschaltet wurde. Dies ist das Geräusch der Druckstoßwelle, die mit hoher Kraft auf ein geschlossenes Ventil, Gelenk oder eine andere Blockade trifft. Dieses manchmal ohrenbetäubende Geräusch kann eine Quelle großer Bedrängnis und Besorgnis sein, insbesondere wenn Menschen in der Nähe arbeiten.
Wiederholtes Auftreten von Wasserschlägen ist jedoch nicht nur ein Ärgernis. Der Wasserschlag beschädigt auch Rohrleitungen, Rohrverbindungen, Dichtungen und alle anderen Komponenten des Systems (Durchflussmesser, Manometer usw.) ernsthaft. Die Druckspitzen können beim Aufprall leicht das 5- bis 10-fache des Arbeitsdrucks des Systems überschreiten, wodurch das System stark belastet wird. Wasserschlag verursacht Undichtigkeiten an den Gelenken im System. Es verursacht auch Rohrwandrisse und Verformungen von Rohrleitungssystemen. Das Reparieren oder Ersetzen beschädigter Rohrleitungskomponenten und -geräte kann hohe Kosten verursachen. Wenn die Verschüttung zu einem Umweltproblem führt, können die Kosten schwanken.
In den meisten Situationen wird ein Wasserschlag als Sicherheitsrisiko angesehen. Der extreme Druck des Wasserschlags kann Dichtungen ausblasen und dazu führen, dass Rohre plötzlich reißen. Personen in der Nähe eines solchen Ereignisses können schwer verletzt werden.
LÖSUNGEN FÜR WASSERHAMMER
Abhängig von seiner Ursache gibt es viele Möglichkeiten, die Auswirkungen von Wasserschlägen zu mildern. Eine der einfachsten Methoden zur Minimierung des durch Hydraulikschocks verursachten Wasserschlags besteht darin, die Bediener zu schulen und zu schulen. Bediener, die lernen, wie wichtig es ist, manuelle oder betätigte Ventile ordnungsgemäß zu öffnen und zu schließen, können Vorkehrungen treffen, um die Auswirkungen zu minimieren. Dies gilt insbesondere für Vierteldrehungsventile wie Kugelhähne, Absperrklappen und Absperrventile.
Überlegungen zum Rohrleitungsdesign
Wasserschlagableiter bieten einen Entlastungspunkt für Druckspitzen, die durch verursacht werden Wasserschlag. Diese Rohrleitungssystemkomponenten reduzieren das charakteristische Geräusch und die daraus resultierende Belastung des Rohrleitungssystems, indem sie wie ein Stoßdämpfer wirken. Bei richtiger Dimensionierung und Installation können Wasserschlagschutzvorrichtungen eine wirksame Lösung sein.
Andererseits sollten Pumpen vermieden werden, die in einen langen Lauf vertikaler Rohre fließen. Der vertikale Schenkel sollte entweder minimiert werden, oder es sollten geräuschlose Rückschlagventile verwendet werden, die so nahe wie möglich an der Pumpe installiert sind.
Ein weiterer Bereich, der bei der Minimierung von Wasserschlägen berücksichtigt werden muss, ist die Installation von Rückschlagventilen in vertikalen Rohrleitungen. Swing Checks, Kippscheiben und Doppeltürventile können in einer vertikalen Linie betrieben werden. Sie verhindern jedoch nicht die Umkehrung des Flusses in dieser Ausrichtung.In dieser Ausrichtung kann nur ein leises Rückschlagventil arbeiten.
Ein Hydraulikstoß, der durch das plötzliche Schließen des Rückschlag-, Kippscheiben- und Doppeltür-Rückschlagventils verursacht wird, kann durch Austausch dieser Ventile gegen leises oder nicht zuschlagendes Ventil behoben werden Ventile prüfen. Lautlose Rückschlagventile schließen bei Abnahme des Differenzdrucks über das Verschlusselement des Ventils, anstatt aus dem Rückfluss zu schließen. Daher ist es weitaus unwahrscheinlicher, dass sie zuschlagen, was zu einem Wasserschlag führt. Wenn sich der Differenzdruck über der Scheibe dem Öffnungsdruck des Ventils nähert, ist das Ventil vollständig geschlossen. Dadurch kann sich der Flüssigkeitsstrom verlangsamen, wodurch der Impuls der Flüssigkeit abnimmt, bevor das Ventil vollständig geschlossen ist, und gleichzeitig sichergestellt wird, dass der Flüssigkeitsstrom nicht die Richtung umkehrt.
Systemdesigner müssen mit den besten vertraut sein Praktiken und Industriestandards zur Minimierung von Wasserschlägen, z. B. gegebenenfalls Verwendung langsam schließender Ventile, Kenntnis der optimalen Ventilpositionen innerhalb eines Rohrleitungssystems und Berücksichtigung spezieller Überlegungen zum Rohrleitungsdesign für Hochbetriebsdrucksysteme.
Bei Rohrleitungssystemen ordnungsgemäß konstruiert sind, wird die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wasserschlägen stark verringert oder sogar beseitigt. In Systemen, die bereits vorhanden sind, können die schädlichen Auswirkungen von Wasserschlägen auf eine Reihe von signifikanten Arten begrenzt werden, z. B. durch die Installation von Wasserschlagableitern, die Verlagerung von Rückschlagventilen aus vertikalen Linien, die Installation von stillen Rückschlagventilen als primäre Verteidigungslinie und Sicherstellen, dass die Betriebsverfahren für Vierteldrehungsventile langsam schließen. Beachten Sie, dass die Schließzeit in automatisierten Systemen 10-mal so hoch sein sollte wie in der Formel T = 2L / a berechnet.
SCHLUSSFOLGERUNG
Wasserschlag wird seit vielen Jahren untersucht. Einige der Gründungsforschungen stammen aus dem späten 19. Jahrhundert. Die Forschung geht heute weiter. Viele große Universitäten in den USA, Großbritannien und den Niederlanden sowie angesehene Ventilunternehmen haben Artikel zum Vergleich verschiedener Arten von Rückschlagventilen und ihrer installierten dynamischen Eigenschaften verfasst.
Dieser Artikel zerkratzt nur die Oberfläche des Themas der Flüssigkeitstransienten durch Erforschung einiger der Ursachen und Lösungen dessen, was wir üblicherweise als Wasserschlag bezeichnen. Lösungen zur Lösung von Wasserschlagproblemen können sehr kostspielig sein, und wie immer ist eine Unze Vorbeugung ein Pfund Heilung wert. Pumpen, die in vertikale Leitungen oder gemeinsame Sammelleitungen einspeisen, und schnelle Ventilschließungen können zu Beginn aus einem Prozess heraus konstruiert werden. Sobald die Rohrleitungen installiert sind und die Anlagenprozesse im Gange sind, besteht die Herausforderung darin, unter Berücksichtigung der spezifischen Einschränkungen Lösungen zu finden.
Die meisten Hersteller von geräuschlosen Inline-Rückschlagventilen verstehen den Wasserschlag sehr gut und verfügen über Ingenieure das kann helfen. Sie können die beste Wissensquelle sein, wenn es um die richtige Lösung geht.
ARIE BREGMAN ist Vice President und General Manager bei DFT Valves. Erreichen Sie ihn unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann.