ภาพรวม
- Water hammer เกิดขึ้นเมื่อมีการปิดวาล์วที่ปลายท่ออย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของแรงดันในระบบท่อ ซึ่งอาจทำให้ท่อเกิดการระเบิดได้ ความรุนแรงของ water hammer ขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำและความแตกต่างของหัว (head difference)
- ไม่จำกัดเฉพาะน้ำเท่านั้น ระบบท่อที่มีของไหลอื่นๆ เช่น ก๊าซหรือของเหลว ก็สามารถเกิด water hammer ได้เช่นกัน วิธีการบรรเทาอันตรายจาก water hammer รวมถึงการใช้หอเก็บน้ำ (water towers) และวาล์วระบายความดัน (pressure relief valves)
- กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของคลื่นแรงดันและการสั่นสะเทือนของการไหลของน้ำ ซึ่งท้ายที่สุดจะทำให้การไหลหยุดลง เพื่อลดความเสี่ยง ควรหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงของความเร็วการไหลของน้ำอย่างกะทันหันระหว่างการปฏิบัติงาน
สาเหตุและผลกระทบ
การปิดวาล์วอย่างรวดเร็ว
เมื่อท่อถูกปิดอย่างรวดเร็วที่ปลายท่อ (ทางน้ำไหลออก) มวลน้ำที่อยู่ก่อนการปิดยังคงเคลื่อนที่อยู่ ซึ่งจะทำให้เกิดแรงดันสูงและคลื่นช็อกที่ตามมา ในระบบประปาภายในบ้านจะได้ยินเสียงดังคล้ายกับเสียงเคาะหรือการตี ซึ่งเป็นอาการของ water hammer หากแรงดันสูงพอ อาจทำให้ท่อแตกได้
ในบางกรณี อาจมีการติดตั้งท่อดักอากาศหรือท่อสแตนด์ (ที่เปิดที่ด้านบน) เป็นตัวดูดซับแรงที่อาจทำให้เกิดความเสียหายจากการเคลื่อนที่ของน้ำ โดยทำหน้าที่เป็นตัวช่วยลดแรงกระแทกที่เกิดขึ้นจากการไหลของน้ำ
การสร้างสุญญากาศจากการปิดวาล์ว
ในทางตรงกันข้าม เมื่อวาล์วที่อยู่ทางต้นน้ำในท่อปิดลง น้ำที่อยู่ด้านล่างของวาล์วพยายามที่จะไหลต่อไป ซึ่งทำให้เกิดสุญญากาศที่อาจทำให้ท่อพังหรือยุบตัวได้ ปัญหานี้จะรุนแรงเป็นพิเศษหากท่ออยู่ในตำแหน่งที่ลาดลงไป (ลงเขา) เพื่อป้องกันปัญหานี้ จะต้องติดตั้งวาล์วระบายอากาศและสุญญากาศหรือช่องระบายอากาศไว้ที่ด้านล่างของวาล์ว เพื่อให้อากาศสามารถเข้าไปในท่อและป้องกันไม่ให้เกิดสุญญากาศในระบบ
ความล้มเหลวของปั๊มและการปิดวาล์วตรวจสอบอย่างรวดเร็ว
สาเหตุอื่นๆ ของ water hammer ได้แก่ ความล้มเหลวของปั๊มและการปิดวาล์วตรวจสอบอย่างรวดเร็ว (check valve slam) ซึ่งเกิดจากการลดความเร็วอย่างกะทันหัน เมื่อวาล์วตรวจสอบปิดเร็วเกินไป ขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงานของวาล์วตรวจสอบและมวลน้ำที่อยู่ระหว่างวาล์วตรวจสอบกับถังน้ำ
เพื่อบรรเทาสถานการณ์นี้ แนะนำให้ติดตั้งวาล์วตรวจสอบแบบไม่ปิดกระแทก (non-slam check valves) เนื่องจากวาล์วประเภทนี้ไม่พึ่งพาน้ำหนักของวัตถุหรือการไหลของของเหลวในการปิด นอกจากนี้ สำหรับท่อที่ตั้งอยู่ในแนวตั้ง ยังสามารถติดตั้งท่อใหม่ที่ออกแบบให้มีห้องอากาศเพื่อช่วยลดคลื่นแรงดันน้ำที่อาจเกิดขึ้นจากการไหลของน้ำที่เกินขีดจำกัด
Mitigating measures
- ลดแรงดันของระบบจ่ายน้ำเข้าสู่อาคารโดยการติดตั้งวาล์วควบคุมแรงดัน (Regulator) เพื่อลดความเร็วของของไหล
- เพื่อป้องกันแรงกระแทกของน้ำ (Water Hammer) แผนภูมิขนาดท่อสำหรับการใช้งานบางประเภทแนะนำให้ควบคุมความเร็วของการไหลไม่เกิน 1.5 เมตรต่อวินาที (4.9 ฟุตต่อวินาที)
- ติดตั้งวาล์วที่ปิดอย่างช้าๆ เพื่อลดแรงกระแทกของน้ำ
- วาล์วอากาศ (Air Valves) สามารถช่วยแก้ไขปัญหาแรงดันต่ำในจุดสูงของท่อ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพ แต่บางครั้งอาจต้องติดตั้งวาล์วจำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้อากาศเข้าสู่ระบบ ซึ่งไม่เป็นที่ต้องการ
- ลดความยาวของท่อสาขา
- ลดความยาวของท่อตรง โดยเพิ่มข้อศอกหรือข้อต่อขยาย การกระแทกของน้ำเกี่ยวข้องกับความเร็วของเสียงในของไหล และการใช้ข้อศอกสามารถลดผลกระทบจากคลื่นความดันได้
- จัดวางท่อขนาดใหญ่ในรูปแบบวงแหวนที่เชื่อมต่อกับท่อสาขาขนาดเล็ก ด้วยการวางท่อเป็นวงแหวน การไหลที่มีความเร็วต่ำจากทั้งสองด้านของวงแหวนสามารถจ่ายไปยังท่อสาขาได้
[1]
Positive Water Hammer และ Negative Water Hammer
Water Hammer สามารถแบ่งออกเป็น Positive Water Hammer และ Negative Water Hammer โดยที่การอธิบายผลกระทบของ water hammer ที่พบบ่อยจะหมายถึง Positive Water Hammer ตามที่ได้กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้านี้ ในขณะที่ Negative Water Hammer จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันภายในท่อหดตัวต่ำกว่าค่าความดันบรรยากาศ ทำให้เกิดการไหลย้อนกลับของน้ำหรือการสร้างโซนความดันต่ำภายในท่อ
การเปรียบเทียบระหว่าง Positive Water Hammer และ Negative Water Hammer:
| ลักษณะ |
Positive Water Hammer |
Negative Water Hammer |
| สาเหตุ |
การปิดวาล์วอย่างรวดเร็วหรือการหยุดการไหลอย่างฉับพลัน |
การลดลงของความดันในท่อต่ำกว่าความดันบรรยากาศ |
| ผลลัพธ์ |
การเพิ่มแรงดันในท่ออย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดคลื่นแรงดัน |
การเกิดการไหลย้อนกลับหรือการสร้างโซนความดันต่ำ |
| ผลกระทบ |
ทำให้ท่อและอุปกรณ์อาจเสียหายจากแรงดันสูง |
อาจทำให้ท่อพังหรือเกิดการเกิดอากาศในท่อ |
| การป้องกัน |
ใช้การควบคุมการปิดวาล์วหรือการติดตั้งวาล์วป้องกันการปิดกระแทก |
ใช้การติดตั้งวาล์วระบายอากาศและสุญญากาศ หรือการออกแบบท่อที่มีช่องอากาศ |
การเข้าใจความแตกต่างระหว่าง Positive Water Hammer และ Negative Water Hammer จะช่วยให้สามารถจัดการและป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในระบบท่อได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น