הלם מים

הלם מים היא תופעה של היווצרות פעימת לחץ בצנרת עקב שינוי פתאומי בזרימה. זהו גל הלם שנוצר עקב סגירה או פתיחה מהירה של מגוף. גל ההלם מתפשט בצינור ממקום ההפרעה עד קצה הצינור ובחזרה. ניתוח ראשון של התופעה בוצע על ידי ניקולאי ז'וקובסקי שפיתוח גם נוסחאות לתיאור הבעיה.

התופעה נקראת הלם מים אבל היא אופיינית לכל זורם. עליית הלחץ בקו תלויה בצפיפות הזורם לכן היא משמעותית כאשר הזורם הוא נוזל כמו מים למשל. גל הלחץ בצינור עלול לגרום נזק המתבטא בקפיצה או ברעידה של הצינור ותתכן גם פריצה של הצינור עקב עליית הלחץ. גל הלחץ דועך עם הזמן בגלל החיכוך בזרימה ובגלל אובדן אנרגיה בפעולת הזורם על הצינור.

ניתן להבחין לפעמים בהלמי מים קטנים גם במערכת חלוקת המים העירונית ובמערכת המים הביתית. אלה נובעים משינויים בזרימה עקב פתיחה או סגירה מהירים של ברזים ועקב שימוש או הפסקת השימוש במים במכשירים ביתיים כמו מדיח כלים ואו מכונת כביסה וכדומה. הכלל הוא שכאשר הצינור ארוך וזורם בו נוזל, צריך לסגור את הברז לאט כדי למנוע את תופעת הלם המים העלולה להיות הרסנית. מנתונים בסיסיים של הזורם והצינור ניתן לחשב את הזמן הקריטי שסגירה או פתיחת מגוף יגרמו לגל לחץ וגם את שיעורו אפשר לחשב. בקווי נפט גולמי או בקווי דלק שאורכם עשוי להיות מאות עד אלפי קילומטר, חשוב מאוד לדעת את זמן הסגירה הקריטי.

אם שינוי המהירות מתבצע בזמן קצר או שווה לזמן הקריטי תתקיים תופעת הלם המים. אם השינוי מתרחש בזמן הארוך בערך פי חמישה מהזמן הקריטי, ההשפעה זניחה. כדי להעריך את ההשפעה בזמן הקרוב לזמן הקריטי הפתרון הוא גרפי - אנליטי ואו פתרון נומרי לרוב בעזרת מחשב, פתרון המפורט בספרים המוצגים ברשימה לקריאה נוספת למשל ובספרים נוספים. הזמן הקריטי הוא פרק הזמן שגל הלחץ עושה את הדרך לאורך הצינור הלוך ושוב ממקום ההפרעה עד קצה הקו ובחזרה.

הזמן הקריטי לקיום התופעה:

${\displaystyle t={\frac {2.L}{a}}}$

• t - הזמן הקריטי
• L - אורך הצינור ממקום השינוי במהירות עד קצה הקו
• a - מהירות גל הלחץ לאורך הצינור

מהירות גל הלחץ נתונה על ידי הביטוי:

${\displaystyle a={\sqrt {\frac {1}{\rho ({\frac {1}{E_{v}}}+{\frac {D}{eE}})}}}}$

• E_v - האלסטיות של הנוזל הגמישות של הנוזל
• ρ - צפיפות הנוזל
• D - קוטר הצינור
• e - עובי הדופן של הצינור
• E - מודול האלסטיות של הצינור, הגמישות של הצינור

מהירות גל הלחץ בקרוב טוב בצינור מתכת דק דופן היא:

${\displaystyle a={\sqrt {\frac {E_{v}}{\rho }}}}$

מהירות גל הלחץ של מים הלחץ בצינור פלדה הוא בסביבות 1000 עד 1200 מטר בשנייה.
מהירות גל הלחץ של קיטור בלחץ נמוך בצינור פלדה הוא בסביבות 500 מטר בשנייה.

עליית הלחץ בצינור במונחים של עומד נוזל (הלחץ מתבטא בעמוד נוזל):

${\displaystyle \Delta P={\frac {a.v}{g}}}$

• P - הלחץ בצינור במושגים של עומד נוזל
• g - תאוצת הכובד
• v - שינוי מהירות הזרימה בצינור
• a - מהירות גל הלחץ

כאשר המים זרמו במהירות של 2 מטר בשנייה והמגוף נסגר במהירות, שעור עליית הלחץ הוא 200 מטר מים שהם כ-20 בר, בערך 20 אטמוספירות.

• סגירה ופתיחה איטית של המגופים.
• מכלי ריסון הרוכבים על הצינור. מכלים אלה כוללים גז דחוס בחלק העליון של המכל, היוצר כרית אוויר הבולמת את גל ההדף.
• צינורות אנכיים פתוחים לאוויר (כאשר הלחץ לא גבוה מדי ואין מניעה לחשוף את הזורם לאוויר).
• שסתומי אוויר דו-כיווניים המכניסים אוויר לצינור כאשר נוצרת בו ריקנות או פורקים נוזל כאשר הלחץ גבוה.
• התקנת גלגל תנופה במשאבה שימנע הדממה מהירה בנפילת רשת החשמל.
• מערכת מגופים מפוקדים להפניית הזרימה לתוואי חלופי לשמירת המהירות בקו עד המגוף.

• הלם בזרימה דו-פאזית של גז ונוזל. בזרימה זו פאזית עלולה להיווצר הפרדה בין הפאזה הנוזלית לבין הפאזה הגזית. תלוי בכמויות ובמהירויות החלקיות של כל פאזה, עלול להיווצר מצב שהנוזל נע בצינור במהירות הגבוהה של הגז ומכה בקשתות הצינור או בברזים סגורים או בציוד בקצה הקו כמו מכל. לפעמים משתמשים בביטוי הלם מים אף על פי שהמנגנון שונה. בתכנון של קווים בזרימה דו-פאזית משתדלים למנוע מצב כזה.
• הלם כתוצאה מרתיחה מהירה כאשר נוצר מגע בין גז או זורם חם לבין נוזל קר שיכול לרתוח. תופעה זו אופיינית בקווי קיטור הפוגשים קונדנסט קר או נוזל קר. כתוצאה מהמפגש מתבצעת רתיחה מהירה של הנוזל הקר המתפשט במהירות רבה בדומה לפיצוץ של חומר נפץ. בתופעה הזו שומעים רעש חזק הדומה לפעמים לסופת רעמים. גם בתופעה הזו משתמשים לעיתים במונח הלם מים אף על פי שהמנגנון שונה. זו הסיבה שבדרך כלל מקפידים לנקז קווי קיטור וקווי גז חם המכילים נוזל.

• דף הסבר Water Hammer
• תכנה לחישוב הלם מים - AFT Impulse