همواره در سیستم های هیدرولیکی مانند خطوط انتقال آب،نفت و شبکه های توزیع، افزایش و کاهش ناگهانی فشار مایع منجر به به وجود آمدن پدیده هایی مخرب و زیان آور مانند ضربه قوچ (Water hammer) و کاویتاسیون (Cavitation) می گردد. در واقع ضربه قوچ (Water hammer) به علت افزایش ناگهانی فشار و کاویتاسیون (Cavitation) به علت کاهش فشار در مایعات به وجود می آیند. در این مقاله به طور خلاصه به معرفی هر کدام از این پدیده ها و راهکار های جلوگیری از آن ها به صورت جداگانه خواهیم پرداخت.
جهت آشنایی با تجهیزات جانبی که قادر به جلوگیری از تاثیرات مخرب ضربه قوچ (Water hammer) و کاویتاسیون (Cavitation) بر روی تجهیزات اندازه گیری فشار می باشند می توانید مقاله اسنابر(Snubber) و محافظ اورپرشر (Overpressure protector) را مطالعه نمایید.
بیشتر بخوانید :راهنمای نصب ترانسمیتر فشار
بیشتر بخوانید :چگونه سنسور فشار مناسب انتخاب کنیم؟
ضربه قوچ (Water hammer) چیست؟
ضربه قوچ یا چکش آبی (Water hammer) یکی از پدیده های مخرب هیدرودینامیکی می باشد که ناشی از افزایش ناگهانی فشار در سیالات می باشد.
توقف کامل و یا تغییر سریع مسیر عبور سیال (مانند بسته شدن ناگهانی یک شیر) موجب کاهش ناگهانی دبی و یا شدت جریان آن سیال می شود در نتیجه فشار سیال درون سیستم به طور سریع و ناگهانی افزایش پیدا می کند. این پدیده مخرب ضربه قوچ یا چکش آبی (Water hammer) نامیده می شود که می تواند صدمات و خسارت زیادی مانند ترکیدن خطوط لوله شبکه های توزیع و سیستم‌های انتقال، ترکیدن شیر ها و ولو ها و خراب شدن سایر تجهیزات سیستم مانند تجهیزات اندازه گیری (سنسور فشار، گیج فشار، فلومتر و …) وارد نماید.
این پدیده از لرزش و صدای آن داخل لوله ها قابل تشخیص می باشد.
ضربه قوچ به صورت ناگهانی، و در بازه‌ی زمانی چند میلی ثانیه‌ای، رخ می‌دهد اما اثر آن تا مدت‌ها باقی می‌ماند. ضربه قوچ تقریباً در تمام سیستم‌های فشار رخ می‌دهد و معمولا بدون مطالعه و زمان و انرژی قابل توجه، نمی‌توان آن را متوقف کرد.
یک مثال رایج از اثر ضربه قوچ، امروزه در اکثر خانه‌ها رخ می‌دهد. مثلا اگر دوش حمام را ناگهانی ببندید، یک صدای تق بلند در تمام خانه می‌شنوید؛ این یک مثال عالی برای پدیده ضربه قوچ است. ماشین لباسشویی و ظرفشویی نیز چنین صداهایی ایجاد می‌کند، چون در داخل آن‌ها شیرهای سیم‌لوله وجود دارد که فوراً باز و بسته میشود و این بار ضربه‌ای را ایجاد می‌کنند.
پدیده ضربه قوچ فقط مرتبط به مایعات نمی باشد، در برخی از سیستم هایی که سیال از نوع بخار می باشد، تحت بعضی از شرایط، بخشی از بخار تبدیل به مایع می شود، اگر شرایط به گونه ای تغییر کند (به طور ناگهانی) که مایع مجددا (سریعا) به بخار تبدیل شود، به یکباره حجم عظیمی از بخار تشکیل می شود و منجر به وجود آمدن شوک و موج مخرب داخل سیستم می شود.
همچنین در برخی از موارد بخار های تقطیر شده تشکیل توده های حجیم آب خواهند داد که اگر سرعت بخار در مجاورت با این توده ها بالا باشد باعث به حرکت در آمدن آن ها با سرعت نزدیک به سرعت بخار خواهد شد. برخورد این توده ها آب با زانوئی ها و تجهیزات اندازه گیری داخل سیستم می تواند منجر به تاثیرات مخرب و صدمات جبران ناپذیر گردد.
بیشتر بخوانید :اتصال صحیح سنسور فشار به سیستم ارتینگ چگونه انجام میشود ؟ (راهنمای کامل)
بیشتر بخوانید :اثرات شوک و لرزش (Shock and vibration)
برخی از راهکارهای جلوگیری از ضربه قوچ یا چکش آبی عبارتند از:
انتخاب شیرها، ولو ها کنترلی و لوله های با قطر مناسب
تنظیم سرعت باز و بسته شدن ولو ها
عدم روشن کردن و یا خاموش کردن ناگهانی یک یا چند پمپ به صورت همزمان
استفاده از سیستم ها دور متغیر مانند بوستر پمپ های دور متغیر مبتی بر درایو (اینورتر)
آیا یک اسنابر روی زمان پاسخگویی ترانسدیوسر فشار من تاثیرگذار است؟
در اکثر موارد، ترانسدیوسر به یک اندازه‌گیر یک رکوردر متصل است که ۲ تا ۳ بار در ثانیه بروزرسانی میشود در نتیجه اسنابر اصلا تاثیری روی آن نخواهد گذاشت.
برخی از علائمی که نشان می‌دهد سنسور من توسط ضربه قوچ آسیب دیده چیست؟
اکثر سنسورها در فشار صفر، یک خروجی بزرگ‌تر از نرمال ارائه می‌کنند (یک شیفت صفر). این اتفاق به این دلیل رخ می‌دهد که دیافراگم نمی‌تواند به صفر برگردد. در موارد شدید، خروجی نخواهیم داشت یا خروجی با تغییر فشار، تغییری نخواهد کرد.
اگر سنسور من یک افست صفر بزرگ داشته باشد که توسط اثر ضربه قوچ به وجود آمده باشد، آیا قابل تعمیر است؟
اکثر سنسورها قابل تعمیر نیستند. دیافراگم اصلی‌ترین بخش سنسور است. در زمان ساخت سنسور، دیافراگم اول از همه ساخته میشود و سپس تمام اجزای دیگر انتخاب می‌شوند تا مشخصات اعلام شده تامین شود. وقتی که دیافراگم بیش از حد الاستیک خود خم شود، دیگر نمی‌تواند به حالت نرمال و اصلی خود برگردد یا جایگزین شود، چون قطعات منحصر به فردی در کنار دیافراگم انتخاب شده و قرار گرفته است. اگر یک دیافراگم، مقدار کمی شیفت صفر داشته باشد، کمتر از ۱۰ درصد، احتمالا هنوز هم خطی و قابل استفاده است. قبل از آنکه آن را دوباره در سیستم نصب کنید، لطفا یک اسنابر هم نصب کنید، وگرنه اثر ضربه قوچ دوباره رخ خواهد داد و آسیب بیشتری به سنسور وارد خواهد شد.
آیا اسنابر جلوی فشار مازاد (اورپرشر) را می‌گیرد؟
اسنابر تنها جلوی جهش و بالا رفتن ناگهانی را می‌گیرد، معجزه نمی‌کند. فشار مازاد توسط اسنابر متوقف نمی‌شود. یک جهش ناگاهی، نهایتا چند میلی‌ثانیه طول می‌کشد؛ هر فشار مازادی که از این مدت زمان بیشتر باشد، به سنسور آسیب خواهد زد.
چطور یک اسنابر در سیستم فشار نصب میشود؟
اسنابر روی بخش جلوی انتهای ترانسدیوسر نصب میشود و سپس به سیستم لوله‌کشی وارد میشود. اسنابر بین لوله‌کشی تحت فشار و ترانسدیوسر فشار قرار می‌گیرد.
معادلات زیر، خلاصه‌ای از اثر ضربه قوچ را بیان می‌کند و یک مثال از نیروی مخرب ضربه قوچ نیز در ادامه آمده است. معادله زیر، حداکثر تغییر فشار که در هنگام ضربه سیال رخ می‌دهد را تعیین می‌کند. در این معادله، پیش‌فرض این است که لوله‌کشی غیر کشسان است.
ΔP=rcΔv/g
که
c برای مایعات =(Eg/r)½
و
c برای گازها =(KgRT)½
که:
ΔP تغییری در فشار است که به خاطر ضربه سیال نتیجه میشود (پوند بر فوت مربع)
r چگالی سیال است (جرم پوند بر فوت مکعب)
c سرعت صوت در سیالات است (فوت بر ثانیه)
Δv تغییری در سرعت سیال است (فوت بر ثانیه)
g ثابت گرانش است (۳۲٫۲ فوت بر ثانیه بر ثانیه)
E مدل حجمی (ضریب کشسانی حجمی) فرآورده‌ی سیال است (فهرست شده بر واحد PSI اما باید به PSF تبدیل شود)
k نرخ ظرفیت گرمایی ویژه است (k = 1.4 برای هوا)
R ثابت جهانی گاز است (فوت پوند بر جرم پوند بر درجه رانکین)
T دمای مطلق در رانکین است
یک مثال از ضربه قوچ، در لوله‌کشی خانه‌های معمول رخ می‌دهد. تصور کنید که لوله‌کشی آب شما یک اینچ است، چه تغییری از فشار با ضربه قوچ ایجاد میشود؟
تصور کنید که آب با ۱۰ گالن در دقیقه جریان دارد و دما هم دمای اتاق است (۷۰ درجه فارنهایت). یک لوله یک اینچ ۴۰، مساحت داخلی برابر با ۰٫۰۰۶۰۰ ft2 دارد.
سرعت سیال V = Q/A = 10 gpm (1/448.83 gpm/cfs)/.006ft2 = 3.71 ft/sec.
که Q نرخ دبی است و A مساحت داخلی لوله است.
در این مثال، یک لوله یک اینچ با نرخ دبی ۱۰ gpm اثر ضربه قوچ دارد که به افزایش در فشار تا ۲۴۳ PSI بالای شرایط عملیاتی نرمال منجر میشود. با در نظر گرفتن فشار آب نرمال شهری که ۵۰ PSI است، اکثر کاربران یک سنسوری را انتخاب می‌کنند که ۱۰۰ PSI فول‌اسکیل باشد تا مشکلی پیش نیاید. یک سنسور ۱۰۰ PSI معمولا تا ۲۰۰ درصد فشار مازاد دارد، یعنی می‌تواند تا ۲۰۰ PSI را تحمل کند.
حال ضربه قوچ، سیستم را از ۵۰ PSI به ۲۹۳ PSI می‌رساند (۵۰+۲۴۳)، که بیش از حد به ترانسدیوسر فشار می‌آورد و به آن آسیب می‌بیند. اکثر کاربران گیج می‌شوند که چطور یک سیستمی که ۶۰ PSI به آن تغذیه شده، می‌تواند فشاری بالای ۲۰۰ PSI ایجاد کند. بعد از خواندن این مطلب، باید برای شما بدیهی باشد که ضربه قوچ سیالات، یک پدیده‌ی پیچیده با راه حلی ساده است: نصب اسنابر روی تمام ترانسدیوسرهای فشار.
c=(Eg/r)½=[(۳۲۰x10³lbs/in²)(۱۴۴in²/ft²)(۳۲٫۲ft/sec²)/۶۲٫۳lb/ft³] ½=۴۸۸۰ft/sec
ΔP=rcΔv/g=(62.3lb/ft³)(۴۸۸۰ft/sec)(3.71ft/sec)/32.2ft/sec²=۳۵,۰۲۹lbs/ft² یا ۲۴۳lbs/in²
کاویتاسیون (Cavitation) چیست؟
کاویتاسیون (Cavitation) یکی دیگر پدیده مخرب هیدرودینامیکی می باشد که ناشی از کاهش فشار و تبخیر موضعی مایع است. این پدیده با نام های حفره زایی، حفره سازی، حباب سازی و غیره نیز شناخته می شود و اکثرا در سیستم های هیدرولیک،خطوط انتقال آب و نفت، پروانه کشتی‌ها، پمپ‌های سانتریفیوژ و سرریز سدها رخ می‌دهد.
افزایش فشار باعث افزایش نقطه جوش و کاهش فشار باعث کاهش نقطه جوش میشود، بنابراین در جاهایی که مایع به صورت متلاطم جریان دارد فشار آن در نقاط مختلف متفاوت است. این اختلاف فشار باعث می شود که در نقاطی که فشار پایین است، مایع (به طور مثال آب که نقطه جوش آن در سطح دریا ۱۰۰ درجه سانتی گراد است) در دماهای به مراتب پایین تر به جوش آید و تبخیر موضعی در مایع صورت گیرد، در اثر این تبخیر موضعی حباب های گازی داخل مایع شکل می گیرند،که این حباب ها پس از انتقال به نقاط پر فشار تر منفجر می شوند و باعث به وجودآمدن یک شوک و موج ضربه ای مخرب با سرعت، فشار و دمای بسیار زیادی می شوند.
این پدیده منجر به فرسایش و خوردگی تجهیزات در سیستم های هیدرولیک و پروانه پمپ ها و کشتی ها و همچنین منجر به انحراف دائمی دیافراگم، خارج شدن از کالیبره و حتی از هم گسیختن و ترکیدن تجهیزات اندازه گیری فشار (سنسور فشار، گیج فشار و غیره) می شود.نکته: مکیده شدن هوا به همراه سیال داخل سیستم یا پمپ (به دلیل عدم آب بندی مناسب یا سایر مشکلات) نیز می تواند منجر به شکل گیری کاویتاسیون (Cavitation) شود.
بیشتر بخوانید :تفاوت فشار استاتیک، فشار دینامیک، فشار سکون چیست ؟
بیشتر بخوانید :منظور از زمان پاسخ دهی (Response Time) در سنسور چیست ؟
تفاوت تبخیر با کاویتاسیون چیست؟
تبخیر: تبدیل مایع به گاز در فشار ثابت به دلیل افزایش دمای مایع
کاویتاسیون: تبدیل مایع به گاز در دمای ثابت به دلیل کاهش فشار مایع
برخی از راهکارهای جلوگیری از کاویتاسیون عبارتند از:
آب بندی و درزبندی تمامی اتصالات (جلوگیری از ورود هوا)
افزایش قطر لوله و اتصالات
ثابت نگه داشتن سرعت سیال
طراحی دقیق سیستم لوله کشی و اتصالات
کاهش دمای سیال
|
محمدرضا هستم علاقه مند به اتوماسیون و تجهیزات اندازه گیری فشار. خوشحال میشم توی قسمت نظرات برام دیدگاه تون رو بنویسید. |
