مفهوم فشار در سیستم های هیدرولیک
در بسیاری از سیستمهای هیدرولیک، بهویژه مدارهای باز که دارای سطح آزاد آب هستند، رفتار فشار بهطور کامل توسط اختلاف ارتفاع کنترل میشود. این اختلاف ارتفاع تعیین میکند که فشار ورودی پمپ چقدر باشد، آیا مدار پر باقی بماند یا در خاموشی پمپ خالی شود، و اینکه در زمان راهاندازی چه مقدار هوا وارد سیستم شود.
در این مقاله، مفهوم فشار از ارتفاع، علت خالیشدن بخشهای بالایی لولهکشی، تأثیر این پدیده بر عملکرد پمپ، و مهمتر از همه راهحلهای عملی برای جلوگیری از ناپایداری سیستم بررسی میشود.
۱. پایهی فشار در مدارهای هیدرولیک – اختلاف ارتفاع
در مدارهایی که سطح آب در تماس با هوا است، فشار در هر نقطه از سیستم کاملاً تابع ارتفاع آن نقطه نسبت به سطح آزاد آب است. هر چه نقطه پایینتر قرار گیرد، فشار بیشتری دارد. نقطهای که در سطح آب قرار دارد، همیشه فشار صفر (نسبت به اتمسفر) دارد. هر چه از آن بالاتر برویم، فشار به سمت صفر نزدیک میشود، و هر چه پایینتر برویم، با افزایش فشار روبهرو میشویم.
این فشار طبیعی، حتی بدون وجود پمپ نیز برقرار است و پایه عملکرد سیستم را تشکیل میدهد.
۲. خالیشدن بخشهایی از مسیر لولهکشی هنگام خاموشی پمپ
وقتی پمپ خاموش میشود، جریان سیستم از بین میرود، اما فشار ناشی از اختلاف ارتفاع باقی میماند. در این وضعیت، آب در لولهها بالا و پایین میرود تا تعادل هیدرواستاتیک برقرار شود.
اگر بخشی از مسیر لولهکشی بالاتر از سطح آب قرار داشته باشد، آن مسیر بهطور طبیعی خالی میشود. این اتفاق به این دلیل رخ میدهد که فشار کافی برای نگهداشتن آب در آن نقطه وجود ندارد. نتیجهی این وضعیت:
-
ورود هوا به مدار
-
ایجاد نوسان در سطح آب
-
سختی در راهاندازی پمپ
-
احتمال خشککار کردن پمپ
-
ناپایداری کلی سیستم
این پدیده یکی از شایعترین مشکلات طراحی در مدارهای باز است.
۳. تأثیر حجم لوله و طول مسیر عمودی
اگر لوله بلند باشد یا قطر زیادی داشته باشد، حجم زیادی آب در داخل آن ذخیره میشود.
وقتی پمپ خاموش میشود، این حجم آب بهصورت یک ستون سنگین عمل میکند و باعث میشود آب با سرعت بیشتری از مسیرهای بالاتر عقبنشینی کند.
این موضوع میتواند:
-
اختلاف سطح را تشدید کند
-
خالیشدن بخشهای بالایی را تسریع کند
-
سیستم را بهشدت ناپایدار کند
بنابراین مسیرهای بلند عمودی و لولههایی با قطر زیاد باید با دقت طراحی شوند.
۴. راهحلهای عملی برای جلوگیری از خالیشدن مدار
در سیستمهایی که اختلاف ارتفاع زیاد است یا بخشهایی از لولهکشی در ارتفاع بالاتری نسبت به سطح آب قرار دارند، سه راهحل مؤثر و عملی وجود دارد:
۱) نصب یک تشت اضافی به موازات مخزن اصلی
در این روش، یک مخزن یا تشت دیگر در همان ارتفاع مخزن اصلی نصب میشود تا حجم آب در قسمت بالایی بیشتر شود.
این کار باعث میشود:
-
سطح آب پایدارتر شود
-
اختلاف سطح ناگهانی از بین برود
-
حجم ترکیبی دو مخزن بیشتر از حجم داخل لولهها شود
-
هنگام خاموشی پمپ، سطح آب کمتر سقوط کند
-
احتمال خالیشدن مسیرهای بالایی به حداقل برسد
این راهحل یکی از روشهای بسیار مؤثر برای کنترل سیستمهایی است که اختلاف ارتفاع زیاد یا لولههای عمودی بلند دارند.
۲) نصب یک شیر یکطرفه روی خط تخلیه پمپ
قرار دادن یک شیر یکطرفه روی خط تخلیه پمپ باعث میشود آب پس از خاموششدن پمپ نتواند به سمت پایین مسیر برگشت کند.
مزایای این روش:
-
جلوگیری از برگشت آب
-
جلوگیری از افت سطح ناگهانی
-
کاهش احتمال ایجاد خلأ در نقاط بالایی
-
کاهش ورود هوا به مدار
البته باید توجه داشت که شیر یکطرفه در مدارهای دارای رسوب یا دبی بالا باید بهصورت دورهای سرویس شود تا گیر نکند.
۳) استفاده از برج خنککننده تبخیری یا مدار بسته
در بسیاری از سیستمها، مشکل اصلی ناشی از این است که سطح آب در مخزن آزاد دائماً دچار نوسان میشود. استفاده از برج خنککننده تبخیری یا مدار بسته کمک میکند که سیستم کاملاً بسته و بدون سطح آزاد باشد.
مزایا:
-
حذف کامل مشکل خالیشدن مسیرهای بالایی
-
نبودن اختلاف سطح آزاد
-
کاهش ورود هوا
-
حفظ پایداری فشار
-
کاهش نیاز به هواگیریهای مداوم
این روش مناسب سیستمهایی است که اختلاف سطح زیاد و ناپایداری مداوم دارند.
۵. جمعبندی
در مدارهای هیدرولیک باز، فشار و رفتار خطوط آب بیش از هر چیز تابع اختلاف ارتفاع است. اگر بخشی از سیستم بالاتر از سطح آب قرار داشته باشد، در زمان خاموشی پمپ طبیعی است که خالی شود و سیستم هوا بگیرد. مشکلاتی مانند:
-
ناپایداری فشار
-
سختی در راهاندازی
-
خالیشدن مسیرهای بلند
-
ورود هوا به مدار
همگی نتیجهی همین اصل پایهای هستند.
اما با اجرای راهحلهای زیر میتوان سیستم را کاملاً پایدار کرد:
✔ نصب تشت اضافی به موازات مخزن
✔ استفاده از شیر یکطرفه روی خط تخلیه
✔ بهکارگیری برج خنککننده تبخیری یا سیستم بسته
این سه روش از مؤثرترین راهحلها در سیستمهای دارای اختلاف ارتفاع هستند و باعث میشوند مدار همیشه پر، پایدار و بدون هوا باقی بماند.
