prof dr. E: PETREŠIN M. NEKREP

prof. dr. Eugen PETREŠIN * Matjaž P. NEKREP *

- 280- AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

PRVIH DESET LET BLAŽiLCA VODNIH UDAROV

1.0 OSNOVE TEORIJE VODNEGA UDARA

Ponavadi uporabljamo delitev na popolni in nepopolni vodni udar. Ta porazdelitev je narejena z ozirom na razmere med trajanjem potovanja elastičnega vala od mesta nastanka motnje ali deformacije do povratka motnje na isto mesto in med potekom spremembe, ki povzroča motnjo v cevovodu . Ponavadi je tudi nadaljna delitev na pozitivni in negativni vodni udar, ki določa pojav z ozirom na to , da je mesto, ki povzroča motnjo v cevovodu na začetku ali koncu sistema po katerem potuje elastični val. Ta elastični val večkrat imenujemo tudi val propagacije . Za vodovodne sisteme težimo, da obratujejo v glavnem v stacionarnem režimu . Lahko nastopajo majhne spremembe katere večkrat zanemarimo, sicer za takšne spremembe večkrat uporabimo tudi izraz kvazi -stacionarni režim . V takšnih razmerah obratovanja vodovodnega sistema imamo vtis , da vodovodni sistem prehaja iz enega

stanja v drugo stanje umirjeno brez kakršnih koli posledic. Spremembe do katerih prihaja v Slika 2: Primer poškodbe zaradi vodnega udara vodovodnem sistemu so sprememba porabe vode (sprememba individualne in javne porabe vode, gašenje požara , iztok vode zaradi defektov itn .), posegi vodovodnega osebja na vodovodnem omrežju , vklop in izklop črpalk , izpad električnega toka

Slika 3: Primer poškodbe zaradi vodnega udara

.itn . Vse hitre spremembe v vodovodu povzročajo vodni udar katerega imenujemo tudi nestacionarni režim obratovanja ali nestacionarni pojavi . Ta nestacionarni pojav je za vodovode zelo nevaren zaradi možnosti nastanka poškodb. Prav tako med nevarne pojave za obratovanje vodovodnega sistema štejemo tudi potres , na katerega bi morali misliti že v fazi projektiranja . Na žalost na ta naravni pojav zelo pogosto pozabljamo in med drugim tudi naši cevovodi kot po pravilu ostanejo brez elastičnih stikov. Podobno vprašanje je položaj cevovoda v slabo nosilnih tleh kot so to barjanska ;'~:~ I

tla itn . ,; Nestacionarne pojave imenujemo tudi prehodni režimi , zaradi tega , ker sistem prehaja iz enega ustaljenega ravnotežn ega stanja v novo neustaljeno stanje Hidravličn i preračun

nestacionarnih pojavov, je bistveno bolj kompl ici ran kot stacionarne razmere .

: .. Slika 1: Primer

poškodbe zaradi vodnega udara

'prof dr Eugen PETRE$ IN vodla ka tedre za hidrotehnika ln Matjaž P NEKREP, u.d.i.g .. aSistent. "Faku lteta za gradbeništvo".

Smetanova 17 2000 MARIBOR (avtorja besedila sta tudi avtorja vseh fotogra fij)

Mi Š i Č EV VODARSKI DAN 2004

prof. dr. E: PETREŠIN M. NEKREP

- 281 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

Nestacionarne razmere ponavadi preračunavamo za primere ko je v cevovodu samo voda. Pri večjih profilih v vodovodih moramo upoštevati tudi možnost voda - zrak, kar hidravlični preračun še dodatno zakomplicira . Na podlagi navedenega lahko še enkrat povzamemo, da v tlačnih cevovodih v osnovi vsaka sprememba pretoka povzroča nastanek elastičnih valov nadtlakov ali podtlakov, ki se od mesta nastanka deformacije širijo v obeh smereh cevovoda . Vodni udar lahko nastopi v tlačnih cevovodih kot so to cevovodi hidroelektrarn , vodovodno omrežje , sistemi za namakanje ali zalivanje itn . Nastanek vodnega udara lahko povzroči tudi odpiranje ali zapiranje zasu nov in drugih zapornih ventilov ter sprememba pretoka pri obratovanju črpalk in turbin . Ob nastanku vodnega udara , val nadtlakov ali podtlakov ter razširjanje ali oženje cevi se tako kot elastični val širi s hitrostjo propagacije katero v našem primeru označimo c. Hitrost elastičnega vala ali propagacije je odvisna od premera cevovoda, debeline stene cevi , od načina vgraditve in vrste uporabljenega cevnega materiala ter od fizikalnih lastnosti tekočine , ki se pretaka po cevovodu . Do trenutnega ali hitrega zapiranja cevovoda lahko pride z ozirom na vodohran na dolvodnem ali gorvodnem delu cevovoda, kar je prikazano na slikah V primeru ko pride do trenutnega ali hitrega zapiranja ventila ali zasu na na cevovodu se ob zapornem elementu in vzdolž cevovoda pojavijo maksimalni nadtlaki kateri ustrezajo polnemu vodnemu udaru . Če ne pride do trenutnega ali hitrega zapiranja zapornega elementa na cevovodu ločimo dve možnosti :

2L 1. čas zapiranja zasuna je krajši od t f ~

c 2L

2. čas zapiranja zasuna je daljši od tf ;:::

Slika 4: Primer poškodbe zaradi vodnega udara

C

2L Vrednost t f predstavlja čas med nastankom vala ob

c

Slika 5: Primer poškodbe zaradi vodnega udara

MiŠiČEV VaDARSKI DAN 2004

zasunu in njegovim povratkom do istega mesta, kar v resnici predstavlja fazo vodnega udara. Če prevzamemo prvi primer

2L tf ~ - nastale razmere pojava lahko razčlenimo na

C

posamezne faze, ki nam kažejo, da prihaja pri takšnem načinu zapiranja na določenih odsekih cevovoda do maksimalnega nadtlaka. Ta maksimalni nadtlak ustreza popolnemu vodnemu udaru . Dolžina odseka cevovoda na katerem se pojavljajo maksimalni nadtlaki je odvisna od dolžine cevovoda L, od hitrosti zapiranja zasuna ter od hitrosti tlačnega ali elastičnega

2L vala c. V primeru , da velja t f ;::: - čas zapiranja je daljši od

C • faze odboja in lahko suponiramo postopno zmanjševanje

pretoka ter reduciranje maksimainega nadtlaka ob zasunu ,

hkrati lahko tudi suponiramo, da s počasnim zapiranjem zapornega elementa težje povzročimo pogoje nastanka vodnega udara.

prof. dr. E: PETREŠIN M. NEKREP

- 282 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

2. NEVARNI POJAVI V VODOVODNIH SISTEMIH POVZROČENI Z VODNIM UDAROM

Do nastopa vakuuma v cevovodih prihaja predvsem zaradi nepredvidenega izpada črpalke iz obratovanja nekontrolirano zapiranje ali odpiranje zasuna ali lopute prelom cevovoda hitro odpiranje izpusta vode napake osebja pri kontroli vodovodnega sistema itn.

Pri takšnih primerih , če tlak ostane višji od atmosferskega vodovodni sistem ne bo ogrožen. Težave nastopajo v primerih pojave vakuuma v dovodnih in napajalnih cevovodih ter nekoliko manj v razdelilnem vodovodnem omrežju . Te težave se pojavijo v naslednjih primerih _"'II"i~

pri znižanju notranjega tlaka v cevovodu ...,.. ... narašča vpliv zunanjega pritiska za katerega se zastavlja vprašanje, ali je cevovod dimenzioniran za takšno obremenitev lahko nastopi pretrganje vodnega stebra, ki

ob poznejši združitvi pretrganih vodnih mas lahko povzroči bistvene poškodbe na cevovodu

V najbolj pogostih primerih do preloma cevovoda ne prihaja takoj in naenkrat temveč nastopa utrujanje materiala z naknadno poškodbo. Pri tem je tudi značilno da togi cevovodi težje prenašajo trenutne Slika 6: Blažilee hidravličnega udara BHU oscilacije tlaka . Vacuumu lahko pripišemo nevarne pojave kot so:

sploščenje cevovoda nakanadni udarci izločanje plinov in filtracija onesnaženosti v cevovodu

Nevarnost vacuuma je toliko večja pri cevovodih za katere velja večje razmerje med notranjim premerom in debelino stene cevovoda. Nasatanek vakuuma lahko povzroči v takšnih primerih sploščenje cevovoda.

Pri nastanku vakuuma pride do pretrganja vodnega stebra ali kontinuitete vodne mase. Združitev vodnemase povzroča naknadno močne udarce in utrujanje materiala. Nevarnost zaradi vakuuma je tudi pojav izločanja plinov. Izločeni plini iz vode so večkrat agresivni za cevne materiale ter hkrati negativno vplivajo na obratovanje celotnega vodovodnega sistema. Na mestih nastanka vacuuma omogoča skozi defektna mesta in filtracijo onesnaženosti v cevovodu . V primerih ko se tlak tekočine zniža pod vrednost tlaka zasičene vodne pare na temperaturi okolja lahko nastopi lokalno izhlapevanje tekočine . Formirajo se srebrni

Slika 7: Blažilee hidravličnega udara Billi mehurčki (latinsko - cavitatio) , ki se prenašajo vzdolž cevovoda s pretokom tekočine ter se razblinejo ali utekočinijo na prehodu v višji tlak

Prav na teh mestih nastopajo poškodbe cevnega ali kakšnega drugega materiala . Kavitacijo lahko ločimo po posameznih stopnjah in sicer

začetek kavitacije karakterizirajo mehurčki velikosti do 5 mm razvita kavitacija spreminja obratovalne karakteristike črpalke , cevovoda itn. kritična kavitacija povzroča močan šum hrup vibracije konstrukcije in na kraju vidne poškodbe

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004

prof. dr. E: PETREŠIN M. NEKREP

- 283 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

Večje vrednosti hitrosti pretoka nas opozarjajo na možnosti prisotnosti kavitacije pri čemer na smemo pozabiti na tlačne razmere. Povišanje tlaka zaradi hitre prekinitve pretoka vode v cevovodu spremljajo močni udari. Razlogi so lahko različni toda največkrat

hitro zapiranje zasuna, nepredvideni izpadi črpalk iz obratovanja, vpliv povratne lopute na formirani protitok vode v cevovodu . Nadtlak v sistemu lahko poškoduje črpalko , cevovod , povratno loputo, zasun ter slabo vpliva na stike cevi . Slab vpliv na stike cevi so že v praksi poimenovali pojav "izbijanje stikov".

Ta pojav "izbijanja stikov" je še posebej značilen za toge stike kot so Slika 8: Povratna loputa BHU to klasični svinčeni stiki litoželeznih cevi , ki se danes že opuščajo vendar so v vodovodnem omrežju še vedno prisotni . Pojav vakuuma v vodovodnem sistemu je večkrat bolj nevaren kot pojav nadtlaka, namreč obstajajo možnosti za večje poškodbe ne samo lokalno temveč tudi vzdolž cevovoda.

3. PREGLED NEKATERIH KRITERIJEV

V osnovi v vodovodnih sistemih moramo izvajati zaščito pred vodnim udarom, kar tudi večkrat imenujemo zaščita pred posledicami prehodnega režima. Zaščito je potrebno izvajati tako pri črpalnih kakor tudi pri gravitacijskih vodovodnih sistemih , in sicer v črpališčih in na vodovodnem omrežju. Negativne posledice vodnega udara se lahko zmanjšajo ob posamezni ali istočasni uporabi večjega števila možnih rešitev med katerimi izstopajo:

prehod kinetične energije v potencialno (vodohran, tlačni kotel) inertno delovanje na prehodni režim (povečanje vztrajnostnega momenta rotirajočih delov črpalke, reguliran čas zapiranja zasuna) uvajanje določene količine zraka ali vode v sistem zaradi preprečitve nastanka vakuuma (zračni ventil, enosmerni vodohran) razbremenitev nadtlaka iz cevovoda (razbremeniini ventili) uvajanje obtočnega cevovoda (by pass) omejevanje škode povzročene z vodnim udarom na določeno mesto (zamenjava kalibrirane membrane)

V primeru uporabe turbin s katero odvzamemo odvečno energijo lahko vpeljemo tudi dodatne možnosti kot so:

skrajšanje dolžine glavnega cevovoda (sprememba trase cevovoda za primernejšo lokacijo turbine) izbira optimalnega režima turbinskega regulatorja vgrajevanje sinhronog regulatorja tlaka pri reakcijskih turbinah

V sesalnem cevovodu črpalke se pojavlja vodni udar iz enakih razlogov kot v tlačnem cevovodu . Ob izpadu črpalke iz obratovanja zaradi katerega koli razloga se vodni steber pred njo zavira. Zato vodni steber sproži udarne valove na podoben način kot v gravitacijskem cevovodu ob hipnem zapiranju v poljubnem prerezu cevovoda. V primeru , da se zaradi hitrega ustavljanja črpalke , kar je lahko povzročeno tudi z izpadom električnega toka , se pojavi na tlačni strani cevovoda podtlak in lahko pride črpalka v disipacijski režim obratovanja. V takšnem primeru tlačna višina črpalke z ozirom na krivuljo črpanja postane negativna . Tako kot do poškodb zaradi vodnega udara prihaja na tlačni strani cevovoda podobno poškodbe nastopajo tudi na sesalnem delu cevovoda. Zaradi tega je potrebno zaščito pred vodnim udarom izvajati na tlačnem in sesalnem delu cevovoda. V vodovod ih so takšna izrazita mesta črpališča in prečrpaine postaje za višje cone porabe vode kjer so montirane črpalke na horizontalno os.

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004

prof dr. E: PETREŠIN - 284 - AKTUALNI PROJEKTI M. NEKREP S PODROČJA UREJANJA VODA

To tudi velja za prečrpaine postaje kjer so montirane cevne ali potopne črpalke v cevovodu saj tudi v tem primeru obstaja tlačna in sesaina ali dovod na stran cevovoda. V vodnjakih kjer imamo montirane potopne črpalke ali zalite črpalke z kratko razdaljo do vodohranov zadošča zaščita na tlačni strani cevovoda . _ .. ...-:-"':""""".,....

-- --.--- ,--------------------------------, Slika 9: Stara in nova rcšitcv blažcnja

hidra\'ličnih udaro\'

Za primere , da v vodovod ih imamo turbine navedimo še čase zapiranja Francisove in Peltonove turbine . Čas zapiranja ostalih turbin je precej podoben .

Francis-ove turbine T. vodilnika 2 do 5 sekund

~ regulacije tlaka 20 do 30 ; ter 60 sekund

Pelton-ove turbine : T. prekinitev dotoka 2 do 6 sekund

T. zaporne igle 15 do 30 sekund

Ob problematiki vodnega udara in praktičnih aplikacijah ne bo odveč , če še enkrat opozorimo, da vodnega udara ne rešuje "mehki zagon" črpalke ali frekvenčni regulator. Mehki zagon ali izklop črpalke omogoča enakomernejše delo črpalke ter postopno zvišanje ali znižanje tlaka, kar je za vodovodno omrežje primerna rešitev

zaradi počasnih

oscilacij tlakov. Kljub

mehkemu 'r t ..

Slika 10: Rcšitc\' s tlačnimi kotli zagonu črpalke do

vodnega udara bo

prišlo v primerih izpada električnega toka , nepredvidenega loma cevovoda , slabe manipulacije z zapornimi elementi na vodovodnem omrežju itn .

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004

Slika II : I{cšitc\'z BHU

prof. dr. E: PETREŠIN M.NEKREP

- 285 -

4. NAČiNI BLAŽiTEV VODNEGA UDARA

AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

Namen blažitev vodnega udara je preprečevanje previsokih in prenizkih tlakov v obratovalnem sistemu . To lahko dosežemo na različne načine vendar nekatere bolj znane oblike so:

povečanje časa zapiranja

projektiranje večjega cevovoda

deformabilen odsek cevovoda

vgraditev ovalnega prereza

načini s povratno loputo(loputa z odprtino,reguliranje časa

določenem mestu)

črpalka z vztrajnikom

povratni izpust skozi črpalko

vodohrani (stolpni vodohran, enosmerni vodohran)

paralelni cevovod

tlačni kotel (klasična izvedba ter izvedba z elastično membrano)

razbremenitev tlaka (razbremeniini ventili)

zračni ventil

aeracijska cev

"by pass"

kalibrirana membrane

polpneumatični tank

"gasite/j"

Blažilee hidravličnih udarov

Slika 12: Oelujoč blažilee hidravličnega udara BHU

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004

zapiranja, vgrajevanje na

prof dr. E PETREŠIN M. NEKREP

- 286 -

5. OPIS BLAŽilCA VODNEGA UDARA

Blažilec hidravličnih udarov, ki je bil opisan v prejšnjih poglavjih lahko uporabimo za zmanjšanje vodnega udara , kakor tudi drugih tlačnih oscilacij Z zmanjšanjem vpliva tlačnih

oscilacij dosežemo eliminacijo možnih poškodb na cevnih sistemih , črpališčih in podobnih napravah . Blažilec hidravličnih udarov spremlja povratna loputa ter vakuumski in tlačni ventil , ki hkrati opravlja funkcijo varnostnega ventila Pri horizontalnih črpalkah se blažilec hidravličnih

udarov s povratno loputo montira v principu neposredno na črpalko in je njegova velikost odvisna od izhodnega tlačnega profila črpalke .

Pri potopnih črpalkah se blažilec hidravličnih

udarov montira v objektu nad vodnjakom . V

AKTUALNI PROJEKTI S PODROCJA UREJANJA VODA

osnovi blažilec hidravličnih udarov spremlja vsako črpalko vendar se ga da lahko uporabi tudi kot zaščita pred vodnim udarom za več

Slika 15: Delujoč blažilee hidravličnega udara BHU na Ptuju

črpalk skupaj pod pogojem, da so črpalke

Slika 13: Delujoč blažilee hidravličnega udara BHU na Ptuju

hidravličnih udarov se priporoča

medsebojno v bližini . Med blažilcem hidravličnih udarov na eni strani in vodohranom ali mestom porabe vode ne sme biti montirana povratna loputa, kar pomeni velja podoben pogoj kot pri tlačnih kotlih . To pomeni , da se ne sme dovoliti da pred blažilcem hidravličnih udarov vpliv vodnega udara prevzame povratna loputa. Kot smo že videli v takšnih primerih lahko nastopijo znatne poškodbe vodovodnega omrežja ali črpališča . Tlačni ventil deluje kot varnostni ventil za primer višje sile. Zaradi možnosti nastopa vakuuma vakuumski ventil po potrebi lahko dovaja zrak v blažilec hidravličnih

udarov. Dovedeni zrak v blažilec hidravličnih

udarov ne more zapustiti posode, kar pomeni , da ne more imeti naknadnega negativnega vpliva v vodovodnem sistemu še posebej na delo črpalk .

Prav zaradi te lastnosti v sistemu ne more nastopiti negativen vpliv zaostalih resonanc. Takoj ob blažilcu

namestitev zasuna zaradi

lažjega naknadnega vzdrževanja črpalke . V primerjavi s tlačnim kotlom blažilec hidravličnih udarov deluje na zmanjšanje tlačnih oscilacij bistveno hitreje. Zmanjšanje tlačnih oscilacij ima za posledico bistveno manjša masna nihanja vode. Zaradi majhne oscilacije mase vode v sistemu je volumen blažiica hidravličnih

Slika 14: Delujoč blažilee hidravličnega udara BHU na

Ptuju

udarov v primerjavi s tlačnim kotlom . manjši za delujoče diodno razmerje . Na podlagi opravljenih meritev je volumen blažiica hidravličnih udarov manjši od volumna tlačnega kotla približno do 50 krat. V vodovodih rešitve s tlačnimi kotli predstavljajo priljubljeno klasično rešitev, ki se tudi največkrat uporablja. Zaradi tega se navajajo prednosti blažiica hidravličnih udarov v primerjavi s tlač nimi kotli.

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004

prof. dr. E: PETREŠIN M. NEKREP

Oglejmo si nekatere:

- 287- AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UREJANJA VODA

pretok skozi blažilec hidravličnih udarov zagotavlja bistveno boljši sanitarni efekt od tlačnega kotla saj nikjer ne prihaja do zastoja pretoka pitne vode enostavnejša izdelava tehnične dokumentacije manjša investicijska vlaganja (ni potrebno posebno dvigalo in posebne montažne odprtine, ni potreben kompresor za zrak, tloris črpališča se zmanjša vsaj za 25 m2 na en BHUI blažilec hidravličnih udarov funkcionira mehansko brez elektične energije enostavna montaža direktno na črpalko ali tlačni cevovod minimalni vzdrževalni in obratovalni stroški sprememba obratovalnega tlaka in velikost vodnega udara ne vpliva na velikost blažiica hidravličnih udarov lahko se uporablja v črpališčih in na vodovodnem omrežju (namesto zračnika, namesto enosmernega vodohrana itn.) tlačne izgube u blažilcu hidravličnih udarov so zanemarljive blažilec hidravličnih udarov se lahko uporabi tudi namesto razbremenilnika vendar se v tem primeru uničuje odvečni tlak in energija. Na takšnem mestu je bolj primerno uporabiti rešitev po principu majhne hidrocentrale. vodni udar lahko nastane tudi ob zagonu črpalke vendar ne prihaja do preboja blažiica hidravličnih udarov

V principu lahko blažilec hidravličnih udarov uporabimo tudi kot dušiiko za tlačne kotle pri čemer se volumen tlačnega kotla bistveno zmanjša . Toda kljub temu ima blažilec hidravličnih udarov v osnovi dovolj dobrih lastnosti tudi za samostojno aplikacijo.

\"\. " .~.

', '.

LITERATURA:

Petrešin Eugen Vodovod (slovenska izdaja) , Ljubljana 1988

Petrešin Eugen Vodovod 1, Beograd 1989

Petrešin Eugen Vodovod II , Beograd 1989

Petrešin Eugen Vodovod III , Beograd 1989

Petrešin Eugen Urbana hidravlika, Ljubljana 1997

Wylie E. B. & W . L Streeter Fluid Transients McGraw - Hill , 1978

MiŠiČEV VODARSKI DAN 2004