Hiện Tượng Búa Nước: Cơ Chế và Nguyên Lý

Búa nước (Water Hammer/Steam Hammer) là gì?

Bạn đã bao giờ nghe thấy tiếng “BÙM” lớn hoặc âm thanh như búa đập khi đóng/mở vòi nước quá nhanh chưa? Đó chính là hiện tượng búa nước trong hệ thống đường ống dẫn nước. Trong nhà máy, hiện tượng này có thể xảy ra khi bơm khởi động hoặc dừng đột ngột, hoặc khi van xả khí đóng nhanh.

Ngoài hệ thống đường ống nước, búa nước cũng xuất hiện trong hệ thống hơi nước và thu hồi ngưng tụ (tức hệ thống tuần hoàn nước). Loạt bài viết này sẽ tập trung vào búa nước trong hai hệ thống sau. Lưu ý rằng vì có liên quan đến hơi nước, hiện tượng này đôi khi còn được gọi là “búa hơi” (steam hammer).

Mối Nguy Hiểm Của Búa Nước

Khi hơi nước lần đầu được cung cấp vào đường ống phân phối hoặc thiết bị sử dụng hơi, bạn có thể nghe thấy tiếng “bang, bang, bang” kim loại lặp đi lặp lại, thậm chí đôi khi là một tiếng “bùm” dữ dội kèm theo rung động. Hầu hết người sử dụng hơi nước đều từng trải nghiệm hiện tượng này ít nhất một lần.

Bạn có biết búa nước nghe như thế nào không? Nghe thử tại đây.

Khi búa nước xảy ra, áp suất bên trong đường ống có thể thay đổi đột ngột trong chốc lát, lên tới hơn 10 MPa.

Lực va đập này có thể rung lắc mạnh đường ống, thiết bị hoặc vỏ máy, gây hư hỏng không chỉ gioăng ở các mối nối, mà còn có thể làm hỏng mặt bích van hoặc chính các van.

Ngay khi một bộ phận như van bị hỏng, lượng lớn hơi nước hoặc nước ngưng nóng sẽ phun ra, có thể dẫn đến tai nạn nghiêm trọng. Thậm chí đã có báo cáo về tử vong do hậu quả của búa nước. Mặc dù vậy, có rất ít nghiên cứu hoặc tài liệu đề cập đến nguyên nhân và cách phòng ngừa, khiến nhiều người sử dụng hơi nước lúng túng trong việc xử lý vấn đề này.

Các Vị Trí Xảy Ra Búa Nước (Búa Hơi) Theo Từng Loại

Cơ Chế Của Búa Nước

Búa nước trong hệ thống hơi và thu hồi ngưng tụ thường được chia thành hai loại chính:

1. Búa nước do nước ngưng di chuyển tốc độ cao va đập vào đường ống
2. Búa nước do hơi ngưng tụ đột ngột, tạo ra các “bức tường” nước ngưng đâm vào nhau

Búa nước do nước ngưng tốc độ cao

Sự thất thoát nhiệt bức xạ khiến nước ngưng hình thành bên trong đường ống dẫn hơi. Hơi nước di chuyển ở tốc độ cao sẽ cuốn theo nước ngưng và tạo ra các gợn sóng. Từ sự hỗn loạn này, các khối nước ngưng (slugs) dần hình thành và bị cuốn theo dòng hơi. Hiện tượng này tương tự như sóng lớn được tạo ra bởi gió mạnh.

Trong trường hợp này, búa nước xảy ra khi các khối nước ngưng này va vào chỗ uốn cong hoặc van khi di chuyển trong đường ống.

Búa nước do hơi ngưng tụ đột ngột

Khi hơi nước mất nhiệt, nó ngưng tụ thành nước, với thể tích giảm hơn 1000 lần so với hơi. Do đó, khi hơi tiếp xúc với nước ngưng lạnh hơn và ngưng tụ, thể tích của nó gần như biến mất ngay lập tức.

Trong quá trình ngưng tụ, không gian mà hơi chiếm giữ tạm thời trở thành chân không, khiến nước ngưng trong đường ống ồ ạt tràn vào. Đây chính là loại búa nước thứ hai, gọi là “búa nước do hơi”, xảy ra khi các “bức tường” nước ngưng này đâm vào nhau.

Do đó, việc đường ống chứa hỗn hợp nước ngưng lạnh và hơi nước là rất nguy hiểm. Tuy nhiên, đây lại là điều phổ biến trong đường ống thu hồi nước ngưng, khiến loại búa nước này khó phòng ngừa.

Mặc dù loại búa nước do các túi hơi này chỉ xảy ra trong hệ thống thu hồi nước ngưng, nhưng búa nước cũng xuất hiện trong đường ống phân phối hơi và thiết bị sử dụng hơi khi nước ngưng không được xả nhanh (gọi là “búa nước do nước ngưng”).

Cả hai loại búa nước trên đều có thể tạo ra lực va đập mạnh, nhưng búa nước do hơi thường xảy ra với cường độ lớn hơn.

Video dưới đây là cảnh quay thực tế do TLV ghi lại, cho thấy búa nước do hơi xảy ra trong đường ống thu hồi nước ngưng trong suốt. Hiện tượng này có thể xảy ra khi các túi hơi sụp đổ trong đường ống thu hồi nước ngưng.

Nhiệt Độ Nước Ngưng Ảnh Hưởng Thế Nào Đến Búa Nước?

Trước đây, người ta tin rằng nước ngưng càng lạnh thì búa nước càng mạnh. Tuy nhiên, các thí nghiệm của TLV đã phát hiện một sự thật đáng ngạc nhiên: Lực va đập mạnh nhất xảy ra khi nhiệt độ nước ngưng chỉ thấp hơn hơi nước một chút.

Cụ thể, ở nhiệt độ hơi nước 100°C, nước ngưng trong khoảng 70°C–80°C gây ra búa nước mạnh hơn so với nước ngưng ở 50°C–60°C.

Thực tế, lực va đập do búa nước có thể được tính toán bằng công thức toán học, và kết quả cho thấy mối quan hệ mật thiết giữa cường độ búa nước và thể tích hơi ngưng tụ (gọi là “túi hơi”).

Nhìn kỹ vào biểu đồ, có thể xác định ba vùng nhiệt độ nước ngưng:

1. Vùng bên trái biểu đồ: Hơi tiếp xúc với nước ngưng lạnh và ngưng tụ ngay lập tức. Trường hợp này, quá trình ngưng tụ xảy ra ở quy mô bong bóng hơi nhỏ, không hình thành các “túi hơi” lớn, nên chỉ gây ra búa nước nhỏ.
2. Vùng giữa biểu đồ (đáng lo ngại nhất): Do chênh lệch nhiệt độ nhỏ (20–30°C) giữa nước ngưng và hơi, hơi không ngưng tụ ngay mà từ từ. Quá trình này sẽ đạt đến điểm mà đột ngột toàn bộ hơi ngưng tụ. Sự chậm trễ này cho phép hình thành các túi hơi lớn hơn, dẫn đến búa nước mạnh hơn.
3. Vùng bên phải biểu đồ: Hơi tiếp xúc với nước ngưng cùng nhiệt độ, không ngưng tụ ngay và búa nước không xảy ra. Điều này có thể thấy rõ ở đầu ra của bẫy hơi, nơi nước ngưng bão hòa cùng tồn tại với hơi thứ (flash steam) ở cùng nhiệt độ.

Chúng ta đã biết rằng nước ngưng ở 70°C–80°C làm tăng kích thước “túi hơi” và gây ra búa nước mạnh nhất. Vậy điều gì kích hoạt quá trình này? Tìm hiểu thêm trong bài viết: “Búa Nước: Nguyên Nhân và Vị Trí”.

Bạn đang gặp vấn đề với búa nước? Các kỹ sư chuyên gia về hơi nước của chúng tôi có thể hỗ trợ.

Liên hệ ngay!

Nguồn: TLV
Người dịch: Thanh Dương