วอเตอร์แฮมเมอร์ (Water Hammer)

 

เป็นปรากฏการณ์ที่ความดันในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงและฉับพลัน โดยมีความดันเพิ่มขึ้นและลดลงจากความดันเดิมในลักษณะเป็นคลื่นขึ้นลงสลับกันไปเป็นอนุกรม

สาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดวอเตอร์แฮมเมอร์ ก็คือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการไหลในท่ออย่างกะทันหัน เช่น ปิดประตูน้ำอย่างกะทันหัน เป็นต้น เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วในลักษณะดังกล่าวโมเมนตันของของเหลวจะถูกเปลี่ยนไปกลายเป็นแรงกระแทกบนประตูน้ำและผนังของท่อ แรงกระแทกที่เกิดขึ้นถ้าหากมากเกินกว่าความสามารถของท่อจะรับไว้ได้ก็จะทำให้ท่อระเบิด หรือทำให้ระบบท่อและอุปกรณ์เสียหายอย่างรุนแรงขึ้นได้ ระดับความเสียหายเนื่องจากวอเตอร์แฮมเมอร์ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงและความยืดหยุ่น (Elasticity) ของท่อ ความเร็วของการไหล อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหล ลักษณะการยืดท่อให้อยู่กับที่ และระบบป้องกันวอเตอร์แฮมเมอร์ที่ติดตั้งไว้ เป็นต้น

อุปกรณ์ป้องกันวอเตอร์แฮมเมอร์

การป้องกันวอเตอร์แฮมเมอร์ จากการหยุดเดินเครื่องสูบน้ำอาจทำได้โดยการลดความเร็วของเครื่องยนต์ลงทีละน้อยเป็นขั้นๆ จนอัตราการไหลน้อยมากแล้วจึงดับเครื่องยนต์ ในกรณีที่ต้นกำลังเป็นมอเตอร์  ซึ่งมีรอบการหมุนคงที่ก็ให้ใช้วิธีปิดประตูจ่ายน้ำลงทีละน้อยเป็นขั้นๆเช่นเดียวกัน  จนกระทั่งปิดสนิทหรือเกือบสนิทแล้วจึงปิดสวิทช์  การเริ่มเดินเครื่องสูบน้ำก็ทำในลักษณะเดียวกันแต่ย้อนขั้นตอน

แต่อย่างไรก็ตาม บางครั้งอาจมีความจำเป็นต้องหยุดเดินเครื่องอย่างกะทันหัน หรืออาจมีสาเหตุมาจากกระแสไฟฟ้าขัดข้อง เครื่องยนต์เสีย เป็นต้น ดังนั้นในระบบที่มีโอกาสเกิดวอเตอร์แฮมเมอร์ได้ง่าย  จึงควรมีอุปกรณ์ป้องกันช่วย อุปกรณ์ประเภทนี้มีหลายอย่าง เช่น Pressure Relief Valve , Air Inlet – relief Valve , Air Chamber , Surge Suppressor และ Surge Tank เป็นต้น

รูปร่างลักษณะของ Pressure Relief Valve , Air Inlet – relief Valve และลักษณะการติดตั้งแสดงไว้ในรูปที่ 1 รูปร่างลักษณะของอุปกรณ์อื่นๆ แสดงไว้ในรูปที่ 2

              1.Pressure Relief Valve เป็นวาล์วที่ทำหน้าที่ในลักษณะเดียวกันกับวาล์วนิรภัย (Safety Valve) กล่าวคือ เมื่อความดันในท่อสูงกว่าที่กำหนดไว้มันก็จะเปิดกว้างออกและระบายน้ำทิ้งเพื่อลดความดันลงความดันที่ตั้งไว้อาจควบคุมโดยสปริงหรือน้ำหนักก็ได้ อุปกรณ์แบบนี้เหมาะสำหรับท่อที่มีขนาดไม่โตมาก  ซึ่งการระบายน้ำทิ้งจะมีผลช่วยให้ลดความดันในท่อลงได้บ้าง

             2.Air Inlet – relief Valve  เป็นวาล์วที่จะเปิดให้อากาศไหลเข้ามาในท่อโดยอัตโนมัติเมื่อความดันในท่อต่ำกว่าความดันของบรรยากาศ ซึ่งจะเป็นการป้องกันมิให้ท่อแบนลง อุปกรณ์ดังกล่าวนี้ยังใช้สำหรับระบายอากาศออกจากท่อด้วยโดยการติดตั้งไว้หลังท่อในบริเวณที่อยู่สูงกว่าแนวท่อส่วนอื่น อากาศที่ติดมากับน้ำก็จะไหลเข้าไปในอุปกรณ์นี้และทำให้ลูกลอยลดระดับลง วาล์วเปิดและอากาศก็จะถูกระบายออกไป  การที่จำเป็นต้องระบายอากาศในท่อออกไปก็เพราะว่า ถ้าความเร็วของการไหลไม่มากพอ โพรงอากาศในท่อทำเป็นสิ่งกีดขวางการไหลโดยทำให้การไหลในช่วงดังกล่าว มีลักษณะเป็นการไหลในทางน้ำเปิดแทนที่จะเป็นการไหลเต็มท่อ

                                ในรูปที่ 1  แสดงให้เห็นถึงการติดตั้งวาล์วทั้งสองแบบนี้  เพื่อป้องกันวอเตอร์แฮมเมอร์ ถ้าประตูน้ำปิดอย่างกะทันหัน ความดันที่เกิดขึ้นเนื่องจากวอเตอร์แฮมเมอร์ก็จะลดลงได้ถ้ามี Pressure Relief Valve ติดตั้งไว้หน้าประตูน้ำ ในทางตรงกันข้าม ถ้าขณะที่น้ำกำลังไหลเต็มท่ออยู่นั้นประตูน้ำที่ A ถูกปิดอย่างกะทันหัน ในลักษณะเช่นที่ว่านี้น้ำในท่อจะยังคงไหลต่อไป และทำให้เกิดสุญญากาศขึ้นในท่อ

                แต่ถ้ามี Air Inlet – relief Valve   อุปกรณ์นี้ก็จะเปิดให้อากาศไหลเข้ามาและช่วยแก้ปัญหานี้ได้

รูปที่ 1 อุปกรณ์ป้องกันความเสียหายจากวอเตอร์ (a) Pressure Relief Valve (b) Air Inlet – relief Valve  และ (c) แสดงการติดตั้งอุปกรณ์ทั้งสองแบบนี้

รูปที่ 2 อุปกรณ์ป้องกันความเสียหายจากวอเตอร์ (a) Air Chamber  (b) (c)และ d เป็น Surge Tank

 

               3.Air Chamber เป็นอุปกรณ์ช่วยลดความรุนแรงของวอเตอร์แฮมเมอร์อีกแบบหนึ่งที่มีลักษณะเป็นถังบรรจุอากาศต่อเข้ากับหลังท่อ อากาศในถังซึ่งยืดหดตัวได้ดีกว่าน้ำก็จะทำหน้าที่ผ่อนคลายความรุนแรงลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน นอกจากนั้น อุปกรณ์ชนิดนี้ยังใช้ต่อเข้ากับด้านจ่ายของปั๊มแบบสูบชักก่อนส่งน้ำเข้าสู่ระบบ เพื่อให้การไหลสม่ำเสมอตลอดเวลาอีกด้วย

              4.Surge Suppressor เป็นอุปกรณ์ที่มีลักษณะคล้ายกับ Air Chamber แต่แทนที่จะใช้อากาศเป็นตัวผ่อนคลายแรงดันก็เปลี่ยนไปใช้สปริงแทน อุปกรณ์ชนิดนี้ใช้กับท่อขนาดเล็ก เช่น ท่อน้ำใช้ในบ้าน มากกว่าที่จะใช้กับระบบท่อขนาดใหญ่

              5. Surge Tank เป็นถังช่วยลดความดันที่เพิ่มขึ้นจากวอเตอร์แฮมเมอร์ในระบบขนาดใหญ่ซึ่งมีทั้งประเภทเปิดด้านบนของถังและแบบปิด สำหรับแบบเปิดนั้นความสูงของถังจะต้องมากพอที่จะไม่ให้น้ำไหลล้นออกมาได้ ส่วนในแบบปิดจะมีลักษณะคล้ายกับ Air Chamber แต่มีท่อขนาดเดียวกันกับท่อส่งน้ำเป็นตัวจ่ายน้ำเข้าไปในถังอีกทีหนึ่งการลดความรุนแรงของความดันจะถูกควบคุมโดยการไหลของน้ำเข้าไปใน Surge Tank และการยืดหดตัวของอากาศในถัง                   

            ในระบบท่อส่งน้ำที่มีความยาวมากและมีความลาดเทสูงขึ้นจากปั๊ม หรือท่อไม่ยาวมากแต่มีความลาดเทจากปั๊มชันมาก การติดตั้งเชควาล์วประเภทไม่ปิดกะทันหัน (Non - Slam) ซึ่งออกแบบให้ปิดเมื่อความเร็วเป็นศูนย์ คือไม่เปิดโอกาสให้น้ำในท่อไหลย้อนกลับมาก็จะช่วยลดวอเตอร์แฮมเมอร์ลงได้ นอกจากนั้น ถ้าหากก่อนเดินเครื่องน้ำในท่อยังมีอยู่ไม่เต็ม เมื่อเริ่มเดินเครื่องควรจะเปิดประตูจ่ายน้ำเพียง ¾ ของอัตราการสูบที่ต้องการ ต่อเมื่อมีน้ำบรรจุเต็มท่อแล้วจึงค่อยๆเปิดประตูน้ำเพิ่มขึ้น วิธีที่กล่าวนี้จะช่วยลดความดันจากวอเติร์แฮมเมอร์ลงได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้นกำลังเป็นมอเตอร์ซึ่งมีรอบคงที่ตลอดช่วงการทำงาน

 

   |ประปาไทยดอมคอม|เทคโนโลย|

ที่มา : หนังสือปั๊มและระบบสูบน้ำ

         รศ.ดร.วิบูลย์ บุญยธโรกุล