Vízütés

Vízütés által megrongálódott csőkompenzátorok

A vízütés vagy általánosabban folyadékütés, hidraulikus sokk, egy jellemzően csővezeték-rendszerekben fellépő, rendkívül veszélyes áramlási jelenség. Ha a csővezetékben áramló folyadék sebessége hirtelen megváltozik, vagy teljesen megszűnik, a folyadékok összenyomhatatlansága miatt egy nyomáshullám keletkezik. Ez a nyomáshullám általában jóval magasabb, mint az üzemi nyomás; így zajt, vibrációt, legsúlyosabb esetben pedig a cső, vagy a csatlakozó csőszerelvények (szelepek, tolózárak, csőkarimák) törését okozhatja. A vízütés a vezetékrendszer körültekintő működtetésével, illetve csillapítások (például légüst, vízakna) beépítésével elkerülhető, hatása csökkenthető.

A nyomáscsúcs az Allievi-Zsukovszkij-egyenlet alapján becsülhető. Pontosabb eredmények a karakterisztikák módszerével kaphatóak.

A jelenség magyarázata

Amikor egy zárt csővezetékrendszerben áramló folyadék sebessége megváltozik; például amikor elzárnak egy tolózárat, vagy leáll egy szivattyú, az elzárás közvetlen környezetében lévő folyadékrészek elveszítik mozgási energiájukat. A csőben áramló közeg fennmaradó része azonban (amely igen tekintélyes tömegű lehet) a tehetetlenség miatt még mindig mozgásban van. A folyadékok összenyomhatatlansága miatt a lefékeződött folyadékrész nyomása meredeken megnő; ez a nyomásnövekedés egy nyomáshullám formájában elindul az áramlás irányával ellentétesen. A hullámfront hangsebességgel terjed, és oda-vissza leng a csővezetékrendszerben mindaddig, amíg a vezetékrendszer teljesen le nem csillapítja. A jelenséget hangos, kalapácsütésre emlékeztető csattanás kíséri. Ha a kialakult nyomás kellően magas, a csővezeték eltörhet, a hozzákapcsolt hidraulikus berendezések és tartószerkezetek pedig súlyosan megrongálódhatnak.

Folyadékszál-szakadás

A vízütés jelenség során nyomáscsökkenés is bekövetkezhet (például a tolózár másik oldalán, ahonnan a folyadék ellentétes irányban távozik); ha a nyomás a gőznyomás alá csökken a folyadék elforr, akár a cső teljes keresztmetszetében gőzbuborékok keletkezhetnek. Amikor a nyomás ismét a gőznyomás fölé nő, a gőz kondenzálódik és folyadék fázisba tér vissza. A gőzbuborék által korábban elfoglalt helyen vákuum marad. A nyomáskülönbség mindkét oldalon felgyorsítja a folyadékot, ami beáramlik ebbe a térbe. A két folyadékoszlop (vagy, ha a cső zárt végű akkor a fal és a folyadékoszlop) ütközésének eredménye kavitáció; amely jelentős, és szinte azonnali nyomásnövekedést okoz. Egyetlen vízütés során számos kavitációs üreg képződés és összeomlás végbemehet.

Vízalatti robbanás

Ha zárt térben robbanás történik, a gyorsan táguló gázok nyomáshullámot hoznak létre; amely a vízütéshez hasonlóan deformálhatja a tartály falát. Ilyen eset történt az SL-1 kísérleti atomreaktorban, ahol a vízalatti robbanás következtében felgyorsult víz Sablon:Szám emelkedés után, Sablon:Szám sebességgel érte el a reaktor tetejét. A Sablon:Szám (Sablon:Szám) nyomású folyadék Sablon:Szám magasra röpítette fel a Sablon:Szám tömegű acéledényt.

A nyomáscsúcs nagysága

Lorenzo AllieviSablon:Wd olasz mérnök volt az első, aki sikeresen vizsgálta a vízütés problémáját.

A folyadékütés két különböző megközelítés szerint vizsgálható. A merev folyadékoszlop elmélet figyelmen kívül hagyja a folyadék kompresszibilitását és a csőfal rugalmasságát; míg a másik elmélet (teljes analízis) magában foglalja a csőfal rugalmasságát. Ha a szelep zárási ideje a csőben haladó nyomáshullám terjedési idejéhez képest hosszú (nagyobb, mint a főidő) akkor a merev folyadékoszlop elmélet használható. Főidőn belüli zárás esetén figyelembe kell venni a rugalmasságot is.

Főidő

A főidő az alábbi egyenlet alapján számítható:

${\mathrm{T}}_{\mathrm{f}}\mathrm{=}\frac{2\cdot L}{a}$

Ahol:

• T_f - főidő
• L - a csővezeték hossza
• a - a hullámterjedés sebessége (hangsebesség)

A főidő értéke a műszaki gyakorlatban néhány másodperc körül adódik. Habár ez kellően alacsonynak tűnhet, fontos tudni, hogy az elzáró csőszerelvények karakterisztikája nemlineáris, így könnyen előfordulhat, hogy a zárás a főidőnél rövidebb idő alatt megy végbe.

Hullámterjedési sebesség

A hullámterjedés sebessége folyadékokban az alábbi egyenlet alapján számítható:

$\mathrm{a}\mathrm{=}\sqrt{\frac{E_{red}}{\rho }}$

Ahol:

• a - a hullámterjedés sebessége (hangsebesség)
• ρ - a folyadék sűrűsége
• E_red - a redukált rugalmassági modulus:

$\frac{1}{E_{red}}\mathrm{=}\frac{1}{E_{foly}}\mathrm{+}\frac{D}{\delta \cdot E_{fal}}$

Ahol:

• E_foly - a folyadék rugalmassági modulusa
• E_fal - a csőfal anyagának rugalmassági modulusa
• D - a cső átmérője
• δ - a csőfal vastagsága

Hirtelen zárás, összenyomható folyadék

A folyadék nyomásprofilja az Allievi-Zsukovszkij-egyenlet alapján számítható. A formula a hullámfronthoz rögzített koordináta-rendszerben, a lassuló közegre felírt impulzus-tételből és az áramlástani kontinuitási egyenletből származtatható:

$\frac{\delta p}{\delta t}\mathrm{=}\mathrm{\rho }\mathrm{a}\frac{\delta v}{\delta t}$

Így azonnali zárás esetén a vízütés okozta maximális nyomásnövekedés:

$\mathrm{\Delta }\mathrm{p}\mathrm{=}\mathrm{\rho }\mathrm{a}\mathrm{\Delta }\mathrm{v}$

Ahol:

• Δp - a nyomásnövekmény
• ρ - a folyadék sűrűsége
• a - a hullám terjedési sebessége (hangsebesség)
• Δv - a folyadék sebességének megváltozása

Lassú zárás, összenyomhatatlan folyadék

Főidőn kívüli (annál hosszabb) zárás esetén alkalmazható a merev folyadékoszlop elmélet:

$\mathrm{F}\mathrm{=}\mathrm{m}\mathrm{\cdot }\mathrm{a}\mathrm{=}\mathrm{p}\mathrm{\cdot }\mathrm{A}\mathrm{=}\mathrm{\rho }\mathrm{L}\mathrm{A}\frac{dv}{dt}$

Innen konstans lassulást feltételezve kifejezhető a nyomás:

$\mathrm{p}\mathrm{=}\mathrm{\rho }\mathrm{v}\mathrm{L}/\mathrm{t}$

Ahol:

• F = erő [N],
• m = a folyadékoszlop tömege [kg],
• a = gyorsulás (lassulás) [m/s²],
• P = nyomás [Pa],
• A = csőkeresztmetszet [m²],
• ρ = a folyadékoszlop sűrűsége [kg/m³]
• L = csőhossz [m],
• v = a folyadék sebessége [m/s],
• t = zárási idő [s].

A gyakorlati alkalmazásokhoz ötszörös biztonsági tényező javasolt.

Védekezés

A vízakna működési elvével megfelelően működő kiegyenlítő tartály

A vízütés ellen elsődlegesen a körültekintő működtetéssel lehet védekezni, azaz az elzárószerelvények zárását a főidőnél lassabban kell elvégezni. Ez a gyakorlatban azonban nem mindig megoldható, mivel általában gyors beavatkozásra van szükség. Másrészről előfordulhat, hogy a vízütés valamely külső körülmény hatására következik be; például áramkimaradás miatt leállnak a szivattyúk. Ilyen esetekben megoldás lehet a szivattyúkra szerelt lendkerék, illetve a csővezeték nyomáscsúcsra való méretezése, ez utóbbi azonban meglehetősen drága.

Másodsorban csillapítások beépítésével lehet védekezni, melyek lecsillapítják a kialakuló folyadék-lengéseket. A vízerőművek esetében például a felduzzasztott vizet egy csővezeték-, vagy nyíltfelszínű csatornarendszer vezeti a vízturbinához, amely szükség esetén elzárható. Egy ilyen rendszer akár több kilométer hosszúságú is lehet, ennek megfelelően az áramló víz kinetikus (mozgási) energiája is hatalmas. A vízütés elkerülésének érdekében függőleges vízaknákat építenek a rendszerbe, amelyekben a cső elzárásakor felgyűlik a víz. Másképpen fogalmazva a vízakna folyadékszintje megemelkedik, ezáltal a mozgási energiát helyzeti energiává alakítja át. A víz mozgása ennek következtében lecsillapodik a csatornában.

Hasonló jó megoldás a légüst alkalmazása, amely lényegében egy zárt tartály. A nyomás növekedésekor a tartályban megnő a folyadékszint és a benne lévő levegő összenyomódik. A tartály ezzel lecsillapítja a nyomáslökést, majd a belső megnövekedett légnyomás visszanyomja a folyadékot a csőbe, és visszaáll az eredeti állapot. További megoldások még:

• Megkerülő vezeték (bypass) beépítése
• Rövidebb egyenes csövek beépítése, helyette csőlírák, és tágulási hurkok
• Víztornyok beépítése (városi vízvezeték hálózatok esetében)

Források

• Sablon:Cite book

Külső hivatkozások

• GEFA Water Hammer effect - A vízütés bemutatása, és a csúcsnyomás kiszámítása (videó)