太陽能熱水系統(tǒng)水錘危害和預(yù)防措施

0前言 　　在安裝太陽能熱水系統(tǒng)時，管路和閥門是必不可少的，在開關(guān)這些閥門或啟停水泵時有時會出現(xiàn)管路劇烈抖動，有時還伴有聲音，或者正常運行的太陽能熱水系統(tǒng)時常發(fā)出刺耳的響聲，這就是水錘現(xiàn)象，有些資料也稱為水擊現(xiàn)象。 　　這種現(xiàn)象會引起管道振動和噪音，嚴(yán)重時可使管道破裂泄水，造成危險和傷害，后患無窮。許多太陽能廠家代理商和用戶向筆者反映這種情況，但從筆者接觸的人當(dāng)中，真正能夠了解水錘現(xiàn)象原理的人很少，因此有必要對水錘現(xiàn)象的危害和消除方法作一下介紹。在此拋磚引玉，與各位同行或太陽能熱水器用戶共同探討水錘問題，希望對遇到此問題的人員有所幫助。 　　1水錘現(xiàn)象分析 　　在太陽能熱水系統(tǒng)管路中液體的運動狀態(tài)突然改變的情況下（例如閥門的突然關(guān)閉或突然開啟，水泵的突然啟動或停止）。由于流速突然發(fā)生迅速變化，結(jié)果由于流體慣性，必然引起管路內(nèi)壓強(qiáng)的劇烈波動，即壓強(qiáng)的突然上升與突然下降，并在整個管長范圍內(nèi)傳播。 　　壓強(qiáng)突變使管壁產(chǎn)生振動，并伴有錘擊聲，故將這種現(xiàn)象稱為管內(nèi)水錘現(xiàn)象，或水擊現(xiàn)象。當(dāng)閥門迅速關(guān)閉時，管內(nèi)流速急劇下降，壓強(qiáng)迅速上升，稱為正水錘。正水錘可能使管道爆裂。而當(dāng)閥門迅速開啟時，管內(nèi)流速急劇上升，壓強(qiáng)迅速下降，稱為負(fù)水錘。負(fù)水錘可使管道產(chǎn)生真空和汽蝕，使管道變形。以下僅以正水錘為例分析水錘產(chǎn)生的過程。 　　以太陽能儲熱水箱與供熱水管閥門之間管道為例（見圖1），有一長為L的供熱水管道，管道的另一端有一閥門，閥門后是淋浴噴頭。假定在正常供熱水的條件下，管中的流速和壓強(qiáng)分別為V0，P0。下面來分析水錘現(xiàn)象產(chǎn)生過程。 　　1. 假定時間T=0時，水流以速度V0由儲熱水箱流向閥門，此時閥門突然關(guān)閉，則緊貼閥門的薄層流體立即停止流動，由于慣性，后面的流體仍繼續(xù)流動。壓縮前面的這層流體（可想象載滿人的公共汽車急剎車），使被壓流體的壓強(qiáng)突然增大，由于壓強(qiáng)突增，引管壁膨脹，接著與其相鄰的另一層液體也停止流動，壓強(qiáng)同樣升高，這樣一層層水流相繼停止流動，結(jié)果整個管道膨脹，壓強(qiáng)由閥門開始沿逆流方向迅速升高，形成一個傳播速度為V0的波。 　　2. 在關(guān)閉閥門后T= L/ V0 時刻，管內(nèi)的流體處于靜止與被壓縮狀態(tài)，由于儲熱水箱內(nèi)的壓力一定（基本沒變），管道內(nèi)的壓強(qiáng)高于水箱內(nèi)的壓強(qiáng)，這一壓差的存在，管內(nèi)流體又以速度V0自閥門處向儲熱水箱內(nèi)倒流，倒流的結(jié)果，使壓強(qiáng)恢復(fù)到原來的p0，同時形成一個由水箱向閥門傳播速度為V0的波。 　　3. 在關(guān)閉閥門后T= 2L/ V0時刻，雖然管內(nèi)流體的壓強(qiáng)以及管壁均恢復(fù)正常，但由于慣性，流體繼續(xù)倒流，使得緊貼閥門的那層流體有脫離閥門的趨勢，其結(jié)果是使閥門處的壓強(qiáng)進(jìn)一步降低，這一降低的壓強(qiáng)對倒流流體產(chǎn)生吸引作用，結(jié)果使倒流停止，流體靜止。同時使管壁收縮，壓強(qiáng)下降，同時形成一個由閥門向水箱傳播速度為V0的波。 　　4. 在關(guān)閉閥門后T= 3L/ V0時刻，流體雖然靜止，但管道內(nèi)壓強(qiáng)低于儲熱水箱內(nèi)的壓強(qiáng)，故在這一壓差的作用下，流體再次以速度V0由水箱流向閥門處。 　　5. 在關(guān)閉閥門后T= 4L/ V0時刻，上述過程又重新開始，如此周而復(fù)始循環(huán)進(jìn)行。水錘現(xiàn)象的物理特性（見表1）。 　　以上的分析是水錘在理想情況下的產(chǎn)生過程，但在實際情況下，由于水流阻力及振動等都要消耗一些能量，因此水錘產(chǎn)生的壓強(qiáng)是逐漸削弱的。 　　2水錘的危害 　　水錘現(xiàn)象所引起的太陽能管道系統(tǒng)內(nèi)壓力迅速增高或降低，輕微時，只表現(xiàn)為噪音與振動。這種噪音若發(fā)生在室內(nèi)將影響工作或休息，使人心煩意亂；振動時會使管路的固定裝置失效，甚至使周圍設(shè)備移動。嚴(yán)重時，壓強(qiáng)變化甚至可超過管道內(nèi)原有正常壓強(qiáng)的幾十倍甚至上百倍。以致超過了管壁材料的允許應(yīng)力，造成管道和管件的變形，甚至破裂，嚴(yán)重威脅管路的安全。這將給用戶造成不好的影響，對使用太陽能熱水系統(tǒng)的安全、可靠性失去信心。 　　3水錘的消除 　　水錘現(xiàn)象的發(fā)生，對太陽能熱水系統(tǒng)管路系統(tǒng)十分有害，因此必須設(shè)法削弱它的作用，根據(jù)水錘產(chǎn)生的機(jī)理，削弱水錘的方法很多。結(jié)合太陽能熱水系統(tǒng)的具體情況，可采用以下幾方面的措施： 　　1. 延長閥門的關(guān)閥或開啟的時間，在緩慢開啟或關(guān)閉閥門的過程中并不是所有的水流都停止流動，而是一個逐漸停止的過程，這個過程中動能轉(zhuǎn)化為壓力勢能的幾率要小得多，因此可以有效的削弱水錘。 　　2. 縮短管道長度。對于太陽能熱水系統(tǒng)來說，縮短管道長度一方面可以降低成本，一方面還能有效減小水錘壓強(qiáng)，即盡量將直接水錘改變?yōu)殚g接水錘。 　　3. 限制太陽能熱水系統(tǒng)管路流速，一般最大流速應(yīng)限制在1m/s左右。 　　4. 閥門或水泵前設(shè)置溢流閥，水錘發(fā)生時，將部分液體從管道中放出，從而使水錘壓強(qiáng)降低。 　　5. 增加管道彈性，例如太陽能熱水系統(tǒng)管路中，銅管、鋁管就比鋼管有更好的防水錘性能，或采用彈性較大的軟管，如橡膠或尼龍管吸收沖擊能量，則可更明顯的減輕水錘。 　　6. 選擇合適的閥門。在石油、化工、自來水等水錘危害嚴(yán)重的行業(yè)已經(jīng)有了可以防止水錘的閥門，可以借鑒這些經(jīng)驗，研制適合太陽能熱利用行業(yè)的閥門。 　　7. 安裝膨脹罐或膨脹箱。在系統(tǒng)管路中安裝膨脹罐或膨脹箱，可以有效的吸收沖擊能量，則可明顯的消除水錘。 　　4結(jié)束語 　　水錘現(xiàn)象對太陽能熱水系統(tǒng)有著不容忽視的危害，設(shè)備廠家及太陽能熱水工程安裝企業(yè)在設(shè)計和施工時應(yīng)充分重視。有效消除水錘現(xiàn)象對提高太陽能熱水系統(tǒng)運行安全性及可靠性、減少工程售后服務(wù)的工作量、降低工程維修成本、延長太陽能熱水系統(tǒng)使用壽命、維護(hù)企業(yè)在消費者心目中的形象都有重要意義。