ضربه قوچ چیست؟

ضربه قوچ

1. ضربه قوچ چیست؟

در پاسخ به سوال ضربه قوچ چیست باید گفت 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، تخلیه‌کننده‌ها همراه خواهد بود و در جریان‌های دوفازی که شامل بخار و کندانس می‌باشد رخ می‌دهد.

این پدیده اغلب در خطوط اصلی بخار، مبدل‌های حرارتی، خطوط برگشت و جمع‌آوری میعانات همراه خواهد بود که در شکل 1 موقعیت وقوع ضربه قوچ در یک سیستم بخار نشان داده شده است. در برخی از منابع این پدیده با نام چکش بخار نیز معرفی شده است.

شکل ۱- مکان‌های محتمل وقوع ضربه‌ی قوچ.

٢. عوامل اختصاصی بروز ضربه قوچ چیست ؟

در سیستم‌های تک‌فازی مایع، ضربه‌ قوچ صرفا ناشی از شوک‌های هیدرولیکی مانند قطع و وصل جریان در اثر باز و بسته کردن شیرها، قطع و وصل پمپ‌ها و مانند آن می‌باشد.

در سیستم‌های دوفازی علاوه بر شوک‌های هیدرولیکی، دو عامل دیگر نیز می‌تواند 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 m/s۵۰)با قطرات مایع لرزش ایجاد شده و در صورت حجیم بودن، توده آب تشکیل شده و حرکت این توده با سرعت نزدیک به سرعت بخار مجاور و برخورد آن به اولین زانویی یا شیر در مسیر، نیروی فوق‌العاده‌ای بر خط اعمال می‌کند که ممکن است منجر به شکست لوله گردد.

وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل ۲ نشان داده شده است.

عامل دیگر بروز 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 تقطير شوند حباب‌های بخار ترکیده و کندانس‌های اطراف به سرعت خط 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. (شکل 3)

شکل ۲- (الف) حرکت توده آب. (ب) شکست لوله ناشی از ضربه‌ی آب.

 

شکل ۳- (الف) حباب‌های بخار در لوله. (ب) حباب‌های بخار ترکیده و پر شدن خلأ با کندانس.

بر طبق تحقیقات عواملی که باعث وقوع ضربه قوچ در سیستم‌های بخار و کندانس می‌شوند عبارت‌اند از:

2-1. شوک هیدرولیکی و ضربه قوچ

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.

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 می‌شود.

باز و بسته شدن ناگهانی مسیر کندانس (توسط پمپ) به سمت بویلرها، شو کی بر کندانس در حال حرکت وارد می‌نماید که منجر به ضربه‌ی سنگینی از جانب کندانس بر پمپ، شیرآلات و اتصالات آن می‌گردد.

از روش‌های کاهش شدت ضربه‌ی ناشی از ضربه‌ قوچ، به آرامی باز و بسته کردن شیرهای قطع و وصل سیستم می‌باشد.

یکی از موثرترین روش‌ها، برای کاهش صدمه به پمپ و شیرآلات، استفاده از شیرهای یک‌طرفه می‌باشد که 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 ضربه قوچ بر المان‌های اطراف آن) جلوگیری می‌کند.

وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل ۴ نشان داده شده است.

شکل ۴- محل وقوع ضربه قوچناشی از شوک هیدرولیکی

2-2. شوک جریان و ضربه قوچ

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 کندانس‌ها به مرور زمان، جرم زیادی را دربر گرفته و شروع به حرکت در لوله می‌نماید (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 ضربه‌ قوچ می‌باشد.

وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شکل ۵ نشان داده شده است.

شکل ۵- محل وقوع ضربه قوچ ناشی از شوک جریان.

2-3. شوک اختلاف فشار و ضربه قوچ

شوک اختلاف فشار در جریان‌های دوفازی، زمانیکه بخار و میعان در یک خط لوله‌ی یکسان با سرعت‌های مختلف در جریان می‌باشند، می‌تواند رخ دهد (مانند لوله‌های برگشت کندانس).

در جریان‌های دوفازی، سرعت بخار ده برابر بیشتر از سرعت کندانس است.

اگر ارتفاع جریان کندانس افزایش یابد و لوله پر از کندانس شود، یک فشار بخار در پشت خود باقی می‌گذارد و در زمانی که بخار به دلیل بسته شدن مسیر، نتواند جریان پیدا کند فشار به کناره‌های پایین‌دست انتقال می‌یابد.

در شکل ۶ مراحل مذکور نشان داده شده است.

در این زمان آب‌بند شدن مسیر باعث به وجود آمدن پیستونی از اختلاف فشار و تجمع قطرات بیشتری در پایین‌دست شده و در این زمان سرعت قطرات در حال افزایش است که باعث ایجاد جرمی از قطرات می‌گردد که اگر اندازه حرکت این قطرات بیشتر و مسیر آنها تغییر کند (مانند زانویی‌ها و شیرها و …) این فشار می‌تواند خسارت بزرگی به سیستم وارد کند.

در شکل 7 مراحل مذکور نشان داده شده است.

در زمانی که یک خط لوله‌ی ترکیبی داریم، در انتخاب اندازه لوله‌ها باید دقت شود.

شکل ۶- (الف) جریان عبوری دوفازی. (ب) افزایش ارتفاع جریان

 

شکل ۷- (الف) وجود قطرات در کناره‌های لوله‌ها. (ب) تجمع قطرات.

2-4. شوک حرارتی و ضربه قوچ

ممکن است در سیستم‌های دوفازی، حباب‌هایی در میان جریان کندانس خطوط اصلی و انشعاب‌ها محبوس شده باشند و چون کندانس دارای حرارت، تقريباً اشباع نیست حباب‌های بخار فوراً از هم پاشیده می‌شوند و از آن جایی که جرم مشخصی از آب در بخار، فضایی در حدود 6/1 برابر فضای خود در کندانس را اشغال می‌کند، منجر به وجود آمدن یک خلأ خواهد شد.

در این حالت کندانس‌های اطراف فضای خالی، به دلیل خلأ نسبی که ناشی از تغییر حجم بخار به وجود آمده، با شتاب و سرعت بسیار بالا و از تمامی جهات برای پر کردن فضای خالی هجوم می‌آورند (پدیده‌ی کاویتاسیون).

این امر منجر به برخورد امواج مغشوش و شتابدار کندانس به یکدیگر، ایجاد ضربه، تولید صدای شدید و وارد آمدن ضربه‌ی چکشی موضعی در محل برخورد امواج به سیستم می‌شود. این پدیده زمانیکه فشار بالای کندانس به سمت پمپ‌های خط تخلیه عبور داده می‌شود، رخ می‌دهد.

دلیل دیگر آب‌بندی اشتباه شیرهای کنترل می‌باشد و زمانی که شیر باز می‌شود قطراتی از کندانس با سرعت زیاد وارد تجهیزات می‌شوند و با کناره‌های لوله‌ها برخورد کرده و باعث به وجود آمدن ضربه می‌شوند و اگر این جریان همراه با بخار و کندانس سرد باشد، افزایش ضربه قوچرا خواهیم داشت.

وقوع این پدیده به صورت شماتیک در شكل ۸ نشان داده شده است.

در نمودار 1 مشاهده می‌شود که در ناحیه چپ، بخار همراه با کندانس در حرکت بوده و میعان اتفاق می‌افتد. سپس حباب‌های کوچکی ایجاد شده که منجر به ضربه قوچ در مقیاس کوچک‌تر می‌شود که این روند تا در اواسط نمودار ادامه پیدا می‌کند و ناگهان تمام بخار، میعان شده و حباب‌های ایجاد شده منجر به ایجاد یک ضربه قوچدر مقیاس بزرگ می‌شوند.

شکل ۸- محل وقوع ضربه قوچناشی از شوک حرارتی.
نمودار ۱- نمودار بررسی وقوع ضربه قوچدر تغییرات زمان-دما.

٣. معادلات ریاضی ضربه قوچ

در سیستم‌های تک‌فازی معادلات ضربه قوچبه روش MOC (Method Of Characteristic) قابل حل می‌باشد. البته برای حل این مسئله، باید شرایط مرزی را داشته باشیم.

که در آنها ρ چگالی سیال، p فشار سیال، h آنتالپی (بخار) مخصوص، f ضریب اصطکاک،  شار حرارت واحد جرم، D قطر لوله و  زاویه شیب لوله هستند.

این معادلات در سیستم‌های دوفازی مانند سیستم‌های بخار به شکل زیر نشان داده می‌شود:

روش حل این معادلات نیز به طریق حل سیستم‌های تک‌فازی می‌باشد.

۴. حل عددی یک مثال از شوک هیدرولیکی

در این بخش، حل عددی یک مثال از شوک هیدرولیکی توضیح داده می‌شود و در نهایت نتایج برنامه‌نویسی آن در نرم‌افزار متلب ارائه می‌گردد.

معادله پیوستگی
معادله ممنتم

روش تفاضل محدود:

در این روش، از تقریب پیشرو مرتبه اول برای زمانی که البته در آن مقدار متوسط تابع U به کار گرفته می‌شود و تفاضل مرکزی مرتبه دوم برای مستقل‌های مکانی، استفاده می‌گردد. در این صورت، معادلات پیوستگی و ممنتم (اندازه حرکت) به صورت گسسته زیر نوشته می‌شوند:

که در آنها Vسرعت، g شتاب جاذبه‌ی زمین، H هد ارتفاع، f ضریب اصطکاک، D قطر لوله، a سرعت موج فشاری،  متغير مكان، t متغیر زمان می‌باشد.

شرط لازم برای داشتن پایداری در این روش:

بطور مثال برای تعداد ۱۰۰ گره داریم:

از معادلات پیوستگی و ممنتم نتیجه می‌شود که:

لوله متحمل به مخزن با شیر در انتها
لوله متحمل به مخزن با شیر در انتها

شرایط اولیه:

سرعت اولیه در تمام طول لوله m/s524/1 است و هد اوليه در طول لوله به صورت خطی از ۲۱۸ متر در مخزن تا 24/15 متر در خروجی لوله، متغير است. بنابراین:

شرایط مرزی:

بالادست: به دلیل وجود مخزن، H ثابت می‌ماند که با H0 نمایش داده می‌شود. اما باید تغییرات V بررسی گردد. بنابراین:

که در آن اندیس 0 به ابتدای لوله و اندیس  + 0  به نقطه‌ای در لوله با فاصله  از شروع لوله اشاره می‌کند.

پایین‌دست: به دلیل بستن ناگهانی شیر در زمان صفر، V صفر می‌شود ولی باید تغییرات H مورد بررسی قرار گیرد. بنابراین:

که در آن اندیس L به نقطه پایانی لوله و L  به نقطه ما قبل آخر، اشاره می‌کند.

مثال موجود توسط نرم‌افزار متلب برنامه‌نویسی شده و نتایج آن در نمودارهای شکل ۱۰ نشان داده شده است.

شکل ۱۰- (الف) هد ارتفاع در مرکز لوله‌ها. (ب) هد ارتفاع در شیرها. (ج) هد ارتفاع در مرکز لوله‌ها، ولوها و مخزن.

این نمودارها نشان می‌دهند که با بسته شدن ناگهانی شیر آب، مخزن آب تغییری در ارتفاع نداشته ولی هد ارتفاع بزرگی از آب در قسمت‌های مرکزی لوله و شیرها پیوسته در حال تناوب است و تا لحظه‌ی مستهلک شدن کامل انرژی ادامه پیدا می‌کند. این تغییرات باعث ایجاد ضربه و صدا در لوله‌ها و شیرها می‌شود که همان پدیده‌ی ضربه قوچنام گرفته است.

۵. نتیجه‌گیری

در این مقاله به بررسی عوامل به وجود آورنده‌ی ضربه قوچ در سیستم‌های بخار پرداخته شده است.

معادلات آن در سیستم‌های تک‌فازی و دوفازی نشان داده شد و نتایج یک نمونه‌ی عددی تک‌فازی با استفاده از این معادلات و روش تفاضل محدود به دست آورده شد و تدابیری برای جلوگیری از بروز ضربه قوچ که لحاظ می‌گردد بیان شد.

از مهم‌ترین راه‌حل‌ها به انتخاب اندازه صحیح خطوط جریان و استفاده از تله‌های بخار اشاره شد که دارای شرایط و مقررات مخصوص به خود هستند که یکی از نهادهای مشخص‌کننده دستورالعمل‌ها ASME (American Society of Mechanical Engineers) می‌باشد.

منبع: دکتر سلمان پوراسماعیل، سید ایمان مرتضوی “بررسی ضربه قوچ در سیستمهای بخار و میعان و علل وقوع آن” شانزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل 1396