مرجع تخصصی آب و فاضلاب

وقتی که یک سیال درون یک مسیر بسته در حال جریان باشد و کندشدن و یا تسریع سرعت جریان به وجود اید پدیده ضربه قوچ مشاهده خواهد شد. نظیر مواقعی که در مسیر لوله شیری قرار گرفته باشد و به وسیله آن تغییری در سطح خروجی جریان ایجاد می شود. اگر این تغییرات تدریجی باشد می توان محاسبات را با توجه به اینکه مایع تراکم ناپذیر و جداره های مسیر عبور سخت هستند. به روش مشابه با تموج انجام داد. وقتی یک شیر را در مسیر خط لوله و جریان به سرعت می بندیم جریان درون شیر کاسته می شود. این عمل افزایش هد در سمت ورودی شیر را به دنبال خواهد داشت و ضربه ای ناشی از فشار زیاد را ایجاد می کند که در بالا دست جریان با سرعت موج صوتی تقویت می شود. نتیجه این ضربه فشاری کاهش سرعت جریان می باشد. در سمت دیگر شیر فشار کاهش خواهد یافت و موج فشار کاسته شده با سرعت موج به طرف پایین دست جریان حرکت می کند که این نیز کاهش سرعت را به همراه دارد. اگر سرعت بسته شدن به اندازه کافی سریع و و فشار حالت پایدار به مقدار کافی کم باشد حبابهائی از بخار در سمت پایین دست شیر شکل می گیرد و به این ترتیب خلاء حاصله در نهایت از میان خواهد رفت و موج ناشی از فشار زیاد ایجاد می شود.
قبل از بدست آوردن معادلات لازم جمربوط به ضربه قوچ وقایع و حوادث متوالی که پس از بسته شدن ناگهانی شیر در پائین دست جریان درون لوله که جریان آن از یک مخزن تامین می گردد به وقوع می پیوندد را بررسی می کنیم.
در این حالت از اصطکاک صرفه نظر می کنیم. فرض کنیم که شیر در لحظه بسته شدن در زمان صفر و سیال مجاور شیر متراکم و متوقف می شود. در نتیجه جداره های لوله کشیده می شوند. به محض اینکه اولین لایه متراکم شود. همین فرآیند برای لایه بعدی صورت خواهد گرفت سیال در بالا دست شیر به حرکت خود به طرف پایین دست جریان با سرعتی که کم نشده است ادامه می دهد تا اینکه لایه ها یکی پس از دیگری متراکم شوند و این عمل تا منبع تامین جریان ادامه می یابد. فشار ایجاد شده به صورت موج به بالا دست جریان منتقل می شود و سیال در حال جریان را متوقف و متراکم می سازد و سبب انبساط لوله می شود. وقتی که موج حاصله به بالادست جریان در لوله می رسد تمام سیال تحت هد اضافی قرار می گیرد و تمامی اندازه حرکت از میان می رود و در نتیجه انرژی جنبشی کلا به انرژی کشسانی تبدیل می شود.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

پرش یا جهش هیدرولیکی از نوع جریان های متغیر سریع است ، که در بسیاری از کارهای عملی با آن روبرو می شویم و آن عبارت است از تغییر جریان از حالت فوق بحرانی به جریان زیر بحرانی . چنانچه آب در قسمتی از مسیر دارای حالت فوق بحرانی بوده و بنا به مشخصات و موقعیت خاص کانال بخواهد تغییر مسیر بدهد عمق جریان در مسیر کوتاهی به میزان قابل توجهی افزایش یافته و و در نهایت ضمن ایجاد افت انرژی محسوس از میزان سرعت به میزان قابل توجهی کاسته می شود.این پدیده که یکی از پدیده های مهم جریان آب در کانال های باز بوده و از ابتدا تا انتها ی آن یک تلاطم و پیچش سطحی آب وجود دارد پرش هیدرولیکی نام دارد.

همچنین پرش هیدرولیکی در زمینه های مختلف از جمله کاهش انرژی آب در جریان در روی سدها ، سر ریزها افزایش سطح آب در کانال ها به منظور پخش آب ، مخلوط نمودن مواد شیمیایی در تصفیه خانه ها کاربرد فراوان دارد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

1-رابطه شزی معمولاً به طور مستقیم مورد استفاده قرار نمیگیرد ولی اساس روابط دیگری مانند مانینگ میباشد.

2-رابطه هیزن ویلیامز: که خیلی اوقات در سیستم های تحت فشار مورد استفاده قرار میگیرد (آبرسانی شهری و فاضلاب).

K ثابت (85/0 برای سیستم SI،

32/1 برای سیستم آمریکایی)

 

3-رابطه دارسی ویسباخ: این رابطه به دلیل غیرتجربی (منتقی) بودنش از دید مهندسان به عنوان دقیق ترین روش برای تعیین اصطکاک به حساب  می آید.

که اینجا رابطه را برای Q نوشتیم. در مقاطعی که دایروی نیستند از D=4R  استفاده کنید. چون که میدونید قطر لوله 4 برابر شعاع هیدرولیکی است.

4-رابطه کول بروک وایت: برای بدست آوردن f  ضریب اصطکاک در رابطه دارسی-ویسباخ روابط زیادی ارائه شد که این رابطه هم به همین مناسبت ارائه شد که این معادله ضمنی است. یعنی باید سعی و خطا کنی تا f دست بیاد. البته این رابطه برای جریان آشفته انتقالی ارائه شد که در این قسمت جریان، f هم به ضریب رینولدز Re و هم به زبری نسبی e/D بستگی دارد. که آقایان کارمن- پرانتل هم رابطه ای ضمنی در باب جریان آشفته زبر دارند  که فعلاً نیازی به بیانش نیست.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در ۷۰۰ سال قبل از میلاد مسیح کشور پارس(پرشیا) اقدام به حفر قنات و انتقال آب کرد که الان اون منطقه ارمنستان حالاست.

حالا برمیگردیم عقب تر ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برای اولین بار در کریت (crete) سیستم های لوله کشی آب مورد استفاده قرار گرفت

در سال ۲۵۰ قبل از میلاد ارشمیدس قانون معروف خودش را ارائه کرد. حتماْ داستان قشنگشو هم میدونین. که قبلا نوشتم دیگه الان نمیارم. توضیح اینکه آقای ارشمیدس همان مبدع عدد پی در ریاضیات است.

سال ۱۰۰ بعد از میلاد رومی ها برای انتقال آب از کانال استفاده کردند.

ساخت اولین لوله چدنی سال ۱۴۵۵

۱۶۵۲ لوله کشی آب در بوستون آمریکا که از رودخانه ها آب رو توسط لوله به محل شهر میبردند.

۱۶۴۴- پادشاه لوییس پانزدهم فرمان کشیدن خط لوله  چدنی ۱۵ مایلی از مارلی-اُن-سین به قصر ورسایی را داد.  در آن زمان بزرگترین خط لوله آبرسانی بود.

۱۷۳۲- آقای پیتو لوله پیتو را برای اندازه گیری سرعت ابداع کرد. لوله پیتو L شکله.

۱۷۳۸- برنولی هیدرو دینامیکا را چاپ کرد: برنولی با تلفیق روابط نیتوتن و لایبنیتز به مباحث سیالات مبحث هیدرودینامیک و شروع کرد که بسیاری از مباحث سیالات و هیدرولیک از هیدرودینامیک کمک میگیرند، و همچنین وسایلی مثل ونتوری متر از این قوانین تبعیت میکنند، در سال ۱۷۵۲ همکار آقای برنولی یعنی اولر (لئونارد اولر) روابط انرژی را نوشت.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در سیستم بخار آبی ضربه قوچ معمولا هنگامی اتفاق ما افتد که مقداری از بخار آب در ناحیه افقی لوله میعان شود.متعاقبا بخار با فشار بر آب جمع شده و رساندن آن به یک سرعت بالا میتواند یک ضربه قوچ شدید با صدای مهیب ایجاد کند.این شرایط معمولا هنگامی رخ میدهد که آبریزگاه مناسب برای خروج آب در لوله بخار آب وجود نداشته باشد.نیروگاه های برق آبی باید با دقت فراوان طراحی شوند چون ضربه قوچ ممکن است موجب انفجار آنها شود. یکی از اولین افراد موفق در رسیدگی به ضربه قوچ مهندس ایتالیایی به نام لرنزو آلیویه بود.(Lorenzo Allievi)

دلایل احتمالی ایجاد ضربه قوچ:

1_آزاد شدن ناگهانی هوا(شیر آتش نشانی یا آزاد شدن هوا)

2_تریپ پمپ یا شروع به کار آن

3_شیر های یک طرفه که به مشخصه دینامیکی شیر یک طرفه و جرم آب موجود بین شیر و تانک دارد.

4_ناگهانی باز بسته شدن آب

5_رزونانس دستگاههای فرعی خصوصا پمپ اگر با فرکانس طبیعی لوله یکسان شود باعث ایجاد ضربات شدید در لوله ها می شود

نرم افزاها:

اکثر بسته های نرم افزاری ضربه قوچ از روش اجزا محدود استفاده می کند.این روش هنگامی اثر بخش خواهد بود که سرعت در طول زمان تغییر نکند و هوا وارد لوله ها نشود.تعداد زیادی از نرم افزارهای تجاری و غیر تجاری هم اکنون موجود می باشد.بسته های نرم افزاری در پیچیدگی حل با یکدیگر تفاوت دارند که به روش تحلیل آنها بستگی دارد بسته های حرفه ای ممکن است دارای گزینه های زیر باشد.

1-امکان چند فازه بودن سیال

2-یک الگوریتم مناسب برای خلا سازی در لوله

3-اصطکاک متغیر- فشار موج وقتی جریان توربولنت تولید می شود

4-تغییر برخی از ضرایب در فشار های بالا که باعث میشود آب کمتر تراکم پذیر شود

5-ساختار فعل و انفعالی سیال که خود آن باعث ایجاد فشار های مختلف در لوله شده و باعث ایجاد موج ضربه ای می شود.

روش های پیشگیرانه از ضربه قوچ:

خسارت های ناشی از ضربه قوچ باعث ایجاد خرابی ها ئی میشود ولی معمولا از حد شکستگی لوله ها فراتر نمیرود.یک مهندس باید بتواند حداقل مقدار ریسک ضربه قوچ لوله های پشت سر هم را تخمین بزند.لوله هائی که در معرض خطر قرار دارند باید به آنها رسیدگی بیشتری شود.1-سرعت پایین آب 2-لوله هائی با تحمل فشار بالای آب (گران)3-اتصالات مناسب (در باز و بسته شدن شیرهای آب)4-برج های آبی (که در سیستم های آب آشامیدنی استفاده میشود) و به نگهداری حالت دائم سیال کمک میکنند و فشار ناشی از ضربه قوچ را کاهش می دهد.5-ups یک منبع تغذیه برق که برای دمپ کردن فشار ناشی از کار افتادن ناگهانی پمپ روشن شده تا چند دقیقه پمپ به کار خود ادمه می دهد.6-نصب flywheel یا چرخ طیار در پمپ ها

7-گذرگاه فرعی برای پمپ ها

موارد کاربردی

1-از اصول ضربه قوچ برای ایجاد یک پمپ به نام هیدرولیک رم استفاده شده است2-در شناسایی سوراخ هایی احتمالی در لوله ها از ضربه قوچ استفاده می شود.3-شناسایی بسته های هوائی اضافه شده به لوله4-نیروی دریائی آمریکا در حال آزمایشی روشی است که در خنثی کردن مین ها از ضربه قوچ آب استفاده می کنند.

ضربه قوچ از ترجمه واژه فرانسوي Coup DE Belier گرفته شده است و مترادف اصطلاح انگليسي Water Hammer‌ (چكش آبي) مي باشد، ضربه قوچ در اثر يك تغيير (يا قطع ناگهاني) در سرعت جريان سيال در يك مجرا (شبكه) به وجود مي آيد، به عبارت ديگر انرژي سينتيك (Kinetic Energy) به انرژي الاستيسيته(Elasticity Energy) تبديل مي گردد. در موقع قطع برق موتور پمپ هاي دوراني يا سانتريفوژ (قطع ناگهاني برق يا خاموش كردن ناگهاني پمپ)، نيروي محركه دوران دهنده پروانه پمپ سريع قطع مي گردد، به همين دليل سرعت جريان سيال بطور ناگهاني تغيير مي يابد و انرژي سينتيك از حالت فشار به مكش در خروجي پمپ تبديل مي شود. در اين تغيير، امواج فشاري شديدي در امتداد لوله خروجي پمپ پيش مي رود و اين امواج در اثر برخورد با مانع (منبع آب) منعكس و برگشت مي كند، موج برگشتي جهت جريان سيال را در پمپ عوض كرده و دبي ماكزيممي در جهت عكس، از پمپ جريان مي يابد و پمپ به صورت توربين در جهت عكس چرخش اوليه خود شروع به چرخش مي نمايد و براي مدت كوتاهي پمپ همانند توربين آبي عمل مي نمايد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

پمپ و پمپاژ      

پمپ به دستگاهی اطلاق می شود که انرژی مکانیکی را از یک منبع خارجی گرفته و به سیلابی که از درون خود می گذرد انتقال می دهد.

متداول ترین تقسیم بندی پمپ ها بر اساس نحوه انتقال انرژی مربوطه به سیال است که براساس آن به موارد زیر تقسیم می گردند:

دارای انتقال انرژی پیوسته: که بنام پمپ دینامیکی شناخته می شود. از این گونه پمپ ها می توان به توربوپمپ ها، پمپ های محیطی و پمپ های خاص اشاره نمود.

دارای انتقال انرژی متناوب ( دوره ای یا پریودیک ): که تحت عنوان پمپ های جابجایی شناخته می شوند. ازآنها می توان به پمپ های رفت آمدی و پمپ های گردشی اشاره کرد.

تقسیم بندی پمپ ها بر اساس نحوه ورود و خروج سیال:

جریان محوری : این نوع پمپ ها دارای پروانه باز می باشند که این نوع پروانه برای تولید دبی بیشتر و فشار کمتر کاربرد دارد.

 

جریان مختلط یا نیمه سانتریفیوژ : دارای پروانه نیمه باز برای تولید دبی و فشار متوسط می باشند.

 

جریان شعاعی : دارای پروانه بسته می باشند که برای تولید دبی کم و فشار زیاد بکار برده می شوند.

پمپ های سانتریفیوژی به پمپ هایی گفته می شود که دارای جریان شعاعی باشند.

 مانند پمپ های سر چاهی، کمر چاهی و پمپ های خارج از سیال.

به پمپ هایی که در داخل سیال قرار می گیرند پمپ های شناور گفته می شود.

در پمپ های توربینی پمپ داخل سیال قرار دارد ولی انرژی از بیرون تهیه می گردد.

پمپ های توربینی و شناور دارای جریان شعاعی هستند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

پمپ هاي پيچي نوع خاصي از پمپ هاي روتاري يا جا به جايي مثبت هستند كه سيال از ميان اجزاي پمپ به صورت محوري حركت مي كند . مايع از ميان دنده هاي مارپيچ يك روتور (چند روتور) عبور كرده وبه طور محوري توسط همين دنده ها جا به جا مي شوند . پمپ پيچي مي تواند مايعاتي با ويسكوزيته هاي مختلف از ملاس گرفته تا بنزين را جا به جا كند همچنين دامنه فشار از psi 50  تا psi 5000 ود بي تا  min / gai 5000 را تامين مي كند .

مقدمه

در ساير پمپ هاي دوراني فشار مايع هنگام حركت محيطي افزايش مي يا بد اما در پمپ هاي پيجي سيال به صورت محوري وبا سرعت كم جريان مي يابد وهمين خاصيت دامنه كاربرد اين نوع پمپ را وسعت مي بخشد . پمپ هاي پيچي در زمينه هاي همچون كار هايي دريايي ، صنايع سوخت مشعل ، سرويسيهاي روغن كاري ،پروسه هاي شيميايي ، صنايع نفت ، سيستم هاي هيدروليك پر فشار ، ماشين هاي ابزار و... دامنه كاربرد وسيعي دارد .با توجه به اينكه اينرسي نسبي قطعات گردنده در پمپ هاي پيچي نسبت به ديگر پمپ هاي دوراني يا رفت و برگشتي كمتر است ، از اين رو پمپ هاي پيچي قابليت كار در سرعت هاي دوراني بالاتري را دارند . براي نمونه براي روغن كاري بعضي از تور بين هاي كه پمپ بايد در سرعت هاي بالاتر از 10 هزار دور بر دقيقه كاركند ميتوان از اين پمپ ها استفاده كرد .

مزايا ومعايب پمپ هاي پيچي

مزايا :
محدودۀ وسيع دبي وفشار
قابليت كاربرد براي محدودۀ وسيع مايعات با ويسكو زيته هاي متفاوت
سرعت دوراني بالا وبدون محدوديت در انتخاب وسيله محرك
سرعت هاي داخلي پايين
خود مكش (بدون احتياج به هوا گيري) با مكش خوب
تلرانس با دقت بالا براي هوا وديگر گازها
حداقل ايجاد كف در سيال
حداقل ارتعاشات مكانيكي وضربات موجي
طراحي فشرده مونتاژ وتعميرات آسان
تلرانس هاي بالاتر نسبت به ساير پمپ هاي دوراني

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

جريـان سيـالات در لوله هـا (Fluid Flow in Pipes)

سيالها با قرار گرفتن در معرض نيرو تغيير شكل و مكان مي دهند .  تغيير مكان سيالها طي ضوابط بخصوصي صورت مي گيرد و هميشه جريان در اثر اختلاف فشار مي باشد ( از طرف فشار بالاتر به سمت فشار پائين تر حركت مي نمايند ).

نحوه جريان سيالها درشرايط وموقعيتهاي متفاوت و با در نظر داشتن تمامي جوانب مختلف مي باشد و اصولاً نحوه جريان در انتقال آنها تأثير مستقيم دارد .  معمولاً جريان سيالات را به دو گونه تغيير مي نمايند ، جريان يك فاز كه فقط يك نوع سيال و به تنهائي (مثلاً گازويامايع) در مسير مورد نظر در حركت است، و ديگري جريان دو فاز كه از مجموعه اي دو جنس سيال (گازومايع ، مايع و و جامد-گازوجامد) تشكيل ميگردد .

محاسبات مربوط به جريان سيالها اكثراً با توجه به دو تغيير فوق صورت مي پذيرد و بديهي است درا ين مورد رساله ها ، كتب و روشهاي متعددي موجود مي باشند .  جريان سيالات باتعاريف ديگري نيز مورد بحث قرار گرفته اند ، نظير جريانهاي آرام (Iaminar)  و جريانهاي ملتهب (Turbulent)  كه با ضوابطي قابل تقسيم بندي مي باشند .

مهمترين موضوع در امر جريان سيالها ، افت فشار به خاطر حركت از يك نقطه به نقطه ديگري مي باشد .  اين مهم درمسير حركتهاي متفاوت و با جنس و موقعيت سيالها ، مختلف خواهد بود .

راجع به اين موضوع و اصولاً نحوه بررسي جريانها و محاسبات مربوط به آنها و انتقال سيالها ، كتابها و نوشته هاي متعددي وجود دارند و درهر كدام به تفصيل از روش هاي محاسبه متفاوتي سخن رفته است .  در اينجا بهتر است از تئوري و فرمولهاي مربوطه بحثي به ميان نيايد زيرا كه هر چه گفته شود هنوز ناقص به نظر مي رسد .

مرجع تخصصی آب و فاضلاب