תקציר

המוטיבציה למחקר הנוכחי באה בעקבות מקרים אחדים שבהם היה מחבר המאמר מעורב בניתוח תופעות, שנגרמו עקב נוכחות בלתי צפויה של אוויר במערכות הולכת מים.

בקווי צינורות מוליכי מים, ובפרט בקווי לחץ מוליכי שפכים המונחים בשיפוע מורדי (כלפי מטה)\ עלולים להיווצר כיסי אוויר. הצטברות של כיסי אוויר גורמת להפסדי אנרגיה ולהקטנת הספיקה הזורמת בצינור. בצינורות אופקיים, או מונחים בשיפוע מעלי (כלפי מעלה), כל האוויר החודר למים מוסע יחד עם זרימת המים (באותו כיוון). לעומת זאת במקרים של צינור המונח בשיפוע מורדי עשוי האוויר לנוע בשני הכיוונים. ההבנה והידיעה על התנועה של הבועות וכיסי האוויר בצינורות המונחים בשיפוע מורדי חיונית עבור התכן של מיתקני איוורור של צינורות לחץ שמתקיימת בהם זרימת מים מעורבים באוויר וכדי למנוע תופעות של מכות לחץ בצינורות ובאבזרים המותקנים עליהם.

במסגרת החלק הנוכחי של המאמר מוצגת סקירה כללית של המנגנונים הגורמים לחדירת אוויר אל זרימת מים וכיצד נוצרות התופעות הבלתי רצויות של הצטברות אוויר בצינורות בעלי שיפוע מורדי. כמו-כן מוצגות מספר גישות לניתוח כמותי בסיסי של חדירת אוויר לזרימה בצינורות ולהיווצרות זרימה משולבת של אוויר עם מים בצינורות המונחים בשיפוע מורדי.

_________________________________________________________

¹ הפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית, הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל, חיפה

מבוא

בקווי צינורות מוליכי מים, ובפרט בקווי לחץ מוליכי שפכים המונחים בשיפוע מורדי (כלפי מטה), עלול לחדור אוויר; עקב מתח הפנים מים-אוויר נוצרות בועות מים שבהתלכדות שלהן (coalescence) עשויים להיווצר כיסי אוויר. הצטברות של כיסי אוויר גורמת להפסדי אנרגיה ולהקטנת הספיקה הזורמת בצינור. בצינורות אופקיים, או המונחים בשיפוע מעלי (כלפי מעלה), כל האוויר החודר למים מוסע בצורה משולבת עם זרימת המים (באותו כיוון). לעומת זאת, במקרים של צינור המונח בשיפוע מורדי , האוויר עשוי לנוע בכל אחד משני הכיונים (הן במעלה הזרימה והן במורד זרימת המים).

למען שמירת איכות הסביבה חוקקו במדינות המערב חוקים למניעת זרימות של שיטפוניות מזהמות אל מאגרי מים. הדבר הביא להקמת מכוני טיפול רבים במי שיטפונות. לפיכך, באיזורים מישוריים, כדוגמת הולנד, חלק משמעותי מהשפכים ומי השיטפונות הוזרמו אל מיתקני הטיפול באמצעות משאבות וקווי לחץ [1]. הדבר הביא לכך, שכמויות כלשהן של אוויר נכנסו אל תחנות השאיבה בכל הפסקת שאיבה, הואיל והאטמים לא הוכשרו לעמידה בתנאי לחץ שלילי. לכן, הנוכחות של אוויר בקווי הסניקה המוליכים שפכים הייתה בלתי נמנעת. התברר שכמויות האוויר שנלכדו במשאבות ובצינורות עקב ההפסקות בשאיבה הביאו לירידת האמינות של מערכות ההולכה בעת שהיה צורך בתפוקה מלאה שלהן. כיסי אוויר שנוצרו בצינורות הורידו משמעותית את כושר התפוקה של המשאבות עקב ירידת כושר ההולכה של הצינורות החסומים בכיסי אוויר.

מנגנונים עיקריים לחדירת אוויר אל זרימת מים

באיור 1 מוצגות דוגמאות אופייניות לחדירה של אוויר אל זרימות מים. הזרימות המתוארות הן מסוג של סילון צולל וזרימות נלוות [2]. מאפיין את הזרימות האלה תחום של פן-ביני שבו קיים מגע ישיר בין מים לבין אוויר. דרך הפן-הביני הזה מתרחש שטף של חדירת זרימת אוויר מהאטמוספירה אל זרימת המים. לכידת האוויר בזרימת המים נעשית בצורת בועות הניסעות מהפן-הביני עם זרימת המים. לכידת בועות המים עשויה להיות באתר מקומי כמו במקרים של סילונות צוללים או להימשך לאורך ניכר של שדה הזרימה כמו במקרים של סילון היוצא לאטמוספירה, זרימה בתעלה וכו'.