W części pierwszej tej dwuczęściowej kolumny, zdefiniujemy uderzenie wodne i zbadamy zdarzenia, które je powodują. Postaramy się również spojrzeć na dodatkowe ciśnienie, jakie generuje. Aby przeczytać część drugą, kliknij tutaj.

Co to jest uderzenie wodne?

Młot wodny (także waterhammer) to skok ciśnienia, który może pojawić się w każdym systemie pompowym, w którym następuje nagła zmiana szybkości przepływu i zwykle wynika z uruchomienia i zatrzymania pompy, otwarcia i zamknięcia zaworów lub rozdzielenia i zamknięcia słupa wody. Te nagłe zmiany mogą powodować, że cały lub część przepływającego słupa wody ulega zmianie pędu. Zmiana ta może wytworzyć falę uderzeniową, która przemieszcza się tam i z powrotem między barierą, która ją wytworzyła, a barierą wtórną. Jeśli intensywność fali uderzeniowej jest wysoka, może dojść do fizycznego uszkodzenia systemu. Co dziwne, uderzenia wodne mogą być bardziej niepokojące w zastosowaniach niskociśnieniowych.

Water hammer jest kolejnym przykładem zachowania energii i wynika z zamiany energii prędkości na energię ciśnienia.

Ponieważ ciecze mają niską ściśliwość, wynikająca z tego energia ciśnienia ma tendencję do bycia wysoką.

Prawdopodobnie najlepszym sposobem na wizualizację młota wodnego jest rozpoczęcie od hipotetycznego przykładu. Rysunek 1 poniżej przedstawia pompę tłoczącą wodę do rury, która była pusta w momencie uruchomienia pompy. Dwa zawory, znajdujące się na wylocie pompy i na dalekim końcu rury, są całkowicie otwarte i mają możliwość natychmiastowego zamknięcia. Rura, zawory i inne elementy wyposażenia są całkowicie nieelastyczne i nie może nastąpić żadna zmiana objętości, niezależnie od ciśnienia. Kolumna wody przepływająca przez rurę ma również idealnie płaską krawędź czołową, która odpowiada ID przekroju poprzecznego rury. Kiedy krawędź wiodąca słupa wody osiąga zawór znajdujący się za nim, zamyka się on z prędkością niemalże światła i nie zatrzymuje powietrza przed słupem wody.

Nawet jeśli krawędź wiodąca uderzyła w zamknięty zawór, przepływ do rury trwa przez następne kilka milisekund. W momencie, gdy przepływ ustaje, zawór znajdujący się powyżej zamyka się (tym razem z prawdziwą prędkością światła), a słup wody zostaje całkowicie odizolowany pomiędzy dwoma zaworami. Jakie zdarzenia zachodzą, gdy kolumna uderza w zamknięty zawór i dlaczego woda nadal wpływa do rury, mimo że zawór jest zamknięty?

Gdyby ta poruszająca się kolumna była kolumną metalu zamiast wody (hipotetycznie, oczywiście), mogłoby się zdarzyć kilka rzeczy. W zależności od współczynnika restytucji (jego zdolności do uniknięcia trwałego uszkodzenia), energia kinetyczna wynikająca z przepływu (ruchu) mogłaby zostać przekształcona w energię mechaniczną, gdy krawędź wiodąca metalowej kolumny zostałaby przygnieciona przez zamknięty zawór. W takim przypadku kolumna zatrzymałaby się i pozostałaby nieruchoma na zaworze. Jeśli restytucja jest wystarczająco duża, aby zapobiec zgnieceniu, ta sama energia kinetyczna mogłaby zostać użyta do odwrócenia kierunku ruchu kolumny w postaci odbicia. Niezależnie od wyniku, „cała” kolumna metalowa albo zatrzyma się, albo odbije w przeciwnym kierunku. Żadne z tych zdarzeń nie zachodzi, gdy w grę wchodzi woda.

Woda jest cieczą prawie nieściśliwą, co wydaje się sugerować, że jest lekko ściśliwa. W temperaturze otoczenia, ciśnienie 1psi zmniejszy jej objętość o około 0.0000034 procent. Wydaje się to dość małe, ale im większa objętość, tym łatwiej zauważyć ten efekt. Na przykład, gdyby woda nie ulegała kompresji, poziom morza byłby o około 100 stóp wyższy niż obecnie! Przy bardzo wysokim ciśnieniu, powiedzmy 40 000 psi, jej ściśliwość wzrasta do około 10 procent. Ale większość wody to nie tylko woda – zawiera ona również powietrze, które składa się głównie z azotu (78%) i tlenu (21%). W przeciwnym razie ryby nie mogłyby przeżyć! Rozpuszczone powietrze stanowi około 2 procent danej objętości nieprzetworzonej wody i znacznie zwiększa jej ściśliwość.

Dlaczego

To właśnie ściśliwość wody (i rozpuszczonego powietrza) powoduje, że woda zachowuje się inaczej niż słup metalu. Gdyby nie była ona ściśliwa, jej krawędź prowadząca zostałaby trwale zmiażdżona lub cała kolumna odbiłaby się do tyłu. Kiedy krawędź czołowa słupa wody uderza w zamknięty zawór, gwałtownie się zatrzymuje. Ponieważ woda za krawędzią prowadzącą jest nadal w ruchu, zaczyna się ściskać. Ta kompresja na całej długości kolumny pozwala niewielkiej ilości wody nadal płynąć do rury, mimo że krawędź prowadząca zatrzymała się. Kiedy przepływ ustaje, cała energia kinetyczna ruchu i ta spowodowana ściskaniem jest przekształcana w energię ciśnienia.

Kompresja rozpoczyna się na wiodącej krawędzi słupa wody, a ponieważ dodatkowa energia, którą wytwarza, nie może być kontynuowana poza zamkniętym zaworem, generowana jest fala ciśnieniowa lub uderzeniowa, która przemieszcza się wzdłuż ścieżki najmniejszego oporu, która w tym przykładzie jest z powrotem w górę rzeki. Jej powstanie jest podobne do echa wytwarzanego, gdy fala dźwiękowa, podróżując przez powietrze, uderza w podobną barierę. Kiedy fala uderza w zawór upstream, jest odbijana z powrotem w dół rzeki, ale ze zmniejszoną intensywnością. Ten ruch tam i z powrotem trwa do momentu, gdy straty spowodowane tarciem i odbiciem spowodują zanik fali. Prędkość, z jaką porusza się fala i energia, jaką traci podczas podróży, zależy od gęstości i ściśliwości ośrodka, w którym się porusza. Gęstość i ściśliwość wody czyni ją dobrym medium do generowania i przenoszenia fal uderzeniowych.

Fale ciśnieniowe powstałe w wyniku uderzenia hydraulicznego mają charakterystykę podobną do fal dźwiękowych i poruszają się z podobną prędkością. Czas wymagany dla fali ciśnienia uderzenia wodnego do pokonania długości rury jest po prostu długością rury podzieloną przez prędkość dźwięku w wodzie (około 4,860 stóp/sek). W analizie uderzeń wodnych często stosuje się stałą czasową, która opisuje postęp fali od jej powstania do bariery wtórnej i z powrotem. Przyjmuje ona postać Tc = 2L/a (gdzie L jest długością rury, a a jest prędkością fali, czyli prędkością dźwięku). W rurze o długości 1000 stóp fala może przebyć całą drogę dookoła w czasie krótszym niż pół sekundy.

Ciśnienie wytworzone przez tę falę uderzeniową jest wprost proporcjonalne zarówno do prędkości fali, jak i prędkości wody płynącej w rurze. Chociaż poniższe równanie nie uwzględnia wpływu długości, średnicy i elastyczności rury, zapewni ono pewien wgląd w dodatkowe ciśnienie wytworzone przez falę uderzeniową.

P(dodatkowe) = aV / 2,31g

P jest dodatkowym ciśnieniem wytworzonym przez falę uderzeniową, a jest prędkością fali, V jest prędkością wody płynącej w rurze w stopach na sekundę, g jest uniwersalną stałą grawitacyjną @ 32-ft/sec2 , a 2,31 jest stałą konwersji ciśnienia. Przy prędkości rurociągu wynoszącej 5 stóp/s², dodatkowe ciśnienie wytworzone przez falę uderzeniową wynosi około 328 psi. Zwiększenie tej prędkości do 10 stóp/s zwiększa dodatkowe ciśnienie do około 657 psi. Oczywiście systemy, które nie zostały zaprojektowane do przyjęcia tak zwiększonego ciśnienia są często uszkadzane lub nawet niszczone.

W następnym miesiącu przeanalizujemy trzy główne przyczyny uderzeń wodnych oraz czynniki, które przyczyniają się do wielkości generowanej przez nie fali uderzeniowej. Zobaczymy również, dlaczego uderzenie wodne może być bardziej szkodliwe w systemach niskociśnieniowych.