Vízütés

A vízütés vagy általánosabban folyadékütés, hidraulikus sokk, egy jellemzően csővezeték-rendszerekben fellépő, rendkívül veszélyes áramlási jelenség.^[1] 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.^[2] Pontosabb eredmények a karakterisztikák módszerével kaphatóak.^[3]

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.^[4]

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 0,76 m emelkedés után, 49 m/s sebességgel érte el a reaktor tetejét. A 680 atm (69 000 kPa) nyomású folyadék 2,77 m magasra röpítette fel a 12 000 kg tömegű acéledényt.^[5]

A nyomáscsúcs nagysága

Lorenzo Allievi 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.^[6]

Főidő

A főidő az alábbi egyenlet alapján számítható:

\mathrm {T_{f}\ =\ {\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\ =\ {\sqrt {\frac {E_{red}}{\rho }}}}

Ahol:

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

\mathrm {{\frac {1}{E_{red}}}={\frac {1}{E_{foly}}}+{\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.^[7] A formula a hullámfronthoz rögzített koordináta-rendszerben, a lassuló közegre felírt impulzus-tételből és az áramlástani kontinuitási egyenletből származtatható:^[3]

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

Így azonnali zárás esetén a vízütés okozta maximális nyomásnövekedés:

\mathrm {\Delta p=\rho a\Delta 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=m\cdot a=p\cdot A=\rho LA{dv \over dt}}

Innen konstans lassulást feltételezve kifejezhető a nyomás:

\mathrm {p=\rho vL/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.^[8]

Védekezés

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)

Jegyzetek

↑ Grundfos: Vízütés. (Hozzáférés: 2013. május 31.)
↑ Kay, Melvyn. Practical Hydraulics, 2nd, Taylor & Francis (2008). ISBN 0-415-35115-4
↑ ^a ^b Streeter, V. L. & Wylie, E. B. (1998), Fluid Mechanics (International 9th Revised ed.), McGraw-Hill Higher Education
↑ Bergeron, L., 1950. Du Coup de Bélier en Hydraulique - Au Coup de Foudre en Electricité. (Waterhammer in hydraulics and wave surges in electricity.) Paris: Dunod (in French). (English translation by ASME Committee, New York: John Wiley & Sons, 1961.)
↑ Flight Propulsion Laboratory Department, General Electric Company, Idaho Falls, Idaho (November 21, 1962), Additional Analysis of the SL-1 Excursion: Final Report of Progress July through October 1962, U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information, IDO-19313, <http://www.id.doe.gov/foia/PDF/IDO-19313.pdf>. Hozzáférés ideje: 2013-05-31 Archiválva 2011. szeptember 27-i dátummal a Wayback Machine-ben Archivált másolat. [2011. szeptember 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. május 31.); also TM-62-11-707
↑ Bruce, S.; Larock, E. & Jeppson, R. W. et al. (2000), Hydraulics of Pipeline Systems, CRC Press, ISBN 0-8493-1806-8
↑ Thorley, A. R. D. (2004), Fluid Transients in Pipelines (2nd ed.), Professional Engineering Publishing, ISBN 0-79180210-8
↑ Water Hammer & Pulsation

Források

dr. Lajos Tamás. Az áramlástan alapjai (2008). ISBN 9789 6306 6382 3

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Water hammer című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Külső hivatkozások

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

Fizikaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap

[1] Grundfos: Vízütés. (Hozzáférés: 2013. május 31.)

[2] Kay, Melvyn. Practical Hydraulics, 2nd, Taylor & Francis (2008). ISBN 0-415-35115-4

[SW-3] Streeter, V. L. & Wylie, E. B. (1998), Fluid Mechanics (International 9th Revised ed.), McGraw-Hill Higher Education

[4] Bergeron, L., 1950. Du Coup de Bélier en Hydraulique - Au Coup de Foudre en Electricité. (Waterhammer in hydraulics and wave surges in electricity.) Paris: Dunod (in French). (English translation by ASME Committee, New York: John Wiley & Sons, 1961.)

[5] Flight Propulsion Laboratory Department, General Electric Company, Idaho Falls, Idaho (November 21, 1962), Additional Analysis of the SL-1 Excursion: Final Report of Progress July through October 1962, U.S. Atomic Energy Commission, Division of Technical Information, IDO-19313, <http://www.id.doe.gov/foia/PDF/IDO-19313.pdf>. Hozzáférés ideje: 2013-05-31 Archiválva 2011. szeptember 27-i dátummal a Wayback Machine-ben Archivált másolat. [2011. szeptember 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2013. május 31.); also TM-62-11-707

[6] Bruce, S.; Larock, E. & Jeppson, R. W. et al. (2000), Hydraulics of Pipeline Systems, CRC Press, ISBN 0-8493-1806-8

[7] Thorley, A. R. D. (2004), Fluid Transients in Pipelines (2nd ed.), Professional Engineering Publishing, ISBN 0-79180210-8

[8] Water Hammer & Pulsation

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]