Nyomáslengés védelem és energiahatékonyság növelésének egyes megoldásai folyadékszállító rendszerekben – 1. rész

Mit keres a levegő a vízben? – bevezetés

Drozdik Károly | gépészmérnök

Bevezetés

Amint azt Víziközmű üzemeltetés során sok esetben tapasztalható, folyadékszállító rendszerekben lévő levegő (illetve egyéb gázok) inkább problémát, semmint örömet okoznak az Üzemeltetőnek. Alapvetően kijelenthetjük. hogy folyadékszállító rendszereket elsősorban folyadékok hatékony továbbítására, és nem levegő és egyéb gázok szállítására tervezik/tervezték.

Cikkünk a ivóvíz és szennyvíz hálózatokba kerülő és ott akkumulálódó levegő/gázok a szállítás különböző folyamataira gyakorolt hatásait, azok fizikai hátterét igyekszik kellő részletességgel bemutatni. Emellett példák és fizikai paraméterek mentén ismertetjük a különböző körszerű légbeszívó- légtelenítő szelep típusokat.

Megjegyzés:  A cikk folyamán – a szóismétlések halmozásának elkerülése végett – a folyadékszállító rendszerekben található „levegő és/vagy egyéb gázok” kifejezés helyett a továbbiakban egyszerűsítve csak a levegő szót használjuk.

Mit keres a levegő a vízben?

A hálózat töltése során bent maradó légbuborékok és légzsákok egy ismert, sajnálatos jelenség. Ezeknek viszonylag jelentős része megszüntethető pl. hidránsokon történő, töltés közbeni légtelenítéssel – ha ezt megfelelő számú és kellően odafigyelő kollegával végeztetjük, úgy elkerülhetjük pl. kabrió típusú gépkocsik, kertek és pincék feltöltését.

Sajnos azonban több más mód van még, amely módon levegő kerülhet rendszereinkbe. Klasszikus példa pl. a szivattyúzás közben történő levegőbevitel, mely adódhat egyrészt tömítetlenségből, másrészt a forrás eredetileg is magas levegőtartalmából (pl. szennyvíz gyűjtő- vagy fogadóaknából történő kiemelés során). (1. ábra)

1.ábra Levegő bekerülése gyűjtőaknában

Nyomott szennyvizes rendszereknél hasonlóan gondot okozhatnak – tartózkodási idő és összetétel függvényében a rothadásból származó gázok. Ebben az esetben a gáz/folyadék közeg határfelülete különösen veszélyes támadási pont fém anyagú csövek esetén a korrózió számára.

Másik ok a levegő és egyéb gázok vízben való oldhatósága, mely függ a hőmérséklettől (ld. 2 ábra táblázat).

2. ábra Vízben való oldhatóság a hőmérséklet függvényében

A táblázat adataiból kiolvasható, hogy a hőmérséklet 6°C-ról (mely pl. lehet a víz kiemeléskori hőmérséklete) 16°C-ra való emelkedésével (pl. vízhőmérséklet a fogyasztók előtt) 0,5%-kal csökkent a vízben oldható levegő aránya, így 1.000 m³ -os napi szállítási mennyiség esetén csak az így keletkező levegő mennyisége napi 5 m³!!

Egyesített gáztörvény. A vízben lévő légbuborékokra, mint ideális gázokra alkalmazva az egyesített gáztörvényt kijelenthető, hogy azonos hőmérséklet mellett a gázok nyomás és térfogat szorzata állandó, tehát a nyomás csökkenésével a folyadékban lévő légzsákok, buborékok térfogata szintén megnő.

Ennek okán javallott dolog pl. automata légtelenítő szelepeket elhelyezni nyomáscsökkentő szabályozó szelepek után.

De miért van még mindig a levegő a vízben?

Mint arról korábban szó esett, a rendszer töltés közben történő korrekt légtelenítés a csővezetékekben eredetileg bent lévő levegő nagy részét képes eltávolítani még a rendszer indítása előtt. De mi történik azzal a levegővel, amely rendszer töltéskor még csak mikrobuborékok formájában volt jelen, s csak később áll össze légtelenítő (pl. hidráns) ponton kiengedhető levegő-fázissá?

Mi a sorsa annak a levegőnek, amely normál működés közben (vízben oldott levegő, hőmérséklet, nyomáscsökkentés hatásai) válik ki a folyadékból és halmozódik tovább? Sajnos az ilyen módon kiváló levegő légzsákok formájában bent ragad a  rendszer különböző pontjain (magaspontokon, csőhidak leszálló ága előtt…stb.).

A víz és a levegő viszkozitásának markáns különbsége miatt, illetve csőfallal való kölcsönhatásuk miatt kell egy bizonyos szállítási folyadéksebesség ahhoz, hogy adott paraméterekkel rendelkező csőben (átmérő, lejtés…stb) biztosan tovább tudjunk sodorni egy légbuborékot, ez az ún. kritikus sebesség (3. ábra).

3. ábra Kritikus szállítási sebesség különböző modelljei

A fenti képletek mindegyike – különböző metódusok mellett – a kritikus sebesség mértékét hivatott megállapítani. Sajnos ezek közül az empirikus valósághoz a legutóbbi, G. Walther, F. W. Günthert képlet áll, DN150 csőre 10° lejtésnél 1m/s körüli szállítási sebességet számolva, mely sajnos magasabb, mint általában a szállítási sebességek folyadékszállító rendszerekben.

A továbbiakban a más megközelítést alkalmazó Van Vuuren diagramból (4. ábra) is látható, hogy a csőátérő növekedésével nő a kritikus sebesség – nagy átmérőknél már elhanyagolhatóan kicsi (gyakorlatilag zérus) lejtésekhez is 1m/s feletti kritikus szállítási sebesség tartozik. Tehát akár vízszintes csőszakaszokon is előfordulhat, hogy egy légzsák-szegmens magától nem, vagy csak véletlenszerűen mozdult tovább.

4. ábra Légbuborékok kritikus szállítási sebessége (Van Vuuren) [1]

A fentiekből sajnos az a szomorú tény következik, hogy a rendszer bizonyos pontjain bennmaradt levegő kis eséllyel fog „magától” eltűnni a hálózatból, hacsak mi nem tartjuk fontosnak gondoskodni róla. Miért lehet ez fontos?

Vezetékrendszerekben lévő levegő és egyéb gázok hatásai – Szállítási energiahatékonyság

A szállító rendszerekben felhalmozódott gázok légzsákokat képeznek. Az 5. ábrán látható, hogy a légzsák helyén a folyadék valós áramlási keresztmetszete jelenősen leszűkül, hiszen a teljes csőkeresztmetszet helyett csak a levegővel nem telített részen kénytelen áthaladni. Ez a keresztmetszet-szűkülés gyakorlatilag egy helyi fojtást eredményez, az adott ponton jelentős nyomásveszteséget okozva.

Nem nehéz elképzelni, hogy egy hosszabb szállító vezeték több kritikus pontján (lokális és abszolút magaspontokon, csőhidak és út alatti átvezetések leszálló ágainál, illetve a korábban ismertetett kritikus szállítási sebesség és buborékterjedési jelenségek alapján akár egyenes, vízszintes csőszakaszok több pontján is) kialakuló légzsákok nyomás-veszteségei összegződnek, együtt igen jelentős veszteség-tételt jelentve!

5. ábra Szállítási veszteségek – légzsák hatása a szállítási keresztmetszetre

Más szavakkal, amennyiben ésszerűen elhelyezett légtelenítő szelepekkel meg tudunk szabadulni a rendszerben lévő és ott folyamatosan termelődő levegőtől, úgy jelentős, akár jóval 10%  feletti energia-megtakarítást érhetünk el [2].

Ez az előny gravitációs rendszereknél is könnyen értelmezhető, ld. a vészhelyzet esetén elérhető tűzivíz mennyiségét, vagy akár rendszer bővítés/átalakítás/cső-rekonstrukció során felmerülő méretezési kérdésekben képződő tartalékokat (pl. azonos medencemagasságról nagyobb kiterjedésű terület is biztonságosan ellátható).

Negatív nyomás kialakulása és hatásai

Ahogyan csővezeték rendszer töltésekor a hálózatban bent maradó levegő, úgy hálózat leürítésekor a kialakuló vákuum okozhat problémákat. A víz tehetetlenségénél fogva egy légbevezetés nélküli magasponton az ürítési pontig lefelé „függeszkedő” vízoszlop magasságnak megfelelő negatív nyomás alakul ki…. egészen az adott csőanyag negatív nyomástűrési határáig, mikor is a vezeték összeomolhat.

6. ábra Negatív nyomás hatásai csőhálózatokban

A fentiekből látható, hogy néhány méter szintkülönbség esetén is komoly negatív nyomások alakulhatnak ki, melyek nem megfelelő kezelés esetén (magasponti hidráns megnyitásának elmulasztása ürítéskor – ld. 7. ábra), vagy üzemzavarkor (csőtörés miatti leürülés) jelentős károkhoz vezethetnek. Megfelelő magaspontokon elhelyezett – és megfelelő kapacitású – automatikusan működő légbeszívó- légtelenítő szelepekkel a fenti kockázatok hatékonyan kezelhetők.

7. ábra Vezeték-összeomlás helytelen ürítés miatt – India [3]

Folyadékoszlop-szakadás, kavitáció

Ellenálló csőanyag esetén a maximális elérhető negatív nyomás -10 m.v.o. ( -1 bar ), melyhez közelítve a folyadék egy adott ponton eléri adott hőmérséklethez tartozó telítési gőznyomását, felforr és telített gőz halmazállapotúvá válik, tehát a folyadékoszlop elszakad.

8. ábra Víz telítési gőznyomása

Amennyiben vákuumot kiváltó ok megszűnésével a nyomás újból emelkedni kezd, úgy a telítési gőznyomás állapotában lévő közeg összeomlik a gőz/folyadék fázishatáron egymásnak csattanó folyadékfelületek erős akusztikus lökéshullámot keltenek, jelentős energiájú kavitációs jelenség zajlódik le.

Kavitáció hatására létrejövő nyomáshullámok a rendszer egyéb lengéseit jelentősen meghaladó, kártékony nyomásemelkedést okoznak.

Dinamikus jelenségek

A szállító rendszerek működésekor beálló szándékos vagy hibából adódó üzemállapot-változások dinamikus változásokat generálnak. Tipikus példa ezekre a szivattyú leállás, vagy egy elzáró elem hirtelen bezárása.

Hirtelen elzárás

Ez utóbbi esetet modellezve Szlivka Ferenc: Csővezetékekben fellép tranziens jelenségek c. esszéjére [4], illetve Lorenzo Allievira utalva az alábbiak szerint írhatjuk le a különböző fázisokat:

9. ábra Nyomáshullám terjedése hirtelen záráskor

A hirtelen záráskor egy nyomásnövekedési hullám indul el a zárás helyétől “c” sebességgel. A nyomásnövekedés nagysága és haladási sebessége a cső anyagától, geometriai méretétől és az áramló folyadék sebességétől és anyagától függ. A lezárás helyétől kiindulva egyre több folyadékrészecske megáll, és a cső fala kitágul, valamint a folyadék összenyomódik. A víz eddigi mozgási energiája felhalmozódik egy potenciális energia formájában.

A következő fázisban a végtelen nagynak tekinthető tartályról a hullám ellenfázisban visszaverődik.

A felfúvódott csőfalban és a folyadékban felhalmozott energia a vizet igyekszik visszalökni a tartályba.

A fázis végén az egész csőben a folyadék “v” sebességgel a tartályba áramlik.

A harmadik fázisban a lezárás helyén ismét megállnak a folyadékrészecskék és egy depresszió hullám indul el a lezárt végről. A kifelé áramló folyadékdugó megszívja a csövet.

A negyedik fázisban a depresszió alatt lévő cső magába szívja a folyadékot a tartályból, majd a folyamat elindul az első fázistól. A folyadékban lévő belső súrlódás a jelenséget csillapítja, anélkül a folyamat nem állna le.

Szivattyú leállás

Szivattyú leálláskor gyakorlatilag hasonló jelenség játszódik le, ám az a 3. fázissal indul.

A szivattyú leállást modellező negatív és pozitív nyomáscsúcsok jól láthatóak az alábbi diagramon:

10. ábra Nyomás-diagram szivattyú leálláskor (védelem nélkül) [5]

A 10. ábrán jól látható, hogy a szivattyútól elindulva zöld vonallal jelzett alsó tartományban egy negatív nyomáshullám indul el az (eddig) szállított víz tehetetlensége miatt. Azokon a pontokon, ahol a nyomáshullám „beesik” a barna domborzati vonal alá, valóban vákuum képződik, mely a vezeték összeomlásával, szélsőséges esetben vízoszlop-szakadással, kavtiációval fenyeget. Ugyanakkor látható jelenség, hogy a zöld negatív nyomáshullám a kritikus (fő) idő alatt oda és vissza bejárva a csővezetéket, szinte csillapítás nélkül pozitív nyomáshullámban, kosütésben tér vissza.

11. ábra Nyomásingadozások hosszú távú hatásai

Amennyiben a negatív nyomáshullám mértéke magasabb, mint a cső ellenálló képessége, úgy megtörténhet a cső összeomlása. Amennyiben a csőanyag mégis bírná a levél-diagramon is látható igénybevételeket, úgy sokszori ismétlődés esetén a fenti folyamat játszódna le: a vezeték valamely, a többinél gyengébb keresztmetszete a többi résznél jobban deformálódik. Ha ez a lengési folyamat sok-sok ízben lezajlik, így a gyenge keresztmetszeten repedés indul meg, melyen nemsokára csőtörés követ (11. ábra).

Hálózat védelem légbeszívó- légtelenítő szelepek alkalmazásával

A fent ismertetett jelenségeket alapvetően 3 oldalról tudjuk megfogni jól kiválasztott légbeszívó- légtelenítő szelep alkalmazásával.

• vákuum csökkentése >> a csővezetékekre legnagyobb igénybevételt jelentő negatív nyomás elkerülése >> vezeték élettartamának hosszabbítása
• extrém nagy vákuum elkerülése >> kavitációs nyomáshullám elkerülése
• csillapított zárású vagy tehermentesítő légtelenítő szelep segítségével (ismertetését ld. lennebb) a visszatérő pozitív nyomáscsúcs mértéke is hatékonyan csökkenthető >> vezeték élettartamának hosszabbítása

A cikket folytatjuk…