بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه ضربهی قوچ یکی از مسایل مهم در بهرهبرداری از شبکههای توزیع و انتقال آب میباشد. در سایر سیستمهای دیگر نظیر خطوط انتقال نفت، خطوط انتقال بخار، شبکههای توزیع و لولههای آب مبتنی بر توربینها، تونلهای آبی، نیز پدیدهی ضربهی قوچ سبب ایجاد موجهای سریع و میرا و زودگذر میشود. در سیستمهای انتقال آب عامل به وجود آمدن ضربهی قوچ شوک هیدرولیکی است ولی در سیستمهای بخار به عوامل دیگری نیز بستگی دارد. نظر به این که وقوع این پدیده در سیستمهای بخار از اهمیت زیادی برخوردار است
در این مقاله علل مولد ضربهی قوچ در سیستمهای بخار مورد بررسی قرار گرفته است. این عوامل شامل شوک هیدرولیکی، شوک حاصل از جاری شدن ذرات میعان، شوک اختلاف فشار و شوک های حرارتی، می باشد. علاوه بر این روشهای جلوگیری از وقوع این پدیده بررسی گردیده است. در نهایت به حل عددی یک مسئلهی مشابه شوک هیدرولیکی شامل یک مخزن، لوله و شیر پرداخته شده و حاصله، به صورت نمودار ارائه شده است.
نتایج حاصل ازاین پژوهش نشانگر آن است که با در نظر داشتن علل پدیده ضربه ی قوچ می توان از درصد بالایی خسارات ناشی از این پدیده، جلوگیری کرد.
1. مقدمه
بخار مقدار انرژی زیادی را در واحد وزن خود نگه میدارد.بر این اساس بخار دارای مزیتهای فراوانی میباشد که باعث شده یک منبع انرژی قابل توزیع باشد. از آنجایی که اکثر حرارت بخار به صورت گرمای نهان میباشد، مقادیر زیادی از انرژی میتواند با کارایی بالا در یک دمای ثابت انتقال یابد. به طور خلاصه از بخار جهت گرمایش، استریلیزه کردن، نیروی محرکه، شستشو و تمیز کردن، رطوبت زنی و… میتوان استفاده نمود. یکی از معضلات سیستمهای انتقال بخار پدیده ضربه قوچ یا ضربهی بخار است که در صورت بروز با سروصدا و آسیبهای جدی به لولهها و اجزاء سیستم، مانند تلههای بخار، تخلیه کنندهها همراه خواهد بود و در جریانهای دو فازی که شامل بخار و کندانس میباشد رخ میدهد. این پدیده اغلب در خطوط اصلی بخار، مبدلهای حرارتی، خطوط برگشت وجمع آوری میعانات همراه خواهد بودکه در شکل 1موقعیت وقوع ضربه ی قوچ در یک سیستم بخار نشان داده شده است. در برخی از منابع این پدیده با نام چکش بخار نیز معرفی شده است.
منابرا اولین فردی بود که در مورد ضربهی قوچ شروع به مطالعه کرد. پس از آن، منچاد2 کاربرد مخازن موج گیر و شیر های ایمنی را برای کنترل ضربهی قوچ آزمایش کرد.[ 11 ] در پایان قرن نوزدهم، پژوهشگرانی چون فرزل3، کارپنتر4 و وستون5 برای توسعهی حالت فشار وابسته به تغییر سرعت در لوله تلاش کردند و فرزل موفق شد درباره اثر انشعاب خط لولهها و برگشت موج موجهای پیدرپی بر توربینهای سرعت، بحث نماید.[ 12 ] شبیه این کار را جوکوسکی6 و آلیوی7 انجام دادند. جوکوسکی اولین معادلهی شناختهشده در فرضیه علمی جریان انتقالی را ابداع کردو این فرضیات معادلات اساسی ضربهی قوچ نام گرفت.
شکل -1 مکانهای محتمل وقوع ضربهی قوچ.
2. عوامل اختصاصی بروز ضربه ی قوچ در سیستم های بخار -مایع
در سیستمهای تک فازی مایع ، ضربه ی قوچ صرفا ناشی از شوک های هیدرولیکی مانند قطع و وصل جریان در اثر باز و بسته کردن شیرها، قطع و وصل پمپها و مانند آن می باشد. در سیستمهای دو فازی علاوه بر شوکهای هیدرولیکی، دو عامل دیگر نیز می تواند منجر به بروز پدیده ضربه قوچ گردد
در اثر تجمع قطرات تقطیرشده در قسمت افقی لولههای بخار و عبور بخار با سرعت بالا در مجاورت این قطرات ضربه اتفاق میافتد. در اثر برخورد بخار سریع - تا سرعت 50m/s - با قطرات مایع لرزش ایجادشده و در صورت حجیم بودن، توده آب تشکیلشده وحرکت این توده با سرعت نزدیک به سرعت بخار مجاور و برخورد آن به اولین زانویی یا شیر در مسیر، نیروی فوقالعاده ای بر خط اعمالمی کند که ممکن است منجر به شکست لوله گردد. وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است.
عامل دیگر روز این پدیده در واقع همان پدیده کاویتاسیون است که در اثر شکل گرفتن حبابهای بخار در لولهای که از آن آب عبور میکند رخ میدهد چنانچه در اثر تبادل حرارت بخارها تقطیر شوند حبابهای بخار ترکیده و کندانس های اطراف به سرعت خلأ به وجود آمده را پر کنند و پدیده کاویتاسیون رخ میدهد که باعث ایجاد ضربه و امکان آسیبدیدگی تلههای بخار و اجزاء دیگر سیستم وجود دارد[1] و .[6] - شکل - 3
شکل -2 - الف - حرکت توده آب. - ب - شکست لوله ناشی از ضربهی آب.
شکل -3 - الف - حبابهای بخار در لوله. - ب - حبابهای بخار ترکیده و پر شدن خلأ با کندانس.[ 6 ]
بر طبق تحقیقات عواملی که باعث وقوع ضربهی قوچ در سیستم های بخار و کندانس میشوند عبارتاند از:
.1-2 شوک هیدرولیکی
شوک هیدرولیکی ممکن است، در زمانیکه یک سیال در داخل یک لوله در حال حرکت میباشد، به دلایلی همچون کم و زیاد شدن شدت جریان یا زمانیکه شیر میخواهد باز یا به طور ناگهانی بسته شود، رخ دهد .[3] این پدیده منجر به تغییر ناگهانی جریان و ایجاد افت فشار - به شکل یک موج فشاری - در لوله و در نتیجه کم و زیاد شدن فشار میشود.
شوک هیدرولیکی در ابعاد بزرگتر ، در موتورخانههای صنعتی بخار و کندانس و در خطوط مکش و دهش پمپهای کندانس ناشی از روشن و خاموش شدن ناگهانی ایجاد می شود. باز و بسته شدن ناگهانی مسیر کندانس - توسط پمپ - به سمت بویلر ها ، شوکی بر کندانس در حال حرکت وارد می نماید که منجر به ضربهی سنگینی از جانب کندانس بر پمپ، شیرآلات و اتصالات آن میگردد .
از روش های کاهش شدت ضربهی ناشی از ضربهی قوچ، به آرامی باز و بسته کردن شیرهای قطع و وصل سیستم میباشد.[2] یکی از موثرترین روشها، برای کاهش صدمه به پمپ و شیرآلات، استفاده از شیرهای یک طرفه می باشدکه علاوه بر ممانعت از بازگشت آب از بویلر به تانک کندانس - ناشی از اختلاف فشار میان بویلر و تانک کندانس میباشد - ، در زمان اعمال شوک هیدرولیکی،از جریان مغشوش کندانس - ناشی از اعمال ضربهی قوچ بر المانهای اطراف آن - جلوگیری میکند. در این مقاله به عنوان نمونه، حل عددی تأثیر شوک هیدرولیکی ناشی از یک ضربهی قوچ، در نرمافزار متلب - به روش تفاضل محدود - انجام شده است. وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل -4 محل وقوع ضربهی قوچ ناشی از شوک هیدرولیکی.
.2-2 شوک جریان
شوک جریان به دلیل عدم تخلیه کامل میعانات موجود در خطوط بخار و تبدیل بخارهای محبوس در لوله به کندانس - در اثر تبادل حرارت با محیط - ایجاد و باعث تجمع کندانس میشود. این کندانس ها به مرور زمان، جرم زیادی را در بر گرفته و شروع به حرکت در لوله می نماید - تا وقتیکه تغییر مسیر و یا به یک شیر برخورد نماید - . وقتیکه کندانس با سرعت زیاد به مانعی برخورد کند، انرژی جنبشی آن به انرژی فشاری تبدیل و ناگهان سرعت خود را از دست داده که منجر به ضربه به شیر، خطوط لوله و یا تجهیزات میشود، که این عامل نیز از دلایل ایجاد ضربهی قوچ میباشد.[1]وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل 5 نشان داده شده است.
