Ο μεγάλος Αριστοτέλης, λέει στα Πολιτικά του: η καλλίτερη πολιτεία είναι η γεωργική, εκεί δηλαδή που οι περισσότεροι ζουν από την γεωργία και την κτηνοτροφία "βέλτιστος γάρ δήμος ο γεωργικός εστιν, όπου ζει το πλήθος από γεωργίας ή νομής" . Και καταλήγουμε με μία διάσημη φράση, και πάλιν του Αριστοτέλους, η οποία θα έπρεπε να υπάρχει ως προμετωπίδα σε όλες τις ανώτατες και ανώτερες γεωπονικές ή γεωργικές σχολές τις Χώρας: "Πασών των επιστημών μήτηρ τε καί τροφός Γεωργία εστί."

Πέμπτη, 5 Ιουνίου 2014

Επίλυση δικτύων μεταφοράς νερού για άρδευση

Γράφουν οι: 
Ιωάννης Σταθακόπουλος 
Μιχαήλ Κατριτζιδάκης 



Γενικά

Τα σύγχρονα συστήματα μεταφοράς και εφαρμογής νερού για την άρδευση των καλλιεργειών και των χώρων πρασίνου λόγω της μεγάλης εξοικονόμησης νερού που προσφέρουν έχουν καθιερωθεί ως τα πιο αποδοτικά και τα πιο εύκολα στη χρήση με πολλαπλά οικονομικά οφέλη τόσο για τον χρήστη όσο και για την οικονομία της χώρας γενικότερα.
Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από δίκτυα κλειστών αγωγών μεταφοράς και εφαρμογής διαφόρων διαμέτρων, στα οποία εφαρμόζονται εξαρτήματα ελέγχου  και διάθεσης του νερού στις υπό άρδευση περιοχές καθώς και εξαρτήματα προστασίας των εν λόγω δικτύων.

Έννοια του δικτύου

Από υδραυλικής άποψης το Δίκτυο (network) είναι ένα σύστημα αγωγών που μεταφέρει νερό. Υπάρχουν διάφορα είδη δικτύων μεταφοράς νερού όπως:
  • Δίκτυo διανομής (distribution network): Σύστημα αγωγών που παραλαμβάνει το νερό από ολιγάριθμες πηγές (σημεία εισόδου) και το οδηγεί προς πολλαπλά σημεία προορισμού (σημεία εξόδου) 
  • Ακτινωτό δίκτυο (branched network): Όπου τροφοδοτείται από ένα μοναδικό σημείο (κεφαλή), στο οποίο δεν σχηματίζονται κλειστές διαδρομές αγωγών (βρόγχοι). Κάθε σημείο εξόδου τροφοδοτείται μέσω μια μοναδικής διαδρομής.
  • Βρογχωτό δίκτυο (looped network). Όπου τροφοδοτείται από ένα ή περισσότερα σημεία, στο οποίο σχηματίζονται κλειστές διαδρομές αγωγών. Σε κάθε σημείο οδηγούν άνω της μια διαδρομές, με αφετηρία μια από τις κεφαλές του δικτύου.  
Διάταξη Δικτύων μεταφοράς νερού για Άρδευση

Ένα δίκτυο μεταφοράς νερού για άρδευση ουσιαστικά αποτελεί ένα σύστημα αγωγών υπό πίεση, που παραλαμβάνει το νερό από κάποια πηγή (Υδροληψία)  και το μεταφέρει μέσω αυτών, με την απαιτούμενη πίεση και παροχή, στο χρόνο που χρειάζεται, στην περιοχή ή στις περιοχές που πρόκειται  να εφαρμοσθεί.
Κάθε αρδευτικό δίκτυο που λειτουργεί υπό πίεση αποτελείται από
  • την πηγή υδροληψίας, (γεώτρηση)
  • τους αγωγούς που μεταφέρουν το νερό από την πηγή προς μια δεξαμενή ρύθμισης ή αποθήκευσης,
  • το αντλιοστάσιο για την εξασφάλιση της απαιτούμενης κάθε φορά παροχής και πίεσης λειτουργίας του δικτύου,
  • το δίκτυο των κλειστών αγωγών μεταφοράς του νερού από το αντλιοστάσιο ή απευθείας από την πηγή υδροληψίας προς τα όρια των περιοχών άρδευσης
  • τις επιμέρους υδροληψίες στα όρια των περιοχών άρδευσης, και  
  •  τους αγωγούς λήψης και μεταφοράς του νερού από τις παραπάνω υδροληψίες προς τους αγωγούς εφαρμογής εντός των αρδευόμενων περιοχών.
Απαιτήσεις λειτουργίας αρδευτικών δικτύων

Οι βασικές λειτουργικές απαιτήσεις ενός δικτύου άρδευσης είναι αφενός η εξασφάλιση της απαιτούμενης παροχής σε κάθε σημείο του, αφετέρου η διατήρηση της πίεσης εντός των αποδεκτών ορίων, καθώς και  η σε ορισμένες περιπτώσεις εξίσωση της παροχής της υδροληψίας  και της αρδευτικής κατανάλωσης.
Ειδικότερα:
  • Εξασφάλιση της απαιτούμενης παροχής σε κάθε σημείο του δικτύου με ικανοποιητική ταχύτητα νερού κατά το δυνατό στο όριο μεταξύ 0,5-1,5 m/sec.
  • Εξασφάλιση της απαιτούμενης πίεσης στους αγωγούς μεταφοράς και εφαρμογής του νερού για την ικανοποίηση ομαλής λειτουργίας της άρδευσης.
  • Περιορισμός των μέγιστων πιέσεων για την προστασία του δικτύου.
  • Εξαγωγή αέρα από τους αγωγούς μεταφοράς και εφαρμογής
  • Προστασία των αγωγών από υδραυλικό πλήγμα.
Σχεδιασμός των δικτύων μεταφοράς νερού 

Για τον ορθό σχεδιασμό ενός δικτύου μεταφοράς νερού πρέπει να λαμβάνονται υπόψη:
  • η μορφολογία της περιοχής,
  • οι κλίσεις κατά μήκος των αγωγών μεταφοράς,
  • οι υψομετρικές διαφορές μεταξύ των διαφόρων θέσεων του δικτύου,
  • το σχήμα των υπό άρδευση περιοχών καθώς και
  • η διάταξη αλλά και οι ανάγκες των αρδευόμενων φυτών ή καλλιεργειών.
Τα βασικά προβλήματα των κλειστών αγωγών υπό πίεση και συνεπώς των δικτύων μεταφοράς νερού αφορούν σε αυτά που δημιουργούνται λόγω μεγάλων πιέσεων ή ακόμη και αυτών που δημιουργούνται λόγω υποπιέσεων.
Έτσι κατά το σχεδιασμό είναι σημαντική η ορθή επιλογή των διαμέτρων των αγωγών καθώς και των διαφόρων εξαρτημάτων για την προστασία του δικτύου.  

Βασικές Έννοιες Υδραυλικής 

Κατά τον σχεδιασμό ενός δικτύου μεταφοράς νερού ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που πρέπει να αντιμετωπίζεται με προσοχή είναι οι υδραυλικοί υπολογισμοί, γιατί αυτοί καθορίζουν την αποδοτικότητα καθώς και το αρχικό αλλά και λειτουργικό κόστος εγκατάστασης. Μια συνοπτική γνώση των βασικών αρχών και σχέσεων υδραυλικής είναι απαραίτητη ώστε το τελικό αποτέλεσμα της μελέτης ενός συστήματος να είναι αξιόπιστο χωρίς λειτουργικά και δαπανηρά λάθη. Έτσι παρακάτω επιδιώκουμε μια σύντομη περιγραφή των απαραίτητων στοιχείων για τους υδραυλικούς υπολογισμούς που περιλαμβάνονται μεταξύ άλλων σε μια μελέτη ενός δικτύου μεταφοράς νερού για άρδευση.  

Βαθμός Ροής η χωρητικότητα

Είναι η μάζα / βάρος ή ο όγκος ενός υγρού που κινείται σε μια ορισμένη χρονική στιγμή.
Στα προβλήματα κλειστών αγωγών η ροή σε σχέση με το χώρο και το χρόνο διακρίνεται σε μόνιμη και μη μόνιμη.
Μόνιμη ροή παρουσιάζεται όταν η ταχύτητα παραμένει σταθερή σε όλα τα σημεία και αμετάβλητη με το χρόνο (μπορεί όμως να μεταβάλλεται με την θέση).
Μη μόνιμη ροή παρουσιάζεται όταν η ταχύτητα μεταβάλλεται σε όλα τα σημεία με το χρόνο.
Με τον όρο υδραυλικό πλήγμα χαρακτηρίζονται τα φαινόμενα υπερπίεσης που αντιστοιχούν  σε μη μόνιμη ροή.
Ανάλογα με την ταχύτητα του νερού διακρίνονται δύο τύποι ροής.
Για μικρές ταχύτητες η ροή θεωρείται στρωτή ενώ για μεγαλύτερες ταχύτητες η ροή είναι τυρβώδης. Στα πρακτικά προβλήματα κλειστών αγωγών υπό πίεση η ροή είναι τυρβώδης. Ο αριθμός Reynolds αποτελεί το κριτήριο για την διάκριση της ροής σε στρωτή και τυρβώδη.

   
Όπου: V= ταχύτητα ροής στον αγωγό σε m/s
          D= η διάμετρος του αγωγού σε m
          v= ο συντελεστής ιξώδους του ρευστού 

Η στρωτή ροή εμφανίζεται σε τιμές αδιάστατου αριθμού Reynolds μικρότερες του 2320.
H τυρβώδης ή στροβιλώδης ροή εμφανίζεται όταν οι τιμές του αριθμού Reynolds είναι μεγαλύτερες από 4.000 έως 6.000.
Η μονάδα που αφορά τη ροή ορίζεται ως η αναλογία του όγκου ενός υγρού που περνάει μέσα από μια σταθερή διατομή, σε ένα σταθερό χρόνο, έτσι ώστε Q=m3/sec.
Η Ροή ενός υγρού μέσα σε ένα σύστημα είναι πολύ σημαντική, και οποιαδήποτε απόκλιση της επιδρά στην αλλαγή της ταχύτητας του υγρού.
Η ροή ορίζεται από την ακόλουθη εξίσωση:
Q=Α*V όπου:
Α= η επιφάνεια μιας υγρής διατομής σε m2  
Ν= η ταχύτητα του υγρού σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο
Q= ροή σε m3/sec

Ταχύτητα ροής 

Σοβαρός παράγοντας κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος μεταφοράς νερού αποτελεί η ταχύτητα ροής του. Όλοι οι υδραυλικοί υπολογισμοί στα κλειστά δίκτυα μεταφοράς νερού έχουν σαν απαραίτητη παραδοχή ότι η ροή του νερού είναι σταθερή και μόνο τότε ισχύουν. Η ταχύτητα βρίσκεται είτε λύνοντας τον παραπάνω τύπο ως προς V είτε από σχετικά νομογραφήματα απωλειών πιέσεως.   

Πίεση 

Είναι η δύναμη που επιδρά ανά μονάδα περιοχής ή επιφανείας. Ειδικότερα στην  περίπτωση του νερού η  Πίεση είναι η δύναμη που δέχεται ένα σημείο ή μια περιοχή  από το νερό που βρίσκεται πάνω του δηλαδή το βάρος της υπερκείμενης στήλης νερού. Επειδή το βάρος που δέχεται το σημείο ή η περιοχή είναι συνάρτηση του ύψους του στήλης νερού, μετράται είτε σε μέτρα (10 μέτρα=1 ΑΤΜ = 1 bar)  είτε σε βάρος (1kg/cm2 = 1ατμ).
Ο γενικός τύπος της πίεσης σε μια επιφάνεια είναι:
Ρ=Β/Α=W*E/A  όπου
Ρ= πίεση σε ΑΤΜ
Β= Βάρος σε gr
W= όγκος σε cm3
Ε= Ειδικό βάρος υγρού.
Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι κανένα υγρό δεν περιέχει καμία εσωτερική δύναμη. Η κίνηση του νερού συμβαίνει μόνο από μια περιοχή υψηλότερης πίεσης σε μια χαμηλότερη. 

Στατική πίεση
Είναι η πίεση σε κάποιο σημείο όταν δεν υπάρχει ροή.

Πίεση Λειτουργίας (Δυναμική πίεση)

 Σαν πίεση λειτουργίας καθορίζεται η πίεση σε ένα σημείο ενός δικτύου όταν μια δεδομένη ποσότητα νερού (παροχή) κινείται σε αυτό.

Πυκνότητα ρ 

Είναι η σχέση μεταξύ της μάζας του υγρού και του όγκου του. Η μονάδα για την πυκνότητα ορίζεται ως η μάζα (κιλό) που περιέχεται σε ένα καθορισμένο όγκο (m3) και είναι κιλό/m3  

Ειδικό βάρος 

Είναι ο λόγος της πυκνότητας ενός υγρού σε σχέση με αυτόν του νερού, το νερό έχει  το ειδικό βάρος της μονάδας.   

Ιξώδες 

Είναι η ικανότητα ροής ενός υγρού, είναι το μέτρο της εσωτερικής τριβής του υγρού ή της αντίστασης του στη ροή.  

Απώλειες Πίεσης

Κατά την κίνηση του νερού σε ένα σύστημα κλειστών αγωγών  αναπτύσσονται δυνάμεις τριβής οι οποίες οφείλονται στην επαφή των μορίων του με το στερεό τοίχωμα των αγωγών. Η κατάσταση αυτή έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της συνολικής ενέργειας του νερού λόγω των απωλειών που δημιουργούνται εξαιτίας των τριβών. Με άλλα λόγια η μείωση της ενέργειας του νερού που παρατηρείται σε ένα σύστημα κλειστών αγωγών που οφείλεται στις δυνάμεις τριβής μεταξύ των μορίων του νερού και του τοιχώματος του σωλήνα ονομάζεται απώλεια πίεσης λόγω τριβών.
Το ύψος των απωλειών αυτών είναι συνάρτηση της ταχύτητας του νερού V, της πυκνότητας ρ, του ιξώδους του νερού, της διαμέτρου D του αγωγού και της τραχύτητας του.
Στις υδραυλικές εφαρμογές οι τιμές της ενέργειας έχουν μονάδες μήκους συνεπώς και οι όποιες απώλειες λόγω τριβών εκφράζονται με τις ίδιες μονάδες (μέτρα μήκους) για αυτό και ονομάζονται και γραμμικές απώλειες.
Για τον υπολογισμό των απωλειών ενέργειας σε κλειστούς αγωγούς υπό πίεση έχουν αναπτυχθεί διάφορες εξισώσεις των οποίων οι πιο γνωστές παρουσιάζονται παρακάτω:
Εξίσωση των Darcy - Weisbach
Εξίσωση των Colebrook - White
Εξίσωση των Haazen - Williams

Εξίσωση των Darcy- Weisbach

Η εξίσωση αυτή θεωρώντας την ροή μέσα σε κλειστούς αγωγούς ως μόνιμη σταθερή ροή  αποδίδει το γραμμικό ύψος των απωλειών hf, συναρτήσει ενός συντελεστή τριβής f.
Η μαθηματική έκφραση της εξίσωσης ισχύει για στρωτή και τυρβώδη ροή και έχει ως εξής:
hf = f*(L*V2/D*2g) όπου:
f= ο συντελεστής τριβών
L= μήκος αγωγού (m)
D= η διάμετρος της διατομής του αγωγού (m)
u= η ταχύτητα ροής στον αγωγό (m/sec)
g= η επιτάχυνση της βαρύτητας και είναι ίση με 9,81m/sec2
Επειδή όπως είπαμε και παραπάνω στα υδραυλικά προβλήματα των κλειστών αγωγών ο αριθμός Re >4000 η ροή είναι τυρβώδης και τις περισσότερες φορές πλήρως τυρβώδης (Re>6000). Για τον λόγο αυτό ο συντελεστής τριβών f υπολογίζεται από την ημιεμπειρική σχέση των ColebrookWhite:
  

Όπου:
όπου Re ο αριθμός Reynolds της ροής (= V D / ν)
 και ν το ιξώδες  του νερού, το οποίο είναι ίσο με 0,001519 kg/m*s
Εναλλακτικά, για τον υπολογισμό των γραμμικών απωλειών  χρησιμοποιείται η προσεγγιστική σχέση Haazen - Williams:

hf = 10.675 L Q1.852/c1.852D4.87όπου

c αδιάστατος συντελεστής απωλειών.

Δεδομένου ότι τα δίκτυα άρδευσης σχεδιάζονται με ορίζοντα πολλών  ετών >20, οι τιμές εφαρμογής των συντελεστών τραχύτητας πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τη γήρανση των αγωγώνελάχιστη αποδεκτή ισοδύναμη τραχύτητα, με την προϋπόθεση νερού που δεν προκαλεί διάβρωση ή επικαθήσεις, λαμβάνεται ks = 0.1 mm.
Στη συνήθη περίπτωση πλαστικών αγωγών, με την υπόθεση ότι αναμένονται φαινόμενα διάβρωσης ή επικαθήσεων, συστήνεται ks = 1.0 έως 2.0 mm.

Οι τιμές του συντελεστή c κατά Haazen- Williams κυμαίνονται από 140 για λείους, καλά ευθυγραμμισμένους αγωγούς έως 90 ή 80 για παλιούς, φθαρμένους αγωγούς. Η τυπική τιμή για πλαστικούς αγωγούς είναι c = 100-105.      

Υδραυλικό Πλήγμα
Όπως αναφέραμε και παραπάνω  με τον όρο υδραυλικό πλήγμα χαρακτηρίζονται τα φαινόμενα υπερπίεσης που αντιστοιχούν  σε μη μόνιμη ροή.
Το υδραυλικό πλήγμα προκαλείται από τις υποπιέσεις ή τις υπερπιέσεις που δημιουργούνται στα δίκτυα μεταφοράς νερού σε τυχόν μεταβολές στην παροχή τους και παρατηρείται με:
  • Το ξεκίνημα και σταμάτημα των αντλιών
  • Την μεταβολή ροής από το κλείσιμο μιας βάνας
  • Την παρουσία θυλάκων αέρα στο δίκτυο
  • Το σταμάτημα συσκευών κατά την άρδευση
  • Την σπάσιμο ενός αγωγού
Διακοπή ροής από το κλείσιμο μιας βάνας-σταμάτημα συσκευών
Η απότομη μεταβολή ροής ή απότομη διακοπή κοντά στο σημείο αυτό, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση των τιμών της ταχύτητας αυξάνοντας συγχρόνως την πίεση μέσα στο σύστημα.
Η αύξηση και η ελάττωση των τιμών αυτών της ταχύτητας ροής πρακτικά μεταφράζεται αρχικά με την μεταφορά κυμάτων υποπίεσης και στην συνέχεια υπερπίεσης. Το φαινόμενο αυτό συνεχίζεται μέχρι την μείωση των ισχυρών αυτών δυνάμεων οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν την θραύση των αγωγών του δικτύου, ενώ ο χρόνος που διαρκεί  η μεταφορά των κυμάτων καθορίζεται από το μήκος του δικτύου, τη διατομή και το υλικό του αγωγού, την παροχή και τις κλίσεις του εδάφους.
Η μαθηματική σχέση υπολογισμού της διάδοσης του κύματος υποπίεσης υπερπίεσης στον αγωγό δίνεται από τον παρακάτω τύπο του Allievi:
α= √g/ε(1/Εν+1/Εσ*d/s*c)

Όπου:

  • G   :  η επιτάχυνση της βαρύτητας (9,81 m2/sec)
  • Eν  : μέτρο ελαστικότητας του νερού (2,1χ108 kg/m2 )
  • Eσ. : μέτρο ελαστικότητας του σωλήνα (Για PVC 3X1χ108    kg/m2 )
  • ε    : Ειδικό βάρος νερού σε θερμοκρασία 5ο C (1000 kg/m3 )
  • s    : Πάχος τοιχώματος σωλήνα (m)
  • d    : Εσωτερική διάμετρος σωλήνα (m)
  • c    : Συντελεστής που εξαρτάται από τον λόγο του Poisson.          
 Στην περίπτωση των ΡΕ σωλήνων είναι 0,4


Ο χρόνος που διαρκεί κατά την μεταφορά κυμάτων υποπίεσης και υπερπίεσης, δίνεται από την σχέση 
 Τκ=2*L/a
Όπου:
α είναι η ταχύτητα μετάδοσης του κύματος υποπίεσης και υπερπίεσης
L είναι του μήκος του αγωγού
Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις:
1)    Ο χρόνος διακοπής της ροής να είναι  μικρότερος από την ταχύτητα μεταφοράς του κύματος δηλαδή Τ<2 span="">L
Στην περίπτωση αυτή η υπερπίεση υπολογίζεται από τον τύπο του Joukowsky:
Δρ=α*ΔV/g
 όπου:
Το ΔV είναι η μεταβολή της ταχύτητας και το ύψος της υπερπίεσης εξαρτάται από το υλικό και τα χαρακτηριστικά του αγωγού (διάμετρος, πάχος τοιχώματος, μέτρο ελαστικότητας).
2)    Ο χρόνος διακοπής της ροής να είναι μεγαλύτερου του χρόνου μετάδοσης του κύματος Τ>2L
Στην περίπτωση αυτή η υπερπίεση εξαρτάται μόνο από το μήκος του αγωγού και ισχύει ο τύπος των Micheud-Marchetti:
 Δρ=2* L/ g* ΔV/T

Ξεκίνημα ή σταμάτημα αντλίας
Με το ξεκίνημα ή το σταμάτημα μιας αντλίας παρατηρείται  αύξηση ή πτώση της ταχύτητας στον αγωγό και επομένως υψηλές τιμές  πίεσης ή υπερπίεσης στην έξοδο και χαμηλές τιμές πίεσης ή υποπίεσης στην είσοδο. Το μέγεθος της υπερπίεσης στο δίκτυο εξαρτάται από τον ρυθμό αύξησης των στροφών της αντλίας αλλά και την θέση των βαλβίδων στο δίκτυο.
Στις φυγοκεντρικές αντλίες το ξεκινημά τους συνήθως γίνεται με την βάνα κλειστή  και επομένως το μέγεθος της υπερπίεσης εξαρτάται πολλές φορές και από την απόσταση ανάμεσα στη βάνα και την αντλία. Γι αυτό και τοποθετούμε τις βάνες σχεδόν αμέσως στην έξοδο της ώστε το L να είναι μικρό.
Επίσης πρόβλημα κυμάτων πίεσης στις αντλίες μπορεί να δημιουργηθεί και από την ανάστροφη ροή, (ροή από την έξοδο προς την είσοδο) με αποτέλεσμα την περιστροφή της αντλίας σε διεύθυνση αντίθετη από την κανονική. Έτσι στην έξοδο της αντλίας τοποθετείται βάνα που επιτρέπει την ροή μόνο προς την κανονική διεύθυνση ενώ σε αντίθετη προκαλεί κλείσιμο της βάνας και απομόνωση της αντλίας.   

Σπάσιμο αγωγού
Πολλές φορές στο σύστημα μπορεί να παρουσιαστεί σπάσιμο ενός αγωγού με αποτέλεσμα νερό να αρχίσει διαρρέει από την σπασμένη σχισμή του. Στο σημείο εκείνο αναπτύσσεται αρνητικό κύμα πίεσης που μεταδίδεται μέσα στον αγωγό το οποίο με την σειρά του δημιουργεί θύλακες αέρα μέσα σε αυτόν, μερικές φορές και χιλιόμετρα μακριά από το σημείο σπασίματος του. Η κατάρρευση τέτοιων θυλάκων λόγω των κυμάτων μπορεί να προκαλέσουν σοβαρές ζημιές σε άλλα τμήματα του συστήματος.  

Αντιπληγματική Προστασία-Αντιμετώπιση πλήγματος
Η αντιπληγματική προστασία του δικτύου επιτυγχάνεται είτε με μείωση του μεγέθους της αύξησης πίεσης την στιγμή που γίνεται, είτε με την εξουδετέρωση της διαφοράς πίεσης που δημιουργήθηκε.
Στην πρώτη περίπτωση και με δεδομένη την πίεση λειτουργίας του δικτύου επιλέγουμε για την πρόληψη του φαινομένου είτε αγωγούς μεγαλύτερης διαμέτρου είτε αγωγούς με μεγαλύτερη πίεση αντοχής.
Στην δεύτερη περίπτωση θεραπεύουμε το φαινόμενο αναφορικά με την αύξηση της πίεσης  στο δίκτυο λόγω απότομου κλεισίματος της βάνας αυξάνοντας το χρόνο κλεισίματος ώστε να είναι μεγαλύτερος από τον χρόνο μετάδοσης του κύματος.
Γενικά η αντιμετώπιση των υπερπιέσεων σε ένα σύστημα βασίζεται στην απορρόφηση της ενέργειας του κύματος υπερπίεσης ή την ανακούφιση του με μηχανικά μέσα ή διαρροή νερού. 
Η ύπαρξη πιεστικών δοχείων σε διάφορες κατηγορίες αντλιών, η τοποθέτηση βαλβίδων μια κατεύθυνσης ροής στην έξοδο τους, η πρόβλεψη για την τοποθέτηση στο σύστημα των αγωγών βαλβίδων εξαερισμού, και τέλος η πρόβλεψη για την τοποθέτηση βαλβίδων ανακούφισης σε κατάλληλα σημεία του δικτύου που ανοίγουν όταν η πίεση  ξεπεράσει τα προκαθορισμένα όρια, ελευθερώνοντας ένα μέρος του νερού εκτονώνοντας έτσι το πλήγμα, είναι μερικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση του φαινομένου.   
   
Αερισμός Δικτύων

Γενικά
Η ύπαρξη, υπό διαλυμένη μορφή, μιας μικρής ποσότητας αέρα στο νερό μέσα σε ένα σύστημα αγωγών, είναι  δεδομένη και κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες  επιθυμητή  Τα προβλήματα παρουσιάζονται όταν η ποσότητα του αέρα που υπάρχει ή συσσωρεύεται μέσα σε ένα δίκτυο είτε δεν ελέγχεται καθόλου είτε ελέγχεται ανεπαρκώς.
Εισαγωγή αέρα σε ένα δίκτυο άρδευσης γίνεται είτε μέσω ανοιχτών πηγών λήψης νερού, οπότε έτσι συμπαρασύρονται μεγάλες ποσότητες αέρα, είτε κατά την ροή από ένα μερικώς γεμάτο τμήμα αγωγού σε ένα πλήρως γεμάτο τμήμα του, είτε όταν διάφορα εξαρτήματα του δικτύου είναι ελαττωματικά, είτε όταν οι βαλβίδες βρίσκονται σε θέση διακοπής της ροής (θέση στραγγαλισμού).   

Ροή του αέρα μέσα στους αγωγούς 

Όπως είπαμε και παραπάνω μικρές ποσότητες αέρα εμφανίζονται στο νερό με την μορφή φυσαλίδων.
Οι φυσαλίδες μικρές ή μεγάλες κατανέμονται σε όλη την διατομή ενός αγωγού. Οι μεγάλες ποσότητες αέρα δημιουργούν μεγάλα θυλάκια που συσσωρεύονται και κινούνται κατά μήκος της εσωτερικής επιφάνειας του και μάλιστα σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι τόσο μεγάλα που μπορεί να γεμίζουν ολόκληρο τμήμα αγωγού. Αν μάλιστα συμβαίνει και  η τραχύτητα του αγωγού να είναι μεγάλη τότε μπορεί να προκληθεί ακόμη και διακοπή της ροής ανεξάρτητα από το αν η ταχύτητα της είναι μεγάλη.
Σε στατικές καταστάσεις ροής νερού ο αέρας συσσωρεύεται στα υψηλότερα σημεία του ενώ όταν υπάρχει ροή ο αέρας κατευθύνεται στα χαμηλότερα και συσσωρεύεται κατά μήκος του αγωγού, στις άκρες και στα διάφορα εξαρτήματα του δικτύου. 

 Οφέλη από την ελεγχόμενη παρουσία αέρα 

Η παρουσία του αέρα υπό την μορφή πολύ μικρών φυσαλίδων ομοιόμορφα κατανεμημένων μέσα στο δίκτυο  αυξάνει την ελαστικότητα του νερού με αποτέλεσμα τη μείωση της έντασης του πλήγματος που παρατηρείται από το κλείσιμο μιας βάνας, αλλά και αποφυγή των θραύσεων αγωγών, λόγω αρνητικής πίεσης, κατά την εκκένωση τους, αφού αφενός τα ελεγχόμενα θυλάκια αέρα λειτουργούν σαν ελατήρια που απορροφούν το υδραυλικό πλήγμα, αφετέρου γεμίζουν τον εκκενούμενο αγωγό.
Με άλλα λόγια η παρουσία πολλές φορές αέρα μέσα στο σύστημα το προστατεύει και από τα φαινόμενα υπερπίεσης αλλά και από τα φαινόμενα αρνητικής πίεσης.

Κίνδυνοι από την συσσώρευση αέρα στα δίκτυα

Όπως αναφέραμε ο αέρας που εισάγεται ελεύθερα μέσα σε έναν αγωγό συσσωρεύεται, κάτω από συνθήκες έλλειψης ροής στα υψηλότερα σημεία των αγωγών με την μορφή αεροθυλάκων παρεμποδίζοντας την ροή. Σε συνθήκες κανονικής ροής η κίνηση των θυλάκων αέρα γίνεται από τα υψηλότερα σημεία στα χαμηλότερα με αποτέλεσμα η κίνηση αυτή να μετακινεί μεγάλες ποσότητες νερού προκαλώντας μεταβολές στην ταχύτητα ροής του νερού και κατά συνέπεια την δημιουργία τοπικών φαινομένων υπερπίεσης (τοπικά πλήγματα).
Ο παγιδευμένος αέρας, σε δίκτυα που τροφοδοτούνται από αντλητικό συγκρότημα μειώνει την αποδοτικότητα τους λόγω απαίτησης μεγαλύτερης ενέργειας για την άντληση μικρότερων ποσοτήτων νερού, ενώ σε δίκτυα βαρύτητας, η επίδραση του είναι ακόμη μεγαλύτερη λόγω έλλειψης πίεσης για την υπερνίκηση της αντίστασης των θυλάκων αέρα. Η λειτουργική αποδοτικότητα των αντλιών μειώνεται με την ύπαρξη αέρα και κατά την αναρρόφηση. Πολλές φορές διακόπτεται η λειτουργία της αντλίας όταν παρατηρείται αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας και μείωση της ονομαστικής παροχής της.   
Σε μεταλλικούς αγωγούς μπορεί να προκληθεί διάβρωση τους καθώς οι μεταβολές στην θερμοκρασία και την πίεση προκαλούν απελευθέρωση ελευθέρων ιόντων  οξυγόνου υπό την μορφή μικροσκοπικών φυσαλίδων. 
Η ανεξέλεγκτη συσσώρευση αέρα σε ένα δίκτυο, λόγω της πολύ μικρής συμπιεστότητας του νερού αφενός, και αντίθετα της πολύ μεγάλης του αέρα αφετέρου, σε περίπτωση θραύσης αγωγού η ενέργεια που απελευθερώνεται από τον αέρα είναι πολλαπλάσια της ενέργειας του νερού και κατά συνέπεια την πρόκληση σοβαρών κινδύνων τόσο για τα εξαρτήματα του δικτύου όσο και για την ζωή ατόμων.    
Τέλος η ύπαρξη αέρα στα δίκτυα πέραν των άλλων δημιουργεί προβλήματα ανάγνωσης των στοιχείων παροχής και ταχύτητας στα διάφορα όργανα του δικτύου και επιταχύνει την φθορά τους. 

Περιορισμός της συσσώρευσης και έλεγχος της παρουσίας αέρα στα δίκτυα 

Για τον έλεγχο των προβλημάτων της παρουσίας αέρα στο σύστημα των κλειστών αγωγών χρησιμοποιούνται διάφορες συσκευές ελέγχου (βαλβίδες εξαερισμού), οι οποίες άλλωτε μπορούν και απελευθερώνουν μικρές ποσότητες αέρα που είναι δυαλυμένος μέσα στον αγωγό όταν το δίκτυο βρίσκεται υπό πίεση (αυτόματες βαλβίδες εξαερισμού), άλλοτε να εξάγουν μεγάλες ποσότητες αέρα κατά την πλήρωση αλλά και να εισάγουν μεγάλες ποσότητες αέρα κατά την εκκένωση του δικτύου (κινητικές), και άλλοτε να εκπληρώνονται και οι τρεις λειτουργίες με την χρήση μιας βαλβίδας (διπλής ενεργείας).

Θέση τοποθέτησης των βαλβίδων εξαερισμού στο δίκτυο

Σε ένα δίκτυο η σωστή επιλογή των θέσεων  που θα τοποθετηθούν οι βαλβίδες εξαερισμού είναι πολύ σημαντική για την αποφυγή όλων των προβλημάτων που αναφέραμε.  
Βαλβίδες εξαερισμού τοποθετούνται συνήθως όταν  αυξάνονται ή μειώνονται οι κλίσεις των αγωγών, ακριβώς μετά τις συσκευές ρύθμισης πίεσης (μειωτές πίεσης), πριν την τοποθέτηση υδρομέτρων, όταν παρατηρείται αλλαγή διατομής αγωγών, σε διαβάσεις αγωγών πάνω από διάφορα τεχνικά έργα, στα αντλιοστάσια για την απελευθέρωση του αέρα, σε συστήματα φιλτραρίσματος του δικτύου στο ανώτερο επίπεδο του συστήματος και τέλος σε μεγάλου  μήκους αγωγούς, με σταθερές κλίσεις (ανοδικές, καθοδικές ή μηδενικές), κάθε 500 μέτρα.        

Μελέτη - Επίλυση δικτύων μεταφοράς νερού για άρδευση

Γενικά

Τα δίκτυα μεταφοράς νερού για άρδευση χώρων πρασίνου από υδραυλική άποψη  κατατάσσονται στα  ακτινωτά δίκτυα δηλαδή στα δίκτυα όπου υπάρχει ένας κεντρικός αγωγός μεταφοράς και δευτερεύοντες αγωγοί που καταλήγουν σε επιμέρους υδροληψίες για την άρδευση των φυτών.  Αν θεωρήσουμε το δίκτυο ως ένα εννοιολογικό σύστημα, τα σημεία του δικτύου όπου υπάρχουν σημεία εισροής ή εκροής νερού, ή αλλαγή της γεωμετρίας του δικτύου ή μεταβολής των χαρακτηριστικών των αγωγών τα ονομάζουμε κόμβους (κόμβοι μπορεί να θεωρηθούν οι διάφορες θέσεις των φρεατίων ελέγχου άρδευσης ΦΕΑ), ενώ κάθε στοιχείο μεταφοράς νερού μήκους L τα ονομάζουμε κλάδους.
Η μελέτη και επίλυση κάθε φορά ενός δικτύου μεταφοράς νερού για άρδευση δεν είναι μονοσήμαντη και πραγματοποιείται μέσω διαφορετικών συνδυασμών των υδραυλικών παραμέτρων του όπως της διαμέτρου των αγωγών, της παροχής, και του πιεζομετρικού φορτίου. Είναι προφανές ότι οι διαφορετικές λύσεις που προκύπτουν από διαφορετικούς συνδυασμούς οδηγούν και σε διαφορετικό κόστος εγκατάστασης.
Με άλλα λόγια κατά την επίλυση του δικτύου ένας μελετητής αυτό που επιζητά είναι η βέλτιστη διατύπωση των μαθηματικών μεθόδων που αναφέρονται   στην βέλτιστη υδραυλική λειτουργία των συνιστωσών του δικτύου αφενός, και αφετέρου στην ανάλυση του κόστους αποτελεσματικότητας των επιλεγμένων  κάθε φορά «τεχνικών οδών» για την επίλυση του ως συνάρτηση του κόστους εγκατάστασης και της αποτελεσματικότητας που αυτές αντιπροσωπεύουν.
Τα έργα ρύθμισης πίεσης (αντλητικά συγκροτήματα-ρυθμιστές πίεσης), τα έργα αποθήκευσης του νερού (δεξαμενές) τα έργα μεταφοράς νερού (αγωγοί μεταφοράς), οι διάφορες συσκευές ρύθμισης της ροής (δικλείδες, βαλβίδες), κ.λ.π αποτελούν τις βασικές συνιστώσες ενός δικτύου.
Από άποψη κόστους την κύρια συμβολή  στην διαμόρφωση του κόστους εγκατάστασης ενός δικτύου έχουν οι αγωγοί μεταφοράς χωρίς να παραλείπεται και η συμβολή των υπολοίπων στοιχείων στην τελική διαμόρφωση του.

Μελέτη - Επίλυση

Το σύνηθες πρόβλημα που αντιμετωπίζει ένας μελετητής κατά την εκπόνηση μιας μελέτης ενός συστήματος αγωγών μεταφοράς νερού για άρδευση είναι ο υπολογισμός των διαμέτρων των σωλήνων που θα τοποθετηθούν.
Έτσι τα ελάχιστα απαιτούμενα  δεδομένα που πρέπει είτε να έχει στην διάθεση του, είτε απαιτείται να τα απεικονίσει και να τα υπολογίσει ο ίδιος προκειμένου να προβεί στην διαστασιολόγηση του δικτύου είναι :
  • Η θέση της υδροληψίας και το υψόμετρο της θέσης.
  • Η Διαθέσιμη παροχή της θέσης υδροληψίας
  • Η χάραξη του δικτύου δηλαδή η όδευση των αγωγών καθώς και τα σημεία, οι θέσεις και τα υψόμετρα των ΦΕΑ του δικτύου.
  • Το ελάχιστο απαιτούμενο πιεζομετρικό φορτίο σε κάθε ΦΕΑ, δηλαδή το απαιτούμενο πιεζομετρικό φορτίο που προκύπτει από την λειτουργία των ΦΕΑ.
  • Το απαιτούμενο πιεζομετρικό φορτίο στην αρχή του δικτύου λαμβάνοντας υπόψη την ικανοποίηση των απαιτήσεων σε πίεση λειτουργίας των ΦΕΑ
  • Οι παροχές σε κάθε κλάδο του δικτύου. Οι παροχές των κλάδων του δικτύου υπολογίζονται με βάση τις απαιτήσεις των ΦΕΑ.
Κατά την διαδικασία της διαστασιολόγησης ο μελετητής θα πρέπει να έχει υπόψη ότι:
  • Η επιλογή μικρότερης διαμέτρου σημαίνει μειωμένο κόστος σε σχέση με την εγκατάσταση ενός αγωγού μεγαλύτερης διαμέτρου. Από την άλλη μειωμένη διάμετρος σημαίνει μεγαλύτερη ταχύτητα ροής. Μεγαλύτερη ταχύτητα ροής σημαίνει μεγαλύτερος κίνδυνος πρόκλησης πληγμάτων και καταστροφών αγωγών ή συσκευών του δικτύου με αποτέλεσμα επί πλέον κόστος για την αποκατάσταση των προκληθέντων ζημιών.
  • Το ύψος ταχύτητας ροής στον αγωγό το οποίο θα πρέπει να κυμαίνεται στο όριο μεταξύ 0,5-1,5 m/sec.
  • Η αντοχή των αγωγών σε πίεση θα πρέπει να αυξάνεται προκειμένου να υπερκαλύπτεται τα ύψος της υπερπίεσης λόγω πλήγματος.
Έτσι λοιπόν με βάση όλα τα παραπάνω ο μελετητής ακολουθεί τα παρακάτω βήματα:
Προσδιορίζονται οι παροχές και οι απαιτήσεις σε πίεση λειτουργίας για κάθε ΦΕΑ θεωρώντας ότι η παροχή ζήτησης μοιράζεται, όσο αυτό είναι δυνατό εξίσου, στην αρχή και στο τέλος των κλάδων. Χαράσσεται η πιεζομετρική γραμμή του δικτύου των ΦΕΑ (ΤΡΙΤΕΥΟΝ ΔΙΚΤΥΟ ΑΡΔΕΥΣΗΣ) ώστε κατά την επιλογή των διαμέτρων των αγωγών να λαμβάνεται υπόψη και η κλάση τους. Στην πράξη η παροχή σε έναν αγωγό μεταφοράς και διανομής του νερού μεταβάλλεται σε όλο το μήκος του.
Στη φάση αυτή πρέπει να υπολογισθούν οι ενεργειακές απαιτήσεις του δικτύου μεταφοράς στην είσοδο του, δηλαδή να υπολογισθεί το πιεζομετρικό φορτίο, ώστε στην συνέχεια να μπορούν να είναι γνωστοί οι περιορισμοί σε πίεση. Έτσι ξεκινώντας από το σημείο λήψης νερού και έχοντας γνωστά τα μεγέθη και τις απαιτήσεις των ΦΕΑ, υπολογίζονται οι απώλειες των κλάδων του δικτύου μέχρι τα πιο απομακρυσμένα και δυσμενή σημεία του προσθέτοντας σε αυτές ή αφαιρώντας από αυτές την υψομετρική διαφορά από το σημείο λήψης του νερού. Το αποτέλεσμα που προκύπτει θα είναι το πιεζομετρικό φορτίο στην είσοδο του αγωγού.    
Με βάση λοιπόν τις απαιτήσεις των ΦΕΑ προσδιορίζονται οι παροχές ανά κλάδο του δικτύου. Οι υπολογισμοί αρχίζουν από το δίκτυο εφαρμογής και στο τέλος προκύπτει η παροχή του κεντρικού αγωγού βαδίζοντας από τα κατάντη προς τα ανάντη.
Με βάση τις παροχές των κλάδων προσδιορίζεται η ελάχιστη διάμετρος και κλάση με κριτήριο την ικανοποίηση των περιορισμών για την ταχύτητα (0,5-1,5 m/sec) αλλά και την ικανοποίηση αντοχής σε πίεση λειτουργίας του δικτύου. Η διάμετρος που επιλέγεται από τον περιορισμός της ταχύτητας, και της πίεσης προκύπτει από τις εσωτερικές διαμέτρους αγωγών του εμπορίου.
0,5≤ 4Qd2 ≥1.5
Για το δίκτυο που διαμορφώθηκε ελέγχεται αν οι πιέσεις που αναπτύσσονται ικανοποιούν τους περιορισμούς της πίεσης αφενός αφετέρου αν η επιλεγείσα διάμετρος αντέχει στις διαμορφούμενες υπερπιέσεις για την αντιμετώπιση  των πληγμάτων.
Ο ενεργειακός υπολογισμός αρχίζει από το σημείο λήψης του νερού (θέση γεώτρησης) λαμβάνοντας υπόψη το υψόμετρο θέσης του. Από το σημείο αυτό υπολογίζονται οι απώλειες μέχρι το πρώτο ΦΕΑ. Στις απώλειες αυτές προστίθενται και οι απαιτήσεις του ΦΕΑ σε πίεση καθώς και η υψομετρική διαφορά μεταξύ των δύο θέσεων. Σε περίπτωση που σε κάποιο κλάδο η πίεση είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την επιτρεπτή επιλέγεται νέα διάμετρος κεντρικού αγωγού και επαναλαμβάνονται οι υπολογισμοί.
Ο έλεγχος αυτός γίνεται για όλες τις θέσεις των ΦΕΑ του δικτύου και τελειώνει όταν έχουν ελεγχθεί όλες οι θέσεις των ΦΕΑ ως προς τους περιορισμούς που αναφέραμε δηλαδή, ταχύτητα, πίεση, υπερπίεση.  
Τέλος χαράσσεται η πιεζομετρική γραμμή του δικτύου και με αυτόν το τον τρόπο είναι γνωστό το πιεζομετρικό φορτίο στην είσοδο κάθε ΦΕΑ.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου