Tổng quan
- Hiện tượng "búa nước" xảy ra khi các van ở hạ lưu trong đường ống đóng lại nhanh chóng, gây ra các đợt tăng áp có thể làm vỡ ống. Mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào lưu lượng nước và sự chênh lệch cột áp.
- Hiện tượng này không chỉ giới hạn ở nước, mà bất kỳ đường ống chất lỏng nào, bao gồm cả khí và chất lỏng, đều có thể gặp phải hiện tượng búa nước. Các phương pháp giảm thiểu bao gồm tháp nước và van xả áp.
- Quá trình này bao gồm sự lan truyền sóng áp suất và dao động dòng chảy của nước, cuối cùng dẫn đến việc dừng dòng chảy. Để giảm nguy cơ, tránh thay đổi đột ngột vận tốc nước trong quá trình vận hành.
1. Nguyên nhân và tác động của búa nước
1 ) Đóng van nhanh chóng
Khi một ống dẫn nước đột ngột bị đóng lại tại đầu ra (hạ lưu), khối lượng nước trước điểm đóng vẫn tiếp tục di chuyển, tạo ra áp suất cao và một sóng xung kích. Trong hệ thống ống nước gia đình, hiện tượng này được cảm nhận qua tiếng ồn lớn giống như tiếng gõ búa. Búa nước có thể làm vỡ đường ống nếu áp suất đủ cao. Các bẫy không khí hoặc ống đứng (mở ở trên) đôi khi được thêm vào làm thiết bị giảm chấn cho hệ thống nước để hấp thụ các lực có thể gây hại do dòng nước chuyển động gây ra.
2 ) Tạo chân không do đóng van
Mặt khác, khi một van ở đầu nguồn của ống đóng lại, nước ở hạ lưu van cố gắng tiếp tục chảy, tạo ra một chân không có thể khiến ống sụp đổ hoặc bị ép vỡ. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng nếu ống nằm trên một độ dốc xuống. Để ngăn chặn điều này, van xả khí và chân không hoặc lỗ thoát khí được lắp đặt ngay sau van để cho phép không khí đi vào đường ống, ngăn ngừa hiện tượng chân không xảy ra.
3 ) Sự cố máy bơm và đóng sập van một chiều
Các nguyên nhân khác gây ra hiện tượng búa nước bao gồm sự cố máy bơm và đóng sập van một chiều (do giảm tốc đột ngột, van một chiều có thể đóng sập nhanh chóng, tùy thuộc vào đặc tính động lực của van một chiều và khối lượng nước giữa van và bể chứa). Để giảm thiểu tình huống này, nên lắp đặt van một chiều chống sập vì chúng không dựa vào trọng lực hoặc dòng chảy để đóng lại. Đối với các ống thẳng đứng, các đề xuất khác bao gồm lắp đặt hệ thống ống mới có thể được thiết kế bao gồm các buồng khí để giảm bớt sóng xung kích có thể xảy ra do lưu lượng nước quá mức.
2. Các biện pháp giảm thiểu
- Giảm áp suất của nguồn cấp nước vào tòa nhà bằng cách lắp bộ điều chỉnh. Giảm vận tốc của chất lỏng.
- Để giảm thiểu hiện tượng búa nước, biểu đồ kích thước ống cho một số ứng dụng khuyến nghị vận tốc dòng chảy ở mức 1.5 m/s (4.9 ft/s) hoặc thấp hơn.
- Lắp đặt các van đóng chậm.
- Van xả khí thường cải thiện áp suất thấp tại các điểm cao trong đường ống. Mặc dù hiệu quả, đôi khi cần lắp số lượng lớn van xả khí. Những van này cũng cho phép không khí vào hệ thống, điều thường không mong muốn.
- Giảm chiều dài nhánh ống phụ.
- Giảm chiều dài của ống thẳng, tức là thêm khúc cong hoặc vòng giãn nở. Hiện tượng búa nước liên quan đến tốc độ âm thanh trong chất lỏng, và khúc cong giảm tác động của sóng áp suất.
- Sắp xếp các ống lớn thành vòng lặp để cung cấp các nhánh ống nhỏ hơn. Với hệ thống ống vòng lặp, dòng chảy có vận tốc thấp từ cả hai phía của vòng có thể phục vụ một nhánh.
3. Búa nước dương và búa nước âm
Hiện tượng búa nước được chia thành búa nước dương và búa nước âm. Thông thường, khi nhắc đến búa nước, người ta ám chỉ búa nước dương, như đã được giới thiệu ở phần trước. Trong khi đó, búa nước âm xảy ra khi áp suất bên trong ống dẫn giảm xuống dưới áp suất khí quyển, gây ra hiện tượng dòng nước chảy ngược hoặc hình thành vùng áp suất âm bên trong ống. Dưới đây là so sánh ngắn gọn giữa hai loại búa nước:
1 ) Búa nước dương (Positive Water Hammer)
Búa nước dương xảy ra khi dòng chảy của nước đột ngột dừng lại, khiến động năng của nước chuyển hóa thành áp suất, tạo ra một sóng áp lực mạnh. Bạn có thể hình dung nó như việc dòng nước bị chặn lại đột ngột, khiến nước "đập" vào thành ống, gây ra áp suất lớn. Hiện tượng này không chỉ phát ra tiếng động lớn mà còn có thể làm vỡ ống, hỏng van hoặc gây hư hại thiết bị.
Tình huống thường gặp:
• Mở hoặc đóng vòi nước trong hệ thống cấp nước gia đình
• Đóng van trong hệ thống ống dẫn công nghiệp
• Máy bơm nước trong hệ thống cấp nước đô thị đột ngột ngừng hoạt động
2 ) Búa nước âm (Negative Water Hammer)
Búa nước âm xảy ra khi dòng nước đột ngột dừng lại hoặc thay đổi hướng, dẫn đến áp suất bên trong ống giảm nhanh chóng xuống dưới áp suất khí quyển. Điều này tạo ra sóng áp suất âm, làm áp suất bên trong ống giảm đột ngột, có thể gây ra hiện tượng xâm thực (cavitation), tức là khí hòa tan hoặc hơi nước trong nước tạo thành bong bóng. Những bong bóng này sẽ sụp đổ đột ngột khi áp suất phục hồi, tạo ra các sóng xung kích mạnh, dẫn đến sự mài mòn, ăn mòn hoặc thậm chí làm vỡ thành ống.
Tình huống thường gặp:
• Hệ thống thoát nước kiểu siphon
• Hệ thống cấp nước cho các tòa nhà cao tầng
• Hệ thống tưới tiêu nông nghiệp gặp tình trạng giảm áp suất, dòng chảy ngược hoặc xâm thực.
[1]