Vízütés

A vízütés vagy általánosabban folyadékütés, hidraulikus sokk, egy jellemzően csővezeték-rendszerekben fellépő, rendkívül veszélyes áramlási jelenség.^[1] Ha a csővezetékben áramló folyadék sebessége hirtelen megváltozik, vagy teljesen megszűnik, a folyadékok összenyomhatatlansága miatt egy nyomáshullám keletkezik. Ez a nyomáshullám általában jóval magasabb, mint az üzemi nyomás; így zajt, vibrációt, legsúlyosabb esetben pedig a cső, vagy a csatlakozó csőszerelvények (szelepek, tolózárak, csőkarimák) törését okozhatja. A vízütés a vezetékrendszer körültekintő működtetésével, illetve csillapítások (például légüst, vízakna) beépítésével elkerülhető, hatása csökkenthető.

A nyomáscsúcs az Allievi-Zsukovszkij-egyenlet alapján becsülhető.^[2] Pontosabb eredmények a karakterisztikák módszerével kaphatóak.^[3]

Amikor egy zárt csővezetékrendszerben áramló folyadék sebessége megváltozik; például amikor elzárnak egy tolózárat, vagy leáll egy szivattyú, az elzárás közvetlen környezetében lévő folyadékrészek elveszítik mozgási energiájukat. A csőben áramló közeg fennmaradó része azonban (amely igen tekintélyes tömegű lehet) a tehetetlenség miatt még mindig mozgásban van. A folyadékok összenyomhatatlansága miatt a lefékeződött folyadékrész nyomása meredeken megnő; ez a nyomásnövekedés egy nyomáshullám formájában elindul az áramlás irányával ellentétesen. A hullámfront hangsebességgel terjed, és oda-vissza leng a csővezetékrendszerben mindaddig, amíg a vezetékrendszer teljesen le nem csillapítja. A jelenséget hangos, kalapácsütésre emlékeztető csattanás kíséri. Ha a kialakult nyomás kellően magas, a csővezeték eltörhet, a hozzákapcsolt hidraulikus berendezések és tartószerkezetek pedig súlyosan megrongálódhatnak.

A vízütés jelenség során nyomáscsökkenés is bekövetkezhet (például a tolózár másik oldalán, ahonnan a folyadék ellentétes irányban távozik); ha a nyomás a gőznyomás alá csökken a folyadék elforr, akár a cső teljes keresztmetszetében gőzbuborékok keletkezhetnek. Amikor a nyomás ismét a gőznyomás fölé nő, a gőz kondenzálódik és folyadék fázisba tér vissza. A gőzbuborék által korábban elfoglalt helyen vákuum marad. A nyomáskülönbség mindkét oldalon felgyorsítja a folyadékot, ami beáramlik ebbe a térbe. A két folyadékoszlop (vagy, ha a cső zárt végű akkor a fal és a folyadékoszlop) ütközésének eredménye kavitáció; amely jelentős, és szinte azonnali nyomásnövekedést okoz. Egyetlen vízütés során számos kavitációs üreg képződés és összeomlás végbemehet.^[4]

Ha zárt térben robbanás történik, a gyorsan táguló gázok nyomáshullámot hoznak létre; amely a vízütéshez hasonlóan deformálhatja a tartály falát. Ilyen eset történt az SL-1 kísérleti atomreaktorban, ahol a vízalatti robbanás következtében felgyorsult víz 0,76 m emelkedés után, 49 m/s sebességgel érte el a reaktor tetejét. A 680 atm (69 000 kPa) nyomású folyadék 2,77 m magasra röpítette fel a 12 000 kg tömegű acéledényt.^[5]

Lorenzo Allievi olasz mérnök volt az első, aki sikeresen vizsgálta a vízütés problémáját.

A folyadékütés két különböző megközelítés szerint vizsgálható. A merev folyadékoszlop elmélet figyelmen kívül hagyja a folyadék kompresszibilitását és a csőfal rugalmasságát; míg a másik elmélet (teljes analízis) magában foglalja a csőfal rugalmasságát. Ha a szelep zárási ideje a csőben haladó nyomáshullám terjedési idejéhez képest hosszú (nagyobb, mint a főidő) akkor a merev folyadékoszlop elmélet használható. Főidőn belüli zárás esetén figyelembe kell venni a rugalmasságot is.^[6]

A főidő az alábbi egyenlet alapján számítható:

${\displaystyle \mathrm {T_{f}\ =\ {\frac {2\cdot L}{a}}} }$

Ahol:

• T_f - főidő
• L - a csővezeték hossza
• a - a hullámterjedés sebessége (hangsebesség)

A főidő értéke a műszaki gyakorlatban néhány másodperc körül adódik. Habár ez kellően alacsonynak tűnhet, fontos tudni, hogy az elzáró csőszerelvények karakterisztikája nemlineáris, így könnyen előfordulhat, hogy a zárás a főidőnél rövidebb idő alatt megy végbe.

A hullámterjedés sebessége folyadékokban az alábbi egyenlet alapján számítható:

${\displaystyle \mathrm {a\ =\ {\sqrt {\frac {E_{red}}{\rho }}}} }$

Ahol:

• a - a hullámterjedés sebessége (hangsebesség)
• ρ - a folyadék sűrűsége
• E_red - a redukált rugalmassági modulus:

${\displaystyle \mathrm {{\frac {1}{E_{red}}}={\frac {1}{E_{foly}}}+{\frac {D}{\delta \cdot E_{fal}}}} }$

Ahol:

• E_foly - a folyadék rugalmassági modulusa
• E_fal - a csőfal anyagának rugalmassági modulusa
• D - a cső átmérője
• δ - a csőfal vastagsága

A folyadék nyomásprofilja az Allievi-Zsukovszkij-egyenlet alapján számítható.^[7] A formula a hullámfronthoz rögzített koordináta-rendszerben, a lassuló közegre felírt impulzus-tételből és az áramlástani kontinuitási egyenletből származtatható:^[3]

${\displaystyle \mathrm {{\frac {\delta p}{\delta t}}=\rho a{\frac {\delta v}{\delta t}}} }$

Így azonnali zárás esetén a vízütés okozta maximális nyomásnövekedés:

${\displaystyle \mathrm {\Delta p=\rho a\Delta v} }$

Ahol:

• Δp - a nyomásnövekmény
• ρ - a folyadék sűrűsége
• a - a hullám terjedési sebessége (hangsebesség)
• Δv - a folyadék sebességének megváltozása

Főidőn kívüli (annál hosszabb) zárás esetén alkalmazható a merev folyadékoszlop elmélet:

${\displaystyle \mathrm {F=m\cdot a=p\cdot A=\rho LA{dv \over dt}} }$

Innen konstans lassulást feltételezve kifejezhető a nyomás:

${\displaystyle \mathrm {p=\rho vL/t} }$

Ahol:

• F = erő [N],
• m = a folyadékoszlop tömege [kg],
• a = gyorsulás (lassulás) [m/s²],
• P = nyomás [Pa],
• A = csőkeresztmetszet [m²],
• ρ = a folyadékoszlop sűrűsége [kg/m³]
• L = csőhossz [m],
• v = a folyadék sebessége [m/s],
• t = zárási idő [s].

A gyakorlati alkalmazásokhoz ötszörös biztonsági tényező javasolt.^[8]

A vízütés ellen elsődlegesen a körültekintő működtetéssel lehet védekezni, azaz az elzárószerelvények zárását a főidőnél lassabban kell elvégezni. Ez a gyakorlatban azonban nem mindig megoldható, mivel általában gyors beavatkozásra van szükség. Másrészről előfordulhat, hogy a vízütés valamely külső körülmény hatására következik be; például áramkimaradás miatt leállnak a szivattyúk. Ilyen esetekben megoldás lehet a szivattyúkra szerelt lendkerék, illetve a csővezeték nyomáscsúcsra való méretezése, ez utóbbi azonban meglehetősen drága.

Másodsorban csillapítások beépítésével lehet védekezni, melyek lecsillapítják a kialakuló folyadék-lengéseket. A vízerőművek esetében például a felduzzasztott vizet egy csővezeték-, vagy nyíltfelszínű csatornarendszer vezeti a vízturbinához, amely szükség esetén elzárható. Egy ilyen rendszer akár több kilométer hosszúságú is lehet, ennek megfelelően az áramló víz kinetikus (mozgási) energiája is hatalmas. A vízütés elkerülésének érdekében függőleges vízaknákat építenek a rendszerbe, amelyekben a cső elzárásakor felgyűlik a víz. Másképpen fogalmazva a vízakna folyadékszintje megemelkedik, ezáltal a mozgási energiát helyzeti energiává alakítja át. A víz mozgása ennek következtében lecsillapodik a csatornában.

Hasonló jó megoldás a légüst alkalmazása, amely lényegében egy zárt tartály. A nyomás növekedésekor a tartályban megnő a folyadékszint és a benne lévő levegő összenyomódik. A tartály ezzel lecsillapítja a nyomáslökést, majd a belső megnövekedett légnyomás visszanyomja a folyadékot a csőbe, és visszaáll az eredeti állapot. További megoldások még:

• Megkerülő vezeték (bypass) beépítése
• Rövidebb egyenes csövek beépítése, helyette csőlírák, és tágulási hurkok
• Víztornyok beépítése (városi vízvezeték hálózatok esetében)

• dr. Lajos Tamás. Az áramlástan alapjai (2008). ISBN 9789 6306 6382 3 

Ez a szócikk részben vagy egészben a Water hammer című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

• GEFA Water Hammer effect - A vízütés bemutatása, és a csúcsnyomás kiszámítása (videó)