Water hammer är en chockvåg som överförs genom vätska som finns i ett rörsystem. Den mest grundläggande förklaringen är att vattenhammare uppstår när en vätska i rörelse plötsligt tvingas sluta röra sig. Vätskans momentum som plötsligt stannar skapar en tryckvåg som färdas genom mediet i rörsystemet och utsätter allt i det stängda systemet för betydande krafter.
Normalt dämpas eller försvinner tryckvågen på mycket kort tid. tid, men tryckspikarna kan göra enorma skador under den korta perioden.
Vattenhammare framgår av ett dunkande eller knackande ljud som i extrema fall kan indikera att omfattande och kostsamma skador uppstår på expansionsfogar, trycksensorer, flödesmätare och rörväggar.
Vattenhammare kan också förekomma i en flerfasvätska, som är ett flytande medium som också har medförda fasta ämnen. Ett exempel kan vara sanduppslamning eller flytande massa (som i grunden är vattentransport av massafibrerna). Nyckelfaktorn är att vatten är det viktigaste transportmediet i rörsystemet och att vatten kan överföra chockvågor mycket effektivt.
FLASHING VS. WATER HAMMER
Blinkande är en annan typ av tryckspikhändelse. Blinkande sker i ångsystem där ångkondensat (flytande vatten) har ackumulerats i rörsystemet. Detta flytande vatten kan plötsligt omvandlas från en vätska till en ånga med en efterföljande volymetrisk expansionsfaktor på 400-600 gånger. Blinkande måste hanteras på helt olika sätt. Även om det är lika viktigt att kontrollera, för ändamålen i den här artikeln, begränsar vi våra diskussioner till flytande medier och vattenhammarljud.
Orsaker till vattenhammer
Vattenhammare kan bero på felaktig ventilval, felaktig ventilplacering och ibland dålig underhållspraxis. Vissa ventiler, till exempel svängventiler, lutande skivkontroller och dubbla dörrbackventiler kan också bidra till problem med hammare. Dessa backventiler är benägna att smälla eftersom de förlitar sig på omvänd flöde och mottryck för att skjuta tillbaka skivan på sätet så att ventilen stängs. Om det omvända flödet är kraftfullt, som i fallet med en vertikal linje med normalt flöde uppåt, kommer troligen skivan att smällas med mycket kraft. Den resulterande stöten kan skada skivans inriktning så att den inte längre får full 360 graders kontakt med sätet. Detta leder till läckor som i bästa fall undergräver systemets effektivitet. I värsta fall kan detta skada andra rörsystemkomponenter allvarligt.
Lokaliserade, plötsliga tryckfall är åtminstone en irritation och högst ett allvarligt problem. Vissa steg kan förhindra eller mildra vattenhammare. Den första är att studera orsaker, konsekvenser och lösningar.
HYDRAULISK STÖT
Den vanligaste orsaken till att vattenhammare är antingen en ventil som stänger för snabbt eller att en pump stängs av plötsligt. Hydraulisk chock är faktiskt den tillfälliga ökningen av vätsketrycket i ett rörsystem när vätskan plötsligt stoppas. Som Sir Isaac Newton observerade tenderar ett objekt i rörelse att stanna i rörelse såvida det inte påverkas av en annan kraft. Vätskans rörelse framåt i riktning kommer att arbeta för att hålla vätskan i den riktningen. När en ventil plötsligt stängs eller en pump plötsligt stannar, kommer vätskan i rörsystemet nedströms om ventilen eller pumpen att sträckas elastiskt tills vätskans momentum stoppas.
Vätskan vill sedan snäppa tillbaka till sitt normala, ospända tillstånd, ungefär som en förlängd fjäder som har släppts. Detta får vätskan att röra sig tillbaka genom röret. Den bakströmmande vätskan stöter sedan på den stängda ventilen, potentiellt med betydande destruktiv kraft. Reflektionen av denna vätsketrycksvåg är den höga smällen (och det kan finnas mer än en tryckpuls) (Figur 1).
Plötslig ventilstängning är oftast associerad med ventiltyper med mer än ett varv specifikt automatiserade kvartalsvarv. En enkel lösning är att stänga de automatiska kvartsventilerna långsammare. Detta fungerar i många fall men inte alla. Till exempel måste nödstängningsventiler stängas snabbt, så andra lösningar kan vara nödvändiga för denna typ av applikationer. Mer om beräkningar av ventilens stängningstid ingår senare i den här artikeln.
Den andra vanligaste orsaken till hammare är plötslig avstängning av pumpen. Flera pumpar som matas in i ett vanligt huvud, som i kyltornapplikationer eller minavvattning, måste antingen stängas av långsamt eller så måste de ha inbyggda tysta backventiler installerade direkt efter pumpen. Tyst backventiler kan vara extremt effektiva för att reducera och ibland eliminera hammare.
FÖRUTSÄTTNING AV VATTENHAMMER TRYCKGÅNGAR
Det är möjligt att beräkna storleken på tryckspikarna i vattenhammaren baserat på detaljerad kunskap om rörsystemet och transportmediet. Den faktiska kraften hos vattenhammaren beror på vätskeflödeshastigheten när den stoppas och hur länge det flödet stoppas. Tänk till exempel på 100 liter vatten som flyter i ett 2-tums rör med en hastighet av 10 fot per sekund. När flödet snabbt stoppas av en snabbt stängande ventil motsvarar effekten en 835 pund hammare som smälter in i en barriär. Om flödet stoppas på mindre än en halv sekund (vilket kan vara ventilens stängningshastighet), kan en tryckspik över 100 psi större än systemets driftstryck genereras.
Ekvationen för beräkning av den potentiella storleken på spetsen är som följer:
∆H = a / g * ∆V
∆H är förändringen i huvudtryck
∆ V är förändringen i vätskeflödeshastighet
a = akustisk hastighet i mediet
g = gravitationskonstant
Ett exempel är:
a = 4864 fot per sekund
g = 32,2 fot per sekund2
∆V = 5 fot per sekund
∆H skulle vara 756 fot (328 psi )
Det här värdet förutsätter att det finns en omedelbar ventilstängning.
VENTILSTÄNGNINGSTIDBERÄKNINGAR
Vattenhammare är uppenbarligen en allvarlig fråga i industriella miljöer, som t.ex. avloppsvattenanläggning eller kommunalt vattensystem. I motsats till exemplet ovan är den genomsnittliga badrumsblandaren vanligtvis baserad på en halv tum nominell linjestorlek och har ett vattentryck som sträcker sig mellan 60-80 psi och levererar cirka 8-10 liter per minut. En 6-tums linje i ett vattenreningsverk skulle leverera 900 liter per minut med en hastighet på 10 fot per sekund. En 24-tums vattenledning kan leverera över 12 000 liter vatten per minut, tillräckligt för att fylla den genomsnittliga poolen på bakgården på mindre än två minuter.
Grundformeln för ventilens stängningstid är: T = 2L / a
T = minsta tid i sekunder
L = längd på det raka röret mellan stängningsventilen och nästa armbåge, tee eller annan förändring
För vatten vid 70 ° F (21 ° C) där du har 100 fot rakt rör:
T = 41 millisekunder minsta stängningstid
KONSEKVENSER AV VATTENHAMMER
Konsekvenserna av hammer kan variera från mild till svår. Ett vanligt tecken är ett högt knackande eller hammande ljud som kommer från rören, särskilt efter att en vattentryckkälla stängs av snabbt. Detta är ljudet av tryckchockvåg som träffar en stängd ventil, led eller annan blockering med hög kraft. Detta ibland öronbedövande ljud kan vara en källa till stor oro och oro, särskilt om människor arbetar i närheten.
Upprepade förekomster av vattenhammer är dock inte bara en irritation. Vattenhammare skadar också allvarligt rörledningar, rörfogar, packningar och alla andra komponenter i systemet (flödesmätare, tryckmätare etc.). Tryckspikarna kan lätt överstiga 5 till 10 gånger systemets arbetstryck vid kollision och därmed placera systemet mycket. Vattenhammare orsakar läckage vid fogarna i systemet. Det orsakar också sprickor i rörväggen och deformation av rörsystem. Att reparera eller byta ut skadade rörledningsdelar och utrustning kan medföra branta kostnader. Om utsläppet resulterar i en miljöfråga kan kostnaderna vara häpnadsväckande.
I de flesta situationer anses vattenhammer vara en säkerhetsrisk. Det extrema trycket från vattenhammaren kan blåsa ut packningar och orsaka att rör plötsligt går sönder. Människor i närheten av en sådan händelse kan skadas allvarligt.
LÖSNINGAR FÖR VATTENHAMMER
Det finns många sätt att mildra effekterna av vattenhammare, beroende på orsaken. En av de enklaste metoderna för att minimera vattenhammare orsakad av hydraulisk chock är att utbilda och utbilda operatörer. Operatörer som lär sig vikten av att öppna och stänga manuella eller manövrerade ventiler ordentligt kan vidta försiktighetsåtgärder för att minimera effekterna. Detta gäller särskilt för kvartalsvarvventiler som kulventiler, fjärilsventiler och plugventiler.
RÖRDESIGNUTSÄTTNINGAR
Vattenslagaravstängare ger en lättnad för tryckspikar orsakade av vattenhammare. Dessa rörsystemskomponenter minskar det karakteristiska bruset och den resulterande påfrestningen på rörsystemet genom att fungera som en stötdämpare. Vid dimensionering och installation korrekt kan vattenhammare vara en effektiv lösning.
Å andra sidan bör pumpar som matas ut i en lång serie vertikalt rör undvikas. Det vertikala benet bör antingen minimeras, eller så ska tysta backventiler installeras så nära pumpen som möjligt.
Ett annat område att titta på för att minimera vattenhammaren är att installera backventiler i vertikala rörledningar. Svängkontroller, lutningsskivor och ventiler med dubbla dörrar kan fås att fungera i en vertikal linje. De kommer dock inte att förhindra att vända flödet i denna riktning.Endast en tyst backventil kan fungera i denna riktning.
Hydraulisk chock till följd av plötslig stängning av svängkontroll, tiltningsskiva och dubbeldörrars backventiler kan åtgärdas genom att byta ut dessa ventiler med tyst eller icke-slam backventiler. Tyst backventiler stängs vid minskning av differenstrycket över ventilens tillslutningsdel snarare än att stängas från omvänd flöde. De är alltså mycket mindre benägna att stänga av, vilket orsakar vattenhammer. När differenstrycket över skivan närmar sig ventilens spricktryck har ventilen stängt helt. Detta gör att vätskeflödet saktar ner, vilket gör att vätskans momentum minskar innan ventilen stängs helt och samtidigt säkerställer att vätskeflödet inte vänder riktning.
Systemdesigners måste känna till de bästa praxis och industristandarder för att minimera vattenhammare, som att använda långsamt stängande ventiler när så är lämpligt, känna till optimala ventilplatser i ett rörsystem och ge särskilda överväganden för rördesign för högtryckssystem.
Vid rörsystem är ordentligt konstruerade, minskas eller till och med elimineras sannolikheten för att vattenhammer uppstår. I system som redan är på plats kan de skadliga effekterna av vattenhammare begränsas på ett antal viktiga sätt, såsom att installera vattenhammare, flytta backventiler ur vertikala linjer, installera tysta backventiler som en primär försvarslinje och säkerställa att driftsförfaranden för kvartalsvarvventiler har en långsam stängningshastighet. Observera att stängningstiden i automatiska system bör vara öster 10 gånger den som beräknas i formeln T = 2L / a.
SLUTSATS
Vattenhammare har studerats i många år. En del av grundforskningen går tillbaka till slutet av 1800-talet. Forskningen fortsätter idag. Många stora universitet i USA, Storbritannien och Nederländerna samt välrenommerade ventilföretag har skrivit artiklar om jämförelse av olika stilar av backventiler och deras installerade dynamiska egenskaper.
Denna artikel repar bara genom att utforska några av orsakerna och lösningarna på det vi vanligtvis kallar vattenhammer. Lösningar för att hantera problem med hammer i vatten kan vara ganska kostsamma, och som alltid är ett uns förebyggande värt ett pund botemedel. Pumpar som matas in i vertikala linjer eller vanliga rubriker och snabba ventilförslutningar kan alla utformas från en process i början. När rörledningen är på plats och anläggningsprocesserna pågår är utmaningen att hitta lösningar med tanke på de specifika begränsningarna.
De flesta tillverkare av inbyggda tysta backventiler förstår vattenhammer mycket väl och har ingenjörer i personal det kan hjälpa. De kan vara den bästa källan till kunskap när det gäller rätt lösning.
ARIE BREGMAN är vice president och chef för DFT Valves. Nå honom på Den här e-postadressen är skyddad från spamrobotar. Du måste ha Javascript aktiverat för att kunna se det.