太阳能热水系统水锤危害和预防措施

0前言 　　在安装太阳能热水系统时，管路和阀门是必不可少的，在开关这些阀门或启停水泵时有时会出现管路剧烈抖动，有时还伴有声音，或者正常运行的太阳能热水系统时常发出刺耳的响声，这就是水锤现象，有些资料也称为水击现象。 　　这种现象会引起管道振动和噪音，严重时可使管道破裂泄水，造成危险和伤害，后患无穷。许多太阳能厂家代理商和用户向笔者反映这种情况，但从笔者接触的人当中，真正能够了解水锤现象原理的人很少，因此有必要对水锤现象的危害和消除方法作一下介绍。在此抛砖引玉，与各位同行或太阳能热水器用户共同探讨水锤问题，希望对遇到此问题的人员有所帮助。 　　1水锤现象分析 　　在太阳能热水系统管路中液体的运动状态突然改变的情况下（例如阀门的突然关闭或突然开启，水泵的突然启动或停止）。由于流速突然发生迅速变化，结果由于流体惯性，必然引起管路内压强的剧烈波动，即压强的突然上升与突然下降，并在整个管长范围内传播。 　　压强突变使管壁产生振动，并伴有锤击声，故将这种现象称为管内水锤现象，或水击现象。当阀门迅速关闭时，管内流速急剧下降，压强迅速上升，称为正水锤。正水锤可能使管道爆裂。而当阀门迅速开启时，管内流速急剧上升，压强迅速下降，称为负水锤。负水锤可使管道产生真空和汽蚀，使管道变形。以下仅以正水锤为例分析水锤产生的过程。 　　以太阳能储热水箱与供热水管阀门之间管道为例（见图1），有一长为L的供热水管道，管道的另一端有一阀门，阀门后是淋浴喷头。假定在正常供热水的条件下，管中的流速和压强分别为V0，P0。下面来分析水锤现象产生过程。 　　1. 假定时间T=0时，水流以速度V0由储热水箱流向阀门，此时阀门突然关闭，则紧贴阀门的薄层流体立即停止流动，由于惯性，后面的流体仍继续流动。压缩前面的这层流体（可想象载满人的公共汽车急刹车），使被压流体的压强突然增大，由于压强突增，引管壁膨胀，接着与其相邻的另一层液体也停止流动，压强同样升高，这样一层层水流相继停止流动，结果整个管道膨胀，压强由阀门开始沿逆流方向迅速升高，形成一个传播速度为V0的波。 　　2. 在关闭阀门后T= L/ V0 时刻，管内的流体处于静止与被压缩状态，由于储热水箱内的压力一定（基本没变），管道内的压强高于水箱内的压强，这一压差的存在，管内流体又以速度V0自阀门处向储热水箱内倒流，倒流的结果，使压强恢复到原来的p0，同时形成一个由水箱向阀门传播速度为V0的波。 　　3. 在关闭阀门后T= 2L/ V0时刻，虽然管内流体的压强以及管壁均恢复正常，但由于惯性，流体继续倒流，使得紧贴阀门的那层流体有脱离阀门的趋势，其结果是使阀门处的压强进一步降低，这一降低的压强对倒流流体产生吸引作用，结果使倒流停止，流体静止。同时使管壁收缩，压强下降，同时形成一个由阀门向水箱传播速度为V0的波。 　　4. 在关闭阀门后T= 3L/ V0时刻，流体虽然静止，但管道内压强低于储热水箱内的压强，故在这一压差的作用下，流体再次以速度V0由水箱流向阀门处。 　　5. 在关闭阀门后T= 4L/ V0时刻，上述过程又重新开始，如此周而复始循环进行。水锤现象的物理特性（见表1）。 　　以上的分析是水锤在理想情况下的产生过程，但在实际情况下，由于水流阻力及振动等都要消耗一些能量，因此水锤产生的压强是逐渐削弱的。 　　2水锤的危害 　　水锤现象所引起的太阳能管道系统内压力迅速增高或降低，轻微时，只表现为噪音与振动。这种噪音若发生在室内将影响工作或休息，使人心烦意乱；振动时会使管路的固定装置失效，甚至使周围设备移动。严重时，压强变化甚至可超过管道内原有正常压强的几十倍甚至上百倍。以致超过了管壁材料的允许应力，造成管道和管件的变形，甚至破裂，严重威胁管路的安全。这将给用户造成不好的影响，对使用太阳能热水系统的安全、可靠性失去信心。 　　3水锤的消除 　　水锤现象的发生，对太阳能热水系统管路系统十分有害，因此必须设法削弱它的作用，根据水锤产生的机理，削弱水锤的方法很多。结合太阳能热水系统的具体情况，可采用以下几方面的措施： 　　1. 延长阀门的关阀或开启的时间，在缓慢开启或关闭阀门的过程中并不是所有的水流都停止流动，而是一个逐渐停止的过程，这个过程中动能转化为压力势能的几率要小得多，因此可以有效的削弱水锤。 　　2. 缩短管道长度。对于太阳能热水系统来说，缩短管道长度一方面可以降低成本，一方面还能有效减小水锤压强，即尽量将直接水锤改变为间接水锤。 　　3. 限制太阳能热水系统管路流速，一般最大流速应限制在1m/s左右。 　　4. 阀门或水泵前设置溢流阀，水锤发生时，将部分液体从管道中放出，从而使水锤压强降低。 　　5. 增加管道弹性，例如太阳能热水系统管路中，铜管、铝管就比钢管有更好的防水锤性能，或采用弹性较大的软管，如橡胶或尼龙管吸收冲击能量，则可更明显的减轻水锤。 　　6. 选择合适的阀门。在石油、化工、自来水等水锤危害严重的行业已经有了可以防止水锤的阀门，可以借鉴这些经验，研制适合太阳能热利用行业的阀门。 　　7. 安装膨胀罐或膨胀箱。在系统管路中安装膨胀罐或膨胀箱，可以有效的吸收冲击能量，则可明显的消除水锤。 　　4结束语 　　水锤现象对太阳能热水系统有着不容忽视的危害，设备厂家及太阳能热水工程安装企业在设计和施工时应充分重视。有效消除水锤现象对提高太阳能热水系统运行安全性及可靠性、减少工程售后服务的工作量、降低工程维修成本、延长太阳能热水系统使用寿命、维护企业在消费者心目中的形象都有重要意义。