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May 26, 2023

Come prevenire la condensa

Condensation-induced water hammer (CIWH) is the term commonly used when

Colpo d'ariete indotto dalla condensazione (CIWH) è il termine comunemente usato per descrivere una varietà di transitori che si verificano quando il vapore acqueo viene rapidamente condensato dall'acqua fredda. Questo articolo descrive i vari tipi e le cause del CIWH, spiega come stimare le velocità e le pressioni coinvolte e fornisce ai lettori soluzioni che possono essere utilizzate per prevenirlo.

Il vapore e l'acqua liquida in una tubazione non sempre funzionano bene insieme. Le situazioni in cui vengono inaspettatamente messi in contatto possono essere instabili. Un transitorio idraulico è un evento a breve termine innescato da un rapido cambiamento nella velocità o nella pressione del flusso del tubo. L'evento genera impulsi di pressione che viaggiano come onde a valle e a monte rispetto al loro punto di origine. Gli impulsi colpiscono e si riflettono sulle ostruzioni mentre viaggiano attraverso il tubo. Ciò produce un rumore martellante e movimenti del tubo simili a calci. Per riferirsi a questi transitori si usa genericamente il termine "colpo d'ariete" anche quando sono coinvolti altri liquidi e gas.

Il vapore acqueo è vapore umido. Se aggiungi calore ad una quantità di acqua al punto di ebollizione, inizierà a trasformarsi (vaporizzare) da liquido in vapore. Se continui ad aggiungere calore, il liquido e il vapore rimarranno alla stessa temperatura finché tutto il liquido non verrà convertito in vapore. Questo è noto come condizioni sature. Si dice che una tubazione che trasporta contemporaneamente gas e acqua liquida contiene un flusso bifase.

Se l'acqua calda satura in un tubo subisce una diminuzione della pressione, inizierà a vaporizzare. Si formeranno piccole bolle di vapore. Queste bolle sono galleggianti, quindi tendono a sollevarsi e a raccogliersi nelle tasche nei punti più alti. È inoltre possibile creare sacche se la geometria del tubo isola una quantità di vapore durante il riempimento o l'arresto del sistema. Ad esempio, il vapore può rimanere intrappolato in una curva a U verticale se entrambi i montanti vengono bloccati dall'acqua durante il riempimento.

Un liquido si dice sottoraffreddato se si trova ad una temperatura inferiore alla temperatura di saturazione per una determinata pressione. Se una sacca di vapore entra in contatto con un liquido sottoraffreddato, inizierà a condensare al confine vapore/liquido. Il tasso di condensazione aumenta all'aumentare della differenza di temperatura. Quando la differenza di temperatura è maggiore di circa 35°F, tutto il vapore si condenserà improvvisamente. Il vapore occupa molto più spazio di un liquido; pertanto, viene creato un vuoto di bassa pressione. L'acqua che circonda la tasca accelererà nel vuoto. Questa implosione avviene in una frazione di secondo. La velocità (VI, ft/sec) dell'acqua che avanza appena prima dell'impatto viene ridotta a zero al momento dell'impatto e può essere calcolata come mostrato nell'Equazione 1:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

dove α è la frazione dei vuoti (prudenzialmente circa 0,5); gc è la costante gravitazionale (32,2 ft-lbm/sec2-lbf); e ρ è la densità del fluido (lbm/ft3). La pressione in una tasca di vapore (PD) è la pressione del vapore corrispondente alla temperatura dell'acqua circostante. Poiché la distanza percorsa è molto piccola, l'attrito ha un effetto minimo e viene trascurato.

Il brusco cambiamento di velocità genera un impulso di pressione del colpo d'ariete. La velocità dell'impulso mentre viaggia attraverso il tubo è la velocità acustica (sonica) (c, ft/sec) e può essere calcolata utilizzando l'equazione 2:

c = √(( 144 gc sol / ρ ) / ( 1 + ( sol / mi ) φ ))

dove G è il modulo di comprimibilità del liquido (psi); E è il modulo di elasticità del tubo (psi); φ è un parametro delle condizioni al contorno del tubo, che per un tubo a parete sottile fissato su entrambe le estremità è D/t; dove D è il diametro interno del tubo (pollici); e t è lo spessore del tubo (pollici). L'intrappolamento dell'aria ridurrebbe la velocità.

L'impulso di pressione massimo teorico (∆P, psi) può essere trovato utilizzando la familiare equazione del colpo d'ariete "Joukowski", mostrata qui come Equazione 3:

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

dove la variabile k è 1,0, se il collasso della sacca di vapore avviene vicino a una superficie dura come un vicolo cieco di un tubo o una valvola chiusa, altrimenti k = 0,5. Si noti che ΔP non è la pressione totale, ma è l'aumento o la diminuzione rispetto alla pressione in stato stazionario esistente prima del transitorio.