วอเตอร์แฮมเมอร์ (Water  Hammer)

 

             วอเตอร์แฮมเมอร์  (Water  Hammer)  เป็นปรากฎการณ์ที่ความดันในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงและฉับพลัน  โดยมีความดันเพิ่มขึ้นและลดลงจากความดันเดิมในลักษณะเป็นคลื่นขึ้นลงสลับกันไปเป็นอนุกรม

                สาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดวอเตอร์แฮมเมอร์  ก็คือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วของการไหลในท่ออย่างกะทันหัน  เช่น  ปิดประตูน้ำอย่างกะทันหัน  เป็นต้น  เมื่อมีการเปลี่ยน แปลงความเร็วในลักษณะดังกล่าวโมเมนตัมของของเหลวจะถูกเปลี่ยนไปกลายเป็นแรงกระแทกบนประตูน้ำและผนังท่อ  แรงกระแทกที่เกิดขึ้นถ้าหากมากเกินกว่าความสามารถของท่อจะรับ ไว้ได้ก็จะทำให้ท่อระเบิด  หรือทำให้ระบบท่อและอุปกรณ์เสียหายอย่างรุนแรงขึ้นได้  ระดับความเสียหายเนื่องวอเตอร์แฮมเมอร์ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงและความยืดหยุ่น (Elasticity)ของท่อ  ความเร็วของการไหล  อัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหล  ลักษณะการยึดท่อให้อยู่กับที่และระบบป้องกันวอเตอร์แฮมเมอร์ที่ติดตั้งไว้  เป็นต้น

                ในกรณีที่เป็นท่อเหล็กเหนียวหรือท่อเหล็กหล่อซึ่งความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียด (Stress-Strain) เป็นเส้นตรงและของเหลวที่ไหลในท่อเป็นน้ำ  ความดันในเส้นท่อสูงสุดที่เพิ่มขึ้นจากความดันเดิมโดยมีสาเหตุมาจากวอเตอร์แฮมเมอร์  คำนวณได้จากสูตร

                                    (1)

          โดย P = ความดันสูงสุดที่เพิ่มขึ้นจากระดับความดันเดิม  โดยมีสาเหตุมาจากวอเตอร์แฮมเมอร์  เป็นนิวตันต่อ    

                                 ตารางเมตร  N/m2

                       p = ความหนาแน่นของน้ำ  เป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

                      V = ความเร็วของการไหลในท่อ  เป็นเมตร/นาที

                      K = โมดูลัสของความยืดหยุ่น (Modulus  of Elasticity) ของน้ำเป็น N/m2

                      d = ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อ เป็น  มม.

                      E = โมดูลัสของความยืดหยุ่น (Modulus  of Elasticity) ของวัสดุที่ใช้ทำท่อ เป็น N/m2

                      t  =     ความหนาของผนังท่อ  เป็น มม.

                ความเร็วของคลื่นความดัน(Pressure  Wave ) เป็นเมตรต่อนาที  ที่เกิดขึ้นภายในท่อ  คำนวณโดยสูตร

 

                                                      (2)

 

                เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด (Stress – Strain) ของคอนกรีตมิได้เป็นเส้นตรง  ดังนั้นการใช้สมการทั้งสองข้างบนกับท่อคอนกรีตจึงให้ค่าโดยประมาณเท่านั้น

                อัตราส่วน K/Eสำหรับการไหลของน้ำในท่อที่ทำด้วยวัสดุต่างๆแสดงไว้ในตารางข้างล่าง

                ถ้าให้ L เป็นความยาวของท่อจากจุดที่ติดตั้งประตูน้ำไปถึงจุดที่จ่ายน้ำเข้าท่อเป็นเมตร  ความดันที่เกิดขึ้นโดยวอเตอร์แฮมเมอร์    จะมีค่าสูงสุดเท่ากับที่คำนวณได้โดยสมการ  (1)  ถ้าปิดประตูน้ำโดยใช้เวลาไม่เกินเวลาวิกฤติ (Critical Time ) Tc วินาที โดย

 

                                 (3)

 

 

                ในกรณีที่ปิดประตูน้ำโดยใช้เวลามากกว่า  Tc  ความดันเนื่องจากวอเตอร์แฮมเมอร์ที่เกิดขึ้นจะหาได้โดย

 

 

                              (4)

                                                                     

 

          ตารางอัตราส่วน  K/E สำหรับการไหลของน้ำในท่อที่ทำด้วยวัสดุต่างๆ

 

               วัสดุที่ใช้ทำท่อ                                                                          K/E

                เหล็กแผ่น                                                                                                           0.010

                เหล็กหล่อ                                                                                                           0.025

                คอนกรีต                                                                                                            0.100

                ไม้                                                                                                                     0.020

                ซีเมนต์ใยหิน                                                                                                      0.088

 

                โดยPa ป็นความดันในท่อเมื่อปิดประตูน้ำโดยใช้เวลาเท่ากับ Ta ,P   เป็นความดันสูงสุดที่เกิดขึ้นเมื่อปิดประตูน้ำโดยใช้เวลาน้อยกว่าหรือเท่ากับเวลาวิกฤติ  (Critical  Time )  Tc  คำนวณโดยใช้สมการ (1)

 

ตัวอย่าง

                ท่อส่งน้ำซีเมนต์ใยหินยาว 3,000 เมตร ความเร็วของการไหลในท่อเท่ากับ 1.65 เมตร / วินาที อัตราส่วน K/Eของท่อเท่ากับ0.088 และอัตราส่วนระหว่างเส้นผ่าศูนย์กลางต่อความหนาของท่อต่อความหนาของท่อ d/t เท่ากับ 14.7 จงหาว่าถ้าประตูน้ำที่ติดตั้งที่กึ่งกลางของความยาวท่อปิดอย่างฉับพลัน  ความดันที่เพิ่มขึ้นจากความดันเดิมจะเท่ากับเท่าใด  และคลื่นความดันจะวิ่งย้อนจากประตูน้ำไปสู่ปั้มโดยใช้เวลาเท่าใด

 

 

 

 

    

|ประปาไทยดอมคอม|เทคโนโลย|

ที่มา :  ปั๊มและระบบสูบน้ำ

          รศ.ดร.วิบูลย์  บุญยโรกุล